中心點火火焰在藥床中傳播規律的試驗研究*

薛 紹，陶如意，王 浩，程申申

（南京理工大學能源與動力工程學院, 江蘇 南京 210094）

炮彈火藥床的點火和傳火是內彈道過程中相當復雜的一個階段，也是影響內彈道性能穩定的重要因素之一[1-3]。主裝藥的引燃情況和力學結構與點火藥燃燒產物在藥床中的傳播過程息息相關，主要表現在如下兩個方面，即：主裝藥的點火一致性主要受點火藥燃氣的傳播速度的影響，非均勻點火易造成膛內壓力波動[4-6]；主裝藥的力學結構受點火壓力的影響，大的點火沖擊易造成發射藥的破碎，這種情況對發射安全性是致命的[7-9]。因此，研究點火能量在藥床中的傳播規律，對于精確的內彈道建模和發射安全性至關重要。

近年來，針對炮彈火藥床的點火和傳火過程的研究成果已有很多。王浩等[10]利用光導纖維測量技術，對點火管內火焰的傳播過程進行了研究，驗證了火焰陣面落后于壓力陣面傳播的現象。王珊珊等[11-12]建立了點火管和中心管雙一維兩相流模型，分析了點火管結構和點火藥量對點傳火的影響。韓博等[13]設計了一種大口徑火炮發射裝藥點傳火模擬試驗裝置，用于監測點傳火階段膛內各物理參量，為大口徑火炮裝藥點傳火結構設計以及火炮射擊試驗初期的安全評估提供指導。程誠等[14]對某大口徑火炮內彈道膛內循環過程進行了二維兩相流數值模擬，詳細研究了火藥床燃燒及彈丸推進過程中膛內流場特性。Miura 等[15]和Jang 等[16]對粒狀裝藥火炮內彈道膛內循環過程進行了三維數值模擬，模擬結果表明，顆粒藥床的運動會引起壓力波動，而壓力波動的大小取決于點火管的孔徑和孔間距。Jenaro 等[17]利用小波分析方法研究了點火階段膛內壓力波問題。Jaramaz 等[18]利用可視化玻璃纖維管點傳火模擬試驗裝置，研究了底部點火條件下藥床的點火和燃燒情況。Colletti 等[19]利用惰性推進劑、光學探測器及X 射線能量攝像儀等設備，對火炮點火系統中典型的點火器射流的侵徹特性進行了實驗研究，并建立了點火器射流產物在粒狀藥床中的軸向和徑向的穿透深度數學模型。以上研究著重于火藥床的燃燒和流動過程，大多將發射藥的燃燒同時考慮在點傳火過程中，而對點火藥燃燒產物在藥床中的傳播規律研究較少。現代火炮武器多以中大口徑為主，點火系統多為底火加中心點火管的方式，裝藥結構也呈現多樣化，因此開展對中心點火管點火藥火焰在不同藥床結構中的傳播規律研究是十分必要的。

本文中，設計可視化點傳火模擬試驗系統，開展對不同點火藥量、不同裝藥結構的中心點火管點傳火試驗，獲得膛內火焰傳播及壓力變化過程，建立火焰傳播數學模型。

1 模擬試驗系統

模擬試驗系統主要由模擬試驗裝置和多通道測試系統組成，模擬試驗裝置為火藥的點傳火及燃燒提供場所，采用透明材料制造的燃燒室有利于對火焰傳播過程進行直觀觀察，多通道測試系統由高速圖像采集系統、同步觸發器和瞬態壓力記錄儀組成，在點火的同時測試記錄燃燒室內的物理參數和現象，其工作流程如圖1 所示。

圖1 模擬試驗系統流程圖Fig. 1 Flow chart of the simulation experimental system

1.1 可視化模擬試驗裝置

可視化模擬試驗裝置是研究點火火焰在藥床內傳播的一個關鍵設備，由點火系統、玻璃纖維管燃燒室、保護殼體、泄壓系統等組成，如圖2 所示。圖2 中P1～P3為測壓孔，這3 個測壓孔分別距離玻璃纖維管燃燒室左端40.0、247.5、455.0 mm。

圖2 可視化模擬裝置Fig. 2 The visualization device for experimental investigation of propellant charge ignition

玻璃纖維管燃燒室長度為495 mm，直徑為110 mm，容積為4.7×106mm3，該燃燒室為承壓主體，設計最高承壓30 MPa，在其管壁上開有3 個測壓孔，用于監測燃燒室內的壓力變化。

點火系統為自密封結構，采用電底火加中心點火管的點火結構，可多次重復使用。點火管為金屬材質，在其壁面開有3 列傳火孔（共18 個），如圖3 所示，點火管全長a=250 mm，首孔高度b=130 mm，點火孔間距c=18 mm，點火孔直徑d=6 mm，點火管內徑D=19 mm。

圖3 中心點火管結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the central ignition tube

保護殼體為鋼結構，為玻璃纖維管提供結構保護，其兩端分別安裝點火系統和泄壓系統，在其正面開有長400 mm、寬120 mm 的矩形窗口，通過窗口可直接觀察記錄玻璃纖維管燃燒室內火藥燃燒和火焰傳播情況。

泄壓系統采用爆破膜泄壓方式，可進行5 MPa 以下的不同破孔壓力點傳火試驗。該泄壓系統采用的膜片材料為Al1070，膜片厚度為0.4 mm，膜片直徑為100 mm，破膜壓力為1.5 MPa。

1.2 多通道測試系統

多通道測試系統由德國工業設備公司IABG 生產的DEWE-2500 型瞬態壓力記錄儀、瑞士KISTLER公司生產的壓電式壓力傳感器、同步觸發器及高速圖像采集系統組成，現場布置如圖4 所示。同步觸發器同時連接高速圖像采集系統、瞬態壓力記錄儀及點火系統，給予系統觸發零點，方便后續試驗現象的統計分析，高速圖像采集系統以10000 s?1的頻率對火焰傳播過程進行記錄，高頻率可最大限度地記錄藥床中火焰的傳播過程。

圖4 測試現場布置Fig. 4 Arrangement of the test site

2 試驗方案與實施

試驗共有5 種方案，統一采用3#電底火，中心點火管中的點火藥為2#小粒黑。仿真發射藥由不可燃材料制成，密度為1.5 g/cm3，直徑為16 mm。該仿真發射藥外形尺寸和密度與24/19 發射藥相近，具有一定的強度，試驗中不產生形變，為研究不同裝藥結構的點傳火特性提供技術保證。仿真發射藥裝藥結構分單一粒狀、單一桿狀和桿-粒混合裝藥3 種，如圖5 所示，粒狀藥長度為16 mm，桿狀藥長度為160 mm。為降低偶然誤差，每種方案重復進行2 次試驗，具體參數見表1。

圖5 不同裝藥結構Fig. 5 Different charging configurations

表1 各方案裝填參數Table 1 Charging parameters in each case

3 結果與分析

可視化區域點火火焰在藥床傳播過程如圖6 所示：點火過程由電底火擊發開始，對應各方案序列照片中的第1 張；電底火中的黑火藥首先燃燒，并在自由空腔內形成高溫燃燒產物區，隨后點燃中心傳火管中的黑火藥，當傳火管內外壓差大于內襯紙的破孔壓力時，火焰進入藥床，對應序列照片中的第2 張照片；然后向藥床徑向和軸向傳播，圖像顯示火焰的徑向效應小，在很短的時間內火焰到達管壁，在軸向上火焰由出火位置向左右兩端序列傳播。以可視化矩形窗口的左邊界為火焰位置X坐標零點，右邊界為火焰位置正向邊界。由于主裝藥為仿真發射藥，不具有可燃性，且各方案主裝藥量相近，因此以下影響因素分析中忽略裝藥量的影響，主要考慮主裝藥結構的影響。在軸向火焰面位置判定中以明亮火焰面最前端為火焰位置，結合高速圖像采集系統中的像素點坐標計算讀取火焰位置。

圖6 不同試驗方案火焰傳播序列照片Fig. 6 High-speed photography of flame spreading through propellant charge in different cases

3.1 出火時間

出火時間tc為從點火擊發開始至窗口內第1 次出現火焰的時間，能夠反映中心點火管內的傳火性能，該值越小，說明中心點火管內的傳火越通暢，點火延時越短。方案1、3、5 的點火藥量為20 g，火焰在0.6 ms 左右出現；而方案2 和4 的點火藥量為30 g，火焰在1.5 ms 才出現，較20 g 點火藥量的火焰出現時間晚了0.9 ms。這說明：中心點火管內裝藥量越大，管內傳火速度并非越快，反而有所降低，延長了出火時間。這是由于高的裝填密度導致中心點火管內的傳火通道不暢，阻礙管內氣體流通，進而影響黑火藥的全面點燃，造成點火延時。因此，合理的點火藥量對降低點火延時影響顯著，通過對不同方案出火時間的對比分析可以優選點火藥量。

3.2 傳火時間

傳火時間tt=tL+tR（tL為火焰從出現位置傳播到窗口左邊界所用的時間，tR為火焰從出現位置傳播到窗口右邊界所用的時間，tt即為火焰傳播至整個窗口的時間），其大小能夠說明藥床內傳火性能的好壞，tt的值越小，說明傳火通道暢通，主裝藥被點燃的瞬時性越好。tt的值越大，說明主裝藥結構不合理，傳火通道不暢，主裝藥被點燃的瞬時性也越差，燃燒室內易出現較大的壓力波動。不同方案傳火時間見表2，由表2 可知，主裝藥同為桿狀發射藥且裝填密度相同的方案1 和方案2，傳火時間分別為2.4 和2.0 ms，平均傳火時間為2.2 ms。而主裝藥同為粒狀發射藥且裝填密度相同的方案3 和方案4，傳火時間分別為3.6 和3.2 ms，平均傳火時間為3.4 ms。方案1 和3、方案2 和4 點火藥量相同，分別為20 和30 g，而傳火時間方案1 比方案3 少1.2 ms，方案2 比方案4 也少1.2 ms。數據表明，桿狀藥床比粒狀藥床的傳火時間短，火焰傳播速度快，這是由于粒狀藥床相間阻力大，降低了火焰速度。同時注意到，同為桿狀裝藥的方案1 和2，同為粒狀裝藥的方案3 和4，點火藥量分別由20 g 增加至30 g，傳火時間分別由2.4 ms 降低為2.0 ms，由3.6 ms 降低為3.2 ms。兩組數據顯示，點火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時間均降低0.4 ms，說明點火藥量對主裝藥的傳火時間也有影響。方案1 和2 的tL分別為0.8 ms 和0.6 ms，點火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時間降低0.2 ms，而方案3 和4 的tL都為1.0 ms，點火藥量的增加并未影響傳火時間，這是由于粒狀藥床的阻力較大，點火藥量對傳火速度的影響在短距離內未得到明顯的展現。對比方案1 和5，火焰從出現位置傳播到窗口左邊界都用了0.8 ms，這是由于在此區域兩者都為桿狀裝藥床，藥床阻力相同，火焰傳播速度也相同。而火焰從出現位置傳播到窗口右邊界，方案5 所用時間卻比方案1 長了0.5 ms，這是由于火焰傳播至粒狀藥床位置阻力變大、傳播速度降低。通過對不同方案傳火時間的分析可以優選主裝藥結構。

表2 各方案傳火時間Table 2 Flame speeding time of each case

3.3 傳火數學模型

方案1、3、5 的點火藥量均為20 g，而主裝藥結構各不相同。各方案火焰傳播位置隨時間的變化如圖7所示。方案1 為單一桿狀裝藥，傳火通道通暢，相間阻力小，火焰面沿軸向線性傳播，傳播速度均勻，平均速度為179.7 m/s；方案3 為單一粒狀裝藥，傳火通道不暢，相間阻力大，火焰面沿軸向衰減傳播，傳播速度逐漸減慢, 平均速度為112.8 m/s；方案5 為桿粒混合裝藥，火焰面在桿狀藥床部分的傳播特性與方案1 相近，傳播速度均勻，到達粒狀裝藥區域，傳播速度減慢，傳播特性與方案3 相近，平均速度為145.7 m/s。根據火焰位置點，利用一階指數衰減函數：擬合建立火焰面位置隨時間變化的函數，函數參數見表3。通過擬合建立的點火火焰傳播過程數學模型的擬合優度均大于0.98，采用建立的火焰傳播數學模型可精確開展內彈道建模。

表3 方案1、3、5 火焰傳播位置函數擬合系數Table 3 Exponential decay function coefficients in cases 1, 3 and 5

圖7 方案1、3、5 火焰傳播位置Fig. 7 Flame positions along the propellant chamber during charge ignition of cases 1, 3 and 5

3.4 壓力

各方案測點P1、P2、P3處測得的壓力曲線如圖8 所示。從圖8 中可以看出，測點P1、P2處壓力的增長趨勢相近，這是由于P1、P2兩測點相對傳火管的位置對稱，感受到的壓力也相近。各方案的最高壓力和破膜壓力見表4，表中顯示最高壓力受點火藥量的影響，20 g 的點火藥（方案1、3、5）最高壓力為2.5 MPa左右，30 g 的點火藥（方案2、4）最高壓力為2.8 MPa 左右，相較20 g 的高11%；各方案的破膜壓力為1.0 MPa左右，說明系統采用的爆破膜泄壓系統具有一定的穩定性。對比不同裝藥結構的壓力曲線發現，桿狀裝藥結構的壓力曲線較光滑，未見明顯的波動，而粒狀裝藥和桿粒混裝結構都出現不同程度的壓力波動區，如圖8 中標識區域。這是由于粒狀藥床的相間阻力大，阻礙氣體傳播，形成氣體壅塞現象，膛內易形成壓力波動。通過分析對各方案燃燒室內壓力，可洞悉壓力波動形成的原因，提高發射安全性。

圖8 各方案P1、P2、P3 測點的壓力曲線Fig. 8 Pressure-time curves measured at measuring points P1, P2and P3in each case

表4 各方案的最高壓力和破膜壓力Table 4 The highest pressure and membrane-broken pressure in each case

4 結 論

（1）設計的模擬試驗系統是一套集多項技術于一體的完整的模擬試驗系統，可以進行不同點火藥量、不同裝藥結構的點傳火試驗。可視化的燃燒室將火焰的傳播過程直觀展現，為點傳火過程的研究提供新方法，結合多通道測試系統可對出火時間、傳火時間、火焰傳播位置及燃燒室內壓力等參數進行測試，從而對不同點火藥量、不同裝藥結構的點傳火的一致性、瞬時性、均勻性等進行對比試驗研究，進而優選點火藥量、優化裝藥結構，建立火焰傳播模型，為精確開展內彈道建模、提高發射安全性提供參考。還可以減少彈道試驗次數，有效縮短研究周期，因此具有較高的經濟和社會效益。

（2）較大的點火藥量使出火時間延長，單一桿狀裝藥床傳火性能優于單一粒狀裝藥和桿粒混裝藥床，粒狀裝藥床易形成氣體壅塞，膛內出現壓力波動現象。火焰傳播過程符合一階指數衰減函數，擬合建立的點傳火火焰傳播過程數學模型的擬合優度大于0.98。