中心點(diǎn)火火焰在藥床中傳播規(guī)律的試驗(yàn)研究*

薛 紹，陶如意，王 浩，程申申

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094）

炮彈火藥床的點(diǎn)火和傳火是內(nèi)彈道過(guò)程中相當(dāng)復(fù)雜的一個(gè)階段，也是影響內(nèi)彈道性能穩(wěn)定的重要因素之一[1-3]。主裝藥的引燃情況和力學(xué)結(jié)構(gòu)與點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物在藥床中的傳播過(guò)程息息相關(guān)，主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面，即：主裝藥的點(diǎn)火一致性主要受點(diǎn)火藥燃?xì)獾膫鞑ニ俣鹊挠绊懀蔷鶆螯c(diǎn)火易造成膛內(nèi)壓力波動(dòng)[4-6]；主裝藥的力學(xué)結(jié)構(gòu)受點(diǎn)火壓力的影響，大的點(diǎn)火沖擊易造成發(fā)射藥的破碎，這種情況對(duì)發(fā)射安全性是致命的[7-9]。因此，研究點(diǎn)火能量在藥床中的傳播規(guī)律，對(duì)于精確的內(nèi)彈道建模和發(fā)射安全性至關(guān)重要。

近年來(lái)，針對(duì)炮彈火藥床的點(diǎn)火和傳火過(guò)程的研究成果已有很多。王浩等[10]利用光導(dǎo)纖維測(cè)量技術(shù)，對(duì)點(diǎn)火管內(nèi)火焰的傳播過(guò)程進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了火焰陣面落后于壓力陣面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象。王珊珊等[11-12]建立了點(diǎn)火管和中心管雙一維兩相流模型，分析了點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火藥量對(duì)點(diǎn)傳火的影響。韓博等[13]設(shè)計(jì)了一種大口徑火炮發(fā)射裝藥點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)裝置，用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳火階段膛內(nèi)各物理參量，為大口徑火炮裝藥點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及火炮射擊試驗(yàn)初期的安全評(píng)估提供指導(dǎo)。程誠(chéng)等[14]對(duì)某大口徑火炮內(nèi)彈道膛內(nèi)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了二維兩相流數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了火藥床燃燒及彈丸推進(jìn)過(guò)程中膛內(nèi)流場(chǎng)特性。Miura 等[15]和Jang 等[16]對(duì)粒狀裝藥火炮內(nèi)彈道膛內(nèi)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，顆粒藥床的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起壓力波動(dòng)，而壓力波動(dòng)的大小取決于點(diǎn)火管的孔徑和孔間距。Jenaro 等[17]利用小波分析方法研究了點(diǎn)火階段膛內(nèi)壓力波問(wèn)題。Jaramaz 等[18]利用可視化玻璃纖維管點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)裝置，研究了底部點(diǎn)火條件下藥床的點(diǎn)火和燃燒情況。Colletti 等[19]利用惰性推進(jìn)劑、光學(xué)探測(cè)器及X 射線能量攝像儀等設(shè)備，對(duì)火炮點(diǎn)火系統(tǒng)中典型的點(diǎn)火器射流的侵徹特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并建立了點(diǎn)火器射流產(chǎn)物在粒狀藥床中的軸向和徑向的穿透深度數(shù)學(xué)模型。以上研究著重于火藥床的燃燒和流動(dòng)過(guò)程，大多將發(fā)射藥的燃燒同時(shí)考慮在點(diǎn)傳火過(guò)程中，而對(duì)點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物在藥床中的傳播規(guī)律研究較少。現(xiàn)代火炮武器多以中大口徑為主，點(diǎn)火系統(tǒng)多為底火加中心點(diǎn)火管的方式，裝藥結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣化，因此開(kāi)展對(duì)中心點(diǎn)火管點(diǎn)火藥火焰在不同藥床結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律研究是十分必要的。

本文中，設(shè)計(jì)可視化點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展對(duì)不同點(diǎn)火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)火管點(diǎn)傳火試驗(yàn)，獲得膛內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゼ皦毫ψ兓^(guò)程，建立火焰?zhèn)鞑?shù)學(xué)模型。

1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由模擬試驗(yàn)裝置和多通道測(cè)試系統(tǒng)組成，模擬試驗(yàn)裝置為火藥的點(diǎn)傳火及燃燒提供場(chǎng)所，采用透明材料制造的燃燒室有利于對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行直觀觀察，多通道測(cè)試系統(tǒng)由高速圖像采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)器和瞬態(tài)壓力記錄儀組成，在點(diǎn)火的同時(shí)測(cè)試記錄燃燒室內(nèi)的物理參數(shù)和現(xiàn)象，其工作流程如圖1 所示。

圖1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Flow chart of the simulation experimental system

1.1 可視化模擬試驗(yàn)裝置

可視化模擬試驗(yàn)裝置是研究點(diǎn)火火焰在藥床內(nèi)傳播的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，由點(diǎn)火系統(tǒng)、玻璃纖維管燃燒室、保護(hù)殼體、泄壓系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。圖2 中P1～P3為測(cè)壓孔，這3 個(gè)測(cè)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(zhǎng)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(shè)計(jì)最高承壓30 MPa，在其管壁上開(kāi)有3 個(gè)測(cè)壓孔，用于監(jiān)測(cè)燃燒室內(nèi)的壓力變化。

點(diǎn)火系統(tǒng)為自密封結(jié)構(gòu)，采用電底火加中心點(diǎn)火管的點(diǎn)火結(jié)構(gòu)，可多次重復(fù)使用。點(diǎn)火管為金屬材質(zhì)，在其壁面開(kāi)有3 列傳火孔（共18 個(gè)），如圖3 所示，點(diǎn)火管全長(zhǎng)a=250 mm，首孔高度b=130 mm，點(diǎn)火孔間距c=18 mm，點(diǎn)火孔直徑d=6 mm，點(diǎn)火管內(nèi)徑D=19 mm。

圖3 中心點(diǎn)火管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the central ignition tube

保護(hù)殼體為鋼結(jié)構(gòu)，為玻璃纖維管提供結(jié)構(gòu)保護(hù)，其兩端分別安裝點(diǎn)火系統(tǒng)和泄壓系統(tǒng)，在其正面開(kāi)有長(zhǎng)400 mm、寬120 mm 的矩形窗口，通過(guò)窗口可直接觀察記錄玻璃纖維管燃燒室內(nèi)火藥燃燒和火焰?zhèn)鞑デ闆r。

泄壓系統(tǒng)采用爆破膜泄壓方式，可進(jìn)行5 MPa 以下的不同破孔壓力點(diǎn)傳火試驗(yàn)。該泄壓系統(tǒng)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(cè)試系統(tǒng)

多通道測(cè)試系統(tǒng)由德國(guó)工業(yè)設(shè)備公司IABG 生產(chǎn)的DEWE-2500 型瞬態(tài)壓力記錄儀、瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的壓電式壓力傳感器、同步觸發(fā)器及高速圖像采集系統(tǒng)組成，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4 所示。同步觸發(fā)器同時(shí)連接高速圖像采集系統(tǒng)、瞬態(tài)壓力記錄儀及點(diǎn)火系統(tǒng)，給予系統(tǒng)觸發(fā)零點(diǎn)，方便后續(xù)試驗(yàn)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)分析，高速圖像采集系統(tǒng)以10000 s?1的頻率對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程進(jìn)行記錄，高頻率可最大限度地記錄藥床中火焰的傳播過(guò)程。

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置Fig. 4 Arrangement of the test site

2 試驗(yàn)方案與實(shí)施

試驗(yàn)共有5 種方案，統(tǒng)一采用3#電底火，中心點(diǎn)火管中的點(diǎn)火藥為2#小粒黑。仿真發(fā)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(fā)射藥外形尺寸和密度與24/19 發(fā)射藥相近，具有一定的強(qiáng)度，試驗(yàn)中不產(chǎn)生形變，為研究不同裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)傳火特性提供技術(shù)保證。仿真發(fā)射藥裝藥結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度為16 mm，桿狀藥長(zhǎng)度為160 mm。為降低偶然誤差，每種方案重復(fù)進(jìn)行2 次試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 不同裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 5 Different charging configurations

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

3 結(jié)果與分析

可視化區(qū)域點(diǎn)火火焰在藥床傳播過(guò)程如圖6 所示：點(diǎn)火過(guò)程由電底火擊發(fā)開(kāi)始，對(duì)應(yīng)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(nèi)形成高溫燃燒產(chǎn)物區(qū)，隨后點(diǎn)燃中心傳火管中的黑火藥，當(dāng)傳火管內(nèi)外壓差大于內(nèi)襯紙的破孔壓力時(shí)，火焰進(jìn)入藥床，對(duì)應(yīng)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(yīng)小，在很短的時(shí)間內(nèi)火焰到達(dá)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(biāo)零點(diǎn)，右邊界為火焰位置正向邊界。由于主裝藥為仿真發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)合高速圖像采集系統(tǒng)中的像素點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算讀取火焰位置。

圖6 不同試驗(yàn)方案火焰?zhèn)鞑バ蛄姓掌現(xiàn)ig. 6 High-speed photography of flame spreading through propellant charge in different cases

3.1 出火時(shí)間

出火時(shí)間tc為從點(diǎn)火擊發(fā)開(kāi)始至窗口內(nèi)第1 次出現(xiàn)火焰的時(shí)間，能夠反映中心點(diǎn)火管內(nèi)的傳火性能，該值越小，說(shuō)明中心點(diǎn)火管內(nèi)的傳火越通暢，點(diǎn)火延時(shí)越短。方案1、3、5 的點(diǎn)火藥量為20 g，火焰在0.6 ms 左右出現(xiàn)；而方案2 和4 的點(diǎn)火藥量為30 g，火焰在1.5 ms 才出現(xiàn)，較20 g 點(diǎn)火藥量的火焰出現(xiàn)時(shí)間晚了0.9 ms。這說(shuō)明：中心點(diǎn)火管內(nèi)裝藥量越大，管內(nèi)傳火速度并非越快，反而有所降低，延長(zhǎng)了出火時(shí)間。這是由于高的裝填密度導(dǎo)致中心點(diǎn)火管內(nèi)的傳火通道不暢，阻礙管內(nèi)氣體流通，進(jìn)而影響黑火藥的全面點(diǎn)燃，造成點(diǎn)火延時(shí)。因此，合理的點(diǎn)火藥量對(duì)降低點(diǎn)火延時(shí)影響顯著，通過(guò)對(duì)不同方案出火時(shí)間的對(duì)比分析可以優(yōu)選點(diǎn)火藥量。

3.2 傳火時(shí)間

傳火時(shí)間tt=tL+tR（tL為火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口左邊界所用的時(shí)間，tR為火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口右邊界所用的時(shí)間，tt即為火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€(gè)窗口的時(shí)間），其大小能夠說(shuō)明藥床內(nèi)傳火性能的好壞，tt的值越小，說(shuō)明傳火通道暢通，主裝藥被點(diǎn)燃的瞬時(shí)性越好。tt的值越大，說(shuō)明主裝藥結(jié)構(gòu)不合理，傳火通道不暢，主裝藥被點(diǎn)燃的瞬時(shí)性也越差，燃燒室內(nèi)易出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)。不同方案?jìng)骰饡r(shí)間見(jiàn)表2，由表2 可知，主裝藥同為桿狀發(fā)射藥且裝填密度相同的方案1 和方案2，傳火時(shí)間分別為2.4 和2.0 ms，平均傳火時(shí)間為2.2 ms。而主裝藥同為粒狀發(fā)射藥且裝填密度相同的方案3 和方案4，傳火時(shí)間分別為3.6 和3.2 ms，平均傳火時(shí)間為3.4 ms。方案1 和3、方案2 和4 點(diǎn)火藥量相同，分別為20 和30 g，而傳火時(shí)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(shù)據(jù)表明，桿狀藥床比粒狀藥床的傳火時(shí)間短，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤@是由于粒狀藥床相間阻力大，降低了火焰速度。同時(shí)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(diǎn)火藥量分別由20 g 增加至30 g，傳火時(shí)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(shù)據(jù)顯示，點(diǎn)火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時(shí)間均降低0.4 ms，說(shuō)明點(diǎn)火藥量對(duì)主裝藥的傳火時(shí)間也有影響。方案1 和2 的tL分別為0.8 ms 和0.6 ms，點(diǎn)火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時(shí)間降低0.2 ms，而方案3 和4 的tL都為1.0 ms，點(diǎn)火藥量的增加并未影響傳火時(shí)間，這是由于粒狀藥床的阻力較大，點(diǎn)火藥量對(duì)傳火速度的影響在短距離內(nèi)未得到明顯的展現(xiàn)。對(duì)比方案1 和5，火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口左邊界都用了0.8 ms，這是由于在此區(qū)域兩者都為桿狀裝藥床，藥床阻力相同，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蚕嗤６鹧鎻某霈F(xiàn)位置傳播到窗口右邊界，方案5 所用時(shí)間卻比方案1 長(zhǎng)了0.5 ms，這是由于火焰?zhèn)鞑ブ亮钏幋参恢米枇ψ兇蟆鞑ニ俣冉档汀Ｍㄟ^(guò)對(duì)不同方案?jìng)骰饡r(shí)間的分析可以優(yōu)選主裝藥結(jié)構(gòu)。

表2 各方案?jìng)骰饡r(shí)間Table 2 Flame speeding time of each case

3.3 傳火數(shù)學(xué)模型

方案1、3、5 的點(diǎn)火藥量均為20 g，而主裝藥結(jié)構(gòu)各不相同。各方案火焰?zhèn)鞑ノ恢秒S時(shí)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(dá)粒狀裝藥區(qū)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(jù)火焰位置點(diǎn)，利用一階指數(shù)衰減函數(shù)：擬合建立火焰面位置隨時(shí)間變化的函數(shù)，函數(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。通過(guò)擬合建立的點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度均大于0.98，采用建立的火焰?zhèn)鞑?shù)學(xué)模型可精確開(kāi)展內(nèi)彈道建模。

表3 方案1、3、5 火焰?zhèn)鞑ノ恢煤瘮?shù)擬合系數(shù)Table 3 Exponential decay function coefficients in cases 1, 3 and 5

圖7 方案1、3、5 火焰?zhèn)鞑ノ恢肍ig. 7 Flame positions along the propellant chamber during charge ignition of cases 1, 3 and 5

3.4 壓力

各方案測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3處測(cè)得的壓力曲線如圖8 所示。從圖8 中可以看出，測(cè)點(diǎn)P1、P2處壓力的增長(zhǎng)趨勢(shì)相近，這是由于P1、P2兩測(cè)點(diǎn)相對(duì)傳火管的位置對(duì)稱，感受到的壓力也相近。各方案的最高壓力和破膜壓力見(jiàn)表4，表中顯示最高壓力受點(diǎn)火藥量的影響，20 g 的點(diǎn)火藥（方案1、3、5）最高壓力為2.5 MPa左右，30 g 的點(diǎn)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(shuō)明系統(tǒng)采用的爆破膜泄壓系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。對(duì)比不同裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線發(fā)現(xiàn)，桿狀裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線較光滑，未見(jiàn)明顯的波動(dòng)，而粒狀裝藥和桿粒混裝結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)不同程度的壓力波動(dòng)區(qū)，如圖8 中標(biāo)識(shí)區(qū)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(xiàn)象，膛內(nèi)易形成壓力波動(dòng)。通過(guò)分析對(duì)各方案燃燒室內(nèi)壓力，可洞悉壓力波動(dòng)形成的原因，提高發(fā)射安全性。

圖8 各方案P1、P2、P3 測(cè)點(diǎn)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(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是一套集多項(xiàng)技術(shù)于一體的完整的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行不同點(diǎn)火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)傳火試驗(yàn)。可視化的燃燒室將火焰的傳播過(guò)程直觀展現(xiàn)，為點(diǎn)傳火過(guò)程的研究提供新方法，結(jié)合多通道測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)出火時(shí)間、傳火時(shí)間、火焰?zhèn)鞑ノ恢眉叭紵覂?nèi)壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，從而對(duì)不同點(diǎn)火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)傳火的一致性、瞬時(shí)性、均勻性等進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，進(jìn)而優(yōu)選點(diǎn)火藥量、優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，建立火焰?zhèn)鞑ツＰ停瑸榫_開(kāi)展內(nèi)彈道建模、提高發(fā)射安全性提供參考。還可以減少?gòu)椀涝囼?yàn)次數(shù)，有效縮短研究周期，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（2）較大的點(diǎn)火藥量使出火時(shí)間延長(zhǎng)，單一桿狀裝藥床傳火性能優(yōu)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(nèi)出現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象。火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程符合一階指數(shù)衰減函數(shù)，擬合建立的點(diǎn)傳火火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度大于0.98。