一种较好的固体火箭发动机的点火药的寻找与测试
Winter 2019-6-16原创 喷气推进
中文摘要
本文测试了一种火箭发动机点火药在点火难度较大的AP基燃料中的点火效果。在发动机中实测点火延迟可以达到40ms以下
关键词
点火固体火箭发动机

点火是火箭发动机的一个重要环节。除硝糖和bp这两种燃料之外,国内业余常用的固体火箭燃料(如RNX、RAP、APCP等)都有不同程度的点火困难问题。在我使用APCP燃料的经历中,大部分发动机点火中都有各种点火不良导致的不正常工作,比如:喘燃、断燃、点火延迟过大、点火压力峰与工作压力峰分离。不良点火在42mm发动机第一次测试中导致了喘燃的问题

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(图为发动机F-t曲线)


不良点火推测是第二次发动机热试车的爆炸原因之一


(视频为第二次42mm发动机测试中爆炸)


为了解决点火问题,我制造了几个特别结实的发动机用来测试各种点火药。

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首先是被文献吹的神乎其神PTFE-Mg点火药

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这种由镁和聚四氟乙烯组成的点火药燃烧时产生极高的热,较多的固体和少量的气体,理论上来说是个理想的点火药。

实际上……

这种点火药难以被点燃,商品点火头不能直接点燃它。而且这种点火药直观感觉燃速极快,文献说这种点火药即使造粒或者造块,低压燃速也有8-20mm/s。

所以先测试造粒的点火药

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实际点火测试中,使用内包bp,外包造粒PTFE-Mg的点火药包。

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点火,噗的一声,喷口冒出一小团烟,但燃料没有被点燃。拆开发动机一看……

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bp烧完了,造粒PTFE-Mg没点着。造粒之后火焰感度低到贴脸的bp都点不着了


于是把PTFE-Mg点火药换成粉状的再试一遍

点火瞬间,巨大的声音像炸机了,但是实际上只是点火药瞬间燃烧完,燃料丝毫未动


这就比较麻烦了……文献都说棒的点火药居然本身都需要点火药,即使用bp都难以点着,而粉状使用又燃速过高。

理论和实际,果然还是有些距离的。


再翻找文献,发现有种比较“接地气”的点火药,主要由硝酸钾、镁、铝组成。试试吧

以65:15:20的重量比混合硝酸钾、镁粉、铝粉。研磨,过200目筛子。我用的镁粉是200目,铝粉是1000目,所以磨的主要是kn,用研钵磨不费力


初始喷燃比186下APCP燃料点火成功。燃料棒长90mm,内孔直径12mm,单端面可燃。喷管直径6mm。

体感无延迟。发动机瞬间进入正常工作,遗憾是缺少录像来看延迟究竟是多少,只能上一些发动机工作完之后的照片

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环氧树脂填充的部分从6mm变成了17mm,高铝燃料真暴力

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再进行RAP燃料的点火测试,初始喷燃比96。燃料棒长108mm,内孔直径8mm,直喷管6mm。点火药量0.2g。

这次总算拍到视频了


点火延迟非常低,体感感觉不到,24FPS的视频逐帧看,没发现有点火延迟,也就是点火延迟在40ms以下。

这种KN-Mg-Al点火药也拥有优良点火药的特性:燃速适中,燃温高,固体生成物多,气体生成物较少,本身的点燃难度不高等。适合作为固体火箭发动机的点火药使用。


固体火箭发动机的点火问题,至此可以说是有了一个可靠的解决方案。


[修改于 5 个月前 - 2019-06-16 18:42:41]

来自 喷气推进
2019-6-16 18:34:29
Winter(作者)
1楼

说些题外话,Rap燃料实在是非常暴力,燃速压强指数应该很高,推算得出这次试车的平均工作压强在19.3mpa左右,这个发动机耐压43mpa,如果是普通点的发动机,估计已经炸了。

几年前那个直喷能不能出环的老话题可以终结了。即使不谈理论,实践也已经证明直喷能拉一串环

Screenshot_2019-06-16-12-34-20-303_com.miui.video.png

另外还有一张截图,严重欠膨胀和极高的室压带来的巨大火焰和大号马赫环

Screenshot_2019-06-16-12-34-01-443_com.miui.video.png


[修改于 5 个月前 - 2019-06-16 18:43:42]

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2楼

贺电!这些年悬而未决的两个问题终于有了大概的定论!

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3楼

贺电!恭喜技术员阿萌获年度第二重大研究进度奖(^_−)−☆

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4楼

KN-Mg-Al的性能的确可圈可点,但实际上Mg-PTFE的性能应该没有这么差。一般情况下,Mg-PTFE中还有其他添加物以改善其性能。例如北极星导弹的点火药,含有40%聚四氟乙烯和60%镁粉,另外添加1%质量的石墨(估计是用来增强热辐射吸收的);响尾蛇导弹的点火药含有30%聚四氟乙烯和54%镁粉,剩余16%都是合成橡胶。目前还没有发现只使用Mg和PTFE而不添加其他物质的,建议LZ做更全面的实验。

此外,诸如Mg-PTFE之类的烟火剂作为点火药,发火温度较高,一般需要较大能量的发火管或加强药才能点燃,仅用电点火头(事实上就是中电阻电发火管,是引燃能量和释放能量都最低的电发火管)难以点燃造粒药是很正常的现象。Mg-PTFE这个点火药可能确实不适合业余界,但不能因此就下结论说Mg-PTFE不好。

另外,还有B-KNO3、造粒银药、Mg-KCLO4、6-3烟火剂等多种可用的点火药,LZ可以做一个全面的实验,看看何种点火药适合何种发动机。

(参考《固体火箭发动机设计》第六章  点火与点火装置设计)

[修改于 5 个月前 - 2019-06-16 22:33:49]

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Winter(作者)
5楼
引用 浪里黑条 发表于 4 楼的内容:
KN-Mg-Al的性能的确可圈可点,但实际上Mg-PTFE的性能应该没有这么差。一般情况下,Mg-P.....

PTFE-Mg性能确实并不差。我没有下PTFE-Mg性能不好的结论。

文中有说,如果不造粒燃速过高,如果造粒则难以点燃(bp药包点不着)在业余条件下一个点火药纵使性能再好,有这么苛刻的条件,也就没有用它的必要了。使用起来反而增加点火失败率。

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6楼
引用 Winter 发表于 5 楼的内容:
PTFE-Mg性能确实并不差。我没有下PTFE-Mg性能不好的结论。文中有说,如果不造粒燃速过高,如.....

或许应该模仿导弹点火药,加一些别的物质。

另外,点火装置设计成专门的结构(而不是简单地把药包从喷管塞进去)也能提高点火可靠性。

还有就是,是什么文献说Mg-PTFE燃速那么快的,《固体火箭发动机设计》一书指出,Mg-PTFE“当压强为0.101325MPa时,燃速约为1.8mm/s。在低压下该点火药易于点燃,燃气中凝聚相颗粒含量多,燃速压力指数小。”这么看来,有可能是配方和工艺问题才导致的难以点燃。

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