采用叠氮化钠气体发生剂的高低压腔释放内弹道分析

吴宏斌，马 飞，宋师军，张韩宇，马思宇

(北京航天长征飞行器研究所， 北京 100076)

利用高低压发射原理设计了高低压燃气腔，用于释放子弹。高低压发射原理是火药在高压燃气腔内燃烧，形成一个使火药稳定燃烧的压力环境[1-4]。达到设定压力后膜片破裂，喷口打开，燃气从高压室流向低压室，推动子弹在发射筒中运动。可以保证火药在高压燃气腔中充分燃烧，使内弹道性能稳定，又能降低低压室中的压力，减少发射过载。

本研究对某种高低压燃气腔释放机构内弹道过程进行了分析，且使用叠氮化钠(NaN3)作为发射药，进行了相关的物理特性及内弹道性能试验。

1 系统工作原理

高低压燃气腔释放机构如图1，主要由装药室(燃气发生器)、低压室(燃气腔)、释放外筒、推板等组成。其工作过程如下：燃气腔释放机构到达目标上空控制装置触发引信，点燃燃气发生器的释放药；释放药燃烧使燃气发生器内压力逐渐增大，当压力达到膜片破裂压力时，燃气发生器的密封膜片破裂，高压燃气进入燃气腔；燃气腔压力增大到限位块断裂值时，推动推板和子弹一起运动；推板运动到最大行程后，推板与释放外筒不再有相对运动，子弹不再受推板作用，子弹与释放外筒分离，释放机构的释放动作全部完成。

常规的硝基类火药反应猛、燃烧速度快，在释放过程中容易引起冲击振动，对光学类、电子类子弹产生不利的释放环境，影响子弹的正常功能。而且常规火药燃烧温度高，热量大对某些子弹不适用。叠氮化钠气体发生剂具有燃烧温度低、燃烧速度慢、产气量大、产生的气体为无毒的氮气等多方面的优点[5-7]，目前，主要作为汽车安全气囊用气体发生剂。为此选用叠氮化钠作为发射药。叠氮化钠气体发生剂的理化性能如下：

1) 熔点275 ℃；

2) 热分解温度365 ℃；

3) 气体标准比容 0.5 L/g；

4) 密度1 846 kg/m3。

2 内弹道基本假设及各时期的划分

2.1 基本假设

燃气发生器燃气压力达到膜片破坏压力后，燃气由燃气发生器流向燃气腔。在流动过程中燃气不断膨胀，还与外界存在着热量交换，如释放外筒、燃气腔等，燃气压力、温度也在不断降低。为了描述燃气流动的物理过程，建立燃气压力与燃气质量的关系，简化内弹道数学模型，对燃气流动过程进行必要的假设[8-11]：

1) 不考虑燃气流动过程中的热量散失，流动为等熵流动，燃气为理想气体，误差由流量方程修正系数调节；

2) 气体发生剂的气体生成速率与压力成正比；

3) 忽略管壁热损失；

4) 燃气服从诺贝尔方程，且余容、火药力、比热比等为常数；

5) 燃气发生器密封膜片破裂、燃气充满燃气腔瞬时完成。

2.2 内弹道各时期的划分

1) 第一时期 从点火药开始燃烧到燃气发生器喷口膜片破裂。认为点火药燃完、充满整个燃气发生器、点燃燃气发生剂等过程瞬间完成。这一时期火药处于定容燃烧状态。

2) 第二时期 从燃气发生器喷孔膜片破裂到限位块断裂、子弹开始运动。这一时期由于子弹没有运动，因此认为是燃气腔为定容充气过程。高压、高温燃气流入燃气腔，当燃气腔压力达到限位块断裂压力时，限位块瞬间断裂，子弹开始运动。

3) 第三时期 从子弹开始运动到子弹脱离推板。这一时期是释放过程最复杂的一个时期，它包括了燃气发生剂的燃烧、燃气流动、子弹运动等各种现象，这一期间出现燃气发生剂燃烧结束点和最大压力点。

3 释放过程的数学模型

1) 子弹运动方程

(1)

(2)

式中：P2为燃气腔压力；S为活塞面积；φ次要功系。

2) 火药气体状态方程

燃气发生器燃气状态方程

(3)

P1Vψ=fωτ1(ψ-η)

(4)

式中：V1为燃气发生器体积；P1为燃气发生器压力；f为火药力;ω为火药质量；ψ为已燃百分比；α为余容；η为燃气发生器流入燃气舱的相对流入量；τ1为燃气发生器相对温度。

燃气腔燃气状态方程和能量守恒方程

(5)

SP2(l0+l)=fωτ2η

(6)

式中：τ2为燃气腔相对温度；l位子弹行程；V2燃气腔体积。

3) 燃气相对流量

(7)

式中：St为燃气发生器喷口面积；φ2为燃气损耗系数；k气体比热比。

4) 燃烧模型

燃速定律

(8)

形状函数

φ=χz(1+λz+μz2)

(9)

式中：n燃速指数；u为燃速系数；e1火药初始厚度的一半；λ，χ，μ火药形状函数。

4 数值计算与地面试验

以叠氮化钠为气体发生剂的某型高低压燃气舱释放机构为模型，进行了内弹道计算和试验验证。为了减少燃速，260 g叠氮化钠在燃气发生器内压装成管状；燃气腔容积为4 L；子弹直径为18 cm，质量20 kg。推板质量0.8 kg，行程 55 cm；推板开始运动压力为2.5 MPa。

4.1 数值计算

根据上述内弹道数学方程，计算得出释放内弹道p-t曲线，v-t曲线，a-t曲线，T-t曲线，如图2～图5所示。从其中可以清楚看到燃气膨胀过程中燃气压力的变化过程，子弹运动速度和加速度的变化过程。在t=253.6 ms，p=3.0 MPa时，限位块断裂，子弹开始运动，燃气膨胀做功。同时叠氮化钠在燃气发生器内继续燃烧，燃气在燃气发生器内是高压区，在燃气腔是低压膨胀做功区，这样既保证燃气发生剂在高压下正常燃烧，又保证子弹在燃气腔的低压作用下平缓加速。在t=278.3ms时，子弹运动到位，此时燃气发生器内的压力为11.5 MPa，燃气腔的压力为3.0 MPa。由于没有考虑燃气流动过程中的热量散失，在子弹开始运动前，燃气发生器和燃气腔的温度保持一致。在子弹开始运动后燃气腔的温度由479 K降到329 K，燃气腔燃气内能迅速转换为子弹的动能；燃气发生器的温度则保持稳定。子弹的最大速度为30.6 m/s，最大过载为233 g，作用时间为23 ms。对比图2压力曲线和图5过载曲线，发现燃气发生器的产气速度小于燃气腔的体积增长速度，过载最大值出现在限位块断裂时刻。推板和子弹开始运动后，释放过载逐渐减少，所以通过调节限位块的强度，能够很好地控制子弹的最大过载。

4.2 地面试验

模拟试验装置如图6所示，将试验件水平固定在高约0.7 m的钢质支架上，用地面电源点火，模拟释放机构将配重子弹以一定速度推出。试验中在燃气腔装有一个HTJ180蓝宝石压传感器，在配重子弹上装有一个813-500加速度传感器，可以获得燃气腔的燃气压力以及子弹在释放过程的加速度变化规律；子弹的释放速度通过高速摄像机进行拍摄测量。图7、图8给出了采用260 g叠氮化钠作为燃气发生剂的试验结果和内弹道计算仿真结果。在图7燃气腔压力曲线中，试验测试压力曲线在推板到位后，燃气腔的体积不再增大，燃气发生器还在产生气体，燃气腔的压力继续升高。图8中实测的过载曲线叠加了推板运动到位后撞击释放外筒的冲击过载，这个冲击振动是内弹道理论计算无法模拟的。表1列出了主要内弹道试验和计算结果，实验测试值小于计算值，但都在基本误差范围内。

名称火药质量/g最大压力/MPa最大加速度/g子弹速度/(m·s-1)试验2602.85206.028.6计算2603.0233.030.6

5 结论

本研究采用高低压发射理论，建立了适合叠氮化钠气体发生剂的内弹道模型，获得的燃气压力、子弹速度和子弹加速度等内弹道性能曲线与子弹地面释放试验结果一致，为产品设计的高低压燃气腔释放机构设计提供理论依据和试验研究方法。