真空技術(shù)在固體火箭發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用 |
本文介紹了真空技術(shù)在固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室絕熱、推進(jìn)劑原材料準(zhǔn)備、推進(jìn)劑藥柱澆注成型、發(fā)動機(jī)總裝檢測中的應(yīng)用，真空技術(shù)在提高固體火箭發(fā)動機(jī)制造質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大積極的作用。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，真空技術(shù)在航空、航天、核工業(yè)、電子工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如真空把持、真空提升、真空輸送、真空冶金、真空包裝、真空除濕干燥等等。每一項(xiàng)真空技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用均體現(xiàn)出科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。真空技術(shù)在固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥及總裝檢測領(lǐng)域同樣有著廣泛的應(yīng)用，在保障固體火箭發(fā)動機(jī)研制和生產(chǎn)中發(fā)揮著積極作用。
1、真空技術(shù)在固體發(fā)動機(jī)裝藥中的應(yīng)用
固體火箭發(fā)動機(jī)的研制生產(chǎn)包括燃燒室殼體內(nèi)表面絕熱、推進(jìn)劑混合、推進(jìn)劑原材料的準(zhǔn)備、藥柱澆注成型、發(fā)動機(jī)總裝檢測等主要加工過程。在這些加工過程中，都在一定度上需要真空技術(shù)來保證各工序的有效進(jìn)行，為最終生產(chǎn)出質(zhì)量合格的固體火箭發(fā)動機(jī)提供強(qiáng)有力的條件。
1.1、真空技術(shù)在原材料準(zhǔn)備中的應(yīng)用
1.1.1、氧化劑的真空儲存
氧化劑的真空儲存系統(tǒng)主要用于超細(xì)氧化劑在真空狀態(tài)下的長期儲存，使儲存罐內(nèi)部的有限空間處于長期與大氣隔絕的真空狀態(tài)。通過真空泵將儲存料罐內(nèi)的空氣排出，使罐內(nèi)形成相對的真空，罐內(nèi)真空環(huán)境真空壓力保持相對穩(wěn)定，從而保證物料在罐內(nèi)儲存后，其狀態(tài)(粒度、水份)保持相對穩(wěn)定，延長儲存時間，滿足裝藥生產(chǎn)的需要。在氧化劑的真空儲存過程中運(yùn)用自動控制技術(shù)，多個真空罐之間互相并聯(lián)，同時對多個真空罐進(jìn)行抽真空控制，也可對單臺進(jìn)行抽真空控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)裝藥前氧化劑的一次性儲存。
應(yīng)用表明，真空壓力保持在中低真空前提下，氧化劑可存放數(shù)個月甚至一年，有效降低結(jié)塊現(xiàn)象。提高真空度，可有效延長氧化劑的存放時間和儲存效果，為固體火箭發(fā)動機(jī)批量裝藥提供有效保障。
1.1.2、氧化劑的真空干燥
氧化劑主要指高氯酸銨(AP)等含能材料。細(xì)高氯酸銨(AP)的粒度只有幾微米，吸濕性強(qiáng)，易結(jié)塊，不易分散，吸潮嚴(yán)重會改變AP 的粒徑和粒形，直接影響粘合劑對AP表面的包裹、推進(jìn)劑混合的均勻性、推進(jìn)劑制造過程氧化劑加料的順暢性、藥漿的流變性能和推進(jìn)劑燃速的穩(wěn)定性能等[1]。所以在使用前對AP的干燥是推進(jìn)劑生產(chǎn)前原材料準(zhǔn)備的重要步驟。
氧化劑(AP)的干燥就是使其內(nèi)部所含的水分從固體內(nèi)部借擴(kuò)散作用直達(dá)表面，從而汽化的過程。由于AP 在較高溫度下容易分解，并具有一定的潛在危險性，又由于水的沸點(diǎn)隨真空度的增大而降低，因此現(xiàn)在通常采用真空干燥。真空干燥的優(yōu)點(diǎn)在于物料干燥速度快，表面溫度低，物料在較低溫度下干燥，不易發(fā)生分解，更易使化學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定，生產(chǎn)操作安全可靠。經(jīng)過烘干處理的AP在真空罐內(nèi)貯存，以備待用。
1.1.3、氧化劑料桶的真空輸送
在固體發(fā)動機(jī)裝藥原料準(zhǔn)備前，要將幾十公斤重的氧化劑原料桶搬抬到過篩處理設(shè)備上，以前依靠人力搬抬，勞動量大、勞動強(qiáng)度高�？紤]到安全因素，采用機(jī)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化程度受到限制。近年，單位將真空技術(shù)應(yīng)用于這一氧化劑處理過程，研究了氧化劑吸管式真空提升搬運(yùn)裝置。操作人員單手操作系統(tǒng)控制手柄，該裝置就可完成氧化劑原料桶的提升、平移、擺臺操作。由于該項(xiàng)技術(shù)比較成熟，充分考慮了人體工效學(xué)等，使得操作簡潔、輕松，人工勞動強(qiáng)度大大降低。該裝置的提升高度、提升重量、安全性能等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足使用要求。在實(shí)現(xiàn)球形氧化劑處理全過程的機(jī)械化方面，取得了較好的效果。
1.2、真空技術(shù)在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)表面絕熱中的應(yīng)用
絕熱層是防止發(fā)動機(jī)在工作過程中達(dá)到危及其完整性以及限制推進(jìn)劑局部表面燃燒的隔熱層，固體發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)絕熱層成型質(zhì)量的好壞決定了固體發(fā)動機(jī)發(fā)射飛行的成敗，因此絕熱層性能和成型質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機(jī)的質(zhì)量。國內(nèi)裝藥廠的發(fā)動機(jī)內(nèi)絕熱層成型工藝主要還沿用傳統(tǒng)的手工貼片成型方法，受絕熱材料、膠粘劑、殼體絕熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜性限制，始終沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，是各裝藥廠研制生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)。手工貼片工藝對復(fù)雜絕熱殼體容易形成較多的缺陷(如鼓包、虛空、脫粘、不良粘、翹邊溝槽等)造成內(nèi)絕熱質(zhì)量隱患，產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工藝穩(wěn)定性差。目前我國絕熱層成型采用的絕熱層條片手工粘貼的工藝方法，其不穩(wěn)定的人為因素帶來的粘貼質(zhì)量隱患較多，且勞動環(huán)境十分惡劣，勞動強(qiáng)度大。尤其對小直徑大長細(xì)比發(fā)動機(jī)來講，人工貼片難以操作，粘貼質(zhì)量難以保證。
1.2.1、發(fā)起機(jī)焚燒室真空絕熱技能
在發(fā)起機(jī)焚燒室絕熱預(yù)備過程中，有一類發(fā)起機(jī)殼體的一端為Φ200 mm~Φ300 mm 的小開口，另一端為橢球狀，這樣便無法選用常規(guī)貼片的辦法完成焚燒室的絕熱，而選用了真空絕熱成型技能。發(fā)起機(jī)殼體內(nèi)絕熱層產(chǎn)生脫粘的首要原因是殼體與絕熱層之間、絕熱層與絕熱層之間殘留有氣體或許漏涂膠粘劑[2]。真空絕熱成型技能研討中改變了涂敷初粘力很強(qiáng)的膠粘劑張貼絕熱層片材的成型辦法，而施行在真空狀況下對內(nèi)絕熱層全體加壓熱張貼防脫粘的真空絕熱成型技能。發(fā)起機(jī)殼體內(nèi)絕熱層防脫粘的要害是排出殼體內(nèi)腔氣體，使之到達(dá)真空技能需求，并嚴(yán)厲操控排氣技能及真空度。為此研發(fā)了專用設(shè)備，將組裝了內(nèi)絕熱層部件的發(fā)起機(jī)殼體放入真空環(huán)境中，然后履行一系列技能操作，使絕熱層預(yù)成型件處于真空狀況，真空度可達(dá)50 Pa，然后在氣囊保壓條件下使絕熱層與發(fā)起機(jī)殼體進(jìn)行壓緊熱粘接。經(jīng)真空絕熱固化后的發(fā)起機(jī)殼體，超聲波探傷標(biāo)明無脫粘表象。真空絕熱成型技能已成功在某些類型上得到運(yùn)用，進(jìn)步了該類固體火箭發(fā)起機(jī)的內(nèi)絕熱層成型功率和質(zhì)量[3]。
1.2.2、真空模壓排氣技能
在固體火箭發(fā)起機(jī)絕熱過程中，由于一些發(fā)起機(jī)內(nèi)絕熱構(gòu)造雜亂，采取了模壓技能。對構(gòu)造雜亂的零部件，為了得到細(xì)密無氣孔的預(yù)成型件，采取在真空條件下的模壓技能[4]，在必定的真空壓力下可獲得質(zhì)量合格的絕熱模壓件。
1.2.3、無溶劑襯層料漿真空除氣脫水
在無溶劑襯層成型技能研討中，曾利用真空技能對襯層料漿進(jìn)行除氣脫水處理。由于無溶劑襯層料漿粘度大，真空處理后，一方面可以削減襯層中的氣孔，另一方面還可以脫去料漿中的水份，如果料漿中含微量的水份，襯層固化時，會在其內(nèi)部構(gòu)成小氣孔。經(jīng)過真空除氣脫水處理可以使襯層細(xì)密均勻，有用增強(qiáng)了襯層本身的功能。用掃描電子顯微鏡調(diào)查研討標(biāo)明，真空除氣脫水后的料漿做成的試片內(nèi)部細(xì)密，天然面無氣孔，真空處理后無溶劑襯層的力學(xué)功能明顯進(jìn)步。
1.3、真空技能在推進(jìn)劑藥柱成型中的運(yùn)用
1.3.1、高能推進(jìn)劑的真空混合
固體推進(jìn)劑的混合是推進(jìn)劑制作中的一個要害工序，混合的意圖即是把很多的固體組分如氧化劑和鋁粉等與少數(shù)的粘稠液體如粘合劑相混合，使固液界面潮濕，固體顆粒被杰出包覆，各組分渙散均勻共同，構(gòu)成技能功能杰出的高粘度藥漿。真空混合可以除去混在藥漿里的氣泡，又利于固體顆粒的包覆，然后可削減剪切力，進(jìn)步混合功率;還可以抽除混合機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)性易燃易爆氣體和粉塵，有利于安全出產(chǎn)[1]。
1.3.2 推進(jìn)劑料漿的真空澆注
推進(jìn)劑藥柱需求構(gòu)造完好，藥柱的外表和內(nèi)部不得有孔隙、裂紋和海綿狀疏松安排，藥柱與焚燒室前、后封頭間的粘結(jié)界面不得有脫粘閃現(xiàn)，否則會影響發(fā)起機(jī)的內(nèi)彈道特性，嚴(yán)峻時會致使發(fā)起機(jī)爆破。在真空條件下，把推進(jìn)劑藥漿經(jīng)過花板渙散成很多細(xì)藥條，可以將推進(jìn)劑藥漿中混入的氣體隨時有用排出，然后澆入焚燒室中，然后使制得藥柱中的氣孔減到起碼程度。在澆注過程中，發(fā)起機(jī)殼體放在真空缸內(nèi)，隨澆注技能的進(jìn)行，藥漿在不斷脫氣，真空澆注進(jìn)步了推進(jìn)劑藥柱的質(zhì)量，操控真空度也有利于保證藥柱質(zhì)量的重現(xiàn)性。真空技能是保證藥柱無氣孔、細(xì)密且具有杰出的力學(xué)功能和焚燒穩(wěn)定性的重要技能。
1.3.3、大型焚燒室裝藥尾部人工脫粘層縫隙抽真空裝藥技能
大型焚燒室裝藥尾部人工脫粘層縫隙抽真空裝藥技能，由于此類型焚燒室翼型翼展大，人工脫粘層在裝藥行進(jìn)行了封口處理，這致使焚燒室在推進(jìn)劑料漿的真空澆注過程中，人工脫粘層與絕熱層夾層間的真空壓力大于焚燒室內(nèi)腔的真空壓力，終究致使人工脫粘層敏捷向焚燒室內(nèi)腔興起而與翼片接觸，而人工脫粘層上噴涂有半硫化狀況的襯層，裝藥翼片上涂有脫模劑，當(dāng)人工脫粘層上的襯層接觸翼片后，翼片上的脫模劑便粘附在襯層與推進(jìn)劑的粘接界面上，形成藥柱脫粘，繼而對發(fā)起機(jī)正常作業(yè)形成影響;或許襯層粘在翼片上致使固化后推進(jìn)劑翼槽上有襯層，這一方面影響了襯層與推進(jìn)劑的粘接界面粘接功能，另一方面影響了推進(jìn)劑的表觀質(zhì)量。大型焚燒室裝藥尾部人工脫粘層縫隙抽真空技能即是在焚燒室內(nèi)腔抽真空前，先期對近似密封的尾部人工脫粘層縫隙抽真空，在真空澆注過程中堅(jiān)持人工脫粘層與絕熱層貼服，避免人工脫粘層興起而形成一系列的質(zhì)量問題。真空技能在固體發(fā)起機(jī)裝藥過程中體現(xiàn)了非常重要的效果。
1.4、真空技能在固體發(fā)起機(jī)總裝檢查中的運(yùn)用
固體火箭發(fā)起機(jī)作業(yè)時內(nèi)腔充滿了高溫高壓燃?xì)�，而且處于動態(tài)燃?xì)饬鳁l件下，作業(yè)條件極為惡劣。為保證發(fā)起機(jī)作業(yè)的高可靠性，對其密封功能有用進(jìn)行檢查是非常重要的。因此，發(fā)起機(jī)在總裝后要進(jìn)行有用的氣密性檢查試驗(yàn)。
真空檢漏即是用必定的手法將示漏物質(zhì)加到被檢漏容器壁內(nèi)部，用漏檢儀器在被檢漏容器壁的另一側(cè)置疑有漏點(diǎn)的當(dāng)?shù)赜苫罱j(luò)元件檢查經(jīng)過漏孔逸出的示漏物質(zhì)，然后可以在短時間內(nèi)檢查出工件的細(xì)小走漏，判定漏孔的存在、漏孔的大小和它的具體位置，并將這些信息傳送給操作人員，然后區(qū)分出被測工件是不是合格。一起可以依照國標(biāo)或出產(chǎn)技能需求任意設(shè)定各項(xiàng)查驗(yàn)參數(shù)及區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，然后到達(dá)檢漏的意圖，在固體火箭發(fā)起機(jī)總裝時，對需求格外嚴(yán)厲的發(fā)起機(jī)的氣密性檢查，一般選用氦質(zhì)譜檢漏儀對細(xì)小漏孔進(jìn)行定量檢查。氦質(zhì)譜檢漏儀與發(fā)起機(jī)及輔佐部分連接如圖1 所示。真空檢漏要注意示漏物質(zhì)的挑選。首要思考以下因素：①檢漏儀器活絡(luò)元件對示漏物質(zhì)的活絡(luò)程度;②示漏物質(zhì)在空氣中的含量要小;③示漏物質(zhì)對檢漏商品不能形成污染;⑤示漏物質(zhì)不存在焚燒爆破、有毒有害、腐蝕等損害。固體火箭發(fā)起機(jī)總裝氣密檢查選用了必定濃度的氦氣作示漏氣體。中國在固體火箭發(fā)起機(jī)裝藥氣密檢查方面運(yùn)用了以氦氣作示漏氣體的氦質(zhì)譜檢漏技能,它是真空檢漏活絡(luò)度最高、運(yùn)用最遍及的一種檢漏技能，可以完成無損檢漏。氦質(zhì)譜檢漏儀構(gòu)造簡單，具有操作保護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，可以消除檢查中的人為因素，完成檢漏作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、高效化和自動化。
2、定論
真空技能已成功用于固體火箭發(fā)起機(jī)裝藥及總裝檢查范疇，在保證固體火箭發(fā)起機(jī)質(zhì)量方面表現(xiàn)著重要效果。
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