YT-3发动机爆炸原因分析总结(1)金属结构

作者:刘虎

万户一号第一级装备的是YT-3发动机。该发动机试验机共生产四套,工作五次(其中一枚重复工作一次),有二次成功工作的记录,三次失事爆炸的记录。爆炸原因是多方面的,既有燃料燃速超出预期,也包括发动机耐压不达预期。本帖仅分析发动机金属结构的原因。

YT-3发动机为内径50mm,壁厚2.55mm的铝合金管式发动机。两端承压结构用45号钢车制,采用径向螺栓连接,螺栓12颗均匀分布,螺栓规格4mm,丝扣长约2.5扣。

壳体铝合金标称牌号6061,T6。
密度:
屈服强度:
从断口情况看,该铝管的质量不佳,能否达到6061T6的标称强度,有待检验。

破坏情况:

裂口在靠近头部一端最大,破坏最明显。12.18试验,头部完全破坏;10.17试验,头部裂开,承压结构未飞出。两次试验,均在靠近头部的三分之一位置处破坏最大。

查见螺栓连接处有明显滑动或形变。头部见铝管圆孔变形,沿轴向拉成椭圆。尾部(喷管)见喷管承压结构与铝管错动,向外到达螺栓活动极限位置,圆孔轻微变形。

头部承压结构,螺栓孔折弯,部分丝扣破坏或被拉光。

12.18试验发动机的大裂口明显呈不同的两层裂痕,一层光滑,另一层粗糙。另一侧裂口内显示显著瑕疵,瑕疵靠外为断裂痕,靠内为整齐界面,有氧化物附着。综合判断,两处应均为原有瑕疵。

10.17试验,裂口处未发现焊缝,但是裂口最大处有明显拉薄现象,有两处长30mm左右的Y字型断面呈刀口状,外侧有灼热氧化痕迹,内侧有高温形变痕迹,为最初破坏点。发动机爆炸后飞出,撞击发射架,在该处留下切痕,本应具金属光泽,但现已氧化变色,说明爆炸时温度很高,应为高温失稳破坏。两处最初破坏点的Y字形中点距离两端的分别为145mm和143mm,正好位于药柱分段接头处,证明上述判断正确。裂口两端为撕裂状,判断螺栓处系沿大裂口撕裂,不是最初破坏点。未破坏的部分,见一条内外侧均有的痕迹。

计算(拔刀斋):

按6061-T6管材的技术数据,算得该铝合金管的理论破坏压强为25MPa。

按屈服强度数据,得螺栓压强达270MPa时,螺栓处铝合金发生破坏。按此计算该发动机极限耐压为13.7MPa。

当发动机内部压力为13.7MPa时,每个螺栓受剪力为:2252N,约230公斤力,螺栓不会被剪断。

讨论:

发动机设计工作压力为6MPa,指喷管收缩段起始处的压力。实际头部压力应高于6MPa。按工作压力5倍选取耐压值,试验压力应达到30MPa。铝管的理论耐压能力与之接近,而螺栓处成为薄弱点,残骸可见螺栓处破坏较大,也证明了这一点。
如果管材质量尚好,更可能发生的情况是头部剪切飞出,铝管基本完好。事实于此相悖,高度怀疑管材质量问题,从显著瑕疵可以判断,该管材为劣质管材。
发动机点火后温度会上升,铝合金外壳强度会下降。隔热保温措施是否充分,以及工作温度下的强度是否满足要求,均应检验。

结论:
12.18试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、劣质管材。
3、缺少试验项目(水压试验)。

10.17试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、耐热不足。(应为隔热不足,但在金属结构这个角度看,就是耐热不足了)
3、疑为劣质管材。
4、缺少试验项目(水压试验)。

两者皆有
1、第一次试验爆炸后,未彻查原因。
2、装药方式有误。铝管采用分段装药,应当外加隔热层保护分段处,而两次均未加装。

12.6试验发动机残骸

12.18试验发动机残骸

发动机喷管,其它试验残骸,头部(12.18)、尾部(12.6)印模。

传媒扫描:大学生造火箭试飞惜败

摘自《广州日报》

为寻找合适场所历尽艰辛 因受资金等制约坦言可能是最后一次发射

  广州四位大学生自制的火箭经历一个月的等待之后,再一次进行发射。但出乎所有人的意料,这枚命名为“万户二号”的大学生火箭并没有直入云霄,发动机爆炸令火箭少年的探空梦想受挫。更令人遗憾的是,这或许是胡振宇,罗澍等四位火箭少年最后一次试飞,因为资金技术场所等诸多限制,他们的探空梦想或许要暂停一阵。

  文/记者李立志 图/记者黎旭阳

  难

  历尽艰难寻合适发射场

 

一名大学生正把火箭运到发射场地

  制作与经费上的困难对这个四人团队来说还是可以克服的,最让胡振宇他们头疼的是寻找合适的发射场所。上次他们选择在大学这人口密集的地方来发射,因为涉及航线问题,很快被空管部门叫停了。胡振宇他们花了很大的力气去与有关部门进行沟通,“我们的发射要求已经降低好多了,风险也得到更好的控制。但最大的问题是,发射火箭的事情还没有明确法律上的规定,因此几乎所有的部门都说没办法。”  

  胡振宇利用了半个星期的时间来寻找相关规程来“合法化”这次实验活动,他打电话询问,甚至还到市公安局寻求解决办法,但还是不了了之。最终他们只好找到一个非常偏远的建筑空地上进行实验。

  幸运的是,他们还是得到了空管部门的支持,从安全角度上帮忙规避了航道。

  惜

  可能是最后一次发射

  这次他们终于可以试飞火箭,胡振宇、罗澍他们并没有显得特别高兴,因为这可能是他们这个实验小组最后一次发射,因为科研经费,实验环境的问题,还正在读大一、大二的几位学生再也无力维持下去了。

  首先是资金难以为继。虽然是试验,但对几个没有收入的大学生来说,这笔开支是“巨大”的。一直支持他们的科新计划基金会虽然也提供了千元的资金支持,但这只能算是杯水车薪。

  其次是民间科学的探索还需更多的社会关注。胡振宇说,国外的爱好者有自己的基金会等,同时也有着来自于各大高校专业科研人员的技术支持,但他们基本上是“孤军奋战”。

  惊

  精心准备 不料功亏一篑

  昨日上午火箭发射之前,胡振宇,罗澍还带着倦意,他们已经连续干了好几个通宵,临发射前晚,他们一直干到凌晨6时,8时就忙着装车将所有的器材运往选好的发射场,连早餐都没来得及吃。因为大学城的安全问题,他们通过卫星地图四处寻找合适的空地,最终选定临近三水的一块很大的空地。

  上午的风很大,工地上的黄土不时被刮得满天都是。或许是有些匆忙,昨天的工作并不是特别顺利,火箭发射架的装配花费了大量的时间,前后装配了两次还是不太合格。从上午10时开始,直到中午12时,发射架才勉强装配合格。

  12时20分左右,在连接好所有航电设备,测控仪器之后,一切准备就绪:“倒计时开始,321……点火!”随着口令,火箭的尾部喷出一股浓烟,并发出一声巨大的爆炸声,但火箭并没有随之喷射而出直入云霄,而静静地待在原处。

  胡振宇,罗澍立即前往检查原因,胡振宇四处搜寻发动机的残片,他们要运回去做进一步的研究。而罗澍则忙着检测航电设备。“基本都损坏了,这是一次事故。”

  苦

  上次被叫停 一度想放弃

  这是一次极其不易的试飞,自从上次试飞被叫停之后,这个大学生火箭试验小组一度陷入困难的状况。首先是小组的成员思想有了起伏。“上次被叫停确实受到了打击,甚至想过放弃。”胡振宇告诉记者。

  胡振宇并太愿意多说他们之前的事情,不过记者还是观察到,此次前来发射的只有胡振宇与罗澍,以及两位爱好者。“另外两位成员有事来不了,但之前的准备工作都一直在参与。”此次发射,罗澍负责火箭的整体设计与电子部分。胡振宇除了负责发动机的燃料之外,整个箭体工程基本都由他给包下来了。

  能自己动手的就自己动手,包括切割车床等都是自己动手,一切都为了节约成本,上次火箭测试之后,靠捐助与他们四人自己兼职投入资金8000元都已经花光了。“实在是没有一分钱了,家里已经将我每个月的生活费都提高到2000元,从小攒下来的压岁钱都已经买了材料了,一直资助这个项目的科创论坛甚至想要放弃这个项目,但在胡振宇与罗澍的力争之下,破例又资助近2000元。” 还不到20岁的胡振宇与罗澍学会过紧巴巴的日子,一分钱恨不得掰成两半来花。去买材料连坐公交车都舍不得,都是骑自行车拉,大学城去长洲村里的道路,常常能见到他们俩拖着大大小小管子的身影。“我们都成了火箭民工了。”胡振宇开玩笑说。