采用疊氮化鈉氣體發生劑的高低壓腔釋放內彈道分析

吳宏斌，馬 飛，宋師軍，張韓宇，馬思宇

(北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076)

利用高低壓發射原理設計了高低壓燃氣腔，用于釋放子彈。高低壓發射原理是火藥在高壓燃氣腔內燃燒，形成一個使火藥穩定燃燒的壓力環境[1-4]。達到設定壓力后膜片破裂，噴口打開，燃氣從高壓室流向低壓室，推動子彈在發射筒中運動。可以保證火藥在高壓燃氣腔中充分燃燒，使內彈道性能穩定，又能降低低壓室中的壓力，減少發射過載。

本研究對某種高低壓燃氣腔釋放機構內彈道過程進行了分析，且使用疊氮化鈉(NaN3)作為發射藥，進行了相關的物理特性及內彈道性能試驗。

1 系統工作原理

高低壓燃氣腔釋放機構如圖1，主要由裝藥室(燃氣發生器)、低壓室(燃氣腔)、釋放外筒、推板等組成。其工作過程如下：燃氣腔釋放機構到達目標上空控制裝置觸發引信，點燃燃氣發生器的釋放藥；釋放藥燃燒使燃氣發生器內壓力逐漸增大，當壓力達到膜片破裂壓力時，燃氣發生器的密封膜片破裂，高壓燃氣進入燃氣腔；燃氣腔壓力增大到限位塊斷裂值時，推動推板和子彈一起運動；推板運動到最大行程后，推板與釋放外筒不再有相對運動，子彈不再受推板作用，子彈與釋放外筒分離，釋放機構的釋放動作全部完成。

常規的硝基類火藥反應猛、燃燒速度快，在釋放過程中容易引起沖擊振動，對光學類、電子類子彈產生不利的釋放環境，影響子彈的正常功能。而且常規火藥燃燒溫度高，熱量大對某些子彈不適用。疊氮化鈉氣體發生劑具有燃燒溫度低、燃燒速度慢、產氣量大、產生的氣體為無毒的氮氣等多方面的優點[5-7]，目前，主要作為汽車安全氣囊用氣體發生劑。為此選用疊氮化鈉作為發射藥。疊氮化鈉氣體發生劑的理化性能如下：

1) 熔點275 ℃；

2) 熱分解溫度365 ℃；

3) 氣體標準比容 0.5 L/g；

4) 密度1 846 kg/m3。

2 內彈道基本假設及各時期的劃分

2.1 基本假設

燃氣發生器燃氣壓力達到膜片破壞壓力后，燃氣由燃氣發生器流向燃氣腔。在流動過程中燃氣不斷膨脹，還與外界存在著熱量交換，如釋放外筒、燃氣腔等，燃氣壓力、溫度也在不斷降低。為了描述燃氣流動的物理過程，建立燃氣壓力與燃氣質量的關系，簡化內彈道數學模型，對燃氣流動過程進行必要的假設[8-11]：

1) 不考慮燃氣流動過程中的熱量散失，流動為等熵流動，燃氣為理想氣體，誤差由流量方程修正系數調節；

2) 氣體發生劑的氣體生成速率與壓力成正比；

3) 忽略管壁熱損失；

4) 燃氣服從諾貝爾方程，且余容、火藥力、比熱比等為常數；

5) 燃氣發生器密封膜片破裂、燃氣充滿燃氣腔瞬時完成。

2.2 內彈道各時期的劃分

1) 第一時期 從點火藥開始燃燒到燃氣發生器噴口膜片破裂。認為點火藥燃完、充滿整個燃氣發生器、點燃燃氣發生劑等過程瞬間完成。這一時期火藥處于定容燃燒狀態。

2) 第二時期 從燃氣發生器噴孔膜片破裂到限位塊斷裂、子彈開始運動。這一時期由于子彈沒有運動，因此認為是燃氣腔為定容充氣過程。高壓、高溫燃氣流入燃氣腔，當燃氣腔壓力達到限位塊斷裂壓力時，限位塊瞬間斷裂，子彈開始運動。

3) 第三時期 從子彈開始運動到子彈脫離推板。這一時期是釋放過程最復雜的一個時期，它包括了燃氣發生劑的燃燒、燃氣流動、子彈運動等各種現象，這一期間出現燃氣發生劑燃燒結束點和最大壓力點。

3 釋放過程的數學模型

1) 子彈運動方程

(1)

(2)

式中：P2為燃氣腔壓力；S為活塞面積；φ次要功系。

2) 火藥氣體狀態方程

燃氣發生器燃氣狀態方程

(3)

P1Vψ=fωτ1(ψ-η)

(4)

式中：V1為燃氣發生器體積；P1為燃氣發生器壓力；f為火藥力;ω為火藥質量；ψ為已燃百分比；α為余容；η為燃氣發生器流入燃氣艙的相對流入量；τ1為燃氣發生器相對溫度。

燃氣腔燃氣狀態方程和能量守恒方程

(5)

SP2(l0+l)=fωτ2η

(6)

式中：τ2為燃氣腔相對溫度；l位子彈行程；V2燃氣腔體積。

3) 燃氣相對流量

(7)

式中：St為燃氣發生器噴口面積；φ2為燃氣損耗系數；k氣體比熱比。

4) 燃燒模型

燃速定律

(8)

形狀函數

φ=χz(1+λz+μz2)

(9)

式中：n燃速指數；u為燃速系數；e1火藥初始厚度的一半；λ，χ，μ火藥形狀函數。

4 數值計算與地面試驗

以疊氮化鈉為氣體發生劑的某型高低壓燃氣艙釋放機構為模型，進行了內彈道計算和試驗驗證。為了減少燃速，260 g疊氮化鈉在燃氣發生器內壓裝成管狀；燃氣腔容積為4 L；子彈直徑為18 cm，質量20 kg。推板質量0.8 kg，行程 55 cm；推板開始運動壓力為2.5 MPa。

4.1 數值計算

根據上述內彈道數學方程，計算得出釋放內彈道p-t曲線，v-t曲線，a-t曲線，T-t曲線，如圖2～圖5所示。從其中可以清楚看到燃氣膨脹過程中燃氣壓力的變化過程，子彈運動速度和加速度的變化過程。在t=253.6 ms，p=3.0 MPa時，限位塊斷裂，子彈開始運動，燃氣膨脹做功。同時疊氮化鈉在燃氣發生器內繼續燃燒，燃氣在燃氣發生器內是高壓區，在燃氣腔是低壓膨脹做功區，這樣既保證燃氣發生劑在高壓下正常燃燒，又保證子彈在燃氣腔的低壓作用下平緩加速。在t=278.3ms時，子彈運動到位，此時燃氣發生器內的壓力為11.5 MPa，燃氣腔的壓力為3.0 MPa。由于沒有考慮燃氣流動過程中的熱量散失，在子彈開始運動前，燃氣發生器和燃氣腔的溫度保持一致。在子彈開始運動后燃氣腔的溫度由479 K降到329 K，燃氣腔燃氣內能迅速轉換為子彈的動能；燃氣發生器的溫度則保持穩定。子彈的最大速度為30.6 m/s，最大過載為233 g，作用時間為23 ms。對比圖2壓力曲線和圖5過載曲線，發現燃氣發生器的產氣速度小于燃氣腔的體積增長速度，過載最大值出現在限位塊斷裂時刻。推板和子彈開始運動后，釋放過載逐漸減少，所以通過調節限位塊的強度，能夠很好地控制子彈的最大過載。

4.2 地面試驗

模擬試驗裝置如圖6所示，將試驗件水平固定在高約0.7 m的鋼質支架上，用地面電源點火，模擬釋放機構將配重子彈以一定速度推出。試驗中在燃氣腔裝有一個HTJ180藍寶石壓傳感器，在配重子彈上裝有一個813-500加速度傳感器，可以獲得燃氣腔的燃氣壓力以及子彈在釋放過程的加速度變化規律；子彈的釋放速度通過高速攝像機進行拍攝測量。圖7、圖8給出了采用260 g疊氮化鈉作為燃氣發生劑的試驗結果和內彈道計算仿真結果。在圖7燃氣腔壓力曲線中，試驗測試壓力曲線在推板到位后，燃氣腔的體積不再增大，燃氣發生器還在產生氣體，燃氣腔的壓力繼續升高。圖8中實測的過載曲線疊加了推板運動到位后撞擊釋放外筒的沖擊過載，這個沖擊振動是內彈道理論計算無法模擬的。表1列出了主要內彈道試驗和計算結果，實驗測試值小于計算值，但都在基本誤差范圍內。

名稱火藥質量/g最大壓力/MPa最大加速度/g子彈速度/(m·s-1)試驗2602.85206.028.6計算2603.0233.030.6

5 結論

本研究采用高低壓發射理論，建立了適合疊氮化鈉氣體發生劑的內彈道模型，獲得的燃氣壓力、子彈速度和子彈加速度等內彈道性能曲線與子彈地面釋放試驗結果一致，為產品設計的高低壓燃氣腔釋放機構設計提供理論依據和試驗研究方法。