CN114382611B - 嵌金属丝自由装填药柱的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，主要步骤为：S1、对金属丝进行表面处理，去除表层的杂质及氧化膜，然后在金属丝外增加套管进行防护；S2、将金属丝一端连接配重，另一端贯穿待装填药柱的壳体工装，配重位于金属丝的底部，安装时先将绝热包覆套置于工装内，然后将连接配重的金属丝一端与工装下部固定，再取出金属丝外的套管，最后将金属丝另一端与工装上部进行固定；S3、在壳体工装上安装沸腾圈，并在真空环境下进行推进剂的浇注，再进行硫化，最后脱模整形得到嵌金属丝自由装填药柱。采用此法制备的自由装填药柱，药柱端面锥窝易成型，成型精度高，药柱质量可靠，有效保证了嵌金属丝发动机工作的稳定性。

Description

嵌金属丝自由装填药柱的制备方法

技术领域

本发明属于复合固体推进剂技术领域，具体为一种嵌金属丝自由装填药柱的制备方法。

背景技术

随着反弹道导弹和防空导弹的迅速发展，迫切需要提高推进剂的燃速，以便在更短的时间内完成拦截或打击任务，提高导弹武器的性能。在推进剂药柱中嵌入金属丝，利用金属丝导热性好的特点，可大幅度提高燃速，从而提高推进剂的推力。同时还可以嵌入不同种类、不同直径的金属丝，以实现不同的增速比，满足发动机不同推力的要求。

自由装填药柱是固体火箭发动机的一种装药形式，工作时以端面进行燃烧，具有肉厚长、装填系数高、低温环境适应性好等特点。但由于其燃面较小，迫切需要大幅提高推进剂的燃速，才能实现发动机大推力的要求。提高固体推进剂燃速的方法有很多种，主要包括添加燃烧催化剂法、采用纳米微粉或超细固体粒子法、添加快燃物等。

目前，应用最为成熟和广泛是在推进剂中加入液体二茂铁类燃速催化剂，但二茂铁类燃速催化剂存在易迁移和挥发的问题，更大的风险是二茂铁类的加入会使推进剂机械感度显著升高，增加了推进剂在制药、脱模、运输过程中的安全风险。

嵌金属丝药柱在推进剂燃烧时，通过金属丝沿轴向传热，实现药柱综合燃速成倍增长，金属丝的种类、直径会显著影响嵌金属丝药柱的燃烧速度，金属丝的导热性越好，熔点越高，推进剂燃速越大，常见金属中，银丝增速效果最高，铜丝次之，可以通过金属丝的材料种类和直径与推进剂配方的搭配，实现不同燃速增速倍数，满足固体火箭发动机的需要。

推进剂燃速随金属丝直径的不同而不同，发明人研究发现，金属丝布置过程中要保证金属丝直径的一致性，确保金属丝拉直又不过度拉伸变细，确保发动机的稳定性难度较大，金属丝一致性差时，推进剂燃速就会发生变化，会严重影响发动机工作的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，它能够显著提高推进剂的燃速稳定性，制备过程稳定、可靠、安全。

本发明的技术方案是，一种嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，包括以下步骤：

S1、对金属丝进行表面处理，去除表层的杂质及氧化膜，然后在金属丝外增加套管进行防护；

S2、将金属丝一端连接配重，另一端贯穿待装填药柱的壳体工装，配重位于金属丝的底部，安装时先将绝热包覆套置于工装内，然后将连接配重的金属丝一端与工装下部固定，再取出金属丝外的套管，最后将金属丝另一端与工装上部进行固定；

S3、在壳体工装上安装沸腾圈，并在真空环境下进行推进剂的浇注，再进行硫化，最后脱模整形得到嵌金属丝自由装填药柱。

进一步地，S1中金属丝为纯银丝、纯铜丝或锌铜合金丝。

进一步地，S1中表面处理时，蘸取乙醇或丙酮沿金属丝轴向擦拭。

进一步地，S2中配重为砝码，其重量根据金属丝发生1％～2％的延伸率所需的载荷值确定。

进一步地，所述绝热包覆套包括绝热套和衬层，绝热套采用以三元乙丙橡胶为基体的材料模压成型，然后将以丁羟胶为基体的衬层均匀涂刷在绝热套内表面，形成绝热包覆套。

进一步地，S2中的壳体工装包括由下至上设置的底座组件、成型锥组件和壳体组件，且底座组件、成型锥组件和壳体组件的底部连接固定，壳体组件的顶部连接定位环，定位环上安装沸腾圈；壳体组件为两瓣式结构。

进一步地，述底座组件、成型锥组件和壳体组件的底部通过定位销固定；壳体组件的顶部与定位环之间通过定位销固定。

进一步地，成型锥组件边缘与底座组件和壳体组件底部固定，中部设有多个朝向壳体组件内部凸起的锥体，且椎尖部设有通孔，金属丝底端连接配重，配重位于锥体底部，金属丝另一端穿过锥尖部的通孔进入壳体组件。

进一步地，定位环上设有丝孔，金属丝从壳体组件的内部通过丝孔穿出。

进一步地，脱模时将药柱下部的金属丝剪断，药柱头部端面用整形刀向下整出3mm～5mm，涂抹室温固化衬层。

本发明具备以下有益效果：

1、通过溶剂对金属丝表面进行擦拭处理，保证了金属丝的洁净，采用透明聚四氟乙烯管对金属丝进行防护，避免金属丝在布置时打折弯曲或表面粘附衬层，金属丝在底端固定完成后，将金属丝拉直，抽出聚四氟乙烯套管，再将金属丝固定在头部。以上处理方式确保了金属丝的洁净、完整，进而保证了嵌金属丝药柱工作的可靠性。

2、在金属丝底部挂砝码，通过砝码的重量来控制金属丝拉直，针对不同种类、不同直径的金属丝，悬吊不同重量的砝码，砝码的恒定拉力使金属丝即能拉直又不会因为拉力过大而产生形变，有效保证了金属丝直径的一致性，这大大提高了推进剂燃烧时燃速的稳定性。

3、将绝热包覆套置于免整形工装中，嵌入金属丝，然后进行推进剂浇注，最后脱模整形。可根据不同尺寸发动机的需求制作不同直径的绝热包覆套，免整形工装的应用可使锥窝易成型简单，脱模整形过程快捷、安全，室温快速固化衬层可在1h内完成固化，这些大大提高了嵌金属丝自由装填药柱的生产效率。

4、本发明将工装中的成型锥组件置于壳体组件的底部，省去了在顶部安装成型锥，这样推进剂药浆从顶部浇注下料时，浇注通道更大，浇注更方便顺畅；同时，推进剂药浆浇注完成时，会有一定高度的药浆沸腾层，沸腾层药浆往往不密实、有孔洞，若将锥窝安装在顶部，锥窝药面成型后会有气孔，本发明将成型锥组件置于壳体组件的底部，锥窝药面成型光洁完好。

附图说明

图1为嵌金属丝自由装填药柱装药工装结构示意图。

图2为图1的A-A视图。

图3为Φ112mm的嵌金属丝自由装填药柱。

图4为嵌金属丝自由装填药柱尾部锥窝端面照片。

图5为嵌金属丝自由装填药柱头部端面封口照片。

图6为悬吊恒重砝码的嵌金属丝发动机燃烧试验压强-时间曲线。

图7为未悬吊砝码的嵌金属丝发动机燃烧试验压强-时间曲线。

图8为将成型锥组件置于顶端完成装药后的产品照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

本发明涉及一种嵌金属丝自由装填药柱装药工装，其结构如图1所示。其中1沸腾圈、2定位销I、3螺母、4定位环、5壳体组件、6成型锥组件、7定位销II、8底座组件、9配重(如砝码)、10金属丝。

该工装包括由下至上设置的底座组件、成型锥组件和壳体组件，且底座组件、成型锥组件和壳体组件的底部通过定位销II连接固定，也可采用其他方式固定，如卡扣固定等。壳体组件的顶部连接定位环并通过定位销I固定，定位环上安装沸腾圈；壳体组件为两瓣式结构如图2所示。成型锥组件边缘与底座组件和壳体组件底部固定，中部设有多个朝向壳体组件内部凸起的锥体，且椎尖部设有通孔，金属丝底端连接配重，配重位于锥体底部，金属丝另一端穿过锥尖部的通孔进入壳体组件。定位环上设有丝孔，金属丝从壳体组件的内部通过丝孔穿出。

实施例1：

药柱尺寸要求：直径为112mm，长度为500mm。如图3所示。

具体制备工艺为：

金属丝装配前准备：将绝热包覆套贴合放置于壳体组件内；绝热包覆套包括绝热套和衬层，绝热套采用以三元乙丙橡胶为基体的材料模压成型，然后将以丁羟胶为基体的衬层均匀涂刷在绝热套内表面，形成绝热包覆套。

剪取长度为1000mm，直径为0.45mm的银丝7根，用棉花蘸取乙醇擦拭银丝7次，然后将银丝置于长度为400mm，内径为2mm，外径为4mm的聚四氟乙烯套管中。

银丝装配的装配步骤为：将银丝的一端连接在300g的砝码上，另一端穿过成型锥组件的锥孔；将7根银丝穿过壳体，用螺母将壳体组件、成型锥组件和底座连接，成型锥组件通过定位销II定位；定位环采用定位销I定位在壳体上部，取下聚四氟乙烯套管，将银丝穿过定位环上的丝孔，依次完成7根银丝的布置，通过定位销I和定位销II的定位，可保证7根银丝之间平行，不交叉；将银丝上端固定在螺栓上，下端通过悬吊砝码保证银丝拉直的拉力恒定。

装配完成后，安装沸腾圈，在真空环境下完成推进剂浇注，然后进行硫化。

脱模整形及药柱端面封口：脱模时药柱尾部锥窝的银丝用剪刀剪断；尾部锥窝端面照片见图4；药柱头部端面用整形刀向下整出5mm，后用涂抹室温快速固化衬层，如图5所示。

采用以上方法进行了5台嵌银丝发动机装药，然后进行发动机燃烧试验，试验结果表明，推进剂基础燃速为9.5mm/s，嵌丝后燃速为41.95mm/s～42.35mm/s，燃速翻倍率在4.416～4.458，燃速及翻倍率稳定可靠，具体见表1。

表1 0.45mm嵌银丝发动机燃烧试验

实施例2：

药柱尺寸要求：直径为112mm，长度为500mm。

具体制备工艺为：

金属丝装配前准备：将绝热包覆套贴合放置于壳体组件内；绝热包覆套包括绝热套和衬层，绝热套采用以三元乙丙橡胶为基体的材料模压成型，然后将以丁羟胶为基体的衬层均匀涂刷在绝热套内表面，形成绝热包覆套。

剪取长度为1000mm，直径为0.3mm的铜丝7根，用棉花蘸取乙醇擦拭铜丝5次，然后将铜丝置于长度为400mm，内径为2mm，外径为4mm的聚四氟乙烯套管中。

将铜丝的一端连接在350g的砝码上，另一端穿过成型锥组件的锥孔；将根穿过壳体，用螺母将壳体组件、成型锥组件和底座连接，成型锥组件通过定位销II定位；定位环采用定位销I定位在壳体上部，取下聚四氟乙烯套管，将铜丝穿过定位环上的丝孔，依次完成根铜丝的布置，通过定位销I和定位销II的定位，可保证根铜丝之间平行，不交叉；将铜丝上端固定在螺栓上，下端通过悬吊砝码保证银丝拉直的拉力恒定。

装配完成后，安装沸腾圈，在真空环境下完成推进剂浇注，然后进行硫化。

脱模整形及药柱端面封口：脱模时药柱尾部锥窝的铜丝用剪刀剪断；药柱头部端面用整形刀向下整出4mm，后用涂抹室温快速固化衬层。

采用以上方法进行了5台嵌铜丝发动机装药，然后进行发动机燃烧试验，试验结果表明，推进剂基础燃速为13.5mm/s，嵌丝后燃速为41.75mm/s～42.39mm/s，燃速翻倍率在3.093～3.140，燃速及翻倍率稳定可靠，具体见表2。

表2 0.30mm嵌铜丝发动机燃烧试验

实施例3：

药柱尺寸要求：直径为112mm，长度为500mm。

具体制备工艺为：

金属丝装配前准备：将绝热包覆套贴合放置于壳体组件内；绝热包覆套包括绝热套和衬层，绝热套采用以三元乙丙橡胶为基体的材料模压成型，然后将以丁羟胶为基体的衬层均匀涂刷在绝热套内表面，形成绝热包覆套。

剪取长度为1000mm，直径为0.45mm的H85锌铜合金丝锌铜合金丝7根作为金属丝，用棉花蘸取乙醇擦拭银丝5次，然后将金属丝置于长度为400mm，内径为2mm，外径为4mm的聚四氟乙烯套管中。

将锌铜合金丝的一端连接在600g的砝码上，另一端穿过成型锥组件的锥孔；将根穿过壳体，用螺母将壳体组件、成型锥组件和底座连接，成型锥组件通过定位销II定位；定位环采用定位销I定位在壳体上部，取下聚四氟乙烯套管，将锌铜合金丝穿过定位环上的丝孔，依次完成根锌铜合金丝的布置，通过定位销I和定位销II的定位，可保证根锌铜合金丝之间平行，不交叉；将锌铜合金丝上端固定在螺栓上，下端通过悬吊砝码保证银丝拉直的拉力恒定。

装配完成后，安装沸腾圈，在真空环境下完成推进剂浇注，然后进行硫化。

脱模整形及药柱端面封口：脱模时药柱尾部锥窝的锌铜合金丝用剪刀剪断；药柱头部端面用整形刀向下整出5mm，后用涂抹室温快速固化衬层。

用以上方法进行了5台嵌锌铜合金丝发动机装药，然后进行发动机燃烧试验，试验结果表明，推进剂燃烧压强-时间曲线波动小，燃速稳定，见图6，推进剂基础燃速为14.6mm/s，嵌丝后燃速为41.58mm/s～42.38mm/s，燃速翻倍率在2.848～2.903，燃速及翻倍率稳定可靠，具体见表3。

表3 0.45mm嵌锌铜合金丝发动机燃烧试验

实施例4：

药柱尺寸要求：直径为112mm，长度为500mm。

本实施例4采用的银丝直径为0.3mm，银丝储存时间为2年。其中序号1～3是未经处理的银丝，序号4～6是经乙醇处理的银丝，其他具体制备工艺同实施例1。

采用以上方法进行了6台嵌银丝发动机装药，然后进行发动机燃烧试验，试验结果表明，长时间放置的银丝表面有氧化，局部发黑，经乙醇处理后，银丝光洁如新。相比较于不处理的状态，银丝处理后，推进剂燃速更高，燃速翻倍率更稳定可靠，具体见表4。

表4 0.30mm嵌银金丝发动机燃烧试验

实施例5：

本实施例采用同实施例3相同的制备工艺，区别在于本实施例不悬吊恒重的砝码。采用以上方法进行了2台嵌锌铜合金发动机装药，然后进行发动机燃烧试验，试验结果表明，同实施例3相比，推进剂燃烧压强-时间曲线波动大，燃速不稳定，见图7，燃速翻倍率变低为2.521，数据见表5。

表5 0.45mm嵌锌铜合金丝发动机燃烧试验

实施例6

本实施例将成型锥组件置于顶端进行推进剂浇注，脱模整形后发现药柱锥窝药面存在不同程度的气孔，见图8。对比将成型锥组件置于底部的方式浇注，见图4。可见将成型锥组件置于底部，锥窝成型更完好，产品质量更优。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对金属丝进行表面处理，去除表层的杂质及氧化膜，然后在金属丝外增加套管进行防护；

S2、将金属丝一端连接配重，另一端贯穿待装填药柱的壳体工装，配重位于金属丝的底部，安装时先将绝热包覆套置于工装内，然后将连接配重的金属丝一端与工装下部固定，再取出金属丝外的套管，最后将金属丝另一端与工装上部进行固定；

S3、在壳体工装上安装沸腾圈，并在真空环境下进行推进剂的浇注，再进行硫化，最后脱模整形得到嵌金属丝自由装填药柱。

2.根据权利要求1所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：S1中金属丝为纯银丝、纯铜丝或锌铜合金丝。

3.根据权利要求1所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：S1中表面处理时，蘸取乙醇或丙酮沿金属丝轴向擦拭。

4.根据权利要求1所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：S2中配重为砝码，其重量根据金属丝发生1%~2%的延伸率所需的载荷值确定。

5.根据权利要求1所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：所述绝热包覆套包括绝热套和衬层，绝热套采用以三元乙丙橡胶为基体的材料模压成型，然后将以丁羟胶为基体的衬层均匀涂刷在绝热套内表面，形成绝热包覆套。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：S2中的壳体工装包括由下至上设置的底座组件、成型锥组件和壳体组件，且底座组件、成型锥组件和壳体组件的底部连接固定，壳体组件的顶部连接定位环，定位环上安装沸腾圈；壳体组件为两瓣式结构。

7.根据权利要求6所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：所述底座组件、成型锥组件和壳体组件的底部通过定位销固定；壳体组件的顶部与定位环之间通过定位销固定。

8.根据权利要求6所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：成型锥组件边缘与底座组件和壳体组件底部固定，中部设有多个朝向壳体组件内部凸起的锥体，且锥尖部设有通孔，金属丝底端连接配重，配重位于锥体底部，金属丝另一端穿过锥尖部的通孔进入壳体组件。

9.根据权利要求8所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：定位环上设有丝孔，金属丝从壳体组件的内部通过丝孔穿出。

10.根据权利要求6所述的嵌金属丝自由装填药柱的制备方法，其特征在于：脱模时将药柱下部的金属丝剪断，药柱头部端面用整形刀向下整出3mm~5mm，涂抹室温固化衬层。

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