底火初溫對能量釋放特性影響的實驗研究

王立新,戴 涌,王加剛,張欣尉

(1 新疆職業(yè)大學 機械電子工程學院,新疆 烏魯木齊 830013;2 重慶望江工業(yè)有限公司,重慶 400071;3 南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

隨著高新技術和信息化技術的發(fā)展應用,武器設備對戰(zhàn)場變化的適應能力都需要得到提高,特別是我國地域遼闊、氣候差異大,武器裝備在不同環(huán)境條件下能否穩(wěn)定可靠的發(fā)揮作用顯得尤為重要。底火是彈藥點火、起爆的重要元件,是武器彈藥要發(fā)揮作用的關鍵一環(huán),已逐漸成為內(nèi)彈道領域的研究熱點。

底火主要靠電能或機械能擊發(fā)產(chǎn)生高溫高壓燃氣,進而點燃藥筒內(nèi)的火藥。底火內(nèi)部結構示意圖如圖1所示,主要是由火帽、火臺和底火殼等組成。在發(fā)射時,擊發(fā)機構擊發(fā)底火產(chǎn)生高溫火藥燃氣,燃氣射流通過中心傳火管引燃藥筒內(nèi)的發(fā)射藥,發(fā)射藥劇烈燃燒快速產(chǎn)生大量燃氣,彈丸在高壓燃氣的推動下擠進膛線、膛內(nèi)加速直至射出膛口。因此,底火的可靠擊發(fā)并成功引燃發(fā)射藥,決定了武器裝備的可靠使用和作戰(zhàn)性能。定期檢測底火的擊發(fā)可靠性和輸出能量,也是判斷貯存底火性能的重要依據(jù)。

圖1 底火內(nèi)部結構示意

對底火相關專家已經(jīng)開展了較為豐富的研究。EVANS等采用熱電偶測量了M42底火被撞擊后釋放能量沖撞銅片的溫度,以此來估算底火瞬間釋放的熱通量,但由于未能測量底火的輸出壓力和時間等,精確性一般。FRANK利用密閉爆發(fā)器測量了底火發(fā)火后的最大壓力,得到了底火的壓力-時間輸出特性。陳明華等通過對某底火藥燃燒時的溫度進行測試,發(fā)現(xiàn)底火藥燃燒時溫度與燃盡時間成反比。所以,通過提高燃速可以有效提升底火藥的點火溫度。李浩德等借助壓電晶體和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對大口徑槍彈底火的能量輸出特性進行了實驗測試,得到了較好的定量化測試結果。柳維旗等設計并搭建了測試系統(tǒng),實現(xiàn)了對底火擊發(fā)瞬間底火藥燃氣的壓力和溫度隨時間變化曲線的動態(tài)采集。根據(jù)底火藥的燃燒特性及底火射流在傳火管內(nèi)的傳播特點,劉子豪等建立了相應理論模型,通過數(shù)值計算,分析了傳火管內(nèi)底火射流場壓力及空隙率等特征參數(shù)的時空分布規(guī)律。

火藥溫度是其燃燒特性的重要影響因素,底火作為槍炮點火元件,其發(fā)火性能對槍炮內(nèi)彈道性能有著重要的影響作用。因此,對不同初溫底火的發(fā)火特性進行研究具有重要的工程應用價值,目前國內(nèi)外相關研究較少?；诖?設計微型絕熱密閉爆發(fā)器,對3種初溫底火的發(fā)火特性進行測試,得到密閉爆發(fā)器內(nèi)底火射流壓力隨時間的變化關系,在此基礎上分析初溫對底火射流壓力沖量的影響規(guī)律。

1 微型絕熱密閉爆發(fā)器實驗裝置設計

圖2是本文實驗所采用的微型絕熱密閉爆發(fā)器的總裝示意圖,該爆發(fā)器主要是由擊發(fā)機構、爆發(fā)器本體和放氣裝置等部分組成。本體右側是擊發(fā)機構,實驗時采用電擊發(fā)方式來擊發(fā)底火;本體左側是放氣裝置,底火擊發(fā)后,底火射流進入本體腔內(nèi),測試結束后,打開放氣裝置放氣閥,將高溫高壓燃氣安全地排出密閉爆發(fā)器;在密閉爆發(fā)器本體上方,開設有測壓孔,用于實驗中測試爆發(fā)器內(nèi)燃氣壓力。

圖2 微型絕熱密閉爆發(fā)器總裝示意圖

定容情況下,底火藥燃氣最大壓力公式為

(1)

式中:為火藥力,為裝填密度,為余容。

(2)

式中:為裝藥量,為密閉爆發(fā)器燃燒室容積。

根據(jù)式(2),取相關參數(shù):=1×10kg,=5×10m/kg,=300 kJ/kg,對微型絕熱密閉爆發(fā)器燃燒室內(nèi)腔容積進行設計。

本次底火擊發(fā)實驗中,待測壓力范圍在2.0～3.0 MPa之間,根據(jù)相關參數(shù)取值和式(2)計算得到:當最大壓力為2.0 MPa時,本體內(nèi)腔容積約為15 mL;當最大壓力為3.0 MPa時,本體內(nèi)腔容積約為10 mL。

本次實驗采用的底火類型為DD-2,其能量較小。為保證實驗測試的精確性,在微型密閉爆發(fā)器的設計中必須考慮熱散失效應。本文采用文獻[19]的實驗修正關系式來修正壓力損失,即:

(3)

式中:Δ為因熱散失而引起的壓力損失,為爆發(fā)器燃燒室內(nèi)測得的最大壓力,為內(nèi)腔熱散失表面積,為多項式系數(shù)(見表1),為火藥燃盡所用時間。

表1 多項式系數(shù)

根據(jù)式(3),結合DD-2底火0.1 g的裝藥量和2.0～3.0 MPa待測壓力范圍,計算得到因熱散失引起的壓力損失為0.2～0.3 MPa。

考慮到尼龍的導熱系數(shù)遠小于金屬,為了減小熱散失帶來的不利影響,在腔體內(nèi)部加裝了隔熱尼龍襯套。表2為密閉爆發(fā)器底火擊發(fā)的實驗測試結果。

表2 密閉爆發(fā)器底火擊發(fā)實驗結果

從表2可以看出,底火初溫為28 ℃時,有無尼龍襯套時燃燒室內(nèi)的最大壓力分別為2.36 MPa和2.15 MPa,相對壓力損失和損失率分別為0.21 MPa和8.9%,而燃燒時間差別不大?？梢园l(fā)現(xiàn),采用尼龍襯套進行絕熱處理可以有效降低壓力損失。

通過上述結構設計和絕熱計算,在考慮加裝絕熱尼龍內(nèi)襯條件下,最終確定的微型絕熱密閉爆發(fā)器內(nèi)腔容積為10 mL。圖3為設計加工的微型密閉爆發(fā)器實物圖。

圖3 微型絕熱密閉爆發(fā)器

2 不同溫度下底火發(fā)火性能的測試與分析

圖4為本次實驗及測試系統(tǒng)組成。實驗時,底火被脈沖點火電源放電擊發(fā)后,底火射流噴射進入爆發(fā)器內(nèi)腔,采用壓電傳感器、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對爆發(fā)器內(nèi)壓力進行測試,并存儲于計算機內(nèi)。

圖4 實驗及測試系統(tǒng)組成

為了了解底火初溫對其發(fā)火性能的影響規(guī)律,在同樣的環(huán)境溫度條件下(28 ℃),針對3種典型初溫底火的發(fā)火性能進行測試,分別是高溫50 ℃、低溫-20 ℃和室溫28 ℃。其中,底火初溫50 ℃和-20 ℃通過保溫箱保溫24 h實現(xiàn),底火初溫28 ℃是將底火置于溫度恒定為28 ℃的工房內(nèi)24 h得到。每種底火初溫開展了兩次實驗測試,結果發(fā)現(xiàn)重復性較好,下文只展示其中一次的測試結果。

對3種初溫條件下DD-2電底火發(fā)火時的壓力進行實驗測量,結果如圖5所示。不同初溫條件下測得的底火最大壓力與到達最大壓力的時間如表3所示。從圖5和表3可以看出,底火初溫不同時,將其擊發(fā)產(chǎn)生的最大壓力以及燃燒時間隨溫度變化有一定規(guī)律性。低溫條件下,DD-2底火在10 mL的微型絕熱密閉爆發(fā)器中產(chǎn)生的最大壓力為2.24 MPa,達到最大壓力的時間為1.30 ms;室溫條件下,底火初溫為28 ℃,此時擊發(fā)底火產(chǎn)生的最大壓力為2.33 MPa,達到最大壓力的時間縮短至0.98 ms,說明底火藥的燃燒性能有所增強;高溫條件下,隨著溫度的升高,底火藥的燃燒也更加劇烈,產(chǎn)生的最大壓力達到2.61 MPa,燃燒時間進一步縮短至0.78 ms。

圖5 不同底火初溫的p-t曲線

表3 不同初溫底火最大壓力

根據(jù)底火發(fā)火時輸出的-曲線,可以獲取最大點火壓力、到達最大壓力的時刻以及壓力沖量等一系列體現(xiàn)底火點火特性的物理量。其中,底火藥燃燒過程中燃氣的壓力沖量也是衡量底火點火強度的重要指標,其表達式為

(4)

式中:為壓力沖量,為底火藥燃燒時間,為底火藥燃氣壓力。

采用式(4)計算得到底火不同初溫條件下?lián)舭l(fā)試驗的壓力沖量如表4所示。由表4可見,底火初溫為50 ℃時,底火藥燃氣壓力沖量為2.03 MPa·ms;底火初溫為28 ℃時,壓力沖量為2.29 MPa·ms;底火初溫為-20 ℃時,壓力沖量達到2.40 MPa·ms。試驗結果表明,底火初溫越低,將其擊發(fā)產(chǎn)生的壓力沖量越大。這主要是因為:雖然隨著溫度升高,底火產(chǎn)生的最大壓力逐漸升高,但溫度對底火能量釋放的持續(xù)時間影響更大,因此在最大壓力相差不大的情況下,低溫情況下底火藥燃燒到達最大壓力點的時間相對較長,壓力沖量也更大,如:高溫條件下最大壓力為2.61 MPa,相比低溫條件下的2.24 MPa僅高出16.5%,但高溫條件下達到最大壓力的時間為0.78 ms,比低溫條件下的1.30 ms低40%。

表4 底火壓力沖量

3 結論

本文針對底火溫度不同條件下的發(fā)火性能進行了實驗研究。設計了微型絕熱密閉爆發(fā)器測試系統(tǒng),測量了底火壓力隨時間的變化關系,得到了不同初溫底火的壓力沖量,主要結論如下:

①設計的微型絕熱密閉爆發(fā)器可有效減少8.9%的相對壓力損失率。

②通過密閉爆發(fā)器實驗發(fā)現(xiàn),底火初溫越高,底火藥燃盡時間越短,產(chǎn)生的最大壓力越高。底火初溫為50 ℃時,底火藥燃盡時間僅為0.78 ms,產(chǎn)生的最大壓力為2.61 MPa。

③通過分析底火壓力隨時間的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),底火在不同溫度下?lián)舭l(fā)時,溫度越低,底火燃燒產(chǎn)生的壓力沖量越大。底火初溫為-28 ℃時,底火藥燃燒產(chǎn)生的壓力沖量平均值為2.40 MPa·ms。