CN112855384B - 一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置 - Google Patents

一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置，解决了现有点火装置研制试验成本高、研制周期较长、点火装置点火后其残骸易对推力室造成损坏的问题。该点火装置主要包括点火头、始发装药、主装药、壳体、喷管及密封膜片等。该点火装置的点火头通电起爆后，点燃始发装药，进而点燃主装药，产生的高温燃气经由喷管冲破密封膜片，产生持续稳定的富含炙热粒子的火焰输出，从而实现对发动机推力室推进剂的点火。

Description

一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置
技术领域
本发明涉及一种用于非自燃双组元推进剂火箭发动机的火药点火装置，特别是基于轻质、大功率、富粒子的火药点火装置，该火药点火装置可以用于非自燃双组元推进剂火箭发动机点火技术领域。
背景技术
液氧煤油作为运载火箭的一种无毒、无污染的推进剂组合，具有比冲性能高、成本低、使用维护方便的特点，在新一代运载火箭中得到广泛的应用。液氧煤油双组元推进剂属于非自燃推进剂，需要提供初始的点火热源使其点火燃烧，随后依靠自身燃烧释放出的热量维持推进剂的燃烧过程。
采用非自燃双组元推进剂的液体火箭发动机需要点火装置进行点火。
目前常用的点火装置有：1)自燃液体点火装置；2)固体火药点火装置；3)火炬点火装置。新一代运载火箭高压补燃液氧煤油发动机采用自燃液体点火装置(三乙基硼和三乙基铝混合物)的化学点火方式。
其中，现有的自燃液体点火装置、火炬点火装置均存在设计、制作复杂，成本较高的问题。
而现有的固体火药点火装置由于质量较大、同时由于其所含点火粒子少，点火能力差，点火后点火装置的壳体脱落会损伤推力室，同时其结构较为复杂，研制试验成本较高。
根据当前液氧煤油发动机的研制要求，为缩短研制周期、降低研制试验成本，避免点火后对推力室造成损坏，需要一种质量小、功率大、安全性高的火药点火装置。
发明内容
为了解决背景技术中提出的问题，本发明提供了一种研制试验成本低，研制周期较短、点火后不会对推力室造成损坏的火药点火装置。
本发明的技术解决方案：
本发明提供了一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置，主要包括点火头(含点火引线)、始发装药、主装药、壳体、喷管及密封膜片等；
壳体的一端为点火口，点火口处安装密封膜片；
壳体中从点火口向内依次设置喷管、始发装药以及主装药；
点火头设置在始发装药内部，其点火引线向外引出所述壳体；
喷管沿中心开设有喷孔；
壳体部分双层结构或全部双层结构，其由非金属内筒和薄壁金属外筒构成，部分双层结构为薄壁金属外筒仅部分包裹非金属内筒，全部双层结构为薄壁金属外筒全部包裹非金属内筒；薄壁金属外筒主要起连接作用，必要时采用全部双层结构可以加强壳体强度。
进一步地，所述非金属内筒采用聚苯硫醚(PPS)或碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料或氟橡胶制成。
进一步地，所述薄壁金属外筒采用铝或铝合金或紫铜或铜合金或不锈钢或高温合金，并通过薄壁冲压方式或薄壁机加方式制成。
进一步地，为了使喷管固定更加可靠，上述喷管的一端外沿设有环形凸起，所述非金属内筒内壁上设有环形缺口，该环形缺口与所述薄壁金属外筒构成一个与所述环形凸起配合，从而装夹喷管的环形凹槽。
进一步地，所述薄壁金属外筒在点火口端设有向内90°弯曲的折边。利用该折边不仅可以固定密封膜片，同时还可使喷管安装更加牢固。
进一步地，为了便于喷孔内的燃气流动，所述喷孔的孔径由点火口向内依次逐渐增加。从而确保该点火装置燃烧面直径和喷管最小孔径之比为4～20，理论计算到的工作压力约为0.2～2MPa。
进一步地，为实现端面燃烧的目的，所述点火头的点火引线依次经过喷孔和壳体侧壁向外部引出。
进一步地，由于受到空间限制，无法从壳体侧壁引入，还需实现端面燃烧这一目的，主装药部分沿轴向开设一过线孔，过线孔内设置隔热填充层，所述点火头的点火引线依次经过主装药的过线孔、壳体底部后向外部引出。该隔热填充层的目的是为了防止燃气沿过线孔意外引燃主装药，确保实现端面燃烧。
进一步地，上述始发装药和主装药均采用硼硝酸钾或含铝或镁的复合固体推进剂。并且始发装药和主装药可采用同种类药，也可采用不同种类的药。
进一步地，为了保证始发装药易燃性，同时确保主装药燃烧的规律性上述始发装药的紧实度小于主装药。
点火头通电起爆后，点燃始发装药(或点火药盒)，进而点燃主装药，产生的高温燃气经由喷管冲破密封膜片，产生持续稳定的富含炙热粒子的火焰输出，从而实现对发动机推进剂的点火。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)轻质特性：该点火装置主要结构采用非金属材料的内筒与薄壁金属构成的外筒作为点火装置的壳体，使该点火装置的重量大大减轻，质量比大大提高，从而使得推力室外置点火后其残骸掉落过程中对推力室的损伤很小。
(2)大功率特性：该点火装置采用的始发装药配合主装药的设计，通过较小功率点火头起爆引燃始发装药，进而引燃主装药，并且主装药采用端面燃烧的方式，使得在其工作时间内的功率达到近百KW，大大增加了点燃液氧煤油等非自燃双组元推进剂的有效性和可靠性。
(3)低室压点火燃烧特征：基于轻质特征，该点火装置采用了低点火压力的点火药作为主装药，以保证点火装置的可靠工作和持续稳定的火焰输出。
(4)富粒子特性：该点火装置采用点火过程中含有大量炙热粒子的点火药主装药，其高燃温(约3000K)、富粒子(50％以上)有利于液氧煤油等非自燃双组元推进剂的有效可靠点燃。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
附图标记如下：
1-密封膜片、2-喷管、3-点火头、4-始发装药、5-非金属内筒、6-主装药、7-薄壁金属外筒、8-点火引线、9-喷孔、10-过线孔、11-环形凸起、12-折边。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
实施例1
图1公开了一种点火装置的结构，包括点火头3(含点火引线8)、始发装药4、主装药6、壳体、喷管2及密封膜片1；
壳体的一端为点火口，点火口处安装密封膜片1；
壳体中从点火口向内依次设置喷管2、始发装药4以及主装药6；
点火头3设置在始发装药4内部，其点火引线8向外引出所述壳体；
喷管2沿中心开设有喷孔9；喷孔9的孔径由点火口向内依次逐渐增加。本实施例中的方式是在靠近密封膜片的喷孔成直孔，靠近始发装药的喷孔呈喇叭形，且喇叭形的最大端与所述始发装药紧贴；另外，为了使喷管固定更加可靠，喷管2的一端外沿设有环形凸起11，非金属内筒5内壁上设有环形缺口，该环形缺口与所述薄壁金属外筒7构成一个与所述环形凸起11配合，从而装夹喷管的环形凹槽，除此之外，其他固定方式均可，只要能使该喷管在壳体内可靠固定即可。
壳体为部分双层结构或全部双层结构，其由非金属内筒5和薄壁金属外筒7构成，部分双层结构为薄壁金属外筒7仅部分包裹非金属内筒5，全部双层结构为薄壁金属外筒7全部包裹非金属内筒5。薄壁金属外筒7主要起连接作用，必要时采用全部双层结构可以加强壳体强度。
其中，非金属内筒5可以采用聚苯硫醚(PPS)或碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料或氟橡胶等材料制成，薄壁金属外筒7采用薄壁冲压方式和薄壁机加方式制作，其使用的金属材料有铝或铝合金或紫铜或铜合金或不锈钢或高温合金等；非金属内筒5厚度可以在1～5mm，薄壁金属外筒7可以在0.2～3mm。
本实施例采用非金属内筒5材料为聚苯硫醚(PPS)，薄壁金属外筒7为0.2mm不锈钢，壳体整体呈局部包裹的双层结构。
在空间位置不受限的前提下，为了实现端面燃烧方式，点火头3的点火引线8依次经过喷孔9和壳体侧壁向外部引出。
始发装药4和主装药6均可采用硼硝酸钾或含铝或镁的复合固体推进剂，并且始发装药4和主装药6可采用同种类药，也可采用不同种类的药，同时，为了保证始发装药易燃性，同时确保主装药的燃烧规律性，始发装药的紧实度小于主装药。本实施例中始发装药4和主装药6采用同种类药，即硼硝酸钾。本实施例中主装药的工作压力和点火压力均较低，常压下的燃速较高，易于点燃并维持燃烧，点火过程中含有大量炙热粒子的点火药，其燃气温度可以在2000～3300K、燃气中固体粒子含量可以在10～60％，本实施例采用的主装药燃速约为30mm/s，燃温约3000K、粒子含量50％以上。
喷管2尺寸较大，使得该点火装置的面喉比(燃烧面直径和喷管最小孔径之比)较小，可以在4～20，从而获得较低的工作压力，理论计算到的工作压力约为0.2～2MPa。本实施例采用的面喉比约为6.5，理论计算到的工作压力约为0.5MPa。
本实施例的点火装置燃烧时间约为2s，火焰长度在150。
实施例2
图2公开了另外一种点火装置的结构，包括点火头3(含点火引线8)、始发装药4、主装药6、壳体、喷管2及密封膜片1；
壳体的一端为点火口，点火口处安装密封膜片1；
壳体中从点火口向内依次设置喷管2、始发装药4以及主装药6；
点火头3设置在始发装药4内部，其点火引线8向外引出所述壳体；
喷管2沿中心开设有喷孔9；喷孔9的孔径由点火口向内依次逐渐增加。本实施例中的方式是在靠近密封膜片的喷孔成直孔，靠近始发装药的喷孔呈喇叭形，且喇叭形的最大端与所述始发装药紧贴；
壳体为部分双层结构或全部双层结构，其由非金属内筒5和薄壁金属外筒7构成，部分双层结构的壳体其外筒7仅部分包裹内筒5，全部双层结构的壳体其外筒7全部包裹内筒5。外筒7主要起连接作用，必要时采用全部双层结构可以加强壳体强度。
其中，非金属内筒5可以采用聚苯硫醚(PPS)或碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料或氟橡胶等材料制成，薄壁金属外筒7采用薄壁冲压方式和薄壁机加方式制作，其使用的金属材料有铝或铝合金或紫铜或铜合金或不锈钢或高温合金等；非金属内筒5厚度可以在1～5mm，薄壁金属外筒7可以在0.2～3mm。
本实施例采用非金属内筒5材料为3mm厚的碳纤维复合材料，薄壁金属外筒7为0.3mm铝合金，壳体整体呈全部包裹双层结构。
本实施例中，薄壁金属外筒7在点火口端设有向内90°弯曲的折边12，用于利用该折边12不仅可以固定密封膜片1，同时还可使喷管2安装更加牢固。
在空间位置受限的前提下，为了实现端面燃烧方式，主装药6沿轴向开设一过线孔10，过线孔10内设置隔热，点火头3的点火引线8依次经过主装药6的过线孔10和壳体底部向外部引出。该隔热填充层的目的是为了防止燃气沿过线孔意外引燃主装药，确保实现端面燃烧。
始发装药4和主装药6均可采用硼硝酸钾或含铝或镁的复合固体推进剂，并且始发装药和主装药可采用同种类药，也可采用不同种类的药，同时，为了保证始发装药易燃性，同时确保主装药的燃烧规律性，始发装药的紧实度小于主装药。本实施例中始发装药和主装药采用不同种类药，始发装药采用硼硝酸钾，主装药采用含镁的复合固体推进剂。
本实施例中主装药6的工作压力和点火压力均较低，常压下的燃速较高，易于点燃并维持燃烧，点火过程中含有大量炙热粒子的点火药，其燃气温度可以在2000～3300K、燃气中固体粒子含量可以在10～60％，本实施例采用的主装药燃速约为32mm/s，燃温约2600K、粒子含量48％以上。
喷管2尺寸较大，使得该点火装置的面喉比(燃烧面直径和喷管最小孔径之比)较小，可以在4～20，从而获得较低的工作压力，理论计算到的工作压力约为0.2～2MPa。本实施例采用的面喉比约为10，理论计算到的工作压力约为1.3MPa。
本实施例的点火装置燃烧时间约为1.5s，火焰长度在200。
以上两个实施例中主装药药型均采用端面燃烧的方式，实际过程中主装药药型也可以为内孔燃烧方式：如要求燃烧时间较长时采用端面燃烧；在要求燃烧时间较短时可以采用内孔燃烧；
以上两个实施例的工作原理方式相同，具体如下：
本发明的火药点火装置接到工作指令后，点火头3通电起爆，并点燃始发装药4(或点火药盒)，进而点燃主装药6，产生的高温燃气经由喷管2冲破密封膜片1，产生持续稳定的富含炙热粒子的火焰输出，从而实现对发动机推力室的点火。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：包括点火头（3）、始发装药（4）、主装药（6）、壳体、喷管（2）及密封膜片（1）；
壳体的一端为点火口，点火口处安装密封膜片（1）；
壳体中从点火口向内依次设置喷管（2）、始发装药（4）以及主装药（6）；
点火头（3）设置在始发装药（4）内部，其点火引线（8）向外引出所述壳体；
喷管（2）沿中心开设有喷孔（9）；
壳体为部分双层结构或全部双层结构，其由非金属内筒（5）和薄壁金属外筒（7）构成，部分双层结构为薄壁金属外筒（7）仅部分包裹非金属内筒（5），全部双层结构为薄壁金属外筒（7）全部包裹非金属内筒（5）；
非金属内筒（5）厚度为1~5mm，薄壁金属外筒（7）厚度为0.2~3mm;
所述始发装药（4）和主装药（6）均采用硼硝酸钾或含铝或镁的复合固体推进剂，主装药（6）药型为内孔燃烧或端面燃烧;
所述始发装药（4）的紧实度小于主装药（6）。
2.根据权利要求1所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述非金属内筒（5）材料采用聚苯硫醚或碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料或氟橡胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述薄壁金属外筒（7）材料采用铝或铝合金或紫铜或铜合金或不锈钢材料，并通过薄壁冲压方式或薄壁机加方式制成。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述喷管（2）的一端外沿设有环形凸起（11），所述非金属内筒（5）内壁上设有环形缺口，该环形缺口与所述薄壁金属外筒（7）构成一个与所述环形凸起（11）配合，从而装夹喷管的环形凹槽。
5.根据权利要求4所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述薄壁金属外筒（7）在点火口端设有向内90°弯曲的折边。
6.根据权利要求5所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述喷孔（9）的孔径由点火口向内依次逐渐增加。
7.根据权利要求1所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：所述点火头（3）的点火引线（8）依次经过喷孔（9）和壳体侧壁后向外部引出。
8.根据权利要求1所述的轻质、大功率、富粒子火药点火装置，其特征在于：主装药（6）沿轴向开设一过线孔（10），过线孔（10）内设置隔热填充层，所述点火头（3）的点火引线（8）依次经过主装药（6）的过线孔（10）和壳体底部向外部引出。
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