斯蒂芬酸鉛/硝化棉含量比對(duì)微火工驅(qū)動(dòng)裝置做功能力的影響

薛園園，盧 斌，文 沖，解瑞珍，秦國(guó)圣，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

火工驅(qū)動(dòng)裝置是利用火炸藥燃燒或爆炸反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)完成驅(qū)動(dòng)功能的裝置，主要由動(dòng)力源火工品、活塞桿和活塞筒組成，其原理是火藥點(diǎn)火后產(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)活塞，從而為負(fù)載機(jī)構(gòu)提供推力、位移、速度、沖量等。參考國(guó)內(nèi)外火工驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，本文開展了微尺寸火工驅(qū)動(dòng)裝置的做功參數(shù)研究。通過(guò)基本假設(shè)建立做功參數(shù)數(shù)學(xué)-物理模型，得出裝置空腔內(nèi)壓力變化趨勢(shì)，由此初步推算出速度變化趨勢(shì)；通過(guò)裝填不同配比的斯蒂芬酸鉛與硝化棉的混合藥劑，對(duì)裝置進(jìn)行了發(fā)火試驗(yàn)及高速攝影測(cè)速試驗(yàn)，并計(jì)算出驅(qū)動(dòng)速度，研究了斯蒂芬酸鉛與硝化棉不同配比對(duì)微火工驅(qū)動(dòng)裝置中做功能力的影響。

1 微火工驅(qū)動(dòng)裝置

本研究的微火工驅(qū)動(dòng)裝置由蓋板、含能藥柱、推桿、換能元、底座組成，底板裝藥區(qū)體積約為7.8mm3，推桿與含能藥柱接觸面約為0.75mm2，長(zhǎng)3.5mm，裝填藥劑為斯蒂芬酸鉛和硝棉酯（硝化棉和乙酸乙酯的混合物）。圖1為微火工驅(qū)動(dòng)裝置三維分拆圖，圖2為微驅(qū)動(dòng)裝置樣品與5角硬幣大小對(duì)比圖。

圖1 微火工驅(qū)動(dòng)裝置三維分拆圖Fig.1 Three-dimensional splitting schematic of micro explosive actuator

圖2 微火工驅(qū)動(dòng)裝置樣品Fig.2 Sample photo

2 做功參數(shù)模型建立

2.1 基本假設(shè)

假設(shè)：（1）燃?xì)夥臍怏w狀態(tài)方程；（2）火藥燃燒遵循幾何燃燒定律；（3）忽略原空腔內(nèi)氣體對(duì)燃燒反應(yīng)的影響；（4）燃燒產(chǎn)物成分始終不變；（5）忽略熱損失，忽略裝置形變；（6）點(diǎn)火藥瞬時(shí)燃盡，推桿在燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)下的啟動(dòng)是瞬間完成的。

2.2 藥腔理論做功參數(shù)模型

2.2.1 壓力

假定火藥瞬時(shí)燃燒完，氣體質(zhì)量狀態(tài)方程為：

式（1）中：r=R/M，M為氣體的平均摩爾質(zhì)量。

火藥力方程：

式（1）～（2）中：P為裝藥區(qū)壓力；V為氣體的比容；R為與氣體組分有關(guān)的氣體常數(shù)；T為火藥的燃燒溫度；f為火藥力。

（1）燃燒過(guò)程：由式（1）～（2）可得理論狀態(tài)下：

考慮到氣體損失，則有：

式（3）～（5）中：P0為理論狀態(tài)下藥劑燃燒完全裝藥區(qū)的壓力；V0為理論狀態(tài)下藥劑燃燒產(chǎn)生氣體所占容積；P1為某一時(shí)刻藥劑燃燒時(shí)裝藥區(qū)的壓力；V1為某一時(shí)刻藥劑燃燒產(chǎn)生氣體的實(shí)際容積；ψ為某一時(shí)刻已燃燒的火藥質(zhì)量占火藥總質(zhì)量的百分比；ω、f分別是火藥燃燒產(chǎn)生氣體的總體質(zhì)量和火藥力；G為損失的氣體量。

對(duì)式（4）、（5）兩式微分并合并，可推導(dǎo)出：

（2）做功過(guò)程：藥劑完全燃燒后產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫χ饕脕?lái)增加負(fù)載動(dòng)能和克服阻力做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：

式（7）～（8）中：M為推桿的質(zhì)量；v為推桿運(yùn)動(dòng)速度；∑F為阻力；S為推桿與藥劑的接觸面積；x為推桿運(yùn)動(dòng)距離。對(duì)式（7）～（8）兩式微分整理得：

通過(guò)模型可推導(dǎo)出在火藥的燃燒過(guò)程中，裝藥腔的壓力是個(gè)急劇上升的過(guò)程；在做功過(guò)程中，裝藥腔的壓力與時(shí)間關(guān)系的曲率應(yīng)明顯為負(fù)值，是下降過(guò)程。在整個(gè)燃燒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓力呈現(xiàn)為一個(gè)先上升后下降的過(guò)程。已知壓力大小與做功能力的大小成正比，由此可推算出推桿的速度曲線與壓力曲線相仿。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)速度方程

燃?xì)鈮毫作用于推桿，使其產(chǎn)生一個(gè)變加速度，推桿以此變加速度由初始位置運(yùn)動(dòng)到結(jié)束位置，令兩位置間的距離為dx，運(yùn)行時(shí)間為dt，則有：

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，有P2S-∑F＝Ma等式成立。即：

3 裝藥設(shè)計(jì)

3.1 裝藥量初步計(jì)算

微火工驅(qū)動(dòng)裝置的底板裝藥區(qū)內(nèi)裝填藥劑為斯蒂芬酸鉛和硝棉酯。按硝棉酯（硝化棉與乙酸乙酯的混合物）與斯蒂芬酸鉛質(zhì)量比為1:1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，硝化棉酯中硝化棉的比例設(shè)計(jì)為15%、10%、5%（簡(jiǎn)稱為15%硝棉酯，10%硝棉酯，5%硝棉酯）。因此混合藥劑的體積比為：

式（12）中：v1、w1、ρ1分別為斯蒂芬酸鉛的體積百分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度；v2、w2、ρ2分別為硝化棉的體積百分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度。

底板裝藥腔的理論體積值為θmm3，因此：

式（13）中V1、V2分別為斯蒂芬酸鉛、硝化纖維的體積。

根據(jù)m=ρV可計(jì)算出各藥劑的理論質(zhì)量，見表1。

表1 理論裝藥量Tab.1 Theoretical charge mass

3.2 混藥及裝藥

硝化棉（NC）為白色絮狀，按15%、10%、5%的比例稱取一定量的硝化棉充分溶于1g乙酸乙酯中（后面簡(jiǎn)稱硝棉酯），置于陶瓷坩堝中浸泡幾天，然后稱取1g的斯蒂芬酸鉛，將其加入到混合均勻的硝棉酯中，攪拌均勻，靜置一段時(shí)間后，用牙簽將混合好的藥劑滴加到微推裝置的裝藥區(qū)。為防止縮孔，裝填時(shí)應(yīng)分次裝填。將裝填好藥劑的裝置放于烘箱、30℃干燥0.5h。實(shí)際裝藥量如表2所示。

表2 實(shí)際裝藥量Tab.2 Actual charge mass

由表2可看出，在定體積稱量的條件下，隨著硝化棉含量的增加，混合藥劑質(zhì)量增加。因滴裝藥不可避免的氣孔問(wèn)題及人工操作的誤差，所以實(shí)測(cè)質(zhì)量小于理論裝藥量。

表3 理論藥量與實(shí)測(cè)裝藥量對(duì)比Tab.3 Comparison of theoretical charge mass to actual charge mass

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 發(fā)火試驗(yàn)

將產(chǎn)品按要求組裝好安裝在試驗(yàn)夾具上進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)。樣品分為3組，分別裝填含5%、10%、15%硝棉酯的混合藥劑。試驗(yàn)后檢查試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表4所示。圖3為試驗(yàn)前后樣品圖。

表4 發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Fire test results

圖3 發(fā)火試驗(yàn)前后的樣品Fig.3 The sample before and after fire test

根據(jù)圖3及表4可知所有裝置均可以完成既定功能，對(duì)于相同質(zhì)量的混合藥劑，隨著斯蒂芬酸鉛含量的增加，裝置的損壞越發(fā)明顯。

4.2 測(cè)速試驗(yàn)

采用高速攝影的測(cè)試方法測(cè)試作用時(shí)間，進(jìn)而求出推桿的運(yùn)動(dòng)速度。將裝置按要求連接好，如圖4所示，不接任何負(fù)載，固定在試驗(yàn)夾具上，接好線后，打開高速攝影儀及光源，進(jìn)行測(cè)速試驗(yàn)。拍攝的樣品運(yùn)動(dòng)圖像如圖5所示。表5為3組測(cè)試結(jié)果，根據(jù)v=s/t，推算出速度，瞬時(shí)速度——距離曲線見圖6。

表5 推桿運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度Tab.5 Instant speed of moving pisiton

圖4 高速攝影試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Test device for high speed photography

圖5 樣品運(yùn)動(dòng)圖像Fig.5 The movement graph of sample

圖6 瞬時(shí)速度——距離曲線Fig.6 The curves of instant actuation speed vs distance

從表5及圖6中可以看出，速度曲線先上升后下降，與理論計(jì)算中所得結(jié)果相一致，且速度隨位移的增加迅速減小。從表5中可看出隨著硝化棉含量的增加，推桿在同一位移段內(nèi)的瞬時(shí)平均速度增大。而表4發(fā)火試驗(yàn)中隨著硝化棉含量的降低，裝置的破損嚴(yán)重，說(shuō)明燃燒產(chǎn)生的壓力越大，產(chǎn)生的推力也應(yīng)該越大，推桿的瞬時(shí)速度也應(yīng)該越大，這與測(cè)速試驗(yàn)的結(jié)果相反。分析其原因，認(rèn)為隨著硝化棉含量的降低、斯蒂芬酸鉛含量的增多，藥劑燃燒一瞬間產(chǎn)生的沖擊力變大，使裝置破損越發(fā)嚴(yán)重，相應(yīng)地氣體泄漏越迅速，這直接導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)力的大幅度降低。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，15%硝化棉含量的混合藥劑較低含量硝化棉的混合藥劑更適合此微火工驅(qū)動(dòng)裝置。

5 結(jié)論

（1）理論計(jì)算分析與試驗(yàn)結(jié)果所得的推桿速度曲線具有較好的吻合性，說(shuō)明理論分析在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上具有較好的指導(dǎo)作用。（2）通過(guò)高速攝影測(cè)速試驗(yàn)與發(fā)火試驗(yàn)，可以得出火藥燃燒的推動(dòng)力能夠滿足推桿做功的要求。（3）隨著硝化棉含量的增加，同體積下藥劑質(zhì)量增大，火藥燃燒驅(qū)動(dòng)推桿速度明顯增加；對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，15%硝化棉含量的混合藥劑較低含量硝化棉的混合藥劑適合此微火工驅(qū)動(dòng)裝置，后續(xù)將加強(qiáng)裝置密封性及增加硝化棉含量進(jìn)行推動(dòng)試驗(yàn)。

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