底火初温对能量释放特性影响的实验研究

王立新,戴 涌,王加刚,张欣尉

(1 新疆职业大学 机械电子工程学院,新疆 乌鲁木齐 830013;2 重庆望江工业有限公司,重庆 400071;3 南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

随着高新技术和信息化技术的发展应用,武器设备对战场变化的适应能力都需要得到提高,特别是我国地域辽阔、气候差异大,武器装备在不同环境条件下能否稳定可靠的发挥作用显得尤为重要。底火是弹药点火、起爆的重要元件,是武器弹药要发挥作用的关键一环,已逐渐成为内弹道领域的研究热点。

底火主要靠电能或机械能击发产生高温高压燃气,进而点燃药筒内的火药。底火内部结构示意图如图1所示,主要是由火帽、火台和底火壳等组成。在发射时,击发机构击发底火产生高温火药燃气,燃气射流通过中心传火管引燃药筒内的发射药,发射药剧烈燃烧快速产生大量燃气,弹丸在高压燃气的推动下挤进膛线、膛内加速直至射出膛口。因此,底火的可靠击发并成功引燃发射药,决定了武器装备的可靠使用和作战性能。定期检测底火的击发可靠性和输出能量,也是判断贮存底火性能的重要依据。

图1 底火内部结构示意

对底火相关专家已经开展了较为丰富的研究。EVANS等采用热电偶测量了M42底火被撞击后释放能量冲撞铜片的温度,以此来估算底火瞬间释放的热通量,但由于未能测量底火的输出压力和时间等,精确性一般。FRANK利用密闭爆发器测量了底火发火后的最大压力,得到了底火的压力-时间输出特性。陈明华等通过对某底火药燃烧时的温度进行测试,发现底火药燃烧时温度与燃尽时间成反比。所以,通过提高燃速可以有效提升底火药的点火温度。李浩德等借助压电晶体和数据采集系统,对大口径枪弹底火的能量输出特性进行了实验测试,得到了较好的定量化测试结果。柳维旗等设计并搭建了测试系统,实现了对底火击发瞬间底火药燃气的压力和温度随时间变化曲线的动态采集。根据底火药的燃烧特性及底火射流在传火管内的传播特点,刘子豪等建立了相应理论模型,通过数值计算,分析了传火管内底火射流场压力及空隙率等特征参数的时空分布规律。

火药温度是其燃烧特性的重要影响因素,底火作为枪炮点火元件,其发火性能对枪炮内弹道性能有着重要的影响作用。因此,对不同初温底火的发火特性进行研究具有重要的工程应用价值,目前国内外相关研究较少。基于此,设计微型绝热密闭爆发器,对3种初温底火的发火特性进行测试,得到密闭爆发器内底火射流压力随时间的变化关系,在此基础上分析初温对底火射流压力冲量的影响规律。

1 微型绝热密闭爆发器实验装置设计

图2是本文实验所采用的微型绝热密闭爆发器的总装示意图,该爆发器主要是由击发机构、爆发器本体和放气装置等部分组成。本体右侧是击发机构,实验时采用电击发方式来击发底火;本体左侧是放气装置,底火击发后,底火射流进入本体腔内,测试结束后,打开放气装置放气阀,将高温高压燃气安全地排出密闭爆发器;在密闭爆发器本体上方,开设有测压孔,用于实验中测试爆发器内燃气压力。

图2 微型绝热密闭爆发器总装示意图

定容情况下,底火药燃气最大压力公式为

(1)

式中:为火药力,为装填密度,为余容。

(2)

式中:为装药量,为密闭爆发器燃烧室容积。

根据式(2),取相关参数:=1×10kg,=5×10m/kg,=300 kJ/kg,对微型绝热密闭爆发器燃烧室内腔容积进行设计。

本次底火击发实验中,待测压力范围在2.0～3.0 MPa之间,根据相关参数取值和式(2)计算得到:当最大压力为2.0 MPa时,本体内腔容积约为15 mL;当最大压力为3.0 MPa时,本体内腔容积约为10 mL。

本次实验采用的底火类型为DD-2,其能量较小。为保证实验测试的精确性,在微型密闭爆发器的设计中必须考虑热散失效应。本文采用文献[19]的实验修正关系式来修正压力损失,即:

(3)

式中:Δ为因热散失而引起的压力损失,为爆发器燃烧室内测得的最大压力,为内腔热散失表面积,为多项式系数(见表1),为火药燃尽所用时间。

表1 多项式系数

根据式(3),结合DD-2底火0.1 g的装药量和2.0～3.0 MPa待测压力范围,计算得到因热散失引起的压力损失为0.2～0.3 MPa。

考虑到尼龙的导热系数远小于金属,为了减小热散失带来的不利影响,在腔体内部加装了隔热尼龙衬套。表2为密闭爆发器底火击发的实验测试结果。

表2 密闭爆发器底火击发实验结果

从表2可以看出,底火初温为28 ℃时,有无尼龙衬套时燃烧室内的最大压力分别为2.36 MPa和2.15 MPa,相对压力损失和损失率分别为0.21 MPa和8.9%,而燃烧时间差别不大。可以发现,采用尼龙衬套进行绝热处理可以有效降低压力损失。

通过上述结构设计和绝热计算,在考虑加装绝热尼龙内衬条件下,最终确定的微型绝热密闭爆发器内腔容积为10 mL。图3为设计加工的微型密闭爆发器实物图。

图3 微型绝热密闭爆发器

2 不同温度下底火发火性能的测试与分析

图4为本次实验及测试系统组成。实验时,底火被脉冲点火电源放电击发后,底火射流喷射进入爆发器内腔,采用压电传感器、电荷放大器和数据采集系统对爆发器内压力进行测试,并存储于计算机内。

图4 实验及测试系统组成

为了了解底火初温对其发火性能的影响规律,在同样的环境温度条件下(28 ℃),针对3种典型初温底火的发火性能进行测试,分别是高温50 ℃、低温-20 ℃和室温28 ℃。其中,底火初温50 ℃和-20 ℃通过保温箱保温24 h实现,底火初温28 ℃是将底火置于温度恒定为28 ℃的工房内24 h得到。每种底火初温开展了两次实验测试,结果发现重复性较好,下文只展示其中一次的测试结果。

对3种初温条件下DD-2电底火发火时的压力进行实验测量,结果如图5所示。不同初温条件下测得的底火最大压力与到达最大压力的时间如表3所示。从图5和表3可以看出,底火初温不同时,将其击发产生的最大压力以及燃烧时间随温度变化有一定规律性。低温条件下,DD-2底火在10 mL的微型绝热密闭爆发器中产生的最大压力为2.24 MPa,达到最大压力的时间为1.30 ms;室温条件下,底火初温为28 ℃,此时击发底火产生的最大压力为2.33 MPa,达到最大压力的时间缩短至0.98 ms,说明底火药的燃烧性能有所增强;高温条件下,随着温度的升高,底火药的燃烧也更加剧烈,产生的最大压力达到2.61 MPa,燃烧时间进一步缩短至0.78 ms。

图5 不同底火初温的p-t曲线

表3 不同初温底火最大压力

根据底火发火时输出的-曲线,可以获取最大点火压力、到达最大压力的时刻以及压力冲量等一系列体现底火点火特性的物理量。其中,底火药燃烧过程中燃气的压力冲量也是衡量底火点火强度的重要指标,其表达式为

(4)

式中:为压力冲量,为底火药燃烧时间,为底火药燃气压力。

采用式(4)计算得到底火不同初温条件下击发试验的压力冲量如表4所示。由表4可见,底火初温为50 ℃时,底火药燃气压力冲量为2.03 MPa·ms;底火初温为28 ℃时,压力冲量为2.29 MPa·ms;底火初温为-20 ℃时,压力冲量达到2.40 MPa·ms。试验结果表明,底火初温越低,将其击发产生的压力冲量越大。这主要是因为:虽然随着温度升高,底火产生的最大压力逐渐升高,但温度对底火能量释放的持续时间影响更大,因此在最大压力相差不大的情况下,低温情况下底火药燃烧到达最大压力点的时间相对较长,压力冲量也更大,如:高温条件下最大压力为2.61 MPa,相比低温条件下的2.24 MPa仅高出16.5%,但高温条件下达到最大压力的时间为0.78 ms,比低温条件下的1.30 ms低40%。

表4 底火压力冲量

3 结论

本文针对底火温度不同条件下的发火性能进行了实验研究。设计了微型绝热密闭爆发器测试系统,测量了底火压力随时间的变化关系,得到了不同初温底火的压力冲量,主要结论如下:

①设计的微型绝热密闭爆发器可有效减少8.9%的相对压力损失率。

②通过密闭爆发器实验发现,底火初温越高,底火药燃尽时间越短,产生的最大压力越高。底火初温为50 ℃时,底火药燃尽时间仅为0.78 ms,产生的最大压力为2.61 MPa。

③通过分析底火压力随时间的变化规律发现,底火在不同温度下击发时,温度越低,底火燃烧产生的压力冲量越大。底火初温为-28 ℃时,底火药燃烧产生的压力冲量平均值为2.40 MPa·ms。