简单讲一下固体火箭发动机的点火

目前大型固体火箭发动机以复合推进剂为主，主要是高氯酸铵-端羟聚丁二烯这类。这种推进剂的发火温度较高，导热率较高，点火难度比双基推进剂高。

爱好者的火箭，在点火的初起阶段很容易发生不稳定燃烧。国内暂时只有KCSA仔细的为爱好者的火箭测量过点火过程的燃烧室压强，并且捕捉到几种不良点火的压强变化曲线。其他爱好者火箭虽然没有测量过燃烧室压强，但从拍摄的视频、测得的推力曲线等来观察，与已经测得的不良现象是一致的。

我们先来看一下一个典型的不良点火。

图中，左侧的小峰是点火药发火带来的压力和推力峰。点火药发火时，顺便点燃了药柱表面的毛刺和浮尘（药柱内孔是CNC加工的），使压力峰加大，但并未引起发动机整个内表面的燃烧，而是仅仅点燃了点火药附近的很小一部分表面。经过很长时间，燃烧面积才再次扩大，表现出类似从零开始升压到工作压强的曲线。

如果左侧的小峰带来的推力稍稍大一点，就会把火箭弹出发射架，然后发动机熄火，火箭坠落，随后又再次产生推力。一旦发生这种情况，必然造成严重事故——在九江，火箭因为此问题而水平飞行，以百米/秒级别的高速低空飞过公路。而YT-4火箭也存在上述问题，幸好由于火箭重，点火峰只让火箭振了一下，没有推出发射架。而其后的自升压速度缓慢，导致出架速度低，因而发生偏航。

对于上图这种可以零起自升压的火箭发动机（RNX燃料及大面喉比），其实用一个规模小得多的点火管，只要点燃药柱头部的很小一片区域，就能进入2.5秒处的工作状态，避免0秒处的脉冲。因此，可以说对于RNX燃料，用一堆火柴头来点火，也比用上图这种不专业的点火方式（松散银色爆音药包）好。

常见高能燃料（如APCP、RAP）不适宜搞自动升压（否则需要调整配方到危险区域，或者很高的设计压强）。小面积点燃时，会在初期发生严重的断续燃烧，如果设计燃烧室压强低，甚至整个工作过程都会断续燃烧（喘燃），严重时还会彻底熄火。2011年安顺年会上的火箭因为燃烧室压力低且点火药严重不足，发生过点火后熄火。TK-1A火箭也存在点火后喘燃的隐患。

为了更好的理解这些问题，我们需要了解点火过程到底发生了什么。

点火药的发火，目的在于把尽量多的能量传递给推进剂。推进剂得到能量以后，发生燃烧，从而使发动机内的压力升高。点火药的燃烧本身也会提升发动机的压力。

如果点火药持续的向推进剂提供能量，使推进剂的点燃面积足够大，在点火药燃烧完毕之前，就已经建立了工作压力，就会产生一个高于正常工作压力的初始压力峰。如下图所示（这些鼠标画的图难以尊重实测，仅做示意）。


如果点火药燃速很快，产生较多气体，而燃烧时间又很短，在点燃足够面积之前就已经烧完，推进剂还需要自行燃烧升压，就会出现初始压力峰分离现象，如最上面的图。当然，对于不能稳定自升压的燃料，常常伴随喘燃，如下图。


为什么会发生喘燃呢？目前还没有非常严谨的解释。不过可以从能量的角度做一些分析。

（1）点火以及燃料本身的燃烧，会释放能量。燃料燃烧得越快，一定时间内释放的能量就越多，同时产生的气体产物也越多，发动机的压强就会升高。发动机排气会带走能量，压强越高，排气速度通常就会越快，单位时间内带走的能量也越多。燃烧释放能量和 排气排走的能量需要处于平衡状态，火箭才能正常工作。如果带走的某个局部的能量多于其产生和获得的能量，燃料表面温度就会下降，一旦降低到发火温度以下，就会熄火。燃烧室内并不是均匀的，如果燃料的性质和发动机的压强在某一时间匹配得不合理，在这段时间内，就可能使一片较大的区域降温到发火温度以下，而另一块较小的区域还处于发火温度以上，导致发动机压力降低，从而排气带走的能量也减少。仍然在燃烧的区域又向熄火的区域传递能量，使其温度升高，重新发火。发火以后，压力升高，排气加快，又可能使另一块区域不再具备燃烧条件。

（2）燃料有多种不同速率的反应机制。通常正常点火以后是明火燃烧，换句话说，燃烧主要是在气相区域进行的，气相区域放出热量，传递给凝聚相，从而维持燃烧。但是如果温度还不足够，而压力又很高（排气流量很大），也可能进入没有明火，而是在凝聚相发生放热化学反应的状态，不再大量产生气体产物。随着压力降低，燃料表面温度再次升高，重新转为气相燃烧，重复喘燃过程。

（3）燃料在稳定燃烧时，正在燃烧的燃料会向邻近的燃料层传递热量，传热的方式包括热传导、辐射等方式。邻近的燃料经过预热，达到燃烧的临界条件，才能有序的逐层燃烧。如果发动机内的一部分燃料被点燃，对其它燃料产生冲刷，可以使其它燃料的表面发生燃烧，而未能及时的加热邻近的燃料层，在压力升高后，冲刷的方式发生改变，燃烧条件被破坏。

（4）对于爱好者的火箭，还有可能是燃烧室中积累的气相产物达到着火条件，引发脉冲燃烧，然后点燃表层的燃料，造成喘燃。

大型发动机的不稳定燃烧是十分复杂的，学术界做过大量研究，并能对燃烧稳定性进行预估。不过我认为与爱好者小火箭的喘燃关系不大，相关理论（声振的耦合等）不具备使用条件。感兴趣的读者可参考中文综述：王宁飞，固体火箭发动机不稳定燃烧研究进展，航空动力学报, 2011, 26(6)。

发动机中的燃料必须在一定的压力下才能正常工作。一个在空气中可以良好燃烧的燃料，装到发动机里面以后，一旦点燃，就排走了空气，此时的燃烧方式和在空气中是不同的。许多燃料在一个大气压下，如果没有氧气，就不能稳定燃烧。能够稳定燃烧的最小压强称为临界压强。临界压强与燃料的初始温度有关，温度越低，临界压强越高。不同配方的燃料，临界压强不同。对于APCP燃料，大约在2-3MPa数量级。由于燃气的流动会带走热量，临界压强还与燃气流速有关。对于同一种燃料、同一种初始温度，燃气流速越大，临界压强越高。但燃气流速不能太大，否则由于紊流造成的侵蚀燃烧会加剧，分析变得更为复杂。这些因素组合起来，仅用形象理解，就能发现多种因素互相制约，在某些状态下可能发生不稳定现象，点火作为发动机工作状态变化最剧烈的阶段，应当引起重视。

讲固体火箭设计的书一般都会讲点火，对不稳定燃烧至少也要讲五六十页。所以大家应该自己去看书，抄书的工作从略。

通过上面的分析可以看出，固体发动机的点火装置，应当有以下特点：

（1）释放足够多的能量。
    热量要多，足以将燃料表面尽量大的区域加热到可以燃烧的程度

（2）需要持续燃烧足够的时间。
    燃速要适当，要能够与已经点燃的推进剂一起，维持压强并持续传递热量，直到燃料可以自行正常燃烧。

（3）气体产物要适当，不能太多，也不能太少。
    要产生适当的点火压强，并与燃料燃烧产生的压强平滑过渡。气体产物太多，能量基本都在气体中，会很快从喷管排出。由于气体热容小，复合推进剂热容大，导热好，散热快，气体无法迅速给燃料表面升温。且会造成较高的点火压强，不利于过渡到燃料的稳定燃烧。气体产物太少，不利于能量的均匀分布，可能先点燃一部分燃料，最终这部分先烧完，发动机结束工作拖泥带水，且对隔热带来挑战。对于某些低压下燃速较慢的燃料，则不能迅速升压，燃料还没升到足够的压强就被吹灭，易发生喘燃。

（4）燃烧的热量要能良好的传递给燃料，气体产物的热容要大，并且高温固体/熔融液滴迅速分散并粘附在燃料上传热。在发动机制造时，也可以考虑燃料内表面的成分稍有变化，或者刷一层易燃的点火层。但对于大型发动机，为了安全，通常不允许这样做。大型发动机应当设计专门的点火发动机，通常是一个工作周期短，面喉比较小的小型发动机。

当火箭很小而又难以重复验证时，应按照“少、慢、足”的原则选择点火药。少是指气体产物偏少，慢是指燃速偏慢，有了前两个条件，就能稍微多用一些药，足就是指药量足。

点火装置需要多种药剂。首先需要有发火药，它是固化在桥丝上的少量敏感烟火药。然后，用扩燃药将点火药的火焰迅速扩大到主点火药。在点火过程中，希望主点火药的火焰迅速扩散到整个发动机，同时又需要一定的燃烧时间，避免压力尖峰。因此需要采用造粒的药剂，如造粒的黑药。同时还需要点火炬对火焰加以约束，避免对局部的过度冲刷。综合上述要求以后，用少量有机胶水造粒的高氯酸钾-铝粉之类是不错的选择。如果不造粒，银药会发生爆燃，就会出现本文第一图的情形。黑药并不需要按照烟火版的逼格来制造，相反，适当增加硝酸钾的量，可以增加其大粒固体/熔融液滴产物，并在点火时形成氧化气氛。

点火装置应当制作成单独的火工品。对于中小型发动机，可以从喷管插入，燃料较长的还可以分为多份药包，用桥丝同步发火。对于大型发动机，应当在“堵头”一侧开安装孔，把点火炬（或点火发动机）从这个安装孔旋进去，并做好耐压密封。对于塞式喷管的火箭，可以安装在喷管座上。

良好的点火应当得到下图蓝色所示的点火曲线。红色通常是点火药燃速太快且不足，黄色是点火药燃速慢且不足的现象。测定燃烧室压强有利于及时发现和纠正不良的点火。