橋絲式電點火頭發(fā)火能量的輸出形式

韓體飛，鄔敦杰，張 曄，張 彥

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橋絲式電點火頭發(fā)火能量的輸出形式

韓體飛，鄔敦杰，張 曄，張 彥

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

采用高速攝像與激光紋影技術(shù)研究橋絲式點火頭在電容放電作用下的能量輸出形式，并觀測點火頭點燃延期體的動態(tài)過程。結(jié)果表明，電容放電作用后，橋絲形成氣化熱能，周圍介質(zhì)受熱形成高溫?zé)崃?，橋絲斷開后的高壓放電和藥劑爆燃共同作用形成弱沖擊波，每種能量形式在無限空間內(nèi)各向同性，各能量形式間速度不同；點火頭點燃延期體過程中，先行弱沖擊波的反射使高溫流場在某一平衡位置振蕩，延遲移向被點火面，熾熱燃燒物受弱沖擊波反射的影響小。

橋絲式電點火頭；燃燒；高速攝像；激光紋影技術(shù)

橋絲式電點火頭是在點火頭中通入電流使橋絲發(fā)熱，通過橋絲加熱周圍的火工藥劑，在溫度達到一定值時，藥劑積累了足夠的能量，因此發(fā)生強烈化學(xué)反應(yīng)從而放出熱量和氣體作功[1]。對于這一過程的研究，許多學(xué)者做了很多工作。成一[2]等人主要研究了影響電點火頭發(fā)火時間的主要因素。曹建華等人[3]建立了直流和電容放電方式下橋絲升溫模型、藥劑升溫模型及數(shù)值求解算法。王鵬[4]、龍兵[5]等人主要研究計算了電點火頭的點火溫度。張玉令等人[6]根據(jù)傳熱學(xué)理論，對橋絲藥劑界面的接觸狀況進行研究。

諸多研究主要針對橋絲式電點火頭發(fā)火理論方面，而電點火頭作為過渡元件用于點燃下一序列，其能量的輸出形式及點火作用過程的研究卻未見報道。本文采用高速攝影與激光紋影技術(shù)，對電點火頭發(fā)火過程及流場進行觀察，揭示其能量輸出形式；并模擬雷管氣室，觀察雷管氣室內(nèi)部點火的動態(tài)過程。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

未蘸藥劑的電點火元件由塑料塞、腳線、橋絲組成，橋絲為康銅合金絲；電點火頭藥劑主要成分為：苦味酸鉀、高氯酸鉀、硫化銻。電點火頭點燃延期體模型如圖1所示，通過加熱軟化有機玻璃管使點火頭和鉛芯延期體固定密封在有機玻璃管中，模擬電雷管氣室環(huán)境。

圖1 測試樣品

1.2 高速紋影實驗系統(tǒng)

高速紋影實驗系統(tǒng)主要由高速相機和激光紋影儀組成。高速相機為日本NAC公司生產(chǎn)的HX-3攝像機，該相機前置鏡頭為Nikon系列鏡頭,相機內(nèi)存為16Gb，拍攝頻率最高可達到1 300 000幀/s，滿幅分辨率2 560×1 920下可達2 000幀/s。采用高速紋影實驗系統(tǒng)測試未蘸藥劑的橋絲在電容放電下發(fā)火的動態(tài)過程，以及電點火頭的發(fā)火動態(tài)過程，拍攝頻率為50 000幀/s；利用高速相機直接拍攝在電容放電下橋絲和電點火頭的發(fā)火過程及點火頭點燃延期體的過程，拍攝頻率為100 000幀/s。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 橋絲式電點火元件能量輸出的動態(tài)過程

圖2為橋絲發(fā)火過程的高速紋影圖。圖2中時間為名義時間，以出現(xiàn)燃燒亮光的前一幅圖片作為初始時間（以下所標(biāo)時間方法相同）。由圖2可見，電容放電后，橋絲接受瞬間的能量后升溫，20μs時刻橋絲開始氣化，形成光亮，同時向周圍輻射能量形成高溫?zé)崃?，既圖2中Y-1。隨后，不斷氣化的橋絲斷開，光亮明顯，產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象。此時，橋絲周圍介質(zhì)電離，形成高溫?zé)崃飨蛑車鷤鞑?，同時產(chǎn)生弱沖擊波，既圖2中Y-2。40μs時刻出現(xiàn)與高溫?zé)崃鞣蛛x的弱沖擊波陣面。由于沖擊波陣面后的負壓作用，高溫?zé)崃魇軌鹤冃?；?40μs時橋絲氣化趨于完全，亮點逐漸暗淡，而弱沖擊波在傳播過程中迅速衰減為音波，高溫?zé)崃飨蛩闹軘U散，1~3ms為擴散中的高溫?zé)崃?，既圖2中Y-3。

圖2 橋絲發(fā)火過程的高速紋影圖

圖3為橋絲發(fā)火的高速攝像圖。由圖3可見，10μs時刻橋絲瞬間氣化形成較強的亮光，20~40μs斷開的橋絲尖端放電，亮光增強，80μs時亮光開始減弱，橋絲逐漸氣化；100μs以后，發(fā)光的橋絲逐漸暗淡，并形成“云團”狀發(fā)光區(qū)，緩慢消失。

圖3 橋絲發(fā)火過程的高速攝像圖

2.2 橋絲式電點火頭能量輸出的動態(tài)過程

電容放電后電點火頭的發(fā)火過程高速紋影如圖4所示。

圖4 電點火頭發(fā)火過程的高速紋影圖

由圖4可見，20μs時刻，從內(nèi)到外分別是橋絲氣化及接觸的薄層藥劑爆燃形成的熾熱燃燒物、其加熱周圍介質(zhì)形成的高溫?zé)崃鲄^(qū)及弱沖擊波陣面，3個區(qū)域沒有分離。由于藥頭對橋絲的包裹以及橋絲能量向藥劑及周圍環(huán)境的傳遞，使光亮相對橋絲發(fā)火時明顯減弱，而弱沖擊波陣面較為明顯。40μs時，這3個區(qū)域分布明顯，沖擊波與高溫?zé)崃鲄^(qū)完全脫離，熾熱燃燒物逐漸縮小變暗，此時高溫?zé)崃鞒蔀橹饕哪芰枯敵鲂问?；隨后，由于沖擊波陣面后的膨脹產(chǎn)生的負壓使高溫?zé)崃鲄^(qū)趨于縮小；橋絲氣化能量不斷傳遞，光亮開始減弱。80μs時，沖擊波陣面以球面擴散，并不斷衰減；熾熱燃燒物開始向周圍飛濺；120μs至0.5ms時間段，紋影圖中光亮完全消失，此為飛濺的熾熱燃燒物與高溫?zé)崃鲄^(qū)迅速的脫離過程，高溫?zé)崃骶徛龜U散，1ms時幾乎完全脫離，點火元件處僅留有高溫?zé)崃鳌?/p>

圖5為電點火頭發(fā)火過程的高速攝像圖。從圖5中分析，10μs時刻出現(xiàn)光亮，相對橋絲發(fā)火時的亮光暗淡，橋絲瞬間氣化并加熱周圍薄層藥劑而消耗能量，氣體產(chǎn)物形成的高壓使藥頭開始破裂。至20μs時，斷開的橋絲尖端放電以及爆燃薄層藥劑產(chǎn)生的高壓使藥頭藥劑破裂向四周飛濺，此時亮光相對增強。40μs時，發(fā)光區(qū)縮小，橋絲逐漸氣化。110~130μs，發(fā)光的橋絲逐漸暗淡，至150μs消失。隨后高溫?zé)崃飨蛑車鷤鬟f能量。

圖5 電點火頭發(fā)火過程的高速攝像圖

2.3 橋絲式電點火頭能量輸出形式的時空性質(zhì)

將高速紋影系統(tǒng)拍攝的圖片，按照已知尺寸參照物像素的大小，計算各時刻弱沖擊波、高溫?zé)崃饕约盁霟崛紵镌谒胶痛怪狈较虻奈灰?。圖6為電容放電后橋絲發(fā)火形成的弱沖擊波與高溫?zé)崃鞯奈灰谱兓€。

圖6 橋絲發(fā)火過程能量輸出形式的位移圖

圖6顯示在20μs時刻，弱沖擊波與高溫?zé)崃鞯奈灰萍s為2.5mm，兩者尚未分離；20μs后，沖擊波位移迅速增加，而高溫?zé)崃魅栽跇蚪z附近移動。縱向和橫向位移曲線幾乎重合，可以認為橋絲發(fā)火后各向能量輸出形式的位移變化一致。圖7為電點火頭發(fā)火后各種能量輸出形式的位移曲線。由圖7可見，在0μs處，熾熱燃燒物、高溫?zé)崃骱腿鯖_擊波完全重疊，隨著時間的增加均向四周擴散。20μs后，弱沖擊波、熾熱燃燒物、高溫?zé)崃鏖_始分離，沖擊波位移迅速增加，熾熱燃燒物位移緩慢增加，高溫?zé)崃魑灰齐S時間幾乎未發(fā)生變化；約在130μs后，熾熱燃燒物超過高溫?zé)崃?，隨后位移穩(wěn)定增加。圖7中縱向與橫向結(jié)果相似，點火頭能量釋放形式具有各向同性的時空性。

圖7 點火頭發(fā)火過程能量輸出形式的位移圖

2.4 橋絲式電點火頭能量輸出形式的速度分析

圖8為橋絲發(fā)火過程中能量輸出形式的橫向速度曲線。

圖8 橋絲發(fā)火過程能量輸出形式速度圖

由圖8可見，20μs后，形成的弱沖擊波向周圍擴散，波陣面后產(chǎn)生負壓，高溫?zé)崃魉俣戎饾u減?。?0μs后弱沖擊波速度達到最大值，隨后速度減慢，并衰減為一個穩(wěn)定的速度平臺；與之對應(yīng)的高溫?zé)崃魉俣葴p小加快，至80μs處出現(xiàn)負值，隨著弱沖擊波的衰減，高溫?zé)崃魉俣染徛黾印?/p>

圖9為點火頭發(fā)火過程中能量輸出形式的橫向速度曲線。由圖9可見，3種能量輸出形式速度變化不同。高溫?zé)崃髟诔跏?0μs時速度達到最大，隨后速度減小，在0m/s左右處波動，在某些時刻出現(xiàn)負值（如200μs處），約在300μs后速度升高，并出現(xiàn)速度峰。與之相對應(yīng)，弱沖擊波在20~50μs階段達到速度峰，最大值為478m/s，隨后降低至350m/s左右波動，經(jīng)過衰減達到音速。熾熱燃燒物在兩者速度達到峰值后也出現(xiàn)速度峰值，50μs時刻速度約為150m/s，隨后，速度在100m/s左右波動。

圖9 點火頭發(fā)火過程能量輸出形式速度圖

2.5 電點火頭點燃延期體過程

圖10中為電點火頭點燃延期體動態(tài)過程圖。

圖10 電點火頭點燃延期體過程圖

分析圖10可見，10μs時刻弱沖擊波已經(jīng)產(chǎn)生并向延期體截面?zhèn)鞑ィ?0μs時刻弱沖擊波先行至延期體截面，約在30μs后發(fā)生反射，此時熾熱燃燒物向前擴散至延期體與點火頭之間；40μs時刻反射的弱沖擊波壓縮熾熱燃燒物向相反方向移動。這一過程持續(xù)幾次，約在160μs后弱沖擊波完全衰減，熾熱燃燒物只是以熱輻射形式向延期體藥芯傳遞少量能量，這一過程可以認為是點火過程的“暗區(qū)”。隨后，熾熱燃燒物擴散至延期體藥面，此時，高溫?zé)崃麟S著熾熱燃燒物的移動做相同的運動，藥面主要以傳導(dǎo)、對流方式接受高溫?zé)崃骱蜔霟崛紵锏哪芰?，達到藥劑點火溫度。

3 結(jié)論

（1）橋絲電容放電后產(chǎn)生3個區(qū)域，即發(fā)光區(qū)、高溫?zé)崃骱腿鯖_擊波區(qū)。每個區(qū)域各向同性向周圍擴展，各區(qū)域間的速度不同。其中以弱沖擊波傳播速度最快，與其他區(qū)域瞬間脫離；由于橋絲完全氣化以及能量的傳遞使發(fā)光區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)崃?。弱沖擊波在傳播過程中衰減至音波，只剩下緩慢衰減的高溫?zé)崃鳌?/p>

（2）橋絲式電點火頭在橋絲發(fā)火的基礎(chǔ)上增加藥劑燃爆的作用。由熾熱燃燒物（發(fā)光區(qū)）、高溫?zé)崃骱腿鯖_擊波3個區(qū)域組成，其中熾熱燃燒物包括橋絲氣化物、燃燒殘渣以及燃燒著的藥劑顆粒，其發(fā)出的光亮由于電容放電能量的轉(zhuǎn)移，由明亮變成暗淡；熾熱燃燒物加熱周圍介質(zhì)形成的高溫?zé)崃鲾U散速度緩慢；而高壓放電、爆燃共同作用形成的弱沖擊波向周圍擴散的速度加快，高溫?zé)崃鲄^(qū)在沖擊波形成后的某個階段形成速度負值。

（3）3個區(qū)域在有限空間點火時，弱沖擊波沖擊壁面反射，使高溫?zé)崃髟谀骋晃恢谜袷?，延遲移向被點火斷面，熾熱燃燒物幾乎不受弱沖擊波影響，點火端面與被點燃藥劑間距決定了點火能量的主次形式。

（4）通過對電容放電作用下電點火頭能量輸出形式的觀察，為驗證和發(fā)展點火理論提供實驗依據(jù)。另外，對于恒定電流作用下的電點火頭的能量輸出形式需要做進一步實驗研究。

[1] Stanley Fordham. High explosives and propellants[M]. San Francisco: Pergamon Press,1980.

[2] 成一，陳守文.電點火頭發(fā)火過程的時間結(jié)構(gòu)的研究[J].爆破器材,2001,30(5):22-23.

[3] 曹建華,蔡瑞嬌,董海平,等.電火工品橋絲與藥劑升溫模型及在可靠性設(shè)計中的應(yīng)用[J].爆炸與沖擊,2004,24 (1):90-95.

[4] 王鵬,杜志明.橋絲式電火工品熱點火理論[J].火工品,2007(4): 26-30.

[5] 龍兵,常新龍,張磊,等.橋絲式電火工品發(fā)火過程的數(shù)值仿真[J].火工品,2009(5):27-29.

[6] 張玉令,高俊國,穆麗軍,等.橋絲式電火工品傳熱模型研究[J]. 火工品,2010(1):14-17.

Firing Energy Output Forms of the Bridgewire Fusehead

HAN Ti-fei，WU Dun-jie，ZHANG Ye，ZHANG Yan

（School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001)

Firing energy output forms of the bridgewire fusehead under capacitor discharge were researched, by the high speed camera and laser schlieren technique, and the process of the fusehead igniting the delay elements was also observed. The results show that under capacitor discharge, heating energy formed by the gasification of bridgewire, high temperature heat flow generated by surrounding mediums heated, and weak shock wave formed by the electrion of bridgewire breaking suddenly and the deflagration of thin layer powders. Any types of the firing energy output forms is of isotrop in the infinite space and the spreading rates of which are different. In the finite space, reflection of the leading weak shock wave makes the high temperature heat flow undulate in a balanced position, and postpones moving toward the ignited surface, and yet has few effects on the molten comburent.

Bridgewire fusehead；Combustion；High speed camera；Laser schlieren technique

1003-1480（2016）05-0021-04

TJ45+3

A

2016-07-20

韓體飛（1983-），男，博士，主要從事民用爆破器材研究及教學(xué)。

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（51604009）；安徽理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助（201610361062）。