李斌，陈炜，苏昌银，朱号锋，王京伟
（西安航天化学动力厂，陕西西安 710025）
摘 要：对发动机装药无缸浇注技术进行了研究 。按国内的二次料斗真空花板除气装药工艺 ， 设计了药浆流入真空系统中成形复杂结构药柱的无缸浇注技术 ，经过小型燃烧室旋转式无缸连续 浇注工艺试验 、大型发动机药柱无缸浇注工艺演示试验 ，验证了无缸浇注的技术可行性 。提出在 大型固体助推发动机装药中采用无缸浇注工艺成型途径。 关键词：无缸浇注技术； 推进剂药柱； 固体助推发动机 中图分类号： V435.21 文献标识码： A 文章编号：1672 – 2191(2012)04 – 0081 – 0 5
固体火箭发动机具有瞬间大推 力 、结构简 单 、使用方便等优点 ，在航天领域得到了应用 。 大型固体发动机药柱成形技术仍是真空缸花板浇 注工艺技 术 ，由于固体运载发动机具有直径大
（2.5 ~ 3.5 m) 、装药量 大（50 ~ 120 t ）的特点 ， 现有 的发动机浇注工艺及装备难以满足其浇注生产需 求 ，鉴于研制更大的浇注工艺设备存在一定的技 术难度 ，并且大型的浇注设备必然带来更大的能 源消耗和建设费用 ，因此需开展大推力固体发动 机浇注新工艺技术及装备研究 。文中依据国外大 型固体
发动机浇注技术 ，研究通过无缸浇注技术 实现大型固体助推发动机的装药。
1 国外大型固体助推发动机浇注技术 [1]
欧洲库鲁已经建成 了“ 阿里安 5 ”运载火箭筒 体助推发动机的一些生产设备并投入使用 。“阿 里 安 5 ”运载火箭需要 2 个质量 247 t 的分段式固体 发动 机（分别为中段 S2 和后段 S 3），直径 Φ 3 m 。 其 中 ，中段发动机 S2 为圆柱形药 柱 ， 3 个内壳 体连接接 头 ，长 10.05 m ，结构质量 20 t ，推进 剂质量 107.6 t ，分段总质量 127.6 t 。后段发动 机 S3 为圆柱形药 柱 ， 3 个内壳体连接接 头 ，长 10.51 m ，结构质量 16.5 t ，推进剂质量 106.5 t ， 分段总质量 126 t 。“ 阿里安 –5 ”运载火箭发动机 中 、后 段（S 2 、 S 3) 采用真空插管浇注工艺 ，推进 剂药浆通过加料料斗从 3 个不同的浇注点同时浇 注 ， 料斗末端有 3 个 120 mm 插管 ，每个插管末 端均装有带孔浇注花板 ，插管面向芯模槽 。压缩 空气推动混合锅内的推进剂药浆进入料斗 ，流经
插管被花板分割成多股均匀的药条流入壳体 。 S3 药柱后部成型 ：药浆从壳体小开口浇注 ，经 3 个 均匀分布的芯模槽流入芯模上 部（面向喷管 座）。
S2 壳体上部为全敞开式 ，推进剂药浆直接从料斗 经插管流入壳体 。 S3 在浇注末期插入成型工装闭 合芯模槽来保证药型 。 S2 药柱上部成型与 S1 相 同 ，也采用圆柱形大成型板围住芯模的方式 ，成 型板上均匀分布有许多排气孔。 推进剂药浆通过自重流入壳体 内 ，整个浇 注过程壳体内不破真 空 ，直至最后一批推进剂
浇注结束后 ，释放真空至大气压 。采用 10 锅分 批连续浇注方式 ，浇注作业开始后所有操作均为
连续作 业
（中途不允许停 止），混合锅与料斗间装 有遥控调节阀控制药浆流速和流 量 ，每锅浇注 45 min ~ 1 h 。浇注坑直径 5 m ，深 19 m ，浇注坑
通过热水系统预热及散热器组保持恒温 50 ℃， 浇 注前壳体在真空环境 、浇注温度 50 ℃下预热 48 h
以上
。“ 阿里安 –5 ”运载火箭发动机装药过程中部 [2]
分工艺如图 1~2 所示 。
图 1 发动机在浇注坑内固定 Fig.1 Mot or fixed in cast ing p it
收稿日期: 2012 – 02 – 28
作者简介: 李斌(1976 – )，男，工程师，主要从事推进剂装药工艺技术研究。 : sunagoo *********
化学推进剂与高分子材料
Chemical Prop ellants & Poly meric M aterials
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2012 年第 10 卷第 4 期
图 2 浇注坑盖及插入芯模的壳体俯视图 Fig.2 Cover of cast ing p it and p lanform of
mot or case of insert ing mandrel
2 无缸浇注设计原理
无缸浇注是真空浇注的一种方式 ， 它以发动 机壳体作为真空容器 ，取消了大型的真空浇注罐 ； 在壳体两端安装真空浇注密封工装 ，使壳体处于 密闭状态 。经连接在浇注密封工装和二次料斗上 的真空管线 ，对壳体和二次料斗内抽真空 ，真空 度 ≤ 1.07 kPa 。药浆通过一次料斗下落至二次料 斗内 ，经过二次料斗上安装的花板达到真空除气 的目的 ，并通过自重经由浇注工装流入壳体内 。 壳体在真空状态下可保证推进剂药浆的浇注质量 ， 避免产生气孔或缺陷 。发动机浇注完成后关闭浇 注坑对
燃烧室进行固化 ，浇注及固化过程中的温 度控制通过电热循环水系统及安装在浇注坑壁上 的散热装置来完成 ，通过浇注坑内的温度循环措 施 ，可有效保证浇注坑内的温场在 ±3 ℃范围内 。 真空缸浇注及无缸浇注的设备安装对比见图 3 。
图 4 无缸浇注工艺流程图
Fig.4 Flow chart of cast ing process
wit hout use of cast ing bell
④在密封工装上安装浇注料斗 、胶管阀 、真 空热水管线、控制线路等。
⑤通过安装在浇注坑内壁上的散热器对浇 注坑进行升温 、保温 ，设定保温温度 50 ℃， 保 温 10 h 以上 。料斗采用保温夹套设计 ，来料前通 50 ℃保温水保温。
⑥控制壳体及料斗的真空度及必要的抽空 、 放气速率。
⑦来料后使用翻锅装置将推进剂料浆倒入一 次料斗内 ，调整料斗下料胶管阀的开度控制推进 剂稀浆浇注 ，控制二次料斗的加压等操作 ，完成 发动机燃烧室的装药 。配套设计的隔离监控系统 ， 能够对壳体尾部 、料斗内及胶管阀开关的情况进 行实时监控。
⑧浇注完成后 ，将料斗和其他浇注工装吊走 ， 关闭浇注坑 ，燃烧室继续在地坑内恒温固化 ，当 药柱各项技术指标达到工艺要求后 ，按照一定的 降温速率对固化系统进行降温至室温后 ，在地坑 内完成脱模操作。 2.2 无缸浇注系统组成
浇注系统主要由包括浇注工 装（密封工装 、 定 位锁紧机构 、下料装置 、胶管阀 、混合锅翻转装 置
等）、循环水系统 、真空系统 、压空系统和浇注 控制系统等组成 。固化系统主要由固化控制系统 、 循环水系统等组成 。系统采用隔离控制及手动控 制结合的方 式（图 5），全系统实现计算机控制。
a 真空缸浇注系统图
b 无缸浇注系统图
图 3 真空缸浇注固化与无缸浇注固化工艺对比 Fig.3 Comp arison of cast ing and curing p rocesses bet ween use and wit hout use of vacuum cast ing bell
2.1 无缸浇注工艺流程( 图 4)
①将壳体翻转后竖直吊入地坑内 ， 壳体对中 放置在底座上并连接锁紧。
②在地坑内的分层平台上完成芯模及头部密 封装置的装配。
③壳体头部及尾部端面上安装成型板及密封 工装，将真空管线与密封工装上的抽空口连接。
图 5 系统控制关系图
Fig.5 Scheme of system control relat ion
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83 ·李斌等·大型固体助推发动机装药无缸浇注技术研究
2.3 关键技术
为达到推进剂药浆在浇注过程中真空出气的目的，浇注过程必须在低真空环境（≤1.07 kP a）条件下进行。无缸浇注需要采用燃烧室壳体代替真空浇注缸建立真空，因此，应着重研究解决壳体抽真空方式及壳体与浇注工装之间的密封技术，保证在推进剂料浆浇注过程中，壳体内部始终保持工艺要求的真空度及真空平衡。
2.4 采用无缸浇注的优、缺点
对比传统的真空缸插管浇注工艺，在大型固体助推发动机装药使用无缸浇注固化系统存在以下优缺点：
①无缸系统相对真空罐系统一次资金投入少，运行费用节约。如采用真空罐浇注固化工艺，要满足直径Φ3.5 m 燃烧室的浇注固化条件，需要加工尺寸Φ5 m ×11 m 真空罐一套，与之配套的地坑尺寸和设备基础承重、为抽真空和壳体保温配套的真空系统、热水系统的电容量均要增加，造成一次性投资和日常运行费用提高。
②由于真空罐的直径和容积更大，致使真空罐系统设计难度加大，真空罐的加工、运输和安装问题都
需要解决。此外，每次抽真空，整套气密封检查工作量大，难查出漏气部位。
系统主要由一次料斗、下料阀门、二次料斗、支撑架、连接板、真空罩、接料装置、壳体密封装置，导向装置、夹紧气缸及小支架等组成（图7）。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1. 一次料斗；
2. 下料阀门；
3. 二次料斗；
4. 支撑架；
5. 连接板；
6. 真空罩；
7. 接料装置；
8. 发动机壳体及
密封装置；9. 导向装置；10. 夹紧气缸；11. 小支架
图7 无缸连续浇注工艺试验装置
Fig.7 Test device of cont inuous casting t echnology
wit hout use of cast ing bell
真空罩是无缸浇注的主要部件，在浇注过程中与发动机壳体接触压紧，形成密闭空间，保证浇注时真空度要求；罩内安装料位开关，用于检测药浆是否浇注到位；在罩内浇注口下设置推板阀，解决残留药浆的滴落问题。
壳体密封工装是针对试验发动机壳体专门设计的，在工装上法兰面设有密封槽，用于放置密封圈，壳体两端口装有密封圈，防止漏气。
假药试验推进剂药浆质量为20 kg ，共浇注4 台试验发动机。试验结果表明，料位检测装置、壳体密封装置、导向装置、真空罩等工作正常，满足发动机浇注工艺要求。
X 配方推进剂药浆试验药浆质量为25 kg ，共浇注4 台试验发动机。发动机浇注后，按试验发动机要求进行硫化、脱模，对第1 台发动机药柱进行解剖，药柱经解剖未发现气孔或缺陷。第2 、3 、4 台发动机药柱整形后，安装喷管及点火器，进行点火试验，并与用X 配方浇注的发动机试验结果进行比较，试验数据及比较结果见表1 。
3 无缸浇注工艺试验
3.1 小型燃烧室旋转式无缸连续浇注工艺试验
以某小型实验发动机装药进行无缸连续浇注技术试验[3] ，设计加工了壳体端口与浇注口密封联接过渡工装见图6 。燃烧室为大开口两端螺纹联接，药形为圆柱锥型；药形圆柱段向上为药浆浇注口。
图6 壳体端口与浇注口密封联接过渡圈
Fig.6 Transit ion ring of sealing joint between
case p ort and cast ing hole
化学推进剂与高分子材料
Chemical Prop ellants & Poly meric M aterials
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2012 年第 10 卷第 4 期
表 1 发动机点火试验结果 Tab.1 Test result of motor ignit ion
缸盖 下料套筒
试验发动机 燃速/(mm·s –1)
X 配方浇注的发动机
燃速/(m m ·s –1)
台号 比较结果实验室分析天平
壳体抽真空管道
2 3 4
平均值
5.192
5.192 5.169 5.184
基本相同
摄像头视窗
5.176
经比较 ，试验发动 机（无缸浇注的 BSF 127 发 动 机）试验数据与 X 配方浇注的发动 机（在真空缸 浇注的 BS F127 发动 机）的基本相同 ，药柱表观质 量和各项技术指标均符合工艺要求 ，说明采用无 缸浇注发动机药柱的技术方案和途径可行 ，可以 进行无缸浇注放大试验。
3.2 大型发动机无缸浇注工艺演示试验
在小型发动机无缸浇注技术研究的基础上 ， 为探索无缸浇注工艺在大型发动机装药中的应用 前景 ，选取了演示试验燃烧 室（图 8）进行无缸浇 注演示验 证 。燃烧室药形由小开口大翼柱组合 式芯模保 证 ，壳体为金属壳 体 。壳体直径为约 500 mm ，长 3 500 mm ，装药量约 800 kg 。药浆 为惰性推进剂，不同使用时间的黏度数据见表 2 。
图 9 无缸浇注时发动机燃烧室后部工装装配图 Fig.9 Diagram of cast ing t ooling inst allat ion without use of cast ing bell for aft p art of motor chamber
接料斗真空口
接密封罩真空口
接电脑设备
壳体
图 10 无缸浇注过程浇注工装连接方式
Fig.10 Connect ion mode of cast ing t ooling
wit hout use of cast ing bell
使用真空软管与壳体密封罩上的抽真空接口 连接 ，对壳体抽真空 ，药浆在二次料斗充分除气 后 ， 经由插管和单发喷头分散流入发动机内部 ， 此时密封罩与壳体内处于低真空状态下 。密封罩
和浇注喷头设计时 ，充分考虑了药浆流动通道和 真空除气通道的相对独立 ，避免下料过程流动的 药浆堵塞除气通道造成壳体内残留气体不能排除 从而使药柱产生气孔 。通过摄像头观察溢料盘上 各溢料口充分溢料后 ，释放真空 ，关闭下料阀 。 拆除浇注工装 ，燃烧室转至固化阶段 。因条件限 制 ，演示试验采用了 Φ 3 600 mm 浇注缸作为壳体 保温装置和料斗等工装的支撑架。 3.2.1 主要工艺参数及要求
①浇注工艺参数 ：下料花板直径 Φ 4 m m ；下
料速度每孔 5 ~ 8 g/min ；壳体及料斗内部真空度
≤
0.8 kPa ；壳体及料斗保温温度 50 ℃；加压压强 ≤
0.4 M Pa 。 ②燃烧室在无缸浇注过程中 ，包覆壳体真空 图 8 演示试验燃烧室
Fig.8 Chamber of demonstrat ing exp eriment 表 2 药浆黏度数据
Tab.2 Viscosity dat a of prop ellant slurry
不同使用时间的黏度/(Pa·s) 样本编号
1 h
2 h
3 h
4 h
5 h 1
2
667 763
880 910
926 989
光纤探头1 024 1 135
1 045 1 236
使用 Φ 3 600 mm 浇注系统进行燃烧室惰 浇注 ，包覆壳体芯模装配完成后 ，在包覆壳体尾 部装上专用定位盘 、单发喷头和插管及带有真空
管道接口的密封罩 ，在密封罩的视窗上固定一个 小摄像头 ，用以检测燃烧室溢料情况 ( 图 9) 。密 封罩上端依次连接二次胶管阀 、二次料斗 、一次 胶管阀、一次料斗 ( 图 10) 。
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李斌等·大型固体助推发动机装药无缸浇注技术研究
度满足工艺要求，并在停泵保压30 min 内，真空
度≤1 kPa 。
③当二次料斗余料在料斗锥体段，药浆从溢
料盘上溢孔流出时视为燃烧室浇满，释放真空，
待真空恢复大气压时，关闭下料阀。
④燃烧室完成无缸浇注后，检查密封罩、抽
空管道及芯模内外表面，有无药浆渗漏情况。
⑤燃烧室固化后，检查药柱表观状态，应无
明显的气孔和缺陷。
3.2.2 试验结果
通过演示试验燃烧室无缸浇注试验，了解和
掌握大型发动机无缸浇注的关键技术特点及难点，
为进一步工艺应用和工艺、工装设计奠定基础。
验证试验结果如下：
①壳体试抽真空，真空时间≤20 min ，真空
度最低为0.275 kPa ，抽空效率较高，真空度满足
泵头
工艺指标要求。
②浇注后期，通过对二次料斗进行工艺加压
双柱汽车举升机操作，加压压力0.3 MPa ，通过摄像头观察尾部
机口溢料后停止浇注。检查密封罩、抽空管道及
芯模内外表面，无药浆渗漏情况。
③燃烧室脱模力正常，组合芯片主芯棒脱模
顺利，脱模后，通过肉眼观察，药柱表面质量良
好，无明显气孔或缺陷。
方坯与药柱切药进行抗拉强度（σm）、延伸率
（εm、εb）和密度性能测试结果见表3 。
表3 惰性能数据
Tab.3 Performance dat a of inert propellant charge
σm /MPa εm /% εb /% 密度/
(g·cm–3)测试项目
–40 ℃20 ℃70 ℃–40 ℃20 ℃70 ℃–40 ℃20 ℃70 ℃方坯
药柱机口
1.504
1.272
0.442
0.380
0.184
0.148
78.4
包装箱制作69.3
118.7
105.1
95.8
93.2
145.4
144.2
148.5
144.2
120.0
113.7
1.791
1.788
注：σm为最大拉伸强度，εm为最大伸长率，εb为断裂伸长率。
验证试验中，部分密封面仍有漏气现象。浇
注后期壳体内存在较大压强差，造成药面浮动较
高，加压浇注下料困难。因此，在进一步研究无
缸浇注方式时，应着重考虑发动机真空度的平衡。
试验采用浇注缸作为保温装置和支承架，在
大型助推发动机进行无缸浇注时，应考虑浇注坑
整体进行保温固化的生产条件。
4 结论及建议
通过发动机装药无缸浇注工艺演示试验，得
出以下结论：
①结合国内的二次料斗真空花板除气装药工
艺，采用无缸浇注技术是可行的。此技术特别适
合大型发动机浇注受真空缸尺寸、承重和研制资
金有限的条件下的装药。
②设计的药浆流场能够顺利通过真空系统流
入复杂结构药柱内，使药柱表观质量良好，力学
性能达到技术指标要求。
③演示模拟的大型发动机结构复杂、联接密
封面较多，对壳体及联接装置密封的设计带来更
高要求。
近年来国内对无缸浇注工艺技术进行了一
定程度的研究，笔者针对大型助推发动机本身的
特点，结合现时期大助推方案研制阶段投资少的
状况，提出大助推装药中采用无缸浇注工艺的设
计思想，建议在工艺验证基础上，进一步扩大到
Ф3 000 mm 燃烧室装药，为实现今后大型固体助
推发动机研制，装药采用无缸浇注工艺方案提供
药柱成型途径。
参考文献
[1] 苏昌银, 朱号锋, 贺小林, 等. 大型发动机浇注技术
现状及发展趋势[R]// 固体火箭发动机装药与总装
阀门试压设备
技术.陕西西安, 2010.
Lillo F, M arcelli G, Ep ifani M, et al. Vega sol id
roc ket mot o rs in ert p at hfin de rs cast in g, A IAA
2005 -3787[R], 2005.
朱号锋, 苏昌银, 王秀菊, 等. 小型固体火箭发动
机药柱连续浇注工艺技术研究[J]. 固体火箭技术,
2005(2): 130 – 132.
（下转第89 页）
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[3]
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