大長徑比、高密實火藥床點火管點傳火特性的影響因素*

王珊珊，王 浩，張博孜，陶如意

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064; 2.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

目前，金屬點火管能夠比較準(zhǔn)確地控制管壓和破孔規(guī)律、點火一致性好、能夠較好地抑制壓力波等被廣泛應(yīng)用在各類武器系統(tǒng)中[1]。但隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，射擊威力增大，射擊精度提高，武器的裝藥結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，這給點火管的設(shè)計帶來更高的要求。點火管結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對武器彈道性能影響非常大[2-4]，所以對影響點火管點火性能的因素進行分析具有非常重要的意義。

對于長徑比大、裝填密度高的金屬點火管，點火具在一端作用后，氣流推動火藥向另一端運動，由于藥床的透氣性差，容易產(chǎn)生藥粒的擠壓和堆積現(xiàn)象，極易產(chǎn)生不均勻的壓力波動，造成點火不均勻、一致性差，甚至帶來安全問題[5-7]。本文中通過數(shù)值模擬程序?qū)τ绊扅c火管點火性能的關(guān)鍵因素進行對比模擬，深入展開分析大長徑比、高密實火藥床點火管點傳火性能的主要影響因素，為這類點火管的工程設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)物理模型

金屬點火管點火系統(tǒng)由點火具、金屬管、襯紙和端蓋等組成，如圖1所示。

根據(jù)點火管工作過程的物理化學(xué)現(xiàn)象，并結(jié)合大長徑比、高裝填密度的特點，建立了點火管內(nèi)氣固兩相流動的一維兩相流數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所建模型，采用Mac Cormack預(yù)估校正二步顯格式編制了計算仿真程序，并對長徑比為38，裝填密度為1 027 kg/m3的點火管進行了仿真計算，計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好，最大誤差不超過9%，說明計算模型能準(zhǔn)確描述點火管內(nèi)的實際物理化學(xué)過程，計算程序參數(shù)取值合理，通過該計算程序來分析結(jié)構(gòu)尺寸及裝填條件對點傳火過程的影響所得的結(jié)論是可信的。

圖1 點火管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Constructional schematic diagram of igniter tube

2 點火管結(jié)構(gòu)的影響

2.1 傳火孔徑的影響

總的傳火面積、首孔高度及孔間距均保持不變，其余裝填參量也保持不變，僅改變傳火孔的直徑(d)，分析孔徑對點傳火過程的影響。

圖2～4為不同傳火孔直徑下燃氣壓力在不同時刻沿點火管軸向的分布圖。在保持總的傳火面積、首孔高度及孔間距不變的情況下，小孔直徑越大，孔的排數(shù)越少。圖3～4中的管中后部無小孔，壓力突升明顯，管內(nèi)壓力明顯分布不均勻。圖5為距離點火端16.7D處不同傳火孔徑下的壓力時程曲線(D為點火管直徑)?？梢钥闯觯淖冃】字睆?，破膜前壓力上升趨勢幾乎相同，破膜后小孔直徑越大，單位長度內(nèi)從傳火孔流走的氣固兩相越多，管內(nèi)最大壓力越小。因此若傳火孔徑設(shè)計過大，破膜后流走的能量更快更多，對于長徑比較大、裝填密度較高的點火管而言，易造成由于流走的能量太多而使能量無法向前繼續(xù)傳遞的現(xiàn)象；設(shè)計過小的傳火孔不僅容易造成黑火藥顆粒堵塞小孔，使能量流出通道不順暢而引發(fā)安全事故，更可能由于能量流出過小過慢而使管內(nèi)造成局部高壓引發(fā)安全問題。

圖2 小孔直徑為1.5 mm時不同時刻 燃氣壓力點火管的軸向分布Fig.2 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 1.5 mm at different times

圖3 小孔直徑為1.8 mm時不同時刻 燃氣壓力點火管的軸向分布Fig.3 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 1.8 mm at different times

圖4 小孔直徑為2.0 mm時不同時刻 燃氣壓力點火管的軸向分布Fig.4 Pressure distribution in axial of the igniter tube with the hole diameter of 2.0 mm at different times

圖5 距點火端16.7D處不同 小孔直徑下的壓力時程曲線Fig.5 p-t contrast curves of different hole size at the position of 16.7D

2.2 首孔高度的影響

僅改變首孔高度，其余結(jié)構(gòu)尺寸及裝填參量保持不變，分析首孔高度(h)對點火過程的影響。

圖6～8為不同首孔高度下燃氣壓力在不同時刻沿點火管的軸向分布圖，圖9給出了距離點火端16.7D處不同首孔高度下壓力對比曲線。由圖6～9可以看出，僅改變首孔高度將影響管內(nèi)最大壓力，這是由于首孔高度的增加使得破膜前火藥氣體能量在管內(nèi)傳遞的時間加長，造成管內(nèi)壓力增大。由此可知，過大的首孔高度容易造成泄壓滯后，近點火端產(chǎn)生高壓的情況，不利于安全點火；對于長徑比大的點火管而言選用過小的首孔高度，又會提早泄壓而造成起始壓力不足，產(chǎn)生點火能量傳遞不迅速甚至間斷的情況，嚴(yán)重影響點火的瞬時性及一致性。

圖6 首孔高度為15 mm時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.6 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 15 mm at different times

圖7 首孔高度為22 mm時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.7 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 22 mm at different times

圖8 首孔高度為32 mm時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.8 Pressure distribution in axial of the igniter tube with first hole height of 32 mm at different times

圖9 距點火端16.7D處不同 首孔高度下的壓力時程曲線Fig.9 p-t contrast curves of different first hole size at the position of 16.7D

2.3 小孔分布的影響

保證總的傳火面積、首孔高度均不變，僅改變小孔分布，分析小孔分布對點傳火性能的影響。

圖10～12為不同小孔分布下沿點火管軸向的燃氣壓力分布圖，圖13給出了距離點火端16.7D處每排孔不同個數(shù)(n)下壓力對比曲線。由圖10～13可以看出，小孔分布不僅明顯影響管內(nèi)最大壓力及分布，同時影響壓力做功時間。點火管內(nèi)壓力分布與單位長度小孔總面積有關(guān)，單位長度小孔總面積越大，破膜后泄壓越快，使得管內(nèi)最大壓力降低，做功時間減少。對于長徑比大的點火管，若泄壓過快則易導(dǎo)致遠點火端傳火能力減弱，不利于均勻點火；相反，若單位長度小孔面積太小，泄壓不夠迅速則易導(dǎo)致在無小孔流出的地方有能量累積，形成局部高壓，不利于安全點火。

圖10 每排10個小孔時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.10 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 10 holes in a row at different times

圖11 每排8個小孔時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.11 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 8 holes in a row at different times

圖12 每排6個小孔時不同時刻 燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.12 Pressure distribution in axial of the igniter tube of 6 holes in a row at different times

圖13 距點火端16.7D處每排 孔個數(shù)不同時的壓力時程曲線Fig.13 p-t contrast curves of different hole count at the position of 16.7D

3 裝填密度的影響

僅改變裝藥量或者僅改變點火管內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)尺寸實際表現(xiàn)為裝填密度的改變[8]，在此分析裝填密度(ρ)對點傳火性能的影響。

圖14～16為不同裝填密度下沿點火管軸向的燃氣壓力分布圖，圖17給出了距離點火端16.7D處不同裝填密度下壓力對比曲線。點火管內(nèi)的裝填密度會影響藥床的透氣性及火焰?zhèn)鞑サ耐〞承?，最終影響點火管內(nèi)的兩相流動環(huán)境和傳火能量在軸向上分布的均勻性。由圖14～16可知，點火管內(nèi)裝填密度越低，管內(nèi)壓力上升越慢，管內(nèi)最大壓力也最低。在點火管的裝藥設(shè)計中，若裝填密度過低，則能量傳播較慢，點火時間長，均勻點火的效果較差；但是裝填密度過高，則傳火通道不通暢，容易形成局部點火的條件，增大壓力波的強度，對安全性構(gòu)成威脅。

圖14 裝填密度為1 036 kg/m3時 不同時刻燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.14 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 1 036 kg/m3 at different times

圖15 裝填密度為924 kg/m3時 不同時刻燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.15 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 924 kg/m3 at different times

圖16 裝填密度為840 kg/m3時 不同時刻燃氣壓力沿點火管的軸向分布Fig.16 Pressure distribution in axial of the igniter tube with charge density of 840 kg/m3 at different times

圖17 距點火端16.7D處每排 孔個數(shù)不同時的壓力時程曲線Fig.17 p-t contrast curves of different hole count at the position of 16.7D

4 結(jié) 語

利用大長徑比、高密實火藥床點火管的一維兩相流程序?qū)τ绊扅c火管點傳火性能的主要因素進行了計算分析。分析表明，對于大長徑比、高裝填密度的點火管而言，小孔直徑、首孔高度、小孔分布及裝填密度顯著影響點火壓力及點傳火性能：小孔直徑、首孔高度及單位長度小孔面積是影響破膜后泄壓速度的主要因素，而泄壓速度是影響點火性能的重要因素之一，泄壓過快不利于能量在大長徑比點火管內(nèi)的傳播，影響點火的瞬時性和一致性，泄壓過慢則易造成局部高壓，不利于點火安全，同時也明顯影響管內(nèi)的點火壓力；而裝填密度對藥床的透氣性及火焰?zhèn)鞑サ耐〞承杂绊懨黠@，裝填密度過高會導(dǎo)致傳火通道不通暢，容易形成局部點火的條件，增大壓力波的強度，對安全性構(gòu)成威脅，而裝填密度太低又會使管內(nèi)壓力上升速度偏慢，延長點火時間。在對點火管進行優(yōu)化設(shè)計時需要綜合考慮所有的點火要求，合理設(shè)計孔徑、首孔高度、小孔分布等條件。

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