管狀裝藥燃氣發生器工作壓強研究

喻 峰，周福祥

(江南機電設計研究所，貴州 貴陽 550025)

0 引言

裝填式管狀藥柱的燃氣發生器[1]工作時理論上是恒定壓強，但在很多型號研制初期會出現壓強持續升高或者后半段持續下降等現象，小直徑燃氣發生器出現的頻率更高。壓強過高會對結構安全性本不存在燃氣沖刷前端限燃層導致脫落。而后端燃氣流會加速到10～50 m/s，當限燃層粘貼工藝有缺陷或不穩定時，燃氣發生器[2-3]后端限燃層受燃氣流沖刷導致局部脫落可能性較大。推進劑持續燃燒產生的氣流對脫落的限燃層持續沖擊，限燃層持續脫落，因此本文只考慮后端面限燃層脫落情況。理論上在燃燒過程中，后端限燃層何時脫落、起始脫落位置等多種形式導致壓強多種變化。另外，由于兩端包覆的管狀藥柱內外圓均是燃燒面，相對來說，內圓空腔體積較大，點火器燃氣流首先點燃內圓燃面，外圓燃面相對滯后。由此帶來的內外圓燃速差異導致總燃面與理論不符，因此壓強趨勢與理論存在差異。本文主要分析以上兩種情況產生燃面及壓強變化的原因，研究結果表明該分析方法能有效評判試驗壓強異?，F象，對改進藥柱和燃氣發生器結構設計提供理論依據。

1 裝藥模型及性能參數

以某項目燃氣發生器為例，其裝藥結構如圖1所示，推進劑[4]燃面為管型藥柱，兩端粘貼限燃層，內外圓表面燃燒。

推進劑性能參數如下：

(1)推進劑燃速：15 mm/s(P=10 MPa)；

(2)壓力指數：0.3；

(3)特征速度：1250 m/s；

(4)密度：1.6 g/cm3。

2 限燃層脫落

2.1 假設條件

為了便于研究機理，主要考慮三種狀態，形式為后端面外圓限燃層脫落、后端面內圓限燃層脫落、后端面內外圓限燃層同時脫落，其脫落位置在藥柱內外圓與限燃層搭接處。假設脫落狀態如下：

(1)點火沖擊瞬間，限燃層出現局部脫落，即燃面燃燒零時刻即存在限燃層脫落，脫落長度為5 mm；

(2)限燃層持續脫落速度與推進劑燃速相同，且沿徑向方向延伸；

(3)限燃層與裝藥沿圓周徑向均勻脫落。

2.2 外圓限燃層脫落

推進劑總燃面變化過程包括四個燃面，分別為內孔燃面、外孔燃面、后端面直段燃面和圓弧段燃面。隨著燃面推移，燃面變化過程有以下四個階段，如圖2所示。

(1)零時刻，有三個燃面參與燃燒，內孔燃面、外孔燃面和后端直段燃面；

(2)隨著燃燒持續，后端面分化成直段燃面和圓弧燃面，直段燃面逐步減小，圓弧段燃面逐步增大，內孔燃面處于增面過程，外孔燃面處于減面過程；

(3)隨著外孔直徑逐漸減小，后端直線段燃面消失，后端圓弧段燃面、內孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面處于減面過程；

(4)當內孔燃面逐漸推移至與圓弧燃面相交時，后端限燃層完全脫落，后端圓弧燃面開始減小，內孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面仍然處于減面過程，直至內外圓孔燃面相交，燃燒結束。

2.3 內圓限燃層脫落

內孔限燃層脫落燃面推移過程與外孔一樣，如圖3所示，只是限燃層脫落起始位置不同。

2.4 內外圓限燃層同時脫落

此燃面變化過程包括六個燃面，內孔燃面、外孔燃面、內孔直段燃面、內孔圓弧段燃面、外孔直段燃面、外孔圓弧段燃面，如圖4所示。

隨著燃面推移，燃面變化過程如下：

(1)零時刻有四個燃面參與燃燒，內孔燃面、外孔燃面、內孔直段燃面、外孔直段燃面。

(2)隨著燃燒持續，后端內孔分化成內孔直段燃面和圓弧燃面，后端外孔分化成外孔直段燃面和圓弧燃面；內、外孔的直段燃面逐步減小，圓弧段燃面逐步增大；內孔燃面處于增面過程，外孔燃面處于減面過程。

(3)隨著內、外孔直徑逐漸減小，后端內、外孔直線段燃面消失，內、外孔圓弧段燃面處于增面過程，內孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面處于減面過程。

(4)當內、外孔燃面逐漸推移至與內、外孔圓弧燃面相交時，后端限燃層完全脫落，內、外孔圓弧燃面開始減小，內孔燃面仍然處于增面過程，外孔燃面仍然處于減面過程，直至內、外圓孔燃面相交，燃燒結束。

2.5 燃面和壓強變化

從圖1到圖4中可以看出，當管狀藥后端面限燃層脫落后引起的燃面變化情況。起始燃面由于存在限燃層局部脫落，燃面緩慢變小，當后端面直段燃面消失后，圓弧段燃面逐漸增大，總燃面逐步抬升，當限燃層全部脫落后，圓弧段燃面急劇下降，導致總然面下降，直到燃燒結束。內孔限燃層脫落和外孔限燃層脫落，總燃面相近，內外孔同時脫落帶來的燃面變化較大，根據燃面計算的燃燒室平衡壓強如圖5所示。

3 內外圓燃速差異

固體火箭發動機工作原理為點火器工作產生初始高溫高壓燃氣，燃氣迅速流經推進劑表面使推進劑開始燃燒，因此燃燒室內推進劑起始燃燒面與裝藥燃面形狀有很大的關系。大多數燃氣發生器裝藥形式為裝填式管型藥柱，為了增加裝藥量，藥柱外圓與燃燒室內壁絕熱層間隙較小，一般情況下間隙不大于3～5 mm，藥柱內圓腔體是燃燒室最大的自由空間。當燃氣發生器使用單根管型藥柱時，點火器位于藥柱內圓內，點火燃氣流瞬間占據內孔空間，從而首先點燃內圓表面推進劑。由于外圓與殼體間隙很小，點火燃氣流到燃燒室后封頭反流回殼體間隙，外圓裝藥表面才開始逐漸燃燒，此時間隙處的外圓表面燃燒由于溫度、流量、流速形成的工況與內圓空腔環境大相徑庭，裝藥表面燃速受到較大的影響，因此建壓過程較為緩慢。由于內、外圓裝藥燃速差異，導致燃面推移變化，最終影響燃氣發生器燃燒室壓強。

3.1 假設條件

根據以上機理，仍用上述藥柱結構建立燃速模型，推理單根管型藥柱燃面推移，從而預示燃燒室壓強。

(a)推進劑燃速理論值為15 mm/s。

(b)內圓推進劑燃速在0.2 s建壓過程中，燃速從零逐漸增加到15 mm/s，外圓間隙處推進劑燃速從零增加到穩定燃速的一半，即7.5 mm/s。

(c)建壓完畢后，外圓燃速持續增加，直至達到穩定燃速。

3.2 燃面和壓強變化

理論模型不考慮建壓過程，管狀型藥柱(前后端面限燃)燃面恒定不變，因此燃面和壓強沒有變化。由于內、外圓燃速差異導致內、外圓燃面推移發生變化，在建壓過程中，外圓燃速偏低，燃面變化小導致流量偏??；建壓完成后，外圓仍然提升燃速，直到某時刻達到穩態燃燒，相比理論設計，總燃面呈逐步加大趨勢，如圖6所示。

理論燃速15 mm/s，工作時間1.7 s，燃燒室平均壓強9.86 MPa。由于內外圓燃速不一致，實際壓強達到平衡后，逐漸升高，根據假設條件的設置，最大壓強達到11 MPa，如圖7所示。

以下是某燃氣發生器理論與實際壓強對比，如圖8所示。由此可見，管狀藥柱在實際燃燒過程中，內外孔燃面燃速不一致，導致壓強呈現逐步抬升趨勢。設計平衡壓強9.1 MPa，而實際壓強逐漸上升到最大壓強10 MPa。

4 結論

常規燃氣發生器通常采用自由裝填管狀藥柱，在實際研制過程中，由于制造工藝經常出現燃氣發生器內彈道與理論差異較大，特別是有前后包覆結構的管狀藥柱，限燃層的脫落導致燃面發生較大的變化，隨之會對燃氣發生器的性能產生不利影響。因此必須嚴格控制限燃層的包覆要求，杜絕限燃層在工作過程中脫落現象。另外，從設計角度來看，嚴格設計和控制自由裝填式管狀藥柱的內圓、外圓自由空間，否則會嚴重影響內、外圓推進劑表面燃速一致性，導致壓強逐漸抬升的現象。