用于固體燃?xì)獍l(fā)生器的雙通道順序泄壓燃燒室設(shè)計(jì)

吳 昊，王 琦，華 軍，王 銳，石權(quán)利

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用于固體燃?xì)獍l(fā)生器的雙通道順序泄壓燃燒室設(shè)計(jì)

吳 昊，王 琦，華 軍，王 銳，石權(quán)利

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

針對(duì)某種以煙火產(chǎn)氣藥作為主裝藥的固體燃?xì)獍l(fā)生器，設(shè)計(jì)了作為高壓室的燃燒室。該燃燒室初始為密閉結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)部裝藥燃燒產(chǎn)生的氣體壓力，將兩個(gè)氣體通道按照壓力承載的大小而依次打開(kāi)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該設(shè)計(jì)的燃燒室可極大提高產(chǎn)氣藥的點(diǎn)火可靠性，滿足在產(chǎn)氣藥未點(diǎn)燃前的高壓要求以及產(chǎn)氣藥點(diǎn)燃后的低壓要求。

固體燃?xì)獍l(fā)生器；煙火藥；雙通道；燃燒室；點(diǎn)火；可靠性

固體燃?xì)獍l(fā)生器利用內(nèi)部主裝藥燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)推動(dòng)子母彈頭分離、氣囊填充、紅外特征釋放、調(diào)整飛行姿態(tài)、燃料箱增壓等功能，通常采用推進(jìn)劑及煙火藥劑作為主裝藥[1]。為滿足使用中對(duì)燃?xì)廨敵鲆?guī)律的要求，通常將固體燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為高壓室，用于容納主裝藥，外層為低壓室。高壓室產(chǎn)生的高壓燃?xì)膺M(jìn)入低壓室降壓后排出燃?xì)獍l(fā)生器。

實(shí)際使用中對(duì)固體燃?xì)獍l(fā)生器的工作可靠性提出了較高的要求。高壓室內(nèi)主裝藥能否可靠點(diǎn)火對(duì)固體燃?xì)獍l(fā)生器的工作可靠度起決定性作用[2]。筆者針對(duì)該需求，設(shè)計(jì)了一種雙通道順序泄壓燃燒室，并對(duì)其開(kāi)展試驗(yàn)研究。

1 燃燒室結(jié)構(gòu)

某固體燃?xì)獍l(fā)生器用于某型號(hào)導(dǎo)彈子母彈頭，為子母彈分離提供動(dòng)力。該固體燃?xì)獍l(fā)生器采用高、低壓室的結(jié)構(gòu)，高壓室產(chǎn)生的氣體進(jìn)入低壓室后再排出，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，高壓室[3]的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該燃燒室的裝藥為A4YG- 2產(chǎn)氣藥，裝藥本身為粉末狀，制備過(guò)程中加入粘合劑，在成型模具內(nèi)部加壓后成型為帶一個(gè)中心圓孔的扁圓藥柱。燃燒室設(shè)計(jì)有兩個(gè)氣體通道，分別為位于燃燒室底部的壓力調(diào)節(jié)孔以及位于燃燒室側(cè)壁的主排氣孔。壓力調(diào)節(jié)孔與主排氣孔均為多個(gè)圓形孔。初始狀態(tài)下依靠鋁箔對(duì)所有孔進(jìn)行密封，由于孔徑及鋁箔的厚度均不同，可以根據(jù)內(nèi)部裝藥燃燒壓力的不同實(shí)現(xiàn)按照一定順序打開(kāi)的效果[4-5]。

圖1 某燃?xì)獍l(fā)生器的高低壓室結(jié)構(gòu)

高壓室的作用原理為：點(diǎn)火機(jī)構(gòu)接受刺激后發(fā)火，發(fā)火后產(chǎn)生燃?xì)?，燃?xì)庵袏A雜了大量熾熱固體粒子。由于側(cè)孔及底孔均有密封膜，所以燃?xì)獗幌拗圃谌紵业某跏甲杂扇萸粌?nèi)。隨著點(diǎn)火機(jī)構(gòu)持續(xù)產(chǎn)生燃?xì)?，燃燒室?nèi)壓力逐漸上升，在此過(guò)程中主裝藥的一部分也參與了燃燒，燃燒室內(nèi)壓力繼續(xù)上升。由于底孔密封膜與側(cè)孔密封膜存在打開(kāi)壓力差，當(dāng)壓力上升到大于側(cè)孔密封膜的強(qiáng)度極限后，側(cè)孔密封膜破裂，燃?xì)庥蓚?cè)孔排出。當(dāng)主裝藥開(kāi)始完全燃燒，燃燒室內(nèi)壓力繼續(xù)上升，達(dá)到底孔密封膜破裂壓力后，底孔密封膜破裂，燃?xì)馔瑫r(shí)從側(cè)孔及底孔排出。

2 主要功能構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 側(cè)孔與底孔位置設(shè)計(jì)

側(cè)孔與底孔分別位于燃燒的側(cè)壁及底部，此設(shè)計(jì)思路為：（1）大量的開(kāi)孔如果集中于一處，氣流流動(dòng)方向一致，則開(kāi)孔所受氣流沖刷效果較強(qiáng)，極容易出現(xiàn)部分開(kāi)孔的連接間隙被燒穿而形成一個(gè)大孔，造成過(guò)氣通道大于設(shè)計(jì)預(yù)期的后果。因此，將開(kāi)孔分別布置于燃燒室的兩端，使氣流從兩個(gè)不同方向流動(dòng)，減輕對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)的破壞。（2）底孔的位置在主裝藥的遮擋下，避開(kāi)了點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的直接沖刷，側(cè)孔設(shè)計(jì)于點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的側(cè)面，也避免了點(diǎn)火機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的高壓氣體的直接沖擊。該設(shè)計(jì)不會(huì)因點(diǎn)火機(jī)構(gòu)起始工作時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊造成膜片提前破裂。底孔與主裝藥的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 底孔與主裝藥中心孔的位置關(guān)系

2.2 側(cè)孔與底孔孔徑設(shè)計(jì)

由于燃燒室作為高壓室使用，其側(cè)孔與底孔并非燃?xì)獍l(fā)生器的排氣孔，所以其側(cè)孔及底孔僅承擔(dān)氣體通道的作用，喉道設(shè)置在低壓室上。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)孔總面積設(shè)計(jì)為與主裝藥初始燃面相同，其中側(cè)孔分配70%面積，底孔分配30%面積。側(cè)孔與底孔開(kāi)孔孔徑相同，均為φ7mm。

2.3 側(cè)孔與底孔密封膜設(shè)計(jì)

側(cè)孔與底孔的密封膜均采用鋁箔，一方面鋁箔成型容易，便于與內(nèi)側(cè)斷面貼合，另一方面鋁箔強(qiáng)度適中，具有韌性，適宜作為密封膜。此外，為加強(qiáng)工藝性，實(shí)際中采用背面涂有丙烯酸壓敏膠的鋁箔膠帶作為密封膜。密封膜的厚度根據(jù)式（1）計(jì)算：

式（1）中：為密封膜厚度；max為設(shè)計(jì)最大壓力；為孔直徑；為許用剪切強(qiáng)度。因燃?xì)猱a(chǎn)氣速度較快，式（1）計(jì)算結(jié)果較實(shí)際測(cè)試結(jié)果偏低。設(shè)計(jì)中利用式（1）進(jìn)行初始值設(shè)計(jì)，再利用試驗(yàn)進(jìn)行校正。在設(shè)計(jì)最大壓力條件下計(jì)算得到側(cè)孔密封膜厚度0.10mm（設(shè)計(jì)耐壓3MPa），底孔密封膜厚度0.20mm（設(shè)計(jì)耐壓6MPa）。

2.4 側(cè)孔與底孔過(guò)濾網(wǎng)設(shè)計(jì)

側(cè)孔與底孔均為高溫、高壓、高速通道，并且主裝藥燃燒后產(chǎn)生較大量的殘?jiān)?，所以過(guò)濾網(wǎng)必須滿足：（1）具有一定的支撐強(qiáng)度，不會(huì)因氣體的通過(guò)造成損壞或潰縮；（2）具有一定的殘?jiān)菁{量，不會(huì)因殘?jiān)虝r(shí)間內(nèi)大量淤積而破壞；（3）具有一定物理降溫能力。因此，過(guò)濾網(wǎng)采用不銹鋼絲壓制過(guò)濾網(wǎng)，該過(guò)濾網(wǎng)為采用絲徑為0.6mm的304不銹鋼在模具內(nèi)部壓制成一定形狀的過(guò)濾網(wǎng)，如圖4所示。該過(guò)濾網(wǎng)除了能滿足過(guò)濾功能外，在高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)其表面時(shí)通過(guò)熱傳導(dǎo)吸收一定的熱量，其部分金屬絲可以在高溫下出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，也能起到一定的降溫作用。

圖4 過(guò)濾網(wǎng)照片

2.5 主裝藥設(shè)計(jì)

主裝藥為通過(guò)模具將粉末狀的藥劑壓制為帶一個(gè)中心圓孔的扁圓柱體藥柱。將若干個(gè)藥柱外端面涂抹407硅橡膠后裝入燃燒室，一方面硅橡膠可以起到外端面阻燃的作用，另一方面硅橡膠固化后可以為藥柱起緩沖作用。因藥柱外端面包覆，所以藥柱燃燒規(guī)律為減面燃燒。

2.6 點(diǎn)火機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

點(diǎn)火機(jī)構(gòu)采用扁圓柱體的BPN藥環(huán)裝填，點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的噴口伸入主裝藥的中心孔內(nèi)約5mm。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 密封膜片設(shè)計(jì)值調(diào)整試驗(yàn)

為驗(yàn)證關(guān)鍵參數(shù)密封膜片的厚度是否滿足，設(shè)計(jì)氣壓工裝對(duì)密封膜片進(jìn)行靜態(tài)（氣壓緩慢上升，近似為靜態(tài)）條件下的氣壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 爆破試驗(yàn)對(duì)比表

Tab.1 Comparison of blasting test

由表1數(shù)據(jù)可知，計(jì)算值較實(shí)際值偏低，經(jīng)過(guò)補(bǔ)充試驗(yàn)將側(cè)壁密封膜調(diào)整為0.12mm的3M 425鋁箔膠帶，將底孔密封膜調(diào)整為0.25mm的5A02-H18鋁箔。

3.2 順序泄壓模擬點(diǎn)火試驗(yàn)

為驗(yàn)證該燃燒室的側(cè)孔及底孔點(diǎn)火試驗(yàn)差異，采用高速攝影測(cè)試側(cè)孔及底孔打開(kāi)時(shí)間。燃燒室內(nèi)主裝藥采用酚醛層壓棒代替，其余與正式設(shè)計(jì)狀態(tài)相同。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，實(shí)測(cè)側(cè)孔密封膜破裂壓力介于6.2~6.7MPa，底孔密封膜破裂壓力介于11.2~13.1MPa，均大于4MPa的主裝藥點(diǎn)火壓力值，說(shuō)明其點(diǎn)火可靠性有保證。

表2 模擬點(diǎn)火試驗(yàn)

Tab.2 Experiments of simulation ignition

由試驗(yàn)可知，前期對(duì)膜片的計(jì)算及估值與實(shí)際情況存在較大差異，主要原因?yàn)殪o態(tài)氣壓與動(dòng)態(tài)氣壓對(duì)膜片的破裂時(shí)機(jī)存在區(qū)別，且膜片厚度計(jì)算方法采用圓孔剪切方式欠妥當(dāng)。

4 燃燒室對(duì)裝藥點(diǎn)燃性能的影響

為驗(yàn)證本順序泄壓燃燒室的工作可靠性以及對(duì)主裝藥穩(wěn)定燃燒的影響，設(shè)計(jì)了兩種試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置分別采用順序泄壓燃燒室以及常規(guī)燃燒室，兩種結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、主裝藥初始燃面、初始容腔、出口密封結(jié)構(gòu)以及喉道均相同，如圖5所示。

圖5 兩種試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置點(diǎn)火后產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)入測(cè)壓管路，1根內(nèi)徑14mm、長(zhǎng)1.7m的主管通過(guò)三通連接頭將氣體通入兩根內(nèi)徑12mm、長(zhǎng)1.3m的支管，每根支管與1個(gè)1.25L的氣瓶相連。每個(gè)氣瓶的腰部中心位置設(shè)置1個(gè)壓力傳感器。測(cè)壓管路如圖6所示。

通過(guò)氣瓶上的壓力傳感器測(cè)試試驗(yàn)裝置工作過(guò)程中的壓力——時(shí)間曲線（——曲線），以壓力——時(shí)間曲線評(píng)判試驗(yàn)裝置的工作穩(wěn)定性及點(diǎn)火可靠度。試驗(yàn)分別在低溫（-45℃，保溫8h）、常溫、高溫（70℃，保溫8h）下進(jìn)行，采集從通電到壓力達(dá)到0.3MPa的點(diǎn)火延遲時(shí)間，從通電到壓力達(dá)到4.5MPa的時(shí)間差，以及壓力從4.5MPa上升到6.7MPa的時(shí)間差。試驗(yàn)取兩個(gè)氣瓶?jī)?nèi)數(shù)據(jù)的平均值。每種狀態(tài)下試驗(yàn)兩次。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 壓力測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表3 兩種試驗(yàn)裝置的點(diǎn)火數(shù)據(jù)

Tab.3 Ignition data of two kinds of experiment device

利用表3數(shù)據(jù)，對(duì)常規(guī)燃燒室及順序泄壓燃燒室的點(diǎn)火延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。

圖7 點(diǎn)火延遲數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)常規(guī)燃燒室及順序泄壓燃燒室從通電到壓力達(dá)到4.5MPa的時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖8（a）所示；對(duì)壓力從4.5MPa上升到6.7MPa的時(shí)間差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖8（b）所示。

圖8 壓力上升階段的時(shí)間差對(duì)比

由圖7~8可知，采用順序泄壓燃燒室的試驗(yàn)裝置的產(chǎn)氣穩(wěn)定性均高于常規(guī)燃燒室的試驗(yàn)裝置。采用常規(guī)燃燒室的試驗(yàn)裝置在低溫條件下出現(xiàn)了1發(fā)異?，F(xiàn)象，該現(xiàn)象中點(diǎn)火延遲時(shí)間正常，但從點(diǎn)火到壓力達(dá)到4.5MPa的時(shí)間差極長(zhǎng)，表明在此過(guò)程中主裝藥的點(diǎn)燃過(guò)程不順利。其原因主要是主裝藥點(diǎn)燃過(guò)程中燃燒室泄壓較快，能量損耗較大，所以需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行熱交換才最終點(diǎn)燃。在順序泄壓燃燒室中則未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象。說(shuō)明采用順序泄壓燃燒室的試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)燃燒室。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了順序泄壓燃燒室，適用于煙火藥作為主裝藥的固體燃?xì)獍l(fā)生器，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可顯著地改善主裝藥的低溫點(diǎn)燃性能，確保不出現(xiàn)延遲點(diǎn)燃現(xiàn)象；（2）提高了燃燒室的工作穩(wěn)定性，特別是提高產(chǎn)品在高溫、常溫及低溫下的工作穩(wěn)定性；（3）可減輕裝藥燃燒時(shí)對(duì)殼體的內(nèi)壓力，在保證可靠點(diǎn)火的同時(shí)，降低結(jié)構(gòu)重量，使燃燒室輕量化；（4）對(duì)點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的要求降低；（5）具有更多的氣流通道用于設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，特別是設(shè)置特種結(jié)構(gòu)的過(guò)濾網(wǎng)；（6）最大化減小高溫氣流對(duì)喉道沖刷造成的喉徑變大。該結(jié)構(gòu)形式的燃燒室較適合于要求結(jié)構(gòu)輕量化、輸出低溫度特性燃?xì)獾臒熁饎┭b藥的固體燃?xì)獍l(fā)生器。

[1] 閻冬,柳玲,馬宏珺,楊馥瑞.用于安全氣囊的氣體發(fā)生器的全球?qū)＠治鯷J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2014(4):17-19.

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Design on the Combustion Chamber with Double Channels Used for Solid Gas Generator

WU Hao, WANG Qi, HUA Jun, WANG Rui, SHI Quan-li

（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061）

Aimed at some solid gas generator using pyrotechnic composition as main charge, a combustion chamber used as high pressure chamber was designed. The designed combustion chamber is a closed structure, two gas channels can be opened by combustion gas of main charge one by one. It is proved by experiments that the combustion chamber with double channels can get higher ignition reliability, and meet the requirements that high intensity of pressure should be got before main charge be ignited and low intensity of pressure after main charge be ignited.

Solid gas generator；Pyrotechnic composition；Double channel；Combustion chamber；Ignition；Reliability

1003-1480（2018）03-0009-04

TJ450.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.003

2017-11-05

吳昊（1982-），男，工程師，從事型號(hào)火工品設(shè)計(jì)與研究。