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点火装置简介

时间:2022-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:固体火箭发动机的点火需要通过某种激励方式向固体推进剂传递能量, 激励燃烧表面点燃, 并使推进剂达到稳定燃烧状态, 这个功能是由点火装置完成的。点火装置作为固体火箭发动机的启动装置, 是最危险、 最容易发生故障的部件。点火装置种类繁多。电点火装置在固体火箭发动机中得到了广泛应用, 这种点火装置采用电发火管。

固体火箭发动机的点火需要通过某种激励方式向固体推进剂传递能量, 激励燃烧表面点燃, 并使推进剂达到稳定燃烧状态, 这个功能是由点火装置完成的。

1. 固体火箭发动机对点火装置的要求

点火装置作为固体火箭发动机的启动装置, 是最危险、 最容易发生故障的部件。 一个性能良好的点火装置必须确保在发动机的整个使用温度范围内都能可靠地点燃推进剂装药, 并在较短的时间内使装药进入稳态燃烧阶段, 建立起正常的稳态工作压强

固体火箭发动机对点火装置的要求主要是:

(1) 点火装置本身工作可靠。

(2) 提供必要的点火热流率。

(3) 具有适当的点火持续时间。

(4) 在燃烧室内建立一定的点火压强, 且压强增长平稳, 点火压强峰值小, 不致引起装药碎裂。

(5) 质量与尺寸适当, 可长期储存。

2. 点火装置构成

点火装置的核心部件是点火药和发火管, 发火管用来点燃点火药, 点火药在极短时间内燃烧产生大量炽热燃气, 包围并加热装药表面, 使装药点燃。 除此之外, 为了保证点火顺利可靠地进行, 还需要一些辅助部件, 如点火线路、 发火管固定座、 点火药盒, 以及保证安全工作的安全保险装置、 多级火箭点火需要的延期装置等。

点火装置种类繁多。 根据发火方式的不同可分为电点火装置、 击发点火装置、 延期点火装置、 点火发动机等; 根据点火装置在发动机上安装的位置不同可分为前置式点火装置、 后置式点火装置和中间点火装置。

(1) 电点火装置。

电点火装置在固体火箭发动机中得到了广泛应用, 这种点火装置采用电发火管。 电发火管由电桥和发火药 (主要成分为热敏火药, 如三硝基苯间二酸铅等) 组成, 点火时首先由电流引燃发火管, 再由发火管引燃其周围的发火药, 用发火药的燃气点燃点火药。 根据发火管与点火药的关系, 电点火装置又分为整体式和分装式两类。

(2) 点火药。

固体火箭发动机对点火药的主要要求是: ①燃烧时放出的热量大, 温度高; ②燃烧产物无烟或少烟, 并含有大量固体微粒 (以提高接触换热与辐射换热) 和一定量的气体 (以快速包围药柱, 并建立适当的点火压强); ③有一定燃烧速度, 以提供适当的能量释放速率;④储存性能好; ⑤感度低, 安全性好。 目前应用于固体火箭发动机的点火药有黑火药和烟火剂两种。

黑火药通常应用于小型发动机和双基推进剂发动机的点火。 黑火药是由75%硝酸钾(KNO3)、15%木炭(C) 和10%硫黄(S) 组成的。黑火药的优点是热敏度高(点燃温度仅300℃左右, 可用低能发火管点燃), 燃烧产物中固体微粒含量大 (约60%)、 气体适量(约40%), 安全性和化学安定性好; 黑火药的缺点是能量低 (爆热约2450k J/kg, 燃烧温度约2590K), 燃速低 (常压下8~10mm/s), 易吸湿。

烟火剂种类很多, 广泛应用于要求点火能量更高的复合推进剂的点火。 烟火剂是由金属粉 (铝、 镁、 锆、 硼等) 和氧化剂 (过氯酸钾、 硝酸钾、 聚四氟乙烯等) 组成的机械混合物, 也可加入少量黏合剂混合后经过造粒或压制成药片使用。 烟火剂的优点主要是能量高(燃烧产物温度一般在3000K以上), 燃烧产物大部分是固体微粒 (有利于提高与药柱表面的换热量), 气体量少 (不易产生过高的点火压强), 燃速高 (有利于缩短点火延迟时间),安全性好; 烟火剂的缺点是引燃温度高 (要求采用高能发火管或加强药), 多数烟火剂吸湿性强、 化学安定性差以及成本高等。

(3) 点火发动机。

大型固体火箭发动机的装药直径可达数米, 长度可达十几米, 质量从几吨到几十吨。 使用一般的点火装置点燃这样大的装药量, 可能需要几十至数百千克的点火药量。 点火药通常燃速较高, 大量点火药瞬时点燃易对装药造成过大冲击, 产生点火压强峰, 且不能均匀点燃装药燃面, 导致弹道重现性差。 因此, 大型固体火箭发动机一般采用点火发动机点火。

点火发动机实际上是一个小型固体火箭发动机, 由发火管、 点火药、 壳体、 装药和喷嘴组成, 如图4-27所示。 点火发动机装药采用高燃速、 大燃面 (车轮形或星孔)、 薄肉厚固体推进剂药柱, 因而其工作时间极短。 点火发动机的喷嘴无扩张段, 所以出口燃气温度高, 有利于迅速点燃主发动机装药。 点火发动机的药柱是严格按照预定规律燃烧的, 其燃气质量流率和持续时间均可以严格控制, 所以点火发动机的弹道重现性比一般的点火装置好。

图4-27 点火发动机

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