点火具点火射流蚀剥作用对底排药柱燃烧特性的影响*

张领科，周彦煌，余永刚，陆 欣，刘东尧

（南京理工大学动力工程学院，江苏 南京 210094）

点火具点火射流蚀剥作用对底排药柱燃烧特性的影响*

张领科，周彦煌，余永刚，陆 欣，刘东尧

（南京理工大学动力工程学院，江苏 南京 210094）

为了研究底排点火具射流蚀剥作用对底排药柱碎块脱落情况及其燃烧性能的影响，采用半密闭爆发器实验装置模拟底排弹出膛口瞬态卸压工况，借助高速录像记录点火具点火与底排药柱燃烧的序列图像。建立底排药柱在半密闭爆发器燃烧的数学模型，计算分析了不同碎块脱落质量引起的平均压力、质量流率和燃烧时间的变化情况。研究结果表明：蚀剥作用发生在点火具点火初期，导致脱落的底排药剂碎块来不及燃烧；蚀剥作用主要是强点火射流对底排药柱侵蚀与冲击造成的；碎块总量约占底排药柱初始质量的7%～9%，严重影响点火和燃烧的一致性。计算结果与实验值吻合较好。

爆炸力学；点火射流；蚀剥作用；底排药柱

1 引 言

实验发现，底排弹在出膛口的瞬间，存在严重的底排药柱碎裂、脱落现象。引起底排药柱碎块脱落的可能因素很多：一方面，在膛内高温、高压火药气体作用下，底排弹在加速运动过程中承受的过载较大（平均约5×104g），导致底排药柱严重变形和局部碎裂；另一方面，底排弹出膛口后，底排装置内的底排药柱将经历瞬态卸压－燃烧失稳－熄灭－二次点火－复燃的强非稳态燃烧过程［1－2］，导致底排点火具对底排药柱进行二次点火的初期，点火射流对药柱表面产生强烈的冲击作用，造成底排药柱局部发生粘合剂失效、碎裂，致使部分底排药剂碎块还未来得及燃烧而脱落，并随射流飞出底排装置，这种现象称为点火射流的蚀剥作用。

本文中采用半密闭爆发器实验装置，模拟底排弹出膛口瞬态的卸压过程；借助高速录像系统研究底排点火具射流对底排药柱蚀剥作用引起的碎块脱落情况。通过建立底排药柱在半密闭爆发器燃烧的数学模型，计算分析不同脱落碎块质量引起装置内平均压力、质量流率和燃烧时间的变化情况。

2 模拟实验

2.1 实验装置和设备

实验装置和设备主要有半密闭爆发器、脉冲点火器、压力传感器、电荷放大器、压力采集系统、高速录像系统、计算机等。实验及测试系统连接如图1所示，半密闭爆发器结构及装药如图2所示。

2.2 实验方法

选用某制式底排药柱，其质量为1.085kg，结构与尺寸如图3所示。选用正面6孔型底排点火具，共2种，分别为A型和B型，其外观如图4所示。A型和B型的主要区别是点火药剂成分不同，A型点火具主要由2种点火药剂混合压制而成，且含有较多的重金属粒子；B型点火具为单一点火药剂压制而成，其金属粒子含量与A型点火具相比略少。

主装药室内装有4／7发射药80g，点火药包为2g硝化棉，黄铜剪切片直径58mm，厚4.5mm，一面刻有深0.5mm的V型预制槽，剪切片放置时将留有预制槽的一面朝上。实验时首先由脉冲点火器点燃点火药包，再由点火药包将主药室中的4／7发射药点燃，使主药室压力和温度迅速上升，烧穿纸垫片并将点火具点燃。当压力上升至约50MPa时，黄铜膜片被剪切开，主药室与底排药室的压力迅速降至环境压力（约0.1MPa），从而达到模拟底排弹出炮口时底排装置内高速瞬态卸压工况的目的。采用高速录像系统记录点火具点火及底排药柱燃烧的全过程，用来分析点火射流对底排药柱的蚀剥作用。

图3 底排药柱结构尺寸图Fig.3 Structure and dimension diagram of base bleed propellant

图4 底排点火具Fig.4 Igniter of base bleed

2.3 实验结果

高速录像系统分别记录了A型和B型点火具实验中从膜片打开－药柱全面着火－稳定燃烧－结束的关键图像序列。因射流的发展除了在时间上有些差别外，药柱燃烧特征基本相同，这里仅列出A型点火具实验时的部分关键图像，如图5所示（括号内为B型点火具实验对应时间）。实验结束后，均在半密闭爆发器附近捡到了未来得及燃烧而脱落并随射流喷出的底排药剂碎块，分别如图6、7所示。

由图5可以看出，当t＝0时，半密闭爆发器膜片打开，主装药燃烧瞬间生成大团火焰；直到t＝8ms时，点火具才着火且火焰逐渐发展充分，火焰呈剧烈串状驻定激波；随后由于点火具作用，底排药柱不断热分解并在喷口上方聚集大量能量，当t＝160（184）ms时，导致热分解气体的爆燃，同时点火具逐渐熄灭；点火具熄灭约640（32）ms后，从t＝800（256）ms开始，底排药柱着火、燃烧，并逐渐发展稳定、全面燃烧。仔细观察全部序列图片，均未发现在底排药柱燃烧过程中有碎片随火焰飞出。如图6所示，捡到的A型点火具蚀剥碎块中，有3个体积较大的碎块（均带有阻燃层）、阻燃层皮和较小碎片，碎块总质量为96.5g，约占底排药柱初始质量的8.9%，3个体积较大的碎块质量分别为23.4、19.7和17.1g。仔细观察碎片的表面形态，均很新鲜，还未来得及燃烧，脱落位置应为靠近喷口附近的底排药柱。如图7所示，捡到的B型点火具蚀剥碎块体积均较大（部分带有阻燃层），小碎片较少。所有碎块总质量为74.6g，约占底排药柱初始质量的6.9%，3个体积较大的碎块质量分别为21.3、18.9和16.6g。碎块表面形态和脱落位置与A型点火具的相同。

图5 A型点火具实验关键图像序列Fig.5 Key images of A-type igniter experiment

2.4 比较分析

通常在底排药柱旋转中止燃烧实验中，发现底排药柱表面存在严重的烧蚀现象。烧蚀现象主要是由于高速旋转产生的离心作用下，点火射流中高动能的重金属粒子对底排药柱表面产生强烈的冲刷作用以及底排药柱局部粘附的高温重金属粒子产生的侵蚀作用，造成药面局部区域温度过高而加速燃烧，在药柱内圆弧面形成大小不等的“坑”，随后“坑”越烧越大，以致扩张成“沟槽”［3－4］。通过观察捡到的碎块形态特征，不难发现点火具对底排药柱的蚀剥作用主要可能是在点火初期，由于较强的点火具射流对底排药柱前端的强烈侵蚀、冲击作用，加剧底排药剂局部快速热传递和不均匀受力，致使局部粘合剂失效，导致部分底排药剂还未来得及着火而松动、剥落并随射流飞出。

比较蚀剥作用与烧蚀作用发现：（1）从发生时间上看，前者发生在点火具射流对底排药柱点火初期，底排药柱还未来得及着火燃烧；后者发生在点火具对底排药柱点火和底排药柱燃烧的全过程。（2）从碎块特征上看，前者引起的脱落碎块体积较大，部分表面还带有阻燃层，表面颜色新鲜且形态不规则，主要由射流冲击撕裂所致；后者引起的脱落碎块由热分解不均所致，往往体积很小，在飞出过程中已燃烧殆尽。（3）从形成后果上看，2种作用在一定程度上破坏底排药柱平行层燃烧特性，加剧燃烧的不一致性；减少底排药柱的质量与能量，削弱减阻效果；导致底排装置工作的不一致性，增大底排弹的射程散布。

图6 A型点火具蚀剥碎片Fig.6 Fragments due to A-type igniter

图7 B型点火具蚀剥碎片Fig.7 Fragments due to B-type igniter

3 数值模拟

3.1 基本假设

为便于建立半密闭爆发器内底排药柱燃烧规律模型，特提出如下基本假设：（1）燃气的温度保持常量，且其化学组分与热力学特性保持不变；（2）将燃气视为理想气体，满足理想气体状态方程，不考虑凝聚相的影响；（3）燃气在半密闭爆发器喷口的流动为一维等熵定常流；（4）底排药柱燃烧服从平行层燃烧规律和指数燃烧定律；（5）忽略底排药室喷口流动的影响，认为底排药室与主装药室压力相等；（6）忽略烧蚀性对底排药柱表面燃烧的影响；（7）底排药柱点火不考虑点火延迟，即瞬间达到稳定全面燃烧；（8）脱落碎块按质量折算为某一长度Δl的底排药柱，并假定从底排药柱前端瞬间脱落；（9）底排药柱前端面、弧面及狭缝侧面同时着火燃烧，且燃速相同。

3.2 底排药柱燃烧模型

基于上述假设，建立的半密闭爆发器内底排药柱燃烧模型［5］如下

式中：p为半密闭爆发器内平均压力，R为气体常数，T为底排药剂燃气爆温，k为燃气爆温比热比，r为底排药柱内径，c为底排药柱狭缝宽，l为底排药柱长，ρp为底排药柱密度，ρg为燃气密度，m·为质量流率，n为底排药柱狭缝数量，S1为弧面面积，S2为狭缝面积，S3为端面面积，Se为喷口截面积，V为半密闭爆发器自由容积，pb为背压，取环境压力。

3.3 计算结果

计算参数：底排药柱密度ρp＝1.37t／m3；燃气密度ρg＝934g／m3；气体常数R＝401.1；燃气爆温T＝1 812K；药柱初始内径r1＝21.5mm；药柱外径r2＝60mm；药柱长度76mm；初始压力p0＝102.5kPa；底排药室初始自由容积V0＝95.5cm3；喷口截面积Se＝11.9cm2。

以往实验数据表明，底排药柱在不旋转情况下的燃烧时间均在29～32s之间，假设底排药柱不存在蚀剥作用造成的碎片脱落时完全燃烧时间为31s，以此为基础进行数值计算，分析碎块脱落质量的不同对底排药柱燃烧特性的影响。取脱落碎块的质量Δm＝0，20，40，60，80，100g共6种情况，计算的底排药柱燃烧时间分别为t＝30.74，30.76，30.79，30.81，30.83，30.85s。不同情况计算出的半密闭爆发器内平均压力－时间曲线与质量流率－时间曲线分别如图8、9所示。

由图8可以看出，随着脱落碎块质量的增加，半密闭爆发器内压力不断降低，最大平均压力变化率为16.54Pa／g。由图9可以看出，同样随着脱落碎块质量的增加，喷口处的燃气质量流率也呈下降趋势，最大质量流率变化率为0.052 7s－1。由底排外弹道理论可知，底排弹减阻率正比于质量流率，质量流率的减小，势必影响减阻的效果，导致增大射程散布。从而根据所计算的底排药柱的燃烧时间可知，脱落碎块质量引起的燃烧时间变化率为1ms／g，即每脱落碎块1g，底排药柱燃烧时间将增加1ms。由上述实验结果可知，A型点火具实验对应底排药柱脱落碎块质量mA＝96.5g，燃烧时间tA＝29.18s；B型点火具实验对应底排药柱脱落碎块质量mB＝74.6g，燃烧时间tB＝29.16s。从而得mA－mB＝21.9g，tA－tB＝20ms，由此可见计算结果与实验结果吻合。

图8 压力曲线Fig.8 Curves of pressure

图9 质量流率曲线Fig.9 Curves of mass flow rate

4 结 论

通过模拟实验研究了底排点火具射流对底排药柱的蚀剥作用，蚀剥作用的存在将会导致靠近喷口附近的底排药柱在点火射流侵蚀、冲击作用下局部碎裂并致使碎块未来得及燃烧而脱落，脱落碎块质量约占底排药柱总质量的7%～9%。通过建立半密闭爆发器内底排药柱燃烧的数学模型，计算分析了不同碎块脱落质量对内部平均压力随时间的变化趋势和质量流率随时间的变化趋势的影响，数值模拟结果与实验结果基本吻合。与烧蚀作用相比较而言，蚀剥作用对底排弹射程散布影响更大。因此，在工程中要采取适当的措施对蚀剥作用加以限制，以提高底部排气弹射程密集度。

［1］陆春义，周彦煌，余永刚，等.底排装置在压力跃变条件下的燃烧控制［J］.弹道学报，2007，19（1）：37-40.

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［2］陆春义，周彦煌，余永刚.底排点火具在高降压速率下瞬态燃烧特性的实验研究［J］.含能材料，2008，16（5）：629-632.

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PAN Gong－pei，LI Yi，ZHANG Yan-qing.Ignition test for base bleed grain consisting AP／HTPB［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2001，9（2）：77-79.

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WANG Jian，MA Hong-wei，ZHANG Yan-qing.Ignition ＆combustion study for base bleed grain［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2004，24（2）：40-43.

［5］郭锡福.底部排气弹外弹道学［M］.北京：国防工业出版社，1995.

Effects of encroachment and desquamation of ignition jet on combustion property of base bleed propellant＊

ZHANG Ling-ke，ZHOU Yan-huang，YU Yong－gang，LU Xin，LIU Dong－yao
（Power Engineering College，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，Jiangsu，China）

To investigate the case of fragments dropping and combustion property changing of base bleed propellant grain resulting from the effect of encroachment and desquamation caused by the jet of ignition，the semi-closed bomb was used to simulate the stage of rapid depressurization after base bleed projectile flight out of the nozzle.The serial images of ignition and combustion of base bleed propellant grain were recorded by means of high speed video system.The mathematic model of combustion of base bleed propellant in the semi-closed bomb was built.The changes of average pressure，mass flow rate and combustion time for different quality of total fragments were calculated and analyzed.The study results are as follows：The phenomenon of encroachment and desquamation happen at initial stages of ignition；The fragments are desquamated from the part of base bleed propellant grain not being ignited；The effect of encroachment and desquamation is caused by the encroachment and impact of ignition jet；The mass of all fragments is（7－9）percent of the initial mass of the base bleed propellant；The action of encroachment and desquamation affects seriously the consistencies of ignition of igniter and combustion of base bleed propellant grain.The calculation results agree well with the experimental results.

mechanics of explosion；ignition jet；encroachment and desquamation；base bleed propel-lant grain

18August 2009；Revised 29October 2009

ZHANG Ling-ke，nustzlk＠126.com

（责任编辑 曾月蓉）

O389 国标学科代码：130·35

A

2009-08-18；

2009-10-29

南京理工大学自主科研专项计划项目（2010GJPY023）

张领科（1978— ），男，博士，讲师。

1001-1455（2010）06-0658-06