密閉爆發(fā)器結(jié)構(gòu)對點火器輸出壓力測試結(jié)果的影響?

王秋宇 劉 丹 唐 琴 竇天全

①四川藍(lán)獅科技有限公司(四川綿陽，621007)

②雅化集團綿陽實業(yè)有限公司(四川綿陽，621007)

引言

點火器是用于完成預(yù)定功能的一次性使用的元器件或裝置，是應(yīng)用數(shù)量和種類較多的火工品。在接收發(fā)火指令后，以較小能量激發(fā)點火器內(nèi)裝敏感藥劑，產(chǎn)生燃燒或爆炸，以燃燒火焰、爆炸沖擊波、高壓燃?xì)獾容敵龇绞綄崿F(xiàn)點火、起爆、做功。而該類火工品的性能考核是測試在一定密閉容腔內(nèi)特定時間段內(nèi)不同測點的輸出壓力。

點火器作為點火或做功用火工品，輸出峰值壓力和達到峰值壓力的時間是其重要指標(biāo)之一。密閉爆發(fā)器是常用測試工裝。作為輸出壓力-時間曲線測試中的重要環(huán)節(jié)，密閉爆發(fā)器的容腔形狀、密封性等成為測試結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。在火工品行業(yè)，現(xiàn)無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范對該工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計進行規(guī)定。

本文中，研究常規(guī)點火器發(fā)火后在不同結(jié)構(gòu)的密閉爆發(fā)器和不同測試點處的壓力-時間曲線，獲取壓力測試工裝對壓力-時間曲線的影響規(guī)律，為壓力測試工裝的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計提供參考[1-3]。

1 理論輸出壓力

對于已知裝藥量和裝藥密度的做功元件，可根據(jù)諾貝爾-阿貝爾方程推導(dǎo)出在特定密閉爆發(fā)器燃燒室總體積下的輸出壓力[3]:式中:pm為輸出峰值壓力，MPa；Δ為裝填密度，g/cm3；f為火藥力，kJ/g；α為余容；m為藥量，g；V0為密閉容積，cm3。

若已知火藥力、余容、密閉容積及裝藥量，則可根據(jù)式(2)求得理論輸出峰值壓力。

試驗用點火器裝藥為B/KNO3。采用兩級裝藥:第一級為管殼內(nèi)壓裝，藥量(150.0±0.5)mg；第二級為?8 mm×4 mm藥柱，藥量(350.0±0.5)mg。總藥量為(500.0±1.0)mg。

根據(jù)火藥力和余容計算公式可以求得f和α[4]。在密閉容積5 cm3條件下，代入式(2)，得到0.5 g裝藥量下理論輸出峰值壓力為20.33 MPa。

2 試驗及結(jié)果分析

工程上，點火器產(chǎn)品以在特定密閉爆發(fā)器中的輸出峰值壓力和時間區(qū)間作為驗收指標(biāo)。對于某些特定要求的產(chǎn)品，區(qū)間往往較窄(數(shù)MPa以內(nèi))。而特定的點火器的輸出峰值壓力、時間及分散性等參數(shù)會因測試所用的密閉爆發(fā)器(材料、燃燒腔室體積、長徑比、測點位置等)、傳感器(分辨率、靈敏度、量程等)及測試系統(tǒng)的不同而有所差異。不合適的密閉爆發(fā)器、傳感器會對產(chǎn)品的驗收造成較大困擾[2]。

使用KistlerTM6215型傳感器及配套電荷放大器，分辨力、靈敏度等參數(shù)滿足要求，量程選擇100 MPa。圖1為使用的密閉爆發(fā)器示意圖。Φ為燃燒腔室直徑；L1為燃燒腔室長度；L2為測點距離。在給定燃燒腔室體積為5 cm3前提下，設(shè)置2.0︰1.0、1.5︰1.0、1.0︰1.0及0.5︰1.0共4種長徑比，對應(yīng)組別I、II、III、IV；設(shè)置2個位置的測點，1/2處A點和2/3處B點。每個測點位置對稱安裝2臺傳感器以消除傳感器本身對測試結(jié)果的影響。如圖2所示。

圖1 密閉爆發(fā)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed bomb

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of the sensor

測試系統(tǒng)主要由恒流電源、示波器(2臺)、電荷放大器(4臺)、傳感器(4臺)等組成，見圖3。1＃示波器和2＃示波器的a通道分別接收樣品的電阻、電壓信號，b通道和c通道分別接收不同測點的壓力信號。

圖3 試驗線路示意圖Fig.3 Schematic diagram of test circuit

將獲得的原始數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理，可以獲得點火延遲時間t1(通電至壓力起跳點時間)、達到峰值壓力時間t2(通電至達到壓力峰值時間)、各傳感器的峰值壓力(測點A處的峰值壓力pA1和pA2、測點B處的峰值壓力pB1和pB2)等結(jié)果，如圖4所示。

圖4 典型試驗結(jié)果Fig.4 Typical test results

峰值壓力和達到峰值壓力的時間以同一測點兩臺傳感器測試結(jié)果的平均值計，每種長徑比下分別測試20發(fā)。峰值壓力的測試結(jié)果見圖5；達到峰值壓力時間的測試結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，長徑比由大到小時，A點測得的平均峰值壓力分別為19.83、19.74、19.63 MPa和18.86 MPa；B點測得的平均峰值壓力分別為18.78、18.62、18.29 MPa和17.88 MPa；均小于理論值(20.33 MPa)，且測點A處測得結(jié)果更接近理論值。平均峰值壓力和達到峰值壓力的平均時間均隨長徑比變小而降低。

圖5 峰值壓力測試結(jié)果Fig.5 Test results of peak pressure

圖6 達到峰值壓力時間測試的結(jié)果Fig.6 Test Results of time to reach peak pressure

式中:t為統(tǒng)計量；分別為第1組和第2組參

根據(jù)顯著性檢驗[5]，對峰值壓力和達到峰值壓力時間成組數(shù)據(jù)平均值進行比較:。量的算術(shù)平均值；S1、S2分別為第1組和第2組的標(biāo)準(zhǔn)差；n1為第1組樣本量。計算結(jié)果見表1。

表1 顯著性檢驗結(jié)果Tab.1 Significance test results

假設(shè)兩組之間無顯著性差異的否定域為｜t｜>tα。根據(jù)式(3)分別求出每組兩兩之間的t，然后根據(jù)f＝2(n1－1)、α＝0.05，查表得到tα[6]。當(dāng)｜t｜>tα?xí)r，說明兩組樣本敏感參量發(fā)生了顯著性變化；反之，則無顯著性變化。

從表1可以看出，峰值壓力和達到峰值壓力時間兩兩顯著性檢驗，僅第IV組與其他3組有顯著性差異，其他3組兩兩檢驗無顯著性差異。

密閉爆發(fā)器并不是完全絕熱，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，散熱面積越大，燃?xì)鉄崃繐p失越嚴(yán)重，達到的峰值壓力越小。長徑比越小，燃燒腔室直徑越大，散熱面積越大，獲得的結(jié)果就越小。設(shè)置的2.0︰1.0、1.5︰1.0和1.0︰1.0長徑比下測得的峰值壓力和達到壓力峰值時間無顯著性變化，即上述3種長徑比對規(guī)定點火器的壓力峰值和達到壓力峰值時間無顯著性影響。長徑比1.0︰1.0測得的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小，即數(shù)據(jù)一致性最好。

考慮到實測數(shù)據(jù)與理論計算值之間的差異、各長徑比測得數(shù)據(jù)的顯著性檢驗結(jié)果和數(shù)據(jù)的離散性，推薦工程應(yīng)用中選用1.0︰1.0長徑比的密閉爆發(fā)器，以保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性檢驗的穩(wěn)定可靠。

1/2處測點獲得的結(jié)果比2/3處測點獲得的結(jié)果更靠近理論計算值，且數(shù)據(jù)離散性??；因此，推薦測點位置設(shè)在密閉爆發(fā)器長度方向的中點。

3 結(jié)論

為研究密閉爆發(fā)器長徑比和測點位置對輸出峰值壓力和達到峰值壓力時間的影響，設(shè)置了4種長徑比、2種測點的密閉爆發(fā)器，針對給定點火器開展相關(guān)研究，獲得結(jié)論如下:

1)長徑比對輸出峰值壓力和達到峰值壓力的時間有一定影響。具體表現(xiàn)為，隨著長徑比的減小，測得的平均峰值壓力和達到峰值壓力的平均時間均變小。

2)對于長徑比2.0︰1.0、1.5︰1.0和1.0︰1.0的密閉爆發(fā)器，測得的輸出峰值壓力和達到峰值壓力時間無顯著性變化。對于長徑比1.0︰1.0的密閉爆發(fā)器，測得的標(biāo)準(zhǔn)差最小，適合作為產(chǎn)品質(zhì)量一致性檢驗用密閉爆發(fā)器的長徑比。

3)推薦密閉爆發(fā)器的測點設(shè)置在長度方向的中點處。