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。

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