含金屬絲網燃氣發生器對氣囊充氣過程的試驗研究

吳 晨，江 坤，黃 明

(南京理工大學，能源與動力工程學院，南京 210094)

1 引言

燃氣發生器是子母彈拋撒武器、汽車安全氣囊等系統的主要裝置之一，氣囊是囊式拋撒系統的關鍵部件，在實際工程應用中受到高壓、高溫燃氣沖擊，易發生破損情況。氣囊一旦發生破損，囊內壓力急劇下降，將直接影響到子彈的拋撒速度及散布情況，無法保證燃氣發生系統工作的穩定性。目前部分學者為防止氣囊破損，對氣囊材料強度及拋撒藥劑等方面展開試驗和理論研究。

房玉軍等提出以氮氣發生劑作為囊式拋撒燃氣發生器拋撒藥，并設計了對應試驗。試驗采用單艙、雙艙2種拋撒裝置，使用氮氣發生劑作為拋撒藥，同時對艙兩側氣囊充氣。同時設計了過多藥量時氣囊破裂試驗。試驗結果表明采用氮氣發生劑為拋撒藥時，囊內峰值壓力較低，拋撒過載小；氣囊破損時，將大大降低子彈拋撒速度。王帥等對一種復合材料的氣囊進行了試驗研究。該氣囊材料中心為芳綸布，上下層為橡膠通過環氧樹脂與芳綸布黏合。經過拉伸試驗得出該復合材料在拉伸過程中沒有明顯屈服現象，具有一定線性黏彈性。設計了氣囊承壓試驗與拋撒試驗，驗證該復合材料氣囊在3.5 MPa壓力下未出現明顯破裂，子彈拋撒速度可達到12 m/s，加速度為400，表明該復合材料氣囊具有較良好承壓能力。吳昊等通過試驗分析研究了不同材料過濾介質的性能表現。研究表明不銹鋼絲壓制網整體不易少穿，能夠較好過濾殘渣，同時具有一定儲熱能力，能對燃氣進行一定程度的降溫。

2 試驗裝置

1)燃氣發生器

本文在傳統燃氣發生器結構基礎上增加了降溫室，燃氣發生器結構如圖1所示，主要由點火座、點火藥室、主裝藥室、低壓室、降溫室、堵蓋、絲網擋板及其他元器件組成。主要腔室尺寸如表1。為了便于采集燃氣參數數據，設計與氣囊等效體積的金屬儲氣罐，試驗時將堵蓋旋轉安裝在燃氣發生器一側，使燃氣從另一側單向流入儲氣罐。其中。主裝藥室周向分布4個直徑1 mm的通孔。低壓室一側為4個直徑2 mm燃氣通道。擋板含19個直徑為3 mm的通孔。

1-堵蓋；2-低壓室；3-主裝藥室；4-點火藥室；5-點火座；6-降溫室；7-絲網擋板圖1 燃氣發生器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of gas generator

表1 燃氣發生器主要腔室尺寸Tabel 1 Dimensions of main chamber of gas generator

2)金屬儲氣罐

燃氣經過降溫室降壓、降溫后對密閉儲氣罐充氣。該儲氣罐與實際氣囊體積等效，由304不銹鋼制成，其結構如圖2所示。儲氣罐內徑為80 mm，內徑有效長度為110 mm。儲氣罐右側有3處開孔：2號孔為2號測壓孔，用以安裝壓力傳感器測量降溫室壓力；3號孔為泄壓孔，用以安裝泄壓螺栓；4號孔為測溫孔，用以安裝熱電偶。

1-儲氣罐本體；2-2號測壓孔；3-泄壓孔；4-測溫孔圖2 儲氣罐結構示意圖Fig.2 Structural diagram of air storage tank

3)氣囊

氣囊由芳綸織布、橡膠復合材料制成，直徑為50 mm，長度為450 mm。氣囊照片如圖3。

圖3 氣囊照片Fig.3 Gasbag of the experiment

4)金屬絲網

試驗采用30目、100目2種304不銹鋼壓制金屬絲網，該絲網具有強度高、耐高溫等優點。30目金屬絲網絲徑為0.15 mm、孔徑0.7 mm，100目金屬絲網絲徑為0.07 mm、孔徑為0.19 mm。金屬絲網經裁剪后裝填入降溫室中，裝填厚度約為10 mm，裝填后如圖4所示。

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圖4 金屬絲網裝填示意圖Fig.4 Wire mesh in cooling chamber

3 試驗方案設計及試驗測試系統

3.1 實驗方案

為了研究金屬絲網對燃氣的降壓、降溫效果，需要進行多次不同工況下試驗來對比分析。由于實際氣囊為芳綸/橡膠復合材料制成，不易獲得囊內燃氣數據，故設計等效體積的金屬儲氣罐用于試驗以獲得囊內燃氣壓力、溫度曲線。本文試驗根據燃氣發生器充氣對象分為2個部分：第一部分為燃氣發生器對金屬儲氣罐充氣試驗，第二部分為燃氣發生器對氣囊充氣試驗。

1)燃氣發生器對儲氣罐充氣試驗

試驗分為3種工況，試驗工況參數表如表2：① 降溫室內不含金屬絲網；② 降溫室內填充10 mm厚的30目金屬絲網；③ 降溫室內填充10 mm厚的100目金屬絲網。由電點火頭點燃點火藥后，主裝藥燃燒產生燃氣，經過低壓室后流入降溫室，最后向金屬儲氣罐充氣。在降壓室側面及儲氣罐尾部設置測壓點，通過壓力傳感器及數據采集器獲取降壓室及儲氣罐內燃氣壓力曲線。在儲氣罐尾部設置測溫點，通過壓力傳感器及數據采集器獲取降壓室及儲氣罐內燃氣壓力曲線。在儲氣罐尾部設置測溫點，通過熱電偶及數據采集器獲取儲氣罐內燃氣溫度曲線。通過對比分析不同工況下燃氣的壓力、溫度曲線獲取金屬絲網對燃氣的壓力、溫度影響。

2)燃氣發生器對氣囊充氣試驗

燃氣發生器充氣試驗分為3種工況，有關工況參數如表2所示。通過高速攝像機記錄燃氣發生器對氣囊充氣過程，觀測燃氣發生器實際充氣效果。

表2 燃氣發生器充氣試驗工況參數Tabel 2 Gas generator inflation test condition parameter table

3.2 試驗測試系統

本文試驗為研究金屬絲網對燃氣壓力、溫度的影響，需要分析燃氣進入儲氣裝置后的壓力、溫度變化規律并觀測燃氣發生器對氣囊的充氣過程。其中壓力數據通過KISTLER公司生產的KISTLER-601H型壓電式壓力傳感器及DEWE2500型多通道瞬態信號記錄儀獲得，溫度數據通過OMEGA公司生產的CO2-k型熱電偶及信號記錄儀獲得，氣囊充氣過程通過高速攝像機記錄。其中燃氣發生器對儲氣罐充氣試驗測試系統現場布置如圖5所示。

圖5 燃氣發生器對金屬儲氣罐充氣試驗現場布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of test site layout of gas generator inflating metal air storage tank

4 試驗結果分析

4.1 燃氣發生器對儲氣罐充氣試驗結果分析

圖6為儲氣罐內燃氣壓力曲線，壓力起始時間從點火時刻開始。由于儲氣罐為不銹鋼材質，且體積較大，燃氣流入儲氣罐后與儲氣罐換熱充分，因此存在一定的熱耗散，測量的壓力數據與溫度數據都比實際情況偏低。整體來看，在燃氣進入儲氣罐后，罐內壓力迅速升高。到達10 ms左右時，由于火藥已經基本燒完，燃氣流量減小，儲氣罐內壓力上升趨勢減緩，隨后由于降溫室與儲氣罐之間壓差逐漸減小，儲氣罐內壓力上升趨勢逐漸平緩。另外從圖中可以清晰看到，金屬絲網的存在使得儲氣罐內燃氣壓力上升較緩慢，同時儲氣罐內最高壓力降低。其中，金屬絲網使燃氣壓力降低的原因有兩點：① 流動受阻造成的慣性力損失；② 由于燃氣自身粘性力及金屬絲網結構造成的摩擦、渦旋、流體分離等粘性力損失。總體看來，在燃氣主要釋放期間(即點火之后的前30 ms)，無絲網時罐內最高壓力達到1.92 MPa，裝填30、100目金屬絲網時罐內最高壓力分別達到1.58 MPa、1.4 MPa。裝填30、100目金屬絲網時，罐內壓力在前30 ms時間段平均下降了22.1%、35.3%。

圖6 儲氣罐內壓力曲線Fig.6 Pressure curve in air tank

圖7為儲氣罐溫度曲線。同樣由于試驗存在熱耗散的原因，使得儲氣罐內燃氣溫度偏低。由于受到熱電偶響應時間的限制，該溫度曲線初始時刻從熱電偶采集到燃氣的溫度數據開始。從圖中可以看到，在0 ms溫度急劇上升，隨后趨于平緩。裝填有金屬絲網的儲氣罐內燃氣溫度整體低于沒有裝填金屬絲網的，且隨著孔隙率減小溫度曲線越平緩，最高溫度越低。這是由于燃氣在經過金屬絲網時，由于粘性力損失及慣性力損失造成部分能量損失，同時還有部分能量以直接以換熱的形式損耗。在燃氣主要釋放期間，無絲網時罐內最高溫度達到1 120 K，裝填30、100目金屬絲網時罐內最高溫度分別達到1 042 K、910 K。裝填30、100目金屬絲網時，罐內溫度在前30 ms平均下降10.0%、23.4%。

圖7 儲氣罐內溫度曲線Fig.7 Temperature curve in air storage tank

4.2 燃氣發生器對氣囊充氣試驗結果分析

為驗證裝填金屬絲網的燃氣發生器對氣囊的實際充氣效果，進行了不同工況燃氣發生器對氣囊充氣試驗。在3次試驗中，裝填100目金屬絲網的燃氣發生器對氣囊充氣效果良好，未發生破損。裝填30目金屬絲網及未裝填金屬絲網的燃氣發生器對氣囊充氣時，氣囊均出現破損漏氣現象。

圖8(a)為未裝填金屬絲網時燃氣發生器對氣囊充氣時照片，可以看到氣囊出現大量漏氣，氣囊比較干癟。比對圖9(a)的氣囊照片，可以看到充氣后氣囊出現了3處破損。圖8(b)為裝填30目金屬絲網時燃氣發生器對氣囊充氣時照片，可以看到氣囊出現部分漏氣。比對圖9(b)的氣囊破損照片，可以看到充氣后氣囊出現了一處破損。圖8(c)為裝填100目金屬絲網時燃氣發生器對氣囊充氣照片，可以看到氣囊未出現漏氣，充氣效果較良好。圖9(b)為試驗后氣囊照片，可以看到氣囊完好，未出現破損。

圖8 不同工況燃氣發生器對氣囊充氣試驗照片Fig.8 Photos of gas generator inflation test on airbag under different working conditions

圖9 不同工況試驗后氣囊照片Fig.9 Photos of airbag after test under different working conditions

5 結論

1)裝填不同金屬絲網后的燃氣發生器在對儲氣罐充氣過程中，儲氣罐內壓力、溫度都有不同程度的降低。其中，在燃氣主要釋放期間，裝填30目、100目金屬絲網的工況相較于未裝填絲網的，罐內壓力平均下降了22.1%、35.3%，罐內溫度平均下降了10.0%、23.4%。說明金屬絲網對燃氣具有良好的降壓、降溫效果，且金屬絲網目數越高，降壓、降溫效果越好。

2)在相同裝藥工況下，未裝填金屬絲網的燃氣發生器對氣囊充氣時，氣囊破損，出現大量漏氣，氣囊未能完全充氣展開；裝填30目金屬絲網的燃氣發生器對氣囊充氣時，氣囊也出現少量漏氣，同樣未能完全展開；裝填100目金屬絲網后的燃氣發生器對氣囊充氣效果良好，未出現漏氣。結果表明裝填金屬絲網后的燃氣發生器切實對燃氣有降壓、降溫的效果，能夠起到防止氣囊破損的作用。