第3l卷第4期
固体火箭技术
Journal of Solid Rocket Technology V01．31 No．4 2008
固体燃料冲压发动机火炬式点火器设计①
刘巍，杨涛，胡建新，于宁，李理
(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)
摘要：对火炬式点火器工作原理进行了介绍，根据氧化剂、燃料的状态对火炬式点火器进行了分类。分析了各类点火器
结构特点及热防护措施。设计出使用气氧、酒精的固体燃料冲压发动机地面试验用火炬式点火器，采用旋转液膜与酒精再
生冷却相结合的办法，有效地加强了点火器的热防护。在冲压发动机试车台上，对该火炬式点火器进行了30余次单独试
验．均取得了成功。可持续工作时间不少于20 s。
关键词：固体燃料冲压发动机；火炬式点火器；设计；试验
中图分类号：V435 文献标识码：A 文章编号：1006-2793(2008)04-0336-04
Structure design on torch igniter of solid fuel ramjet
LIU Wei，YANG Tao，HU Jian—xin，YU Ning，LI Li
(College of Aerospace and Material Engineefing，NUDT，Changsha 410073，China)
Abstract：The principle of torch igniter W88 introduced．and the torch igniters were classified based on the states of the oxidize
幅and the fuels．The structure characteristics of V撕OUS igniters and thermal protection rtleasul'e$were analyzed．The torch igniter
with the fuel of gas-oxygen／ethanol WaS designed for solid fuel ramjet ground tests．Thermal protection of the igniters was effectively
托inf硒ed b)，using the cooling method of regeneration ethanol and rotating fluid film．The torch igniters were successfully tested
nrlore than 30 times．witll duration working time not less than 20 s．
Key words：solid fuel ramjet；torch igniter；design；test
l 引言
对于需要外部能量启动的固体燃料冲压发动机，
点火器的可靠性是其能够正常工作的前提条件，是固
体燃料冲压发动机的关键部件之一。目前，固体燃料
冲压发动机地面试验使用的点火器主要有火药点火器
及火炬式点火器。火药点火器具有结构简单、燃烧产
物温度高、所需配套设备少等优点，特别适合作为固体
火箭、固体火箭冲压等发动机的点火装置，且在其他燃
烧装置中也得到了广泛应用。但火药式点火器却不是
固体燃料冲压发动机地面试验点火装置的最佳选择，
原因主要有：(1)火药式点火器每次试验都需要重新
安装火药、点火头，准备时间长；(2)点火瞬间振动较
大，对整个试验系统不利；(3)燃烧产物含有炽热固体
颗粒，对点火段结构有烧蚀，带有腐蚀性的固体颗粒附
着于点火段及下游结构上，难以清除；(4)为了获得一
致点火特性，点火药一般设计成药柱，有时需专门浇注
点火药，并进行机械加工，不仅成本高，周期也较长。
火炬式点火器最大的优点为可多次点火，且能在
很宽范围的推进剂进口状态、混合比和流量下工作，且
具有安全、燃烧产物清洁、启动振动小、成本低、准备时
间短等优点。火炬式点火器的缺点主要为所需配套设
备较多。相比之下，火炬式点火器用于固体燃料冲压
发动机地面试验的优势是显而易见的。国外一些科研
机构已普遍应用，如德国、荷兰的H：／O：火炬式点火
器、美国的乙烯基／氧火炬式点火器等⋯，而国内仍停
留在火药式点火器阶段，因而有必要结合自身实际情
况，设计满足需要的火炬式点火器，促进固体燃料冲压
发动机的试验研究。
文中通过对已有火炬式点火器结构进行分类分
析，并结合试验台条件，设计出使用气氧与酒精的火炬
式点火器，并成功进行了火炬式点火器单独试验。
① 收稿日期：2007-04-29；修回日期：2007-07-23。
基金项目：国家自然科学基金(50376072)。
作者简介：刘巍(1980一)，男，博上生，研究固体燃料冲瓜发动机技术。E．mail：liuweinudt@126．com
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万方数据
2008年8月刘巍，等：固体燃料冲压发动机火炬式点火器设计第4期
2火炬式点火器分类分析
火炬式点火器由火花塞点火系统、推进剂供应系
统、燃烧室、燃气导管(或喷管、转接头)等部件组成。
火花塞点火系统一般由高压点火电源、高压导线、火花
塞帽和火花塞组成。其工作原理为高压点火电源产生
间歇性高电压，通过高压导线，在火花塞的中心电极和
侧电极之间产生一定频率的电火花。推进剂供应系统
一般为挤压式，液体流量可用汽蚀文氏管或喷嘴喷注
压降控制，实际流量可用涡轮流量计进行测定；气体流
量可用音速喷嘴或喷射压降来控制，实际流量可用气
体流量计进行测定。火炬式点火器工作原理为少量富
燃料的推进剂输入火炬式点火器的小燃烧室，并由火
花塞点燃，富燃料燃烧产物进入固体燃料冲压发动机
燃烧室后，与先进入燃烧室的空气进行进一步燃烧，生
成高温燃气，并通过对流换热及辐射加热主装药，进而
完成固体燃料冲压发动机的点火。
设计火炬式点火器最简单快速的方法就是借鉴已
有火炬式点火器结构旧棚j。已有火炬式点火器大多用
作液体火箭发动机或空气加热器的点火装置，通过调
整混合比控制燃烧产物平均温度，一般在富燃料状态
下工作，并通过各种办法加强热防护。按氧化剂、燃料
的状态，火炬式点火器可分为“气一气”、“液．液”，“气-
液”3种类型。
2．1“气-气”火炬式点火器
氧化剂与燃料都为气态，氧化剂一般为气氧，燃料
一般为氢气、甲烷、一氧化碳等，其典型结构如图1所
示【21(气体燃料、气氧入口分别与氮气入口、测压孔在
周向错开45。而未显示)。该点火器由火花塞安装板、
燃烧室、燃气导管及冷却管套等部件组成。气氧与气
态燃料从燃烧室两侧向轴线方向对进，通过火花塞在
燃烧室内点燃，燃气通过直燃气导管导出。燃烧室同
时装有测压接口及氮气接口，可对点火器压强进行监
测。该点火器冷却措施为在点火器工作过程中，使用
氮气对燃气导管进行冷却。
图1。气-气”火炬式点火器
Fig．1“Gas-gas”spark torch igniter
2．2“液-液”火炬式点火器
氧化剂与燃料都为液态，氧化剂一般为液氧，燃料
一般为液氢、煤油、酒精等，其典型结构如图2所示⋯。
毓化刺入¨
图2“液·液”火炬式点火器
Fig．2。Liquid-liquid”spad‘torch igniter
该点火器燃烧室与燃气导管融为一体，2股自击
式液氧在火炬燃烧室轴线上撞击；设置燃料集液腔，燃
料通过多个切向孔喷人，形成旋转液膜，靠近轴线部分
与氧燃烧生成高温燃气，靠近壁面部分在燃烧室头部
形成旋转液膜保护燃烧室，在燃烧室下游燃料气化后，
与核心部分燃气混合，降低了核心燃气温度，以保护燃
烧室。冗余设计的火花塞位于氧喷嘴与氢喷嘴之间，
这样可迅速点火，并确保火花塞尖端有一个相对安全
的热环境。燃烧室出口是否设置壅塞截面均可。该点
火器使用旋转液膜对燃烧室头部内壁进行冷却。
2．3“气-液”火炬式点火器
氧化剂与燃料为气态与液态，一般为气氧与液体
燃料，其典型结构如图3所示H】。
燃气导管接口
A
图3。气．液”火炬式点火器Fig．3“Gas-liquid”嘟torch igniter
塞
点火器头部端面布置燃料入口，并使燃料喷嘴占
据轴线位置，有利于燃料均匀分布。氧气入口布置在
点火器头部侧面，利用点火器头部与身部前端面之间
的通道形成环缝，围绕酒精进入燃烧室，有利于混合、
燃烧。火花塞位于身部接近中心的位置，使酒精与氧
气混合一段后再进行点燃，避免了安排在头部带来的
结构紧张。燃烧室安装有测压孔与测温孑L，对点火器
工作过程的压强、温度进行监测。燃烧室出口为壅塞
的燃气导管，可同时对多个燃烧室进行点火。该点火
器冷却措施为关机后空气吹除，保护燃烧室及燃气导
管。
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万方数据
2008年8月固体火箭技术第3l卷
3气影酒精火炬式点火器设计
为了能让燃烧产物进入固体燃料发动机燃烧室
后，能迅速地与先进入燃烧室的空气进行燃烧，并点燃
固体药柱，要求火炬式点火器燃烧产物平均温度高，且
能可靠工作较长时间，这对火炬式点火器的热防护提
出了更高要求。
氧化剂与燃料选用地面试验常用的气氧与酒精，
这两种物质具有成本低、易储存、安全、燃烧产物清洁
等优点。结构材料使用不锈钢1Crl8Ni9Ti，其结构如
图4所示。酒精从点火器身部首先进人集液腔，然后
逆流至燃烧室上游，从周向均匀分布的切向燃料喷孔
喷入燃烧室；气氧从点火器头部轴线上进入燃烧室；点
火器头部倾斜安装火花塞，火花塞点火位置处于氧气
与酒精喷口之间，使火花塞周围高度富氧，以保护火花
塞；燃气由燃烧室出口的转接头导出。点火器设置了
集液腔压强孔、燃烧室压强孔及燃烧室温度热电偶孔，
在试验后可根据压强、温度测量值对试验过程进行分
析。该火炬式点火器在热防护方面做了较充分考虑，
首先通过调整混合比控制燃烧产物平均温度，再利用
酒精旋转液膜保护燃烧室内壁面，最后利用液体燃料
再生冷却，防止局部高温烧蚀。
酒精喷孔酒精入121
图4气tt／酒精火炬式点火器
Gas-oxygen／ethanol spark torch igniter
火炬式点火器主要设计内容有点火器流量、混合
比、工作压强、转接头喉径、氧气喷孔孔径、酒精喷孔、
燃烧室内径、燃烧室长度、点火电源等参数。
(1)点火器流量，即酒精与气氧的流量之和。由
固燃冲压发动机的空气流量、所需的点火温度根据热
力计算进行设计。
(2)混合比，即气氧与酒精流量之比。混合比可
控制燃料在火炬燃烧室的燃烧温度、燃烧状态，一般设
计成富燃料，使余下的燃料在固燃发动机燃烧室中继
续燃烧，并达到更高的点火温度。
(3)工作压强与转接头喉径。火炬式点火器燃烧
室工作压强主要由固燃燃烧室的压强决定，如果在转
接头处设置壅塞截面，则使火炬燃烧室的压强至少为
固燃燃烧室压强的2倍，并根据壅塞公式计算转接头
最小截面；如果不设置壅塞截面，则按固燃燃烧室压强
设计火炬燃烧室工作压强，并保证转接头最小截面内
——338——
径不可小于壅塞值。
(4)氧气入口孔径。根据点火器流量、混合比及
工作压强按照壅塞公式设计氧气入口孑L径，也可在接
口处设置孔板，根据实际需要改变氧气入口孔径大小。
(5)酒精喷嘴。酒精喷嘴总面积由不可压流体流
量公式确定：
／●7J。／_,-e__l_h。=肚●。侮_△。一p
式中m劬为酒精流量；卢为流量系数(由试验标定)；A
为喷嘴总面积；p为酒精密度(纯酒精密度取
790 kg／m3)；△p为喷嘴压降。
喷嘴压降为集液腔压强与燃烧室压强之差，喷嘴
压降大，雾化效果好，可在一定程度上抑制不稳定燃
烧，压降最大值受氮气可调最高压强的限制；喷嘴压降
小，雾化效果差，易出现不稳定燃烧。在确定喷嘴总面
积后，确定酒精喷嘴的孔径、个数，个数一般取为偶数，
可分成1～2排，周向均布。
(6)燃烧室内径。燃烧室内部一般设计成圆柱
形，内径大于转接头最小截面孔径，需与转接头最小截
面、燃烧室压强、点火器流量等参数综合设计。
(7)燃烧室长度。燃烧室长度可根据液体火箭发
动机燃烧室特征长度理论设计。燃烧室特征长度定义
为燃烧室容积与出口最小截面积的比值。这样可根据
燃烧室内径、特征长度及转接头最小截面设计燃烧室
长度。
(8)点火电源。设计点火电源主要有2个问题：一
为电功率的选择，每个火花塞的电功率应为5～10 w，
若按火花点火系统的效率为0．1计算，则点火线圈的
供电功率应具有50一100 W；二为火花频率的确定。
实践证明，电功率相同的火花塞，火花塞频率低，则每
个火花的能量就大，但频率低的点火效果并不好，常会
引起爆燃和点火压强峰。设计过程中可参考氢氧火箭
发动机的点火频率，如RLl0A-3．3的火花塞发火频率
为20 Hz(每秒发20个火花，每个火花能量0．5 J)，J-2
氢氧发动机上火花塞发火频率为50 Hz(每秒发50个
火花，每个火花能量O．1 J)。
4气隼y酒精火炬式点火器试验
火炬式点火器单独试验在冲压发动机试车台上进
行。试验测量了氧气上游压强、酒精集液腔压强、燃烧
室压强、壁面附近温度等参数，通过调节流量、混合比
及燃烧室压强等参数，研究了火炬式点火器工作适应
范围。
4．1气氧流量控制
气氧通过音速喷孔控制流量，并测量上游压强。
气体袭塞流量公式：
in。。=pA．／C+
万方数据
2008年8月刘巍，等：固体燃料冲压发动机火炬式点火器设计第4期
式中／n。，为气氧流量；p为气氧上游压强；C’为气氧
特征速度(气氧温度的函数)；A。为限流孔面积。
通过调节上游压强与限流孔面积，可获得不同的
气氧流量。压强的下限取燃烧室压强的2倍，以保证
壅塞条件；压强的上限取减压阀可输出压强的80％’，
以确保安全。在压强范围确定后，选择合适的孔板，以
达到期望的流量。在试验中发现，在压强可满足条件
的情况下，尽量选用孔径大的孔板。孔径大，则燃烧稳
定，关机后管路泄压快；若孔径过小，则会出现燃烧不
稳定，关机后管路泄压慢，又由于酒精腔的余压会将腔
内剩余酒精喷入燃烧室一部分，这会导致在关机后较
长一段时间内出现“闪燃”现象。
4．2酒精流量控制
通过调节喷嘴压降与喷嘴总面积，可获得不同的
酒精流量，使用涡轮流量计测定实际流量，进而标定流
量系数。酒精由高压氮气加压，到达酒精腔后存在一
定的压强损失。喷嘴总面积可通过堵塞若干个切向孔
改变，堵塞喷孔后需重新标定流量系数。
4．3试验结果
经过30余次热试车，火炬式点火器均能正常工
作。点火是否成功，可从声音、尾焰、热电偶所测温度
及燃烧室压强等方面综合判断。试验结果证明，该火
炬式点火器可持续工作时间不少于20 s，总流量变化
范围为8～40 g／s，余氧系数变化范围为0．1—0．5。图
5为某2次试验的气氧、酒精集液腔及火炬燃烧室压
强(相对压强)曲线。
00
I／ms
(b)高压
图5低压及高压工作状态压强曲线
rig．5 Pra婚u心allllWe$of spark torch igniter under
low and high chamber pressure
其中，图5(8)为火炬燃烧室压强相对较低的工作
状态；图5(b)为火炬燃烧室压强相对较高的工作状
态。由压强曲线可看出，火炬式点火器各项压强平稳，
表明点火器燃烧稳定，工作状态良好。
通过监控录像观察，酒精燃烧尾焰出口处为淡蓝
色，并逐渐过渡到红色，表明富含酒精的燃烧产物从喷
管喷出后，可与外界空气进一步燃烧，满足了固体燃料
冲压发动机点火器的要求。
5结论
(1)对火炬式点火器工作原理进行了介绍，根据
氧化剂、燃料的状态对火炬式点火器进行了分类，并对
各类点火器的结构特点及热防护措施进行了分析。设
计出使用气氧、酒精的固体燃料冲压发动机地面试验
用火炬式点火器，介绍了各项参数的设计方法。
(2)火炬式点火器单独试验结果表明，各项设计
参数合理，点火器能长时间稳定、可靠工作，较好地解
决了热防护问题。文中提供的设计方法也可用于指导
其他类型的火炬式点火器设计及试验。
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(编辑：崔贤彬)
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