点火具装药状态对其工作过程能量释放特性的影响规律

田小涛，李玉雪，肖 冰，王帅中，马伊凡，刘佩进，严启龙

（1.西北工业大学 燃烧、热结构与内流场重点实验室，陕西 西安 710072； 2.西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引 言

点火具能在瞬间提供足够的能量点燃发动机主装药并稳定火焰，对固体火箭发动机初始压强的建立至关重要，是影响固体火箭发动机工作性能的关键因素之一［1］。因此，对点火装置真实工况下的工作性能开展研究，对固体火箭发动机设计具有重要的指导意义。

点火具最常见的结构为点火药盒（壳体）中装填点火药，在点火药中埋入发火元件。点火药盒在点火过程中，为点火药燃烧提供一定的压强，从而保证点火药完全燃烧同时，在强瞬态的点火过程中，点火药盒能够有效控制燃气气流，使药剂得以被均匀点燃［1］。因此，壳体在点火装置中的作用十分重要，很大程度影响了点火药的点火效果及工作状态。研究表明，点火药盒开孔大小会影响火箭发动机点火过程的流场特性［2］。此外，在点火具的破膜过程中，除推进剂表面压力会急剧上升外，还会产生压强振荡现象［3］。不同壳体材料的点火具具有不同的特性［4］，使用硝基软片制作壳体材料的点火具加工简单、成本低，但性能不理想；铁丝网壳体材料能够有效提高壳体强度，但铁与胶之间两相界面融合不佳；铝管壳结构的点火具强度较高，对外界电磁干扰具有屏蔽作用。赛璐珞（纤维素）作为最常用的点火药盒材料，其优点为易于冲压成型、成本低、质量轻。此外，赛璐珞作为可燃壳体材料不仅减少了发动机消极质量，而且燃烧后不会形成碎片损坏药柱表面、堵塞喷管。但长期贮存时，赛璐珞会出现氧化现象［1，5］。

黑火药［6-8］、镁/聚四氟乙烯［9-10］、硼/硝酸钾［11-14］作为常见的点火药，在火箭发动机中得到了广泛的应用。其中黑火药主要由硝酸钾（氧化剂）、碳（可燃剂）和硫磺（主要起粘合剂作用［15］）组成。黑火药具有良好的储存稳定性，在较低的温度和压力下即可点燃，燃烧速度快，火焰感度好，工艺简单，原料丰富［16-17］。但黑火药燃烧残渣率大，燃烧产物易腐蚀武器系统、污染环境且吸湿性强，燃气烟雾量大。研究表明，黑火药药柱在低压下的燃速与环境压力呈线性关系，且环境压力低至20 kPa 时，黑火药药柱会出现瞎火或熄火现象［18］。黑火药中硫磺受热熔化后能填补碳与硝酸钾界面的间隙，使体系导热性变好，且硫磺会使黑火药机械感度增大［19］。在镁/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）点火药中，聚四氟乙烯作为氧化剂具有热稳定性好、能量高、化学性质稳定等优点［20］；金属镁燃烧具有高热值、高反应活性的特点，与聚四氟乙烯反应可释放出大量热量。Mg/PTFE 在氮气和空气2 种环境下的反应机理不同，氧气会参与Mg 的反应且抑制PTFE 和Mg 的中间反应［21］。研究表明，Mg/PTFE 燃烧速率及其敏感性与Mg 浓度呈负相关关系［22］。硼/硝酸钾（B/KNO3）作为一种高能点火药，由氧化剂（KNO3）、可燃剂（B）和粘合剂组成。硼/硝酸钾具有点火能力强、燃烧热值高、燃烧稳定、钝感、受环境影响小等优点［23-24］。但目前，硼/硝酸钾作为点火药还存在以下问题：硝酸钾与硼混合不均匀；硼表面易形成氧化层，导致点火药中活性硼含量不高［25］。B/KNO3具有高温稳定性［26］。对比不同氧燃比的B/KNO3激光点火特性，表明具有较低激光点火能量阈值的B/KNO3配方具有较短的激光点火延迟时间［27］。烟火剂Mg/PTFE、B/KNO3与黑火药相比，能量更高，燃速更快，含气量较少不易产生过高压强峰。但烟火剂发火点均比黑火药发火点温度高，且Mg 和B 易氧化，贮存稳定性更差，此外，大多数烟火剂都具有较强的吸湿性［1］。

上述研究主要针对点火药盒和点火药的性能等方面，但尚未有点火具工作过程中点火药与包装赛璐珞（纤维素）材料相互作用及其药型结构对火焰传播特性影响的相关研究报道。为了更好分析点火药在实际工况下的点火反应过程，本研究选用3 种典型点火药，并以壳体材料为纤维素的点火药盒，按照一定质量比制成样品，从热分解特性以及热解气相产物等方面，研究了黑火药、镁/聚四氟乙烯、硼/硝酸钾点火过程中与纤维素壳体材料的热相互作用。同时，通过点火腔模拟了点火具在发动机中的自由点火过程，研究了点火具装药结构、装药量及配方组成等因素对其工作过程中能量释放特性及燃温分布的影响规律。

1 实验方法

1.1 实验材料

黑火药（HY-2），粒径为2.8～5.6 mm；黑火药（HY-5），粒径为0.63～1.18 mm。镁/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）、硼/硝酸钾（B/KNO3）由西安北方庆华机电集团有限公司生产。纤维素壳体的生产厂商为上海赛璐珞板厂。

1.2 装药配方与装药结构

为研究纤维素壳体材料与点火药的热相互作用，按照实际装药中材料的质量比设计并制备了3 种点火药与纤维素的复合物样品。由于涉及的2 种黑火药配方粒径不同，因此黑火药只取HY-2 制备黑火药/纤维素复合物。制备过程如下：研钵中加入酒精研磨点火药，将酒精和点火药混合物进行抽滤后自然风干。研钵中倒入丙酮溶液，加入剪成小块的纤维素不断研磨，待纤维素溶于丙酮后，加入研磨后的点火药不断搅拌（点火药与纤维质量比为2∶1），直至丙酮挥发得到点火药/纤维素复合物，自然风干后得到最终样品。点火药的配方组成、点火药与纤维素复合物的配方与各样品代号如表1 所示（纤维素缩写为XWS）。

表1 所测样品基本配方Table 1 Formulations of the involved samples

此外，研究还模拟构建了火箭发动机自由点火腔室，并在其中对不同装药结构、不同装药量及不同配方组成装药的点火具样品进行了模拟点火实验。点火药盒形状分为大圆柱体形、小圆柱体形、方形、环形和异形5 种，如图1 所示。

图1 本文所涉及的典型点火药盒形状及其编号1—环形，2—方形，3—异形，4—大圆柱体形，5—小圆柱体形Fig.1 Typical ignition cartridge shape and number in the article 1—ring，2—square，3—irregular，4—large cylindrical，5—small cylindrical

1.3 测试方法与实验条件

热分析：采用TG-DSC 同步热分析仪器，在流速为50 mL∙min-1的Ar 气氛下，研究了样品的热分解行为，样品质量1～2 mg，升温速率5 ℃·min-1，升温范围50～500 ℃（Mg/PTFE 升温范围50～800 ℃）。

同时，热解气体通过一根加热管道传输至Bruker Tensor Ⅱ傅里叶变换红外光谱仪，光谱仪扫描速度40 张·秒-1，分辨率0.4 cm-1，波数范围8000～350 cm-1，设置参数为每次扫描时长8 s，扫描间隔4 s，即升温速率5 ℃·min-1条件下每1 ℃扫描一次。点火过程与燃温测量：将实验样品用双面胶固定在燃烧室内样品放置处，燃烧室结构如图2 所示。点火线通过图2a 燃烧室中的点火线接孔点燃样品。燃烧室开有透明视窗，其中点火药点火过程由高速摄像机（Phantom M340）以1000 帧/秒的速度通过普通玻璃视窗记录。同样，通过蓝宝石玻璃视窗采用高速红外热像仪（x6520sc）对火焰温度分布进行测试。

图2 模拟火箭发动机自由点火腔室结构示意图：（a）燃烧室整体结构布局；（b）燃烧室三视图；（c）相机布局1—封头，2—蓝宝石玻璃视窗，3—普通玻璃视窗，4—点火线接孔，5—测压孔，6—样品放置处，7—红外相机，8—高速相机Fig.2 Schematic diagram of the simulated rocket engine ignition chamber： （a） the overall structure of the combustion chamber layout； （b） three views of combustion chamber； （c） two camera layouts 1—seal head，2—sapphire glass window，3—ordinary glass window，4—igniter connection hole，5—pressure hole，6—sample placement，7—infrared camera，8—high speed camera

燃烧室压强测量方法：将压力传感器（型号HS-H-4M，侧压板范围0～10 MPa，采样率50 kHz）安装在燃烧室上侧开的测压孔上采集压力数据。

凝相燃烧产物分析：采用X 射线衍射仪（XRD，日本，ULTIMA IV）分析凝相燃烧产物的物相组成，扫描范围为5°～80°，步长为0.02 fs。

2 结果与讨论

2.1 配方的热分解特性及热解气相产物分析

为了评价纤维素作用下不同点火药的热反应行为的变化情况，测试了点火药及其纤维素复合物非等温热反应过程。相应的非等温DSC（Differential Scanning Calorimetry）与TGA（Thermogravimetry Analysis）曲线如图3 所示，详细热分析参数见表2 和表3。

图3 点火药及其纤维素复合物的TG/DTG 和DSC 曲线（括号中的温度对应于Mg/PTFE 和Mg/PTFE/XWS）Fig.3 DSC and TG/DTG curves of igniting pyrotechnics and its cellulose composites （The temperature in brackets corresponds to Mg/PTFE and Mg/PTFE/XWS）

表2 点火药及其纤维素复合物在加热速率为5 ℃·min-1的氩气气氛下的TG/DTG 参数Table 2 TG/DTG parameters of igniting pyrotechnics and the corresponding composites at a heating rate of 5 ℃·min-1 at Ar atmosphere

表3 点火药及其纤维素复合物的热分解 DSC 参数Table 3 The DSC parameters of igniting pyrotechnics and the corresponding composites under Ar atmosphere

黑火药的热分解过程主要包含S、KNO3的转晶和熔化，以及C、S 与KNO3之间的化学反应［28］。主要有4个吸热过程：114～120 ℃附近S 的转晶过程、130 ℃附近KNO3转晶过程、270 ℃和330 ℃左右S 和KNO3分别熔化过程。以上4 个吸热过程均无质量损失。403 ℃附近为C、S 与KNO3的三元复合物的主放热反应过程，该阶段质量损失达到30%以上。此外，黑火药另一热分解质量损失发生在218.5 ℃附近，此时S与KNO3发生了凝聚相反应。如图3b 所示，HY-2 在133.4 ℃和333.4 ℃出现了由于KNO3转晶和熔化导致的吸热峰，但均未观察到S 的转晶和熔化过程，其主要原因是S 含量较少，其吸热过程被黑火药的放热所掩盖。此外，HY-2 在409.4 ℃附近的放热峰为C、S 与KNO3之间的氧化还原放热反应，其放热量为3108 J·g-1。该过程的质量变化对应于图3a 中345～442.5 ℃范围内较宽的失重峰。HY-2 在190-215 ℃范围内的失重峰是由于S 和KNO3发生预热反应所致。Mg/PTFE 在340.8、650.8、703.8 ℃的吸热峰分别为PTFE 熔化、Mg吸热熔化和中间产物的分解［21，29］。其中，中间产物的分解吸热对应于Mg/PTFE 在690.7～725.7 ℃的热损失，450.8～578.3 ℃的热损失为PTFE 与Mg 的放热反应，放 热 量 为505.8 J·g-1。B/KNO3在137.9，331.9，413.4 ℃附近分别出现了吸热峰、吸热峰和放热峰，分别表示KNO3的转晶、熔融［26，30］，以及B 和KNO3的放热反应［31］。359.4 ℃处出现了微弱放热峰，为非稳态KNO3的固相分解放热过程。B/KNO3只有一个质量损失过程，如图3a所示，为B 和KNO3的反应。

3种点火药与纤维素复合后，均在200 ℃附近出现放热峰，为纤维素的分解放热。由表3 计算得，HY-2/XWS和Mg/PTFE/XWS 的 总 放 热 量 分 别 为1045.4 J·g-1、810.4 J·g-1，均 低 于 原 点 火 药 的 总 放 热 量（HY-2 和Mg/PTFE 的放热量分别为3108 J·g-1、1157.4 J·g-1），而B/KNO3/XWS 的总放热量为1397.4 J·g-1，比B/KNO3的放热量高出2.39 倍。从表2 中的DTG 参数容易看出，纤维素的加入使得HY-2 和Mg/PTFE 放热反应时的热解速率降低，却加速了B/KNO3放热反应的热解速率，且B/KNO3/XWS 相比于B/KNO3热解过程多出2 个放热峰，因此表现出上述现象。下文将分析纤维素对不同种类点火药热分解过程的影响。

如图3b，HY-2/XWS 相较HY-2 均多了1 个吸热峰和1 个放热峰，分别为S 的转晶和纤维素的分解。从图3b 中可以明显看出，HY-2/XWS 的主放热峰（第二个放热峰）紧跟在KNO3的熔化峰之后，而不是在KNO3熔化吸热峰结束后一段温升才开始放热，说明纤维素降低了黑火药的起始反应（C、S 和KNO3间的化学反应）温度，HY-2/XWS 的峰温前移也说明了这一现象。HY-2/XWS 第一阶段的质量损失发生在177.8～220.3 ℃，相较HY-2 同阶段的质量损失在190～215 ℃，黑火药的失重峰增宽。但是由于黑火药/纤维素复合物在该质量损失阶段同时包含了S 和KNO3的预反应和纤维素的分解，因此，难以确定该失重阶段2 种反应的反应温度和界限，要确定是否因为纤维素的存在降低了黑火药预反应的温度、延长了预反应的时间，还需要更深入的研究。

Mg/PTFE 在340.8 ℃附近发生PTFE 的融化吸热，但在Mg/PTFE/XWS 的热解曲线没有出现该吸热峰，是因为该过程被Mg/PTFE/XWS 的吸热所掩盖。422.5 ℃附近Mg/PTFE/XWS 热解曲线出现Mg/PTFE的分解吸热峰，在Mg/PTFE 热解曲线中并未出现，这是由于Mg/PTFE 的分解温度接近Mg/PTFE 的初始反应温度（450.8 ℃），被Mg/PTFE 的放热反应掩盖。而添加了纤维素的样品，其放热反应起始温度较高（552.5 ℃），远离Mg/PTFE 的分解温度，因此该过程显现。同时，纤维素也使得Mg/PTFE 的放热峰向高温移动：Mg/PTFE 的放热峰峰温为505.8 ℃，Mg/PTFE/XWS 的放热峰峰温为575 ℃。

为进一步研究纤维素对不同类型点火药热分解过程化学反应路径的影响，对点火药及其纤维素复合物的热分解气相产物进行FTIR 表征，其结果如图4。

图4 典型火药在纤维素作用下的热分解峰温处气相产物红外吸收光谱图Fig.4 FTIR spectra of the decomposition gaseous products at peak temperature

B/KNO3的热解曲线在331.9 ℃表现为吸热峰，而在B/KNO3/XWS 热解曲线中表现为放热峰，且该放热峰对应于TG/DTG 曲线存在1 个失重峰，说明该温度下可能发生了反应。该部分反应可能为KNO3与纤维素热解碳物质的反应。从峰温来看，纤维素同时也使B/KNO3反应放热峰向低温移动（该反应在B/KNO3、B/KNO3/XWS 热解曲线中的放热峰峰温分别为413.4，379.2 ℃）。

如图4，HY-2 的主要气相产物有H2O、CO2、NO2、N2O，Mg/PTFE 的气相产物主要包括H2O、CO2、CF2、HF，与文献［28-29］结果较为符合。其中HY-2 气相产物中N2O 可能为杂质气体，且FTIR 图谱中并没有SO2等黑火药热分解主要气相产物的明显峰值，这可能是因为所使用的黑火药样品中S 含量较低，SO2浓度较低无法被红外检测设备准确记录。HY-2/XWS 的气相产物种类与HY-2 一致，表明纤维素的加入并未改变黑火药原有的分解路径，同时可以看出复合物图谱中各个峰的强度相比于黑火药均明显增强。纤维素分解时可能会产生H2O、CO2、NO2等气体导致复合物图谱中峰强度增强，同时如果纤维素的加入能提高黑火药的分解速率，同样也会使复合物峰强度增强，要确定什么因素增强峰强度还需更深入的研究。Mg/PTFE/XWS 与Mg/PTFE 气相产物一致，除CO2外其余气相产物浓度基本一致，可见纤维素在Mg/PTFE热解过程中生成的主要气相产物为CO2。B/KNO3及其纤维素复合物气相产物较少，未被红外检测设备记录。

2.2 点火燃烧能量释放特性

由上文可知，纤维素通过改变点火药的放热量、热分解速率、反应温度等影响点火药热分解过程。为进一步研究点火具工作过程中纤维素壳体及其药型结构对点火具工作过程的影响，研究还通过模拟点火具在火箭发动机中自由点火的燃烧室对不同装药结构、不同装药量及不同配方组成装药的点火具样品进行了模拟点火实验。其中，不同装药结构模拟点火实验采用HY-5 点火药，其装药量为10 g。不同装药量模拟点火实验样品为HY-5，有10，14，18 g和20 g 4 种典型装药量，点火药盒为大圆柱体形。针对不同点火药配方模拟点火实验，样品药盒也采用大圆柱体装药，点火药种类有黑火药（HY-2、HY-5）、Mg/PTFE、B/KNO3，其装药量都为10 g。

2.2.1 火焰结构

采用自制燃烧室对各点火具样品的模拟点火燃烧过程进行研究，如图5～7 分别为不同配方组成样品、不同装药结构样品和不同装药量点火具的模拟点火燃烧过程。

图5 不同配方装药点火具点火与火焰增长过程Fig.5 Ignition process and flame propagation of igniters with different formula charge

图5a～5b 为HY-5、HY-2 的点火燃烧过程，可见明显的预燃过程。点火具首先局部预燃（图5a 为0.6 ms、图5b 为0.6 ms 处图像），随后主装药被局部点燃后完全点燃，燃烧瞬间生成大团火焰且释放出大量气体，火焰颜色呈现为亮黄色。爆炸瞬间生成大量气体，携带黑火药颗粒从点火药盒溅射到整个燃烧室（如图5a 为6.3 ms、图5b 为7.5 ms 处图像），燃烧剧烈可见明显的黑火药颗粒。纤维素壳体在点火具模拟点火过程中起到了一定的增压效应，为初始火焰的确立奠定了压强基础。Mg/PTFE 和B/KNO3的点火燃烧过程与黑火药类似，但并未观察到预燃过程。Mg/PTFE 点火瞬间主装药先局部点燃，随后完全点燃，火焰颜色为亮黄色。如图5d，B/KNO3的点火发展过程短暂，几乎在点火瞬间主装药就被全部点燃，同时可以观察到明显的颗粒燃烧。从点火具的工作时间来看，10 g 装药量下，对比图5a 和5b，可见大粒径黑火药点火具比小粒径黑火药点火具工作时间长，而B/KNO3点火具的工作最长，Mg/PTFE 工作时间最短。

图6 为不同装药结构样品的模拟点火燃烧过程，各样品点火燃烧过程都是由局部点燃发展为全面点燃。小圆柱体形、方形、异形药盒样品分别在4.6，0.5，2.3 ms 观察到药盒壳体被爆炸瞬间生成的气体冲破，同时也可以看到大量点火药颗粒被带出（点火药盒及点火药颗粒位置在图中标出）。从燃烧剧烈程度上来看，异形药盒样品火焰明亮度最高，异形药盒点火具工作时间最长，与小圆柱体形药盒点火具工作时间接近。同时，方形和环形药盒点火具工作时间较短。图7 为不同装药量样品的模拟点火燃烧过程。如图7 所示，装药量对点火具工作时间影响不大。装药量分别为10，14，20 g 的样品从完全点燃到点火结束的时间分别为126，157，145 ms 左右（18 g 装药量样品由于未拍摄到点火结束，未作对比）。各样品的点火燃烧及火焰传播过程如表4 所示。

表4 各样品燃烧节点时间Table 4 The burning node time of each sample

2.2.2 能量释放过程实时温度分布

利用高速红外相机获得了火焰温度分布图和火焰特征点的温度变化曲线，图8～9 为不同配方组成样品、不同装药结构样品和不同装药量样品的最高温度对比图和温度变化曲线。如图8，各样品的温度分布规律较为接近，温度分布以点火药盒为中心向外辐射（图8中各图中心为点火药盒位置，因为红外相机拍摄时，点火药盒位于图像中心），温度由低到高，颗粒燃烧明显。燃烧产生大量气体携带装药颗粒喷射而出，中心温度较低是因为中心聚集颗粒较多，颗粒间的相互传热吸收了部分热量，从而使中心温度低于辐射外缘。

图8 （a～d）不同配方组成样品；（e～h）不同装药结构样品；（i～l）不同装药量样品的最高火焰温度出现时刻的温度分布对比Fig.8 Comparison of the highest flame temperature distribution of each sample

如图9c～9d 可知，HY-5 点火具最高温为768 ℃，HY-2 点火具最高温为820 ℃，HY-5 的最高温比HY-2低6.8%。由图9c～9d 温度变化曲线可知，HY-2 点火具点燃后，温度迅速攀升，到达最高温后突然下降，最高温处温度曲线尖锐；而HY-5 点火具温度曲线则相对平缓，表明HY-2 燃烧更剧烈，释能速率更快更聚焦，因此燃温也更高。可见粒径较小的黑火药点火具具有较低的燃烧温度。由图9a～9d 可知，3 种点火药中Mg/PTFE 的燃烧温度最高，约为1226 ℃，同时，到达最高温时其温度变化曲线相对其他点火药更尖锐。根据图9e～9h，装药结构对点火具的燃烧温度影响不显著，环形药盒样品温度最低，为738 ℃，方形药盒样品温度最高，为788 ℃，二者温差仅为50 ℃。

图9 （a～d）不同配方组成样品；（e～h）不同装药量样品；（i～l）不同装药结构样品的燃烧室压强和燃烧温度随能量释放过程的变化Fig.9 The combustion chamber pressure and combustion temperature of each sample change with the flame propagation process

图9 为各样品的燃烧室压强和燃烧温度随能量释放过程的变化曲线。分析图9g～9i 不同装药量点火具的温度变化曲线（如红色曲线所示），可见装药量对样品的燃烧温度影响不大，4 种装药量的样品温度变化曲线趋势基本一致，且最高温无显著差异，温差不超过50 ℃。此外，实验还记录了样品模拟点火燃烧过程中的压力变化。由压力变化曲线可见，压力变化紧接着温度变化，趋势与温度变化基本一致。不同的是，点火之后，温度曲线和压力曲线均迅速上升，到达最高点之后，温度快速降低，而压力曲线则迅速下降至略低于最高处压力数值后，维持几乎不变一段时间再快速下降，使得温度与压力变化不同步。这是因为，燃烧室在达到最高温度后，由于装药燃烧完毕，没有新的热量释放，因此燃烧室自然对流散热，温度降低。燃烧过程中不断生成气体，同时燃烧室中的气体不断向外逸散，燃烧室内压力越高，气体向外排处的速度越快。当燃烧过程生成气体的速率高于排气速率，压力升高；当燃烧过程生成气体的速率等于排气速率，压力不变；当燃烧过程生成气体的速率低于排气速率，压力降低。从最高压强来看，对于不同配方（如图9a～9d）和不同装药结构（如图9i～9l）的点火具，B/KNO3和环形点火药盒更有利于建立高压强点火环境。且随着装药量增加，点火具所建立的最高压强也增加（如图9e～9h）。点火具在点火过程中压强和温度的建立过程对装药燃面的着火过程至关重要。例如，低温时利用黑火药点燃复合推进剂主装药，容易引起“喘气”燃烧现象［3］；点火具温度、压强要达到点火区域自持燃烧温度阈值，才能使点火域快速升温升压实现固体推进剂初始燃面可靠点火。从点火信号给出指令起到燃烧室初始压强建立，其间所对应的间隔称为点火延迟时间。点火延迟是衡量发动机点火性能的主要指标。若点火延迟时间超过规定值，便认为该发动机点火性能不可靠。而点火具药盒破裂瞬间和发动机被点燃瞬间极大地影响了发动机的点火延迟时间。一般来讲，点火具的燃烧气体温度越高，点火延迟时间越短［1］。

术中：①手术视野较小，没有清晰的显露手术视野：脊柱外科手术中出血较多，视野不清，以及椎板“开窗”术或半椎板切除术术野局限，导致粘连松解或椎间盘摘除时对硬脊膜造成损伤；②术中操作不当：手术医生没有足够的实践经验、术中操作过程不熟练或者术中动作粗暴，都有可能会对硬膜造成损伤进而引发脑脊液漏，特别是在棘突斜坡进行减压时钳咬椎板或黄韧带时角度及深浅度不当，造成硬脊膜被咬损或撕破，椎管内肿瘤摘除切开硬脊膜后硬脊膜缝合方式不对等。

2.3 凝相产物成分分析

图10 为点火药及其纤维素复合物凝相燃烧产物（Combustion Condensed Products，CCPs）的XRD 光谱。由图10 可知，黑火药CCPs 的主要相是KHCO3和K2SO4，其中前者与报道的K2CO3［28］不同。原因可能是黑火药冷却过程中K2CO3与冷凝水蒸气产生了反应。HY-2/XWS 的CCPs 没有产生黑火药凝相燃烧产物外的新物质，进一步表明了纤维素在燃烧过程中没有改变黑火药的反应路径。同样，Mg/PTFE/XWS 的CCPs不含纤维素的燃烧相关产物，表明其完全降解为气体。除 未 反 应 的Mg 外，MgF2是Mg/PTFE 的 主 要CCPs［29］。Mg/PTFE 和Mg/PTFE/XWS 的凝相燃烧产物中都含有Mg，表明其未能完全燃烧。而Mg/PTFE/XWS 的凝相燃烧产物中Mg 的特征峰强度相对较低，表明纤维素会增强Mg 燃烧。此外，MgO 可能是由Mg 与纤维素释放的O 反应生成。由于B/KNO3及其纤维素复合材料的CCPs 是无定形的，因此，采用XRD 仪器难以检测到。这些复合材料更详细的反应途径未来还需要通过量子化学计算和分子动力学模拟进行进一步研究。

图10 HY-2、Mg/PTFE 及其纤维素复合物的凝相燃烧产物XRD 光谱Fig.10 XRD spectra of combustion products of HY-2、Mg/PTFE and their cellulose composites

3 结论及展望

本研究制备了含33.3%纤维素的点火药复合样品以研究纤维素外壳对点火药热反应性能的影响，此外还研究了装药结构、装药量及配方组成对点火具能量释放过程及燃温分布的影响规律。可以得出以下结论：

（1） 纤维素会降低黑火药和Mg/PTFE的总放热量，降幅分别为66.4%，58.5%。然而，纤维素却使B/KNO3的总放热量提高了2.39 倍。

（2） 对样品热解气相产物分析表明，纤维素并未改变黑火药和Mg/PTFE 的分解路径。此外，燃烧凝相产物分析结果显示，模拟点火过程点火具的燃烧产物与点火药原材料燃烧产物一致，进一步说明纤维素在燃烧过程中没有改变点火药的反应路径。

（3） 在配方影响方面，B/KNO3点火具工作最长，Mg/PTFE 点火具工作时间最短。且大粒径黑火药比小粒径黑火药燃温更高，大粒径黑火药点火具具有更短的工作时间。此外，Mg/PTFE 点火具的燃烧温度最高，约为1226 ℃，燃烧最剧烈。

（4） 在装药结构影响方面，方形和环形药盒点火具工作时间较小圆柱体形和异形点火药盒的点火具工作时间缩短42%左右，具有更高的点火效率。此外，装药结构对燃温影响不显著，最大温差仅为49.7 ℃。

（5） 在装药量影响方面，装药量对点火具的工作时间和燃烧火焰温度影响不显著，温差不超过50 ℃。模拟点火过程研究表明，药形为大圆柱体形、装药量10 g 的黑火药点火具在点火燃烧过程中会发生预点火现象。点火药生成大量气体携带未点燃点火药颗先破壳再实现点火。

本研究探索了火箭发动机传统颗粒型点火具的工作过程中火药与包装纤维素材料相互作用及其药型结构对能量释放特性的影响规律，但是研究中一些现象机理尚未得到解释。如配方的热分解特性分析部分，黑火药的失重峰增宽的机理仅从热重曲线的变化无法得到解释，需要进行更深入的研究。B/KNO3在热分解曲线中KNO3可能与纤维素热解碳物质发生了放热反应，但是在热解气相产物和燃烧凝相产物分析中由于相关物质无法被仪器采集，因此这一推测无法得到验证。此外，文章仅对点火具点火过程进行了实验研究，还可以通过数值模拟的方法更深入的认识点火具壳体与点火药在点火过程中的相互作用。