玉兔2A火箭首次试射点火不成功的原因分析
在某次玉兔2号火箭实效发射试验中,点火不成功,火箭没有离开发射架。

现象:点火后发动机立即发火,发出一声喘气声,并喷出少量火焰,持续约2秒,随后熄火。

点火方式:等离子弧点火。

燃料:高氯酸铵—环氧树脂(RAP),含增塑剂。发动机为高强度合金钢材料。

试验前对该发动机使用的燃料抽样进行了开放点火试验,没有发现任何异常,燃烧充分、均匀,产气量大,无烟。

对故障发动机进行了分析,X光片(图1)显示,只有最靠近喷管的药柱被点燃,烧掉一个圆锥状药层后熄火。

(图1,工作后的发动机,高感度X光片,2mA,100KV,5min)
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燃料质量虽然有一些瑕疵(图2),但不论是图1显示的瑕疵,还是图2显示的瑕疵,都不足以引起点火不成功。

(图2,第二行为工作后的药柱,2mA,65KV,5s,实际上除靠近喷管处的一节之外,其余药柱均未点燃)
112268


燃料表面镜检,应该说是基本均匀的(图3),虽然有一些数十微米级别的大粒AP晶体碎片(图4),但也不足以引起点火不成功。

(图3,100倍镜检)
112272


(图4,400倍镜检)
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可以看到,药柱有少量瑕疵,按照以往经验,瑕疵可能导致燃料爆轰或发动机内压超过耐压而爆炸,但这些瑕疵不会引起点火不成功。

有一节药柱有较大缺陷(图5),但是点火并呈现锥形的药柱并不是这一节。其它药柱未发现类似缺陷。
(图5,药柱端面)
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为了彻底找到原因,进行了地面试车试验。当采用0.5克左右的强力点火药粉制成点火头进行爆燃式点火时,点火药粉所在的燃料段正常燃烧,推力达到设计值,马赫环出现(图6)。其余燃料段缓慢燃烧,冒出亮黄色火焰,无推力(图7)。

(图6,点火后约0.5秒)
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(图7,点火后约8秒)
112271
  

结论:综合各方面因素,排除药柱瑕疵、发动机瑕疵、点火装置故障导致点火不成功的可能。该次试验点火不成功,是因为点火方式与燃料形式不匹配导致的。

作者:echo,虎哥(撰文),SS,焓熵,咸鱼,猴子,拉风,神话,风云等

RAP燃料是一种性能非常出色的燃料,但是工艺难度非常高。在图2最下面一排左起第三个药柱上,内孔上部阴影区域表示捏合不均,而捏合与固化是矛盾的,固化与真空排气也有矛盾。因此还需在工艺流程方面做进一步的完善。玉兔2号的航电部分在试验中工作正常。
+50  科创币    qharryq   2011-08-14   这个X光机太有爱了!期待下一枚火箭的成功!
+50  科创币    370596521   2011-08-14   发射日期这么吉利,怎么火箭不给力!
+50  科创币    拔刀斋   2011-08-14   年会结果总算出来了
来自 喷气推进
 
2011-8-14 00:56:53
1楼
发射日期这么吉利,怎么火箭不给力!
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2楼
虎哥这设备  我喜欢    
有望下一步   进展[s:273]
+1  学术分    虎哥   2011-08-14   你的发动机太漂亮了。
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3楼
环氧树脂伤不起,更烧不起!想我这种初出茅庐的新手,连热融KNSU都不太会!
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4楼
也开始搞rap了,不知道你们夏天怎么搞到高氯酸铵的,用高氯酸钾可以吗
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5楼
发动机做好了,点火却出问题了,很可惜啊,
敝人觉得后续做火箭时多个备份箭,设计两套点火方案,.一种测试新技术,一种用原始可靠的方法.
一直在幻想,哪天做RAP就像用冲压注塑机注塑产品一样就好了.
可以调加温室温度,注口温度,螺杆压力,背压,前进速度等,有很多热电偶监控温度.

点火只引燃了很小的部分,而这个部分没能引燃燃料,
如果点火头扩大引燃面,只有大面积引燃,才会真正引燃整个药柱.
+1  科创币    ehco   2011-08-15   RAP固化硬度较高,如采用螺压方式将在气泡瑕疵处造成巨大内应力,燃烧室内压力突变的时候会导致粉碎爆炸。
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6楼
馬赫環很有愛……
這樣的分析很到位嘛~~~應該予以推廣~
從某種意義上來說,我覺得是那個等離子點火壓力不夠……對於rap來說應該不合適……
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7楼
话说你们还选吉日啊,只要天气合适、避开国家大型活动、准备就绪、大家情绪高涨就可以了。[s:274]
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8楼
环氧树脂燃料需要用点火药包(内装粒状BP)在内孔末端点火
否则容易点不着火,或者燃面扩展慢导致局部燃烧时间过长而烧穿。

药柱里有气泡,在发射前用X光看过没有?
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9楼
下次发射前用X光照一照是不是可以提前发现潜在问题?
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10楼
以前那么多次用电弧点火为什么都没问题?
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11楼
x光机好烧电。。。。
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12楼
因为虎哥 所以专业了  膜拜一下
个人觉得RAP发动机燃料制作还得多研究 多做理论分析和技术上的积累 争取坛子里更多人掌握该技术才好
我觉得KC的最终方向还是液机 这要大家共同努力 恩 加油[s:272]
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2011-8-15 10:16:12
13楼
从燃烧后的燃料看可能出现了声振
能否上一下燃料内孔和喉部的尺寸
形成锥孔的主要原因可能是声震荡引起尾部侵蚀燃烧导致燃烧淬灭
这个应该说是比较幸运了 我的发动机基本一出现声振马上爆 还没出现过淬灭完好保存的情况
地面试车出现的情况可能是一阶段和二阶段之间的燃料层厚了一点并且喷燃比略小
导致第一段燃料燃烧完成后转变为端面燃烧加之喷燃比不够 使燃烧室压力下降
RAP属于中压型燃料燃烧压力不足的情况下燃烧速度将大幅下降 由此引发连锁反映
以我的观点看电弧点火这种方式没有问题  但是点火药是必不可少的
火箭点火药的作用有两个
一是产生火源点燃主装药
二 也是很关键的一点 就是产生主装药燃烧所需要的燃烧室压力
这里我推荐一种比较好的点火药
过氧化钡+AL (具体比例我需要查一下笔记 稍后贴上)
这种点火药有这样几个优点  点火温度高  热点多 建立的初始燃烧室压力适中 对于RAP来说是种比较好的点火药
+50  科创币    ehco   2011-08-15   厂长没来可惜了!来了兴许就上天了
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14楼
这是过氧化钡+AL 的实际点火效果
这个药剂能用烟花导``火``索``直接点燃
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+50  科创币    虎哥   2011-08-19   正解
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15楼
有个自认为比较重要的原因,以往实验用的AP均为自己用氨水和高氯酸合成,不锈钢容器,合成过程中不锈钢容器被腐蚀,使AP中混进Fe,Cr,Ni等重金属离子,起到了增速催化的作用。可以看我之前做的药柱以及AP粉末均为淡黄色。 然后根据这种混了杂质的燃料设计出的150MAX喷然发动机能正常点火和工作。(另一点证据就是当我仿制星空厂长做的300MAX喷然实验时,几乎暴轰率为100%,注意是暴轰)
而这次采用的是虎哥提供的分析纯AP,燃速应该大幅下降,而导致这样的喷然比下压力不足,造成负反馈,造成这次失败。
+1  学术分    虎哥   2011-08-15   主要是我决策错误,没有做地面试车。
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16楼
这次失败虽然有点扫兴,但其实收获也蛮多的,再接再厉吧各位!
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2011-8-16 09:34:47
17楼
带故障发射,还不止一个故障
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18楼
团队的阵容和分析方法的水平远远超越了过去,大有希望。
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2011-8-19 18:43:37
2011-8-19 18:43:37
虎哥(作者)
19楼
这次试验前,一直认为RAP发动机已经是非常成熟的技术,不存在任何风险,所以很坚决的选择了RAP发动机作为驱动装置。但是由于前期准备不足,时间赶得太紧,没有严格贯彻严谨细致,万无一失的精神,在成熟方案上发生了失误。
主要问题是:
1、换用新的材料时没有严格批号管理,事先申告不清,未进行论证,并错误的取消了地面试车流程;
2、燃料特性测试设施不健全,没有对不同批次的燃料进行特性测试,套用了经验数据;
3、未准备备用方案,点火不成功后,分析和解决问题节奏较慢,耗时较长,因此未能采取补救措施。

正如ehco所述,点火不成功的主要原因,是以前批次的燃料,采用自行生产的原材料,其中混有具有烈性催化作用的杂质。而本次试验的燃料,采用了零星购买的材料,里面的杂质含量发生了变化,其催化作用强弱有变。总之,对于RAP燃料,任何材料改换不同批号、不同厂家(包括AP、环氧树脂、固化剂、增塑剂)、改变工艺(如真空条件、捏合时间、颗粒配级、固化温度等)以及改变配料比,都必须严格进行数据登记,并进行特性参数的测试。应该制定特性参数的容许范围标准,超出标准的不能使用,还要根据燃料特性的不同修订外弹道数据。
相对来说,RAP比KNDX的可靠性要高,上述原则同样适用于其它类型的燃料。
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20楼
用工厂的管理方法来讲,就叫做变化点管理不到位,
建议以后将流程,各种参数,要求条件等标准化(做成指导性文件).

点火药用KN系加AL再加S也可以吧.
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2011-8-30 22:33:16
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21楼
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2011-8-31 00:54:34
22楼
引用第19楼虎哥于2011-08-19 18:43发表的  :
这次试验前,一直认为RAP发动机已经是非常成熟的技术,不存在任何风险,所以很坚决的选择了RAP发动机作为驱动装置。但是由于前期准备不足,时间赶得太紧,没有严格贯彻严谨.......


在失败中得出的总结,与学习别人的失败经验得出的总结。。。。的不同之处


在广州的实验安全问题我也在强调,但往往都是侥幸心理。还好目前还没发生事故,但真不知哪次就发生。
或许是生活经历的差距。




其实也是我国的老^毛病了,美国这方法的作法是先作,预测可能会发生哪些事情,事先作准备,及不受控的意外准备。
但这些平时听起来就是唐僧在悟空的耳边&*(#@¥&(*@#&¥(*@#&¥(*#@&¥#¥(#&*@  ,只有事后......
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