桥丝式电点火头发火能量的输出形式

韩体飞，邬敦杰，张 晔，张 彦



桥丝式电点火头发火能量的输出形式

韩体飞，邬敦杰，张 晔，张 彦

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南，232001）

采用高速摄像与激光纹影技术研究桥丝式点火头在电容放电作用下的能量输出形式，并观测点火头点燃延期体的动态过程。结果表明，电容放电作用后，桥丝形成气化热能，周围介质受热形成高温热流，桥丝断开后的高压放电和药剂爆燃共同作用形成弱冲击波，每种能量形式在无限空间内各向同性，各能量形式间速度不同；点火头点燃延期体过程中，先行弱冲击波的反射使高温流场在某一平衡位置振荡，延迟移向被点火面，炽热燃烧物受弱冲击波反射的影响小。

桥丝式电点火头；燃烧；高速摄像；激光纹影技术

桥丝式电点火头是在点火头中通入电流使桥丝发热，通过桥丝加热周围的火工药剂，在温度达到一定值时，药剂积累了足够的能量，因此发生强烈化学反应从而放出热量和气体作功[1]。对于这一过程的研究，许多学者做了很多工作。成一[2]等人主要研究了影响电点火头发火时间的主要因素。曹建华等人[3]建立了直流和电容放电方式下桥丝升温模型、药剂升温模型及数值求解算法。王鹏[4]、龙兵[5]等人主要研究计算了电点火头的点火温度。张玉令等人[6]根据传热学理论，对桥丝药剂界面的接触状况进行研究。

诸多研究主要针对桥丝式电点火头发火理论方面，而电点火头作为过渡元件用于点燃下一序列，其能量的输出形式及点火作用过程的研究却未见报道。本文采用高速摄影与激光纹影技术，对电点火头发火过程及流场进行观察，揭示其能量输出形式；并模拟雷管气室，观察雷管气室内部点火的动态过程。

1 实验部分

1.1 实验材料

未蘸药剂的电点火元件由塑料塞、脚线、桥丝组成，桥丝为康铜合金丝；电点火头药剂主要成分为：苦味酸钾、高氯酸钾、硫化锑。电点火头点燃延期体模型如图1所示，通过加热软化有机玻璃管使点火头和铅芯延期体固定密封在有机玻璃管中，模拟电雷管气室环境。

图1 测试样品

1.2 高速纹影实验系统

高速纹影实验系统主要由高速相机和激光纹影仪组成。高速相机为日本NAC公司生产的HX-3摄像机，该相机前置镜头为Nikon系列镜头,相机内存为16Gb，拍摄频率最高可达到1 300 000帧/s，满幅分辨率2 560×1 920下可达2 000帧/s。采用高速纹影实验系统测试未蘸药剂的桥丝在电容放电下发火的动态过程，以及电点火头的发火动态过程，拍摄频率为50 000帧/s；利用高速相机直接拍摄在电容放电下桥丝和电点火头的发火过程及点火头点燃延期体的过程，拍摄频率为100 000帧/s。

2 实验结果及分析

2.1 桥丝式电点火元件能量输出的动态过程

图2为桥丝发火过程的高速纹影图。图2中时间为名义时间，以出现燃烧亮光的前一幅图片作为初始时间（以下所标时间方法相同）。由图2可见，电容放电后，桥丝接受瞬间的能量后升温，20μs时刻桥丝开始气化，形成光亮，同时向周围辐射能量形成高温热流，既图2中Y-1。随后，不断气化的桥丝断开，光亮明显，产生尖端放电现象。此时，桥丝周围介质电离，形成高温热流向周围传播，同时产生弱冲击波，既图2中Y-2。40μs时刻出现与高温热流分离的弱冲击波阵面。由于冲击波阵面后的负压作用，高温热流受压变小；至140μs时桥丝气化趋于完全，亮点逐渐暗淡，而弱冲击波在传播过程中迅速衰减为音波，高温热流向四周扩散，1~3ms为扩散中的高温热流，既图2中Y-3。

图2 桥丝发火过程的高速纹影图

图3为桥丝发火的高速摄像图。由图3可见，10μs时刻桥丝瞬间气化形成较强的亮光，20~40μs断开的桥丝尖端放电，亮光增强，80μs时亮光开始减弱，桥丝逐渐气化；100μs以后，发光的桥丝逐渐暗淡，并形成“云团”状发光区，缓慢消失。

图3 桥丝发火过程的高速摄像图

2.2 桥丝式电点火头能量输出的动态过程

电容放电后电点火头的发火过程高速纹影如图4所示。

图4 电点火头发火过程的高速纹影图

由图4可见，20μs时刻，从内到外分别是桥丝气化及接触的薄层药剂爆燃形成的炽热燃烧物、其加热周围介质形成的高温热流区及弱冲击波阵面，3个区域没有分离。由于药头对桥丝的包裹以及桥丝能量向药剂及周围环境的传递，使光亮相对桥丝发火时明显减弱，而弱冲击波阵面较为明显。40μs时，这3个区域分布明显，冲击波与高温热流区完全脱离，炽热燃烧物逐渐缩小变暗，此时高温热流成为主要的能量输出形式；随后，由于冲击波阵面后的膨胀产生的负压使高温热流区趋于缩小；桥丝气化能量不断传递，光亮开始减弱。80μs时，冲击波阵面以球面扩散，并不断衰减；炽热燃烧物开始向周围飞溅；120μs至0.5ms时间段，纹影图中光亮完全消失，此为飞溅的炽热燃烧物与高温热流区迅速的脱离过程，高温热流缓慢扩散，1ms时几乎完全脱离，点火元件处仅留有高温热流。

图5为电点火头发火过程的高速摄像图。从图5中分析，10μs时刻出现光亮，相对桥丝发火时的亮光暗淡，桥丝瞬间气化并加热周围薄层药剂而消耗能量，气体产物形成的高压使药头开始破裂。至20μs时，断开的桥丝尖端放电以及爆燃薄层药剂产生的高压使药头药剂破裂向四周飞溅，此时亮光相对增强。40μs时，发光区缩小，桥丝逐渐气化。110~130μs，发光的桥丝逐渐暗淡，至150μs消失。随后高温热流向周围传递能量。

图5 电点火头发火过程的高速摄像图

2.3 桥丝式电点火头能量输出形式的时空性质

将高速纹影系统拍摄的图片，按照已知尺寸参照物像素的大小，计算各时刻弱冲击波、高温热流以及炽热燃烧物在水平和垂直方向的位移。图6为电容放电后桥丝发火形成的弱冲击波与高温热流的位移变化曲线。

图6 桥丝发火过程能量输出形式的位移图

图6显示在20μs时刻，弱冲击波与高温热流的位移约为2.5mm，两者尚未分离；20μs后，冲击波位移迅速增加，而高温热流仍在桥丝附近移动。纵向和横向位移曲线几乎重合，可以认为桥丝发火后各向能量输出形式的位移变化一致。图7为电点火头发火后各种能量输出形式的位移曲线。由图7可见，在0μs处，炽热燃烧物、高温热流和弱冲击波完全重叠，随着时间的增加均向四周扩散。20μs后，弱冲击波、炽热燃烧物、高温热流开始分离，冲击波位移迅速增加，炽热燃烧物位移缓慢增加，高温热流位移随时间几乎未发生变化；约在130μs后，炽热燃烧物超过高温热流，随后位移稳定增加。图7中纵向与横向结果相似，点火头能量释放形式具有各向同性的时空性。

图7 点火头发火过程能量输出形式的位移图

2.4 桥丝式电点火头能量输出形式的速度分析

图8为桥丝发火过程中能量输出形式的横向速度曲线。

图8 桥丝发火过程能量输出形式速度图

由图8可见，20μs后，形成的弱冲击波向周围扩散，波阵面后产生负压，高温热流速度逐渐减小；40μs后弱冲击波速度达到最大值，随后速度减慢，并衰减为一个稳定的速度平台；与之对应的高温热流速度减小加快，至80μs处出现负值，随着弱冲击波的衰减，高温热流速度缓慢增加。

图9为点火头发火过程中能量输出形式的横向速度曲线。由图9可见，3种能量输出形式速度变化不同。高温热流在初始20μs时速度达到最大，随后速度减小，在0m/s左右处波动，在某些时刻出现负值（如200μs处），约在300μs后速度升高，并出现速度峰。与之相对应，弱冲击波在20~50μs阶段达到速度峰，最大值为478m/s，随后降低至350m/s左右波动，经过衰减达到音速。炽热燃烧物在两者速度达到峰值后也出现速度峰值，50μs时刻速度约为150m/s，随后，速度在100m/s左右波动。

图9 点火头发火过程能量输出形式速度图

2.5 电点火头点燃延期体过程

图10中为电点火头点燃延期体动态过程图。

图10 电点火头点燃延期体过程图

分析图10可见，10μs时刻弱冲击波已经产生并向延期体截面传播，20μs时刻弱冲击波先行至延期体截面，约在30μs后发生反射，此时炽热燃烧物向前扩散至延期体与点火头之间；40μs时刻反射的弱冲击波压缩炽热燃烧物向相反方向移动。这一过程持续几次，约在160μs后弱冲击波完全衰减，炽热燃烧物只是以热辐射形式向延期体药芯传递少量能量，这一过程可以认为是点火过程的“暗区”。随后，炽热燃烧物扩散至延期体药面，此时，高温热流随着炽热燃烧物的移动做相同的运动，药面主要以传导、对流方式接受高温热流和炽热燃烧物的能量，达到药剂点火温度。

3 结论

（1）桥丝电容放电后产生3个区域，即发光区、高温热流和弱冲击波区。每个区域各向同性向周围扩展，各区域间的速度不同。其中以弱冲击波传播速度最快，与其他区域瞬间脱离；由于桥丝完全气化以及能量的传递使发光区逐渐转变为高温热流。弱冲击波在传播过程中衰减至音波，只剩下缓慢衰减的高温热流。

（2）桥丝式电点火头在桥丝发火的基础上增加药剂燃爆的作用。由炽热燃烧物（发光区）、高温热流和弱冲击波3个区域组成，其中炽热燃烧物包括桥丝气化物、燃烧残渣以及燃烧着的药剂颗粒，其发出的光亮由于电容放电能量的转移，由明亮变成暗淡；炽热燃烧物加热周围介质形成的高温热流扩散速度缓慢；而高压放电、爆燃共同作用形成的弱冲击波向周围扩散的速度加快，高温热流区在冲击波形成后的某个阶段形成速度负值。

（3）3个区域在有限空间点火时，弱冲击波冲击壁面反射，使高温热流在某一位置振荡，延迟移向被点火断面，炽热燃烧物几乎不受弱冲击波影响，点火端面与被点燃药剂间距决定了点火能量的主次形式。

（4）通过对电容放电作用下电点火头能量输出形式的观察，为验证和发展点火理论提供实验依据。另外，对于恒定电流作用下的电点火头的能量输出形式需要做进一步实验研究。

[1] Stanley Fordham. High explosives and propellants[M]. San Francisco: Pergamon Press,1980.

[2] 成一，陈守文.电点火头发火过程的时间结构的研究[J].爆破器材,2001,30(5):22-23.

[3] 曹建华,蔡瑞娇,董海平,等.电火工品桥丝与药剂升温模型及在可靠性设计中的应用[J].爆炸与冲击,2004,24 (1):90-95.

[4] 王鹏,杜志明.桥丝式电火工品热点火理论[J].火工品,2007(4): 26-30.

[5] 龙兵,常新龙,张磊,等.桥丝式电火工品发火过程的数值仿真[J].火工品,2009(5):27-29.

[6] 张玉令,高俊国,穆丽军,等.桥丝式电火工品传热模型研究[J]. 火工品,2010(1):14-17.

Firing Energy Output Forms of the Bridgewire Fusehead

HAN Ti-fei，WU Dun-jie，ZHANG Ye，ZHANG Yan

（School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001)

Firing energy output forms of the bridgewire fusehead under capacitor discharge were researched, by the high speed camera and laser schlieren technique, and the process of the fusehead igniting the delay elements was also observed. The results show that under capacitor discharge, heating energy formed by the gasification of bridgewire, high temperature heat flow generated by surrounding mediums heated, and weak shock wave formed by the electrion of bridgewire breaking suddenly and the deflagration of thin layer powders. Any types of the firing energy output forms is of isotrop in the infinite space and the spreading rates of which are different. In the finite space, reflection of the leading weak shock wave makes the high temperature heat flow undulate in a balanced position, and postpones moving toward the ignited surface, and yet has few effects on the molten comburent.

Bridgewire fusehead；Combustion；High speed camera；Laser schlieren technique

1003-1480（2016）05-0021-04

TJ45+3

A

2016-07-20

韩体飞（1983-），男，博士，主要从事民用爆破器材研究及教学。

国家自然科学基金青年基金项目（51604009）；安徽理工大学国家级大学生创新创业训练计划项目资助（201610361062）。