密閉爆發器結構對點火器輸出壓力測試結果的影響?

王秋宇 劉 丹 唐 琴 竇天全

①四川藍獅科技有限公司(四川綿陽，621007)

②雅化集團綿陽實業有限公司(四川綿陽，621007)

引言

點火器是用于完成預定功能的一次性使用的元器件或裝置，是應用數量和種類較多的火工品。在接收發火指令后，以較小能量激發點火器內裝敏感藥劑，產生燃燒或爆炸，以燃燒火焰、爆炸沖擊波、高壓燃氣等輸出方式實現點火、起爆、做功。而該類火工品的性能考核是測試在一定密閉容腔內特定時間段內不同測點的輸出壓力。

點火器作為點火或做功用火工品，輸出峰值壓力和達到峰值壓力的時間是其重要指標之一。密閉爆發器是常用測試工裝。作為輸出壓力-時間曲線測試中的重要環節，密閉爆發器的容腔形狀、密封性等成為測試結果是否準確的關鍵。在火工品行業，現無相關標準或規范對該工裝結構設計進行規定。

本文中，研究常規點火器發火后在不同結構的密閉爆發器和不同測試點處的壓力-時間曲線，獲取壓力測試工裝對壓力-時間曲線的影響規律，為壓力測試工裝的結構尺寸設計提供參考[1-3]。

1 理論輸出壓力

對于已知裝藥量和裝藥密度的做功元件，可根據諾貝爾-阿貝爾方程推導出在特定密閉爆發器燃燒室總體積下的輸出壓力[3]:式中:pm為輸出峰值壓力，MPa；Δ為裝填密度，g/cm3；f為火藥力，kJ/g；α為余容；m為藥量，g；V0為密閉容積，cm3。

若已知火藥力、余容、密閉容積及裝藥量，則可根據式(2)求得理論輸出峰值壓力。

試驗用點火器裝藥為B/KNO3。采用兩級裝藥:第一級為管殼內壓裝，藥量(150.0±0.5)mg；第二級為?8 mm×4 mm藥柱，藥量(350.0±0.5)mg。總藥量為(500.0±1.0)mg。

根據火藥力和余容計算公式可以求得f和α[4]。在密閉容積5 cm3條件下，代入式(2)，得到0.5 g裝藥量下理論輸出峰值壓力為20.33 MPa。

2 試驗及結果分析

工程上，點火器產品以在特定密閉爆發器中的輸出峰值壓力和時間區間作為驗收指標。對于某些特定要求的產品，區間往往較窄(數MPa以內)。而特定的點火器的輸出峰值壓力、時間及分散性等參數會因測試所用的密閉爆發器(材料、燃燒腔室體積、長徑比、測點位置等)、傳感器(分辨率、靈敏度、量程等)及測試系統的不同而有所差異。不合適的密閉爆發器、傳感器會對產品的驗收造成較大困擾[2]。

使用KistlerTM6215型傳感器及配套電荷放大器，分辨力、靈敏度等參數滿足要求，量程選擇100 MPa。圖1為使用的密閉爆發器示意圖。Φ為燃燒腔室直徑；L1為燃燒腔室長度；L2為測點距離。在給定燃燒腔室體積為5 cm3前提下，設置2.0︰1.0、1.5︰1.0、1.0︰1.0及0.5︰1.0共4種長徑比，對應組別I、II、III、IV；設置2個位置的測點，1/2處A點和2/3處B點。每個測點位置對稱安裝2臺傳感器以消除傳感器本身對測試結果的影響。如圖2所示。

圖1 密閉爆發器示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed bomb

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of the sensor

測試系統主要由恒流電源、示波器(2臺)、電荷放大器(4臺)、傳感器(4臺)等組成，見圖3。1＃示波器和2＃示波器的a通道分別接收樣品的電阻、電壓信號，b通道和c通道分別接收不同測點的壓力信號。

圖3 試驗線路示意圖Fig.3 Schematic diagram of test circuit

將獲得的原始數據通過專業軟件進行數據處理，可以獲得點火延遲時間t1(通電至壓力起跳點時間)、達到峰值壓力時間t2(通電至達到壓力峰值時間)、各傳感器的峰值壓力(測點A處的峰值壓力pA1和pA2、測點B處的峰值壓力pB1和pB2)等結果，如圖4所示。

圖4 典型試驗結果Fig.4 Typical test results

峰值壓力和達到峰值壓力的時間以同一測點兩臺傳感器測試結果的平均值計，每種長徑比下分別測試20發。峰值壓力的測試結果見圖5；達到峰值壓力時間的測試結果見圖6。可以看出，長徑比由大到小時，A點測得的平均峰值壓力分別為19.83、19.74、19.63 MPa和18.86 MPa；B點測得的平均峰值壓力分別為18.78、18.62、18.29 MPa和17.88 MPa；均小于理論值(20.33 MPa)，且測點A處測得結果更接近理論值。平均峰值壓力和達到峰值壓力的平均時間均隨長徑比變小而降低。

圖5 峰值壓力測試結果Fig.5 Test results of peak pressure

圖6 達到峰值壓力時間測試的結果Fig.6 Test Results of time to reach peak pressure

式中:t為統計量；分別為第1組和第2組參

根據顯著性檢驗[5]，對峰值壓力和達到峰值壓力時間成組數據平均值進行比較:。量的算術平均值；S1、S2分別為第1組和第2組的標準差；n1為第1組樣本量。計算結果見表1。

表1 顯著性檢驗結果Tab.1 Significance test results

假設兩組之間無顯著性差異的否定域為｜t｜>tα。根據式(3)分別求出每組兩兩之間的t，然后根據f＝2(n1－1)、α＝0.05，查表得到tα[6]。當｜t｜>tα時，說明兩組樣本敏感參量發生了顯著性變化；反之，則無顯著性變化。

從表1可以看出，峰值壓力和達到峰值壓力時間兩兩顯著性檢驗，僅第IV組與其他3組有顯著性差異，其他3組兩兩檢驗無顯著性差異。

密閉爆發器并不是完全絕熱，根據熱傳導理論，散熱面積越大，燃氣熱量損失越嚴重，達到的峰值壓力越小。長徑比越小，燃燒腔室直徑越大，散熱面積越大，獲得的結果就越小。設置的2.0︰1.0、1.5︰1.0和1.0︰1.0長徑比下測得的峰值壓力和達到壓力峰值時間無顯著性變化，即上述3種長徑比對規定點火器的壓力峰值和達到壓力峰值時間無顯著性影響。長徑比1.0︰1.0測得的數據的標準差最小，即數據一致性最好。

考慮到實測數據與理論計算值之間的差異、各長徑比測得數據的顯著性檢驗結果和數據的離散性，推薦工程應用中選用1.0︰1.0長徑比的密閉爆發器，以保證產品質量一致性檢驗的穩定可靠。

1/2處測點獲得的結果比2/3處測點獲得的結果更靠近理論計算值，且數據離散性小；因此，推薦測點位置設在密閉爆發器長度方向的中點。

3 結論

為研究密閉爆發器長徑比和測點位置對輸出峰值壓力和達到峰值壓力時間的影響，設置了4種長徑比、2種測點的密閉爆發器，針對給定點火器開展相關研究，獲得結論如下:

1)長徑比對輸出峰值壓力和達到峰值壓力的時間有一定影響。具體表現為，隨著長徑比的減小，測得的平均峰值壓力和達到峰值壓力的平均時間均變小。

2)對于長徑比2.0︰1.0、1.5︰1.0和1.0︰1.0的密閉爆發器，測得的輸出峰值壓力和達到峰值壓力時間無顯著性變化。對于長徑比1.0︰1.0的密閉爆發器，測得的標準差最小，適合作為產品質量一致性檢驗用密閉爆發器的長徑比。

3)推薦密閉爆發器的測點設置在長度方向的中點處。