點火具點火射流蝕剝作用對底排藥柱燃燒特性的影響*

張領(lǐng)科，周彥煌，余永剛，陸 欣，劉東堯

（南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

點火具點火射流蝕剝作用對底排藥柱燃燒特性的影響*

張領(lǐng)科，周彥煌，余永剛，陸 欣，劉東堯

（南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了研究底排點火具射流蝕剝作用對底排藥柱碎塊脫落情況及其燃燒性能的影響，采用半密閉爆發(fā)器實驗裝置模擬底排彈出膛口瞬態(tài)卸壓工況，借助高速錄像記錄點火具點火與底排藥柱燃燒的序列圖像。建立底排藥柱在半密閉爆發(fā)器燃燒的數(shù)學(xué)模型，計算分析了不同碎塊脫落質(zhì)量引起的平均壓力、質(zhì)量流率和燃燒時間的變化情況。研究結(jié)果表明：蝕剝作用發(fā)生在點火具點火初期，導(dǎo)致脫落的底排藥劑碎塊來不及燃燒；蝕剝作用主要是強點火射流對底排藥柱侵蝕與沖擊造成的；碎塊總量約占底排藥柱初始質(zhì)量的7%～9%，嚴重影響點火和燃燒的一致性。計算結(jié)果與實驗值吻合較好。

爆炸力學(xué)；點火射流；蝕剝作用；底排藥柱

1 引 言

實驗發(fā)現(xiàn)，底排彈在出膛口的瞬間，存在嚴重的底排藥柱碎裂、脫落現(xiàn)象。引起底排藥柱碎塊脫落的可能因素很多：一方面，在膛內(nèi)高溫、高壓火藥氣體作用下，底排彈在加速運動過程中承受的過載較大（平均約5×104g），導(dǎo)致底排藥柱嚴重變形和局部碎裂；另一方面，底排彈出膛口后，底排裝置內(nèi)的底排藥柱將經(jīng)歷瞬態(tài)卸壓－燃燒失穩(wěn)－熄滅－二次點火－復(fù)燃的強非穩(wěn)態(tài)燃燒過程［1－2］，導(dǎo)致底排點火具對底排藥柱進行二次點火的初期，點火射流對藥柱表面產(chǎn)生強烈的沖擊作用，造成底排藥柱局部發(fā)生粘合劑失效、碎裂，致使部分底排藥劑碎塊還未來得及燃燒而脫落，并隨射流飛出底排裝置，這種現(xiàn)象稱為點火射流的蝕剝作用。

本文中采用半密閉爆發(fā)器實驗裝置，模擬底排彈出膛口瞬態(tài)的卸壓過程；借助高速錄像系統(tǒng)研究底排點火具射流對底排藥柱蝕剝作用引起的碎塊脫落情況。通過建立底排藥柱在半密閉爆發(fā)器燃燒的數(shù)學(xué)模型，計算分析不同脫落碎塊質(zhì)量引起裝置內(nèi)平均壓力、質(zhì)量流率和燃燒時間的變化情況。

2 模擬實驗

2.1 實驗裝置和設(shè)備

實驗裝置和設(shè)備主要有半密閉爆發(fā)器、脈沖點火器、壓力傳感器、電荷放大器、壓力采集系統(tǒng)、高速錄像系統(tǒng)、計算機等。實驗及測試系統(tǒng)連接如圖1所示，半密閉爆發(fā)器結(jié)構(gòu)及裝藥如圖2所示。

2.2 實驗方法

選用某制式底排藥柱，其質(zhì)量為1.085kg，結(jié)構(gòu)與尺寸如圖3所示。選用正面6孔型底排點火具，共2種，分別為A型和B型，其外觀如圖4所示。A型和B型的主要區(qū)別是點火藥劑成分不同，A型點火具主要由2種點火藥劑混合壓制而成，且含有較多的重金屬粒子；B型點火具為單一點火藥劑壓制而成，其金屬粒子含量與A型點火具相比略少。

主裝藥室內(nèi)裝有4／7發(fā)射藥80g，點火藥包為2g硝化棉，黃銅剪切片直徑58mm，厚4.5mm，一面刻有深0.5mm的V型預(yù)制槽，剪切片放置時將留有預(yù)制槽的一面朝上。實驗時首先由脈沖點火器點燃點火藥包，再由點火藥包將主藥室中的4／7發(fā)射藥點燃，使主藥室壓力和溫度迅速上升，燒穿紙墊片并將點火具點燃。當壓力上升至約50MPa時，黃銅膜片被剪切開，主藥室與底排藥室的壓力迅速降至環(huán)境壓力（約0.1MPa），從而達到模擬底排彈出炮口時底排裝置內(nèi)高速瞬態(tài)卸壓工況的目的。采用高速錄像系統(tǒng)記錄點火具點火及底排藥柱燃燒的全過程，用來分析點火射流對底排藥柱的蝕剝作用。

圖3 底排藥柱結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.3 Structure and dimension diagram of base bleed propellant

圖4 底排點火具Fig.4 Igniter of base bleed

2.3 實驗結(jié)果

高速錄像系統(tǒng)分別記錄了A型和B型點火具實驗中從膜片打開－藥柱全面著火－穩(wěn)定燃燒－結(jié)束的關(guān)鍵圖像序列。因射流的發(fā)展除了在時間上有些差別外，藥柱燃燒特征基本相同，這里僅列出A型點火具實驗時的部分關(guān)鍵圖像，如圖5所示（括號內(nèi)為B型點火具實驗對應(yīng)時間）。實驗結(jié)束后，均在半密閉爆發(fā)器附近撿到了未來得及燃燒而脫落并隨射流噴出的底排藥劑碎塊，分別如圖6、7所示。

由圖5可以看出，當t＝0時，半密閉爆發(fā)器膜片打開，主裝藥燃燒瞬間生成大團火焰；直到t＝8ms時，點火具才著火且火焰逐漸發(fā)展充分，火焰呈劇烈串狀駐定激波；隨后由于點火具作用，底排藥柱不斷熱分解并在噴口上方聚集大量能量，當t＝160（184）ms時，導(dǎo)致熱分解氣體的爆燃，同時點火具逐漸熄滅；點火具熄滅約640（32）ms后，從t＝800（256）ms開始，底排藥柱著火、燃燒，并逐漸發(fā)展穩(wěn)定、全面燃燒。仔細觀察全部序列圖片，均未發(fā)現(xiàn)在底排藥柱燃燒過程中有碎片隨火焰飛出。如圖6所示，撿到的A型點火具蝕剝碎塊中，有3個體積較大的碎塊（均帶有阻燃層）、阻燃層皮和較小碎片，碎塊總質(zhì)量為96.5g，約占底排藥柱初始質(zhì)量的8.9%，3個體積較大的碎塊質(zhì)量分別為23.4、19.7和17.1g。仔細觀察碎片的表面形態(tài)，均很新鮮，還未來得及燃燒，脫落位置應(yīng)為靠近噴口附近的底排藥柱。如圖7所示，撿到的B型點火具蝕剝碎塊體積均較大（部分帶有阻燃層），小碎片較少。所有碎塊總質(zhì)量為74.6g，約占底排藥柱初始質(zhì)量的6.9%，3個體積較大的碎塊質(zhì)量分別為21.3、18.9和16.6g。碎塊表面形態(tài)和脫落位置與A型點火具的相同。

圖5 A型點火具實驗關(guān)鍵圖像序列Fig.5 Key images of A-type igniter experiment

2.4 比較分析

通常在底排藥柱旋轉(zhuǎn)中止燃燒實驗中，發(fā)現(xiàn)底排藥柱表面存在嚴重的燒蝕現(xiàn)象。燒蝕現(xiàn)象主要是由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心作用下，點火射流中高動能的重金屬粒子對底排藥柱表面產(chǎn)生強烈的沖刷作用以及底排藥柱局部粘附的高溫重金屬粒子產(chǎn)生的侵蝕作用，造成藥面局部區(qū)域溫度過高而加速燃燒，在藥柱內(nèi)圓弧面形成大小不等的“坑”，隨后“坑”越燒越大，以致擴張成“溝槽”［3－4］。通過觀察撿到的碎塊形態(tài)特征，不難發(fā)現(xiàn)點火具對底排藥柱的蝕剝作用主要可能是在點火初期，由于較強的點火具射流對底排藥柱前端的強烈侵蝕、沖擊作用，加劇底排藥劑局部快速熱傳遞和不均勻受力，致使局部粘合劑失效，導(dǎo)致部分底排藥劑還未來得及著火而松動、剝落并隨射流飛出。

比較蝕剝作用與燒蝕作用發(fā)現(xiàn)：（1）從發(fā)生時間上看，前者發(fā)生在點火具射流對底排藥柱點火初期，底排藥柱還未來得及著火燃燒；后者發(fā)生在點火具對底排藥柱點火和底排藥柱燃燒的全過程。（2）從碎塊特征上看，前者引起的脫落碎塊體積較大，部分表面還帶有阻燃層，表面顏色新鮮且形態(tài)不規(guī)則，主要由射流沖擊撕裂所致；后者引起的脫落碎塊由熱分解不均所致，往往體積很小，在飛出過程中已燃燒殆盡。（3）從形成后果上看，2種作用在一定程度上破壞底排藥柱平行層燃燒特性，加劇燃燒的不一致性；減少底排藥柱的質(zhì)量與能量，削弱減阻效果；導(dǎo)致底排裝置工作的不一致性，增大底排彈的射程散布。

圖6 A型點火具蝕剝碎片F(xiàn)ig.6 Fragments due to A-type igniter

圖7 B型點火具蝕剝碎片F(xiàn)ig.7 Fragments due to B-type igniter

3 數(shù)值模擬

3.1 基本假設(shè)

為便于建立半密閉爆發(fā)器內(nèi)底排藥柱燃燒規(guī)律模型，特提出如下基本假設(shè)：（1）燃氣的溫度保持常量，且其化學(xué)組分與熱力學(xué)特性保持不變；（2）將燃氣視為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程，不考慮凝聚相的影響；（3）燃氣在半密閉爆發(fā)器噴口的流動為一維等熵定常流；（4）底排藥柱燃燒服從平行層燃燒規(guī)律和指數(shù)燃燒定律；（5）忽略底排藥室噴口流動的影響，認為底排藥室與主裝藥室壓力相等；（6）忽略燒蝕性對底排藥柱表面燃燒的影響；（7）底排藥柱點火不考慮點火延遲，即瞬間達到穩(wěn)定全面燃燒；（8）脫落碎塊按質(zhì)量折算為某一長度Δl的底排藥柱，并假定從底排藥柱前端瞬間脫落；（9）底排藥柱前端面、弧面及狹縫側(cè)面同時著火燃燒，且燃速相同。

3.2 底排藥柱燃燒模型

基于上述假設(shè)，建立的半密閉爆發(fā)器內(nèi)底排藥柱燃燒模型［5］如下

式中：p為半密閉爆發(fā)器內(nèi)平均壓力，R為氣體常數(shù)，T為底排藥劑燃氣爆溫，k為燃氣爆溫比熱比，r為底排藥柱內(nèi)徑，c為底排藥柱狹縫寬，l為底排藥柱長，ρp為底排藥柱密度，ρg為燃氣密度，m·為質(zhì)量流率，n為底排藥柱狹縫數(shù)量，S1為弧面面積，S2為狹縫面積，S3為端面面積，Se為噴口截面積，V為半密閉爆發(fā)器自由容積，pb為背壓，取環(huán)境壓力。

3.3 計算結(jié)果

計算參數(shù)：底排藥柱密度ρp＝1.37t／m3；燃氣密度ρg＝934g／m3；氣體常數(shù)R＝401.1；燃氣爆溫T＝1 812K；藥柱初始內(nèi)徑r1＝21.5mm；藥柱外徑r2＝60mm；藥柱長度76mm；初始壓力p0＝102.5kPa；底排藥室初始自由容積V0＝95.5cm3；噴口截面積Se＝11.9cm2。

以往實驗數(shù)據(jù)表明，底排藥柱在不旋轉(zhuǎn)情況下的燃燒時間均在29～32s之間，假設(shè)底排藥柱不存在蝕剝作用造成的碎片脫落時完全燃燒時間為31s，以此為基礎(chǔ)進行數(shù)值計算，分析碎塊脫落質(zhì)量的不同對底排藥柱燃燒特性的影響。取脫落碎塊的質(zhì)量Δm＝0，20，40，60，80，100g共6種情況，計算的底排藥柱燃燒時間分別為t＝30.74，30.76，30.79，30.81，30.83，30.85s。不同情況計算出的半密閉爆發(fā)器內(nèi)平均壓力－時間曲線與質(zhì)量流率－時間曲線分別如圖8、9所示。

由圖8可以看出，隨著脫落碎塊質(zhì)量的增加，半密閉爆發(fā)器內(nèi)壓力不斷降低，最大平均壓力變化率為16.54Pa／g。由圖9可以看出，同樣隨著脫落碎塊質(zhì)量的增加，噴口處的燃氣質(zhì)量流率也呈下降趨勢，最大質(zhì)量流率變化率為0.052 7s－1。由底排外彈道理論可知，底排彈減阻率正比于質(zhì)量流率，質(zhì)量流率的減小，勢必影響減阻的效果，導(dǎo)致增大射程散布。從而根據(jù)所計算的底排藥柱的燃燒時間可知，脫落碎塊質(zhì)量引起的燃燒時間變化率為1ms／g，即每脫落碎塊1g，底排藥柱燃燒時間將增加1ms。由上述實驗結(jié)果可知，A型點火具實驗對應(yīng)底排藥柱脫落碎塊質(zhì)量mA＝96.5g，燃燒時間tA＝29.18s；B型點火具實驗對應(yīng)底排藥柱脫落碎塊質(zhì)量mB＝74.6g，燃燒時間tB＝29.16s。從而得mA－mB＝21.9g，tA－tB＝20ms，由此可見計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

圖8 壓力曲線Fig.8 Curves of pressure

圖9 質(zhì)量流率曲線Fig.9 Curves of mass flow rate

4 結(jié) 論

通過模擬實驗研究了底排點火具射流對底排藥柱的蝕剝作用，蝕剝作用的存在將會導(dǎo)致靠近噴口附近的底排藥柱在點火射流侵蝕、沖擊作用下局部碎裂并致使碎塊未來得及燃燒而脫落，脫落碎塊質(zhì)量約占底排藥柱總質(zhì)量的7%～9%。通過建立半密閉爆發(fā)器內(nèi)底排藥柱燃燒的數(shù)學(xué)模型，計算分析了不同碎塊脫落質(zhì)量對內(nèi)部平均壓力隨時間的變化趨勢和質(zhì)量流率隨時間的變化趨勢的影響，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。與燒蝕作用相比較而言，蝕剝作用對底排彈射程散布影響更大。因此，在工程中要采取適當?shù)拇胧ξg剝作用加以限制，以提高底部排氣彈射程密集度。

［1］陸春義，周彥煌，余永剛，等.底排裝置在壓力躍變條件下的燃燒控制［J］.彈道學(xué)報，2007，19（1）：37-40.

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Effects of encroachment and desquamation of ignition jet on combustion property of base bleed propellant＊

ZHANG Ling-ke，ZHOU Yan-huang，YU Yong－gang，LU Xin，LIU Dong－yao
（Power Engineering College，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，Jiangsu，China）

To investigate the case of fragments dropping and combustion property changing of base bleed propellant grain resulting from the effect of encroachment and desquamation caused by the jet of ignition，the semi-closed bomb was used to simulate the stage of rapid depressurization after base bleed projectile flight out of the nozzle.The serial images of ignition and combustion of base bleed propellant grain were recorded by means of high speed video system.The mathematic model of combustion of base bleed propellant in the semi-closed bomb was built.The changes of average pressure，mass flow rate and combustion time for different quality of total fragments were calculated and analyzed.The study results are as follows：The phenomenon of encroachment and desquamation happen at initial stages of ignition；The fragments are desquamated from the part of base bleed propellant grain not being ignited；The effect of encroachment and desquamation is caused by the encroachment and impact of ignition jet；The mass of all fragments is（7－9）percent of the initial mass of the base bleed propellant；The action of encroachment and desquamation affects seriously the consistencies of ignition of igniter and combustion of base bleed propellant grain.The calculation results agree well with the experimental results.

mechanics of explosion；ignition jet；encroachment and desquamation；base bleed propel-lant grain

18August 2009；Revised 29October 2009

ZHANG Ling-ke，nustzlk＠126.com

（責任編輯 曾月蓉）

O389 國標學(xué)科代碼：130·35

A

2009-08-18；

2009-10-29

南京理工大學(xué)自主科研專項計劃項目（2010GJPY023）

張領(lǐng)科（1978— ），男，博士，講師。

1001-1455（2010）06-0658-06