安全氣囊點火藥點火性能的研究

劉 亮，羅運強(qiáng)，張文龍，范 智

（中國航天科技集團(tuán)四院四十二所，湖北 襄陽 441003）

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車安全技術(shù)也逐漸成為備受關(guān)注的話題。另一方面交通事故爆發(fā)的愈來愈頻繁，安全氣囊作為汽車上自我保護(hù)裝置也越來越受到人們重視。安全氣囊氣體發(fā)生器主要分為發(fā)生器上下殼體結(jié)構(gòu)件，過濾網(wǎng)，點火系統(tǒng)和產(chǎn)氣藥。點火系統(tǒng)主要作為發(fā)生器的點火裝置，在受到外界系統(tǒng)刺激后點火系統(tǒng)爆發(fā)點火。其作用機(jī)理是當(dāng)氣體發(fā)生器接收到電信號后，發(fā)生器內(nèi)部的電爆管起爆，點爆管內(nèi)的起爆藥燃燒產(chǎn)生的熱量將點火藥點燃，點火藥燃燒后將產(chǎn)氣藥點燃，產(chǎn)氣藥燃燒產(chǎn)生的大量高溫氣體將氣袋充滿，從而達(dá)到保護(hù)乘客的目的。

安全氣囊氣體發(fā)生器點火系統(tǒng)主要分為點火殼體，電爆管，點火藥三個部分。點火藥作為點火系統(tǒng)最主要組成部分，其對點火輸出如何影響仍未有太多研究。本文主要針對點火藥的三個方面，從點火藥類型、點火藥藥量和點火藥藥片規(guī)格對如何影響點火輸出做了系統(tǒng)研究。

1 安全氣囊氣體發(fā)生器兩相流點火理論

點火系統(tǒng)點火過程可以用內(nèi)彈道兩相流點火模型[1]來解釋，當(dāng)電爆管接受外界信號點火后，點火藥燃燒產(chǎn)生氣體-顆粒兩相流的點火射流，點火射流由氣相和顆粒相共同組成，顆粒相有兩種形態(tài)，可能為液相，也有可能為固態(tài)粒子，這與點火藥的種類和點火產(chǎn)生的溫度有關(guān)系，同時還與固態(tài)粒子的物化性能有關(guān)。燃燒后產(chǎn)生的兩相流固態(tài)或液態(tài)粒子溫度較高，隨著顆粒粒子從點火管噴出，到與產(chǎn)氣藥接觸過程中會損失大量的熱，在與產(chǎn)氣藥接觸后產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，而氣態(tài)物質(zhì)主要是通過對流的方式發(fā)生熱交換。兩種加熱方式相結(jié)合，共同完成對產(chǎn)氣藥的點火過程。

2 點火藥對點火系統(tǒng)的影響

2.1 點火藥的類型對點火性能影響

現(xiàn)有點火藥分為三種類型[2]：第一類為5氨基四唑體系的點火藥，該類型點火藥爆熱值較高，產(chǎn)生大量的氮氣；第二類主要以硝酸胍為主體的點火藥，該類型點火藥中一般含有部分金屬單質(zhì)，從而達(dá)到燃燒后產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)氣量與第一種類型基本相同，產(chǎn)生的氣體中含有較高含量的水蒸氣；第三類為硼硝酸鉀體系，主要以B-KNO3為主體的點火藥，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是傳統(tǒng)型的點火藥[3]，由于配方中加入了硼粉，其點火藥的能量較高，燃燒后產(chǎn)生大量的熱[4]，該類型點火藥幾乎不產(chǎn)生氣體。三種體系的點火藥點火方式、點火性能存在較大的差異，各自有自身的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中根據(jù)氣體發(fā)生器及氣體發(fā)生劑的要求，選擇不同的點火藥類型，圖1中顯示了安全氣囊發(fā)生器中三種點火藥藥片的點火輸出，選擇的點火藥規(guī)格為直徑均是3 mm，厚度1.1 mm的藥片。

圖1 三種類型點火藥點火壓力曲線Fig.1 The pressure curves of the three types ignition

表1 三種類型點火藥點火壓力輸出Table 1 Ignition pressure of three types of ignition

表2 三種類型點火藥點火內(nèi)壓輸出Table 2 Combustion pressure of three types of ignition

圖2 不同類型點火藥燃燒室內(nèi)壓曲線Fig.2 The Combustion pressure curves of the three types ignition

根據(jù)表 1的結(jié)果顯示，在相同的發(fā)生器，裝藥參數(shù)一致的情況下，三種類型的點火藥壓力輸出不太一致，類型Ⅲ點火藥點火能量大，放出的熱量高，雖然該類型點火藥幾乎不產(chǎn)生的氣體，但是由于其燃燒后的熱量較高[5]，燃燒室溫度較高，單位時間內(nèi)點燃的產(chǎn)氣藥較多，前10 ms過程中壓力升高的較快，因此壓力值上較另外兩種類型的點火藥要高；另外兩種類型點火藥主要點火方式以氣體導(dǎo)熱為主，固態(tài)粒子加熱為輔，類型Ⅱ點火藥由于爆熱值較高，點火能量大，其10 ms壓力也相應(yīng)較高。同時對比三種類型藥劑的點火內(nèi)壓數(shù)據(jù)，將相同藥量的三種點火藥裝入發(fā)生器中，對點火系統(tǒng)測試點火壓力輸出[6]，表2顯示了上述藥劑的點火最大內(nèi)壓數(shù)據(jù)。

圖2中曲線說明在相同藥量的點火藥系統(tǒng)中，類型Ⅰ點火藥和類型Ⅱ點火藥內(nèi)壓[7]較高，從表 1中數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，類型Ⅰ和Ⅱ兩種點火藥產(chǎn)氣量較高，因而點火內(nèi)壓也相應(yīng)較高，雖然上述兩種類型點火藥產(chǎn)氣率相當(dāng)，但是類型Ⅰ點火藥由于燃燒溫度較高，產(chǎn)生氣體溫度也較高，因此在點火內(nèi)壓上類型Ⅰ輸出較類型Ⅱ高。類型Ⅲ點火藥由于產(chǎn)氣率較低，雖然燃燒溫度較高，但氣量較小決定了其內(nèi)壓輸出較低。

2.2 點火藥藥量對點火性能影響

點火藥藥量對點火性能的影響展開研究和分析，選擇類型Ⅱ和類型Ⅲ點火藥作為研究對象，增加點火藥藥量，類型Ⅱ點火藥從2.3，2.5，2.7，3.0 g四種藥量的點火藥裝入發(fā)生器中，類型Ⅲ點火藥藥量從2，2.7，3，3.2 g四種藥量變化，上述點火藥藥片直徑均是Ф3，厚度1.1 mm的藥片規(guī)格，對不同類型的藥劑增加點火藥量，考察點火性能的變化。實驗結(jié)果見圖3和圖4所示，實驗結(jié)果表明類型Ⅱ點火藥量的增加，點火時間逐漸縮短，10 ms壓力逐漸增加，到后來增加越來越緩慢；而類型Ⅲ點火藥隨著點火藥量的增加，點火時間呈現(xiàn)先縮短后增加的趨勢。

類型Ⅱ點火藥由于產(chǎn)氣率較高，其燃燒后產(chǎn)生大量的氣體，依靠氣體對流進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而點燃后續(xù)的點火藥藥片，因此點火系統(tǒng)中點火藥的密度對其影響較小，在點火藥藥量增加過程中，單位時間內(nèi)燃燒的點火藥[8]藥片更多，產(chǎn)生的高溫氣體和粒子也較多，點火能力增加，曲線中點火時間呈現(xiàn)不斷縮短和點火壓力增加的趨勢。而類型Ⅲ點火藥燃燒后產(chǎn)生大量的高溫粒子[9]，其主要加熱方式是通過高溫固態(tài)粒子來完成熱傳導(dǎo)過程。當(dāng)點火管端面的點火藥先燃燒后，產(chǎn)生的高溫粒子點燃后續(xù)的藥片。當(dāng)點火管內(nèi)點火藥藥量增加，其點火藥密度也相應(yīng)增加，端面點火藥燃燒后產(chǎn)生的高溫粒子將對更多的藥劑產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，這使得單位體積內(nèi)點火藥藥片吸收的熱量降低，達(dá)到一定程度后吸收的熱量不足以達(dá)到其分解溫度，因此會造成后續(xù)的點火藥分解速度降低，從而出現(xiàn)點火時間先降低后又增加的趨勢。

圖3 類型Ⅱ點火藥不同點火藥量點火壓力曲線Fig.3 The pressure curves about different weight of ignition Ⅱ

圖4 類型Ⅲ點火藥不同點火藥量點火性能曲線Fig.4 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

圖5 不同厚度的類型Ⅲ點火藥點火壓力曲線Fig.5 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

圖6 不同直徑的類型Ⅲ點火藥點火壓力曲線Fig.6 The pressure curves about different diameter of ignition Ⅲ

2.3 點火藥藥片藥型對點火性能影響

以類型Ⅲ點火藥為研究對象，考察厚度為1.1,1.6,2.0 mm，直徑Ф3藥片三種狀態(tài)下相同點火藥藥量點火性能變化；同時在相同重量的條件下，考察直徑2, 3, 4 mm的藥片點火性能隨直徑增加的關(guān)系。圖5中和圖6中顯示了隨著點火藥厚度和直徑的增加，點火時間也在不斷增加，點火10 ms壓力不斷減小。點火藥厚度和直徑的增加，相同點火藥藥量條件下其藥片總表面積相應(yīng)的減小，燃燒表面的減小造成其單位時間內(nèi)藥片的燃燒速度的降低，因此曲線中隨著藥片厚度和直徑的增加，點火時間均延長，點火后10 ms壓力也降低。

3 結(jié) 論

通過對點火系統(tǒng)中不同點火藥的研究，主要得出了以下三點結(jié)論：

（1）三種類型的點火藥配方體系存在較大區(qū)別，點火方式差異性較大。按照兩相流點火理論分析，類型Ⅰ和類型Ⅱ點火藥主要以氣體導(dǎo)熱為主，而類型Ⅲ點火藥是以固體高溫粒子熱傳導(dǎo)為主，同時由于點火藥的爆熱值和燃燒溫度也存在較大區(qū)別，因此選擇點火藥類型是尋找點火系統(tǒng)互相匹配的過程。

（2）不同類型的點火藥隨藥量不斷增加，點火過程呈現(xiàn)不同趨勢。由于點火方式的區(qū)別，類型Ⅰ和類型Ⅱ點火藥藥量增加后，點火時間縮短、點火10 ms壓力均增加，而類型Ⅲ點火藥隨藥量增加前期表現(xiàn)出與上述點火藥相同的趨勢，但是增加到一定程度后，點火時間開始延長。

（3）點火藥藥片直徑或厚度增加，藥片總的燃燒面積減小，因而點火時間均延長，點火10 ms壓力也均呈現(xiàn)降低趨勢。

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