固体燃气发生器过滤介质比较研究

吴 昊，王 琦，吴瑞德，杨 文，高凤川



固体燃气发生器过滤介质比较研究

吴 昊1，王 琦1，吴瑞德1，杨 文1，高凤川2

（1.陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061；2. 航天科技11所，陕西 西安, 710065）

为满足固体燃气发生器产生的燃气纯净以及降低温度的需求，在燃气发生器内设计过滤机构。通过对比玄武岩针刺毡过滤网、耐热金属丝编制网（钼网）、不锈钢丝压制网在燃气发生器内的性能表现，发现不锈钢丝压制网具有更全面的性能表现，适用于各种类型固体燃气发生器的残渣过滤及冷却降温。

固体燃气发生器；过滤介质；不锈钢丝压制网

固体燃气发生器依靠内部固体主装药燃烧产生的高温高压燃气做功，广泛应用于航天、航空多领域，例如子母弹头分离、减震气囊打开、液体燃料加压、红外特征释放等。固体燃气发生器释放气体瞬间温度较高，采用烟火药的燃气温度介于800~1 200K，采用固体推进剂的燃气温度大于2 400K，且其中夹杂大量固体粒子。大量固体残渣的存在，将导致燃气管路堵塞，使内部压力升高造成炸膛，或者，炽热的固体粒子将会烧穿气囊，造成气囊漏气。同时，过高的温度会造成燃气发生器结构体因受热强度降低而炸裂，或者将管路及气囊烧穿。鉴于上述问题，对固体燃气发生器产生的气体进行过滤、降温显得极为迫切，然而同时能够满足过滤及降温两种条件的技术目前不够成熟[1-5]。本研究针对3种类型的过滤介质，开展相关性能研究，以期为燃气发生器设计提供参考。

1 过滤介质对比

固体燃气发生器的燃气过滤要求主要为：（1）耐高温；（2）具有一定强度，特别是在高压气体冲刷下保持过滤能力明显不变；（3）具有大量残渣容纳能力；（4）具有一定降温能力；（5）易于加工成形；（6）便于检验；（7）化学稳定性好。

目前，国内固体燃气发生器工程领域应用主要基于3种类型的过滤介质：（1）高温玄武岩针刺毡过滤网；（2）耐热金属丝压制网（典型的为钨网）；（3）不锈钢丝压制网。本文对3种过滤介质工程使用优缺点进行比较，并利用燃气发生器对3种介质的过滤性能进行实测对比。

1.1 玄武岩针刺毡过滤网

玄武岩针刺毡过滤网属于合成纤维针刺过滤材料，由于玄武纤维本身强度高、耐高温、耐腐蚀、延伸率低（小于3%），主要用于工业除尘和烟、气净化。对直径0.5mm以下的固体粒子其过滤效率可达99.0%~99.5%，使用温度300~350℃，瞬间可耐受400℃。玄武岩针刺毡过滤网如图1所示。

图1 玄武岩针刺毡过滤网实物照片

该针刺毡的优点是过滤精度较高，缺点是整体强度较低，使用时依靠机械裁切的方式制备为一定形状，并且需要设计支撑结构。在相同气体通路面积的情况下，支撑结构必须采取“小眼多孔”的结构，避免“大眼少孔”的结构，避免其被高压气体冲刷带走，常用方法如图2所示。

图2 玄武岩针刺毡过滤网使用方法

由于玄武岩针刺毡的过滤精度较高，可通过控制其厚度达到控制过滤能力的目的。虽然加工成形方便，但其耐受温度较低，所以，较适合用于过滤精度高，燃气释放压力低的燃气发生器。该过滤网对固体残渣的容纳能力小，易在表面形成致密滤饼而阻滞气流通过，造成内部压力异常而发生壳体炸裂。若壳体设计耐压升高，会造成过滤网被冲出燃气发生器外，造成过滤能力下降或是过滤网残渣堵塞喷口、管路的现象。所以不建议将玄武岩针刺毡应用于压力较高的燃气发生器，而是适用于产气压力低于3MPa、工作时间小于1s的固体燃气发生器。

1.2 耐热金属丝编制网

耐热金属丝编织网主要是指耐温性能较好的钨合金丝或钼合金丝制成的编织网。钨丝网耐温3 380℃，钼丝网耐温2 610℃。由于两种耐热合金丝材质较硬，无法编织为较大密度的滤网。目前国内钨丝网最大可编织为200目，过滤精度0.07~24.3mm，钼丝网最大可编织为400目，过滤精度0.02~23.7mm。为提高过滤精度，可采取多层过滤网叠加的形式进行过滤。钼网如图3所示。

图3 钼网照片

1.3 不锈钢丝压制网

不锈钢丝过滤网为近几年发展起来的一种新型过滤网，主要是通过模具将一定丝径的不锈钢丝压制为一定形状，其外形如图4所示。

图4 不锈钢丝压制网实物照片

此类过滤网采用普通不锈钢丝，短时间耐温约800℃。该过滤网的过滤精度的调节手段主要有两种：（1）固定重量下调整外型尺寸；（2）增加过滤网厚度。

由于压制成型过滤网需要将金属丝进行较大程度弯折，耐热金属丝通常硬度较高或者材质脆性较大，在压制过程中容易使金属丝折断，所以耐热金属丝一般不适应制造压制网。

2 试验验证

为验证3种不同过滤网的过滤效果及适用范围，将其应用于固体燃气发生器过滤结构中。燃气发生器结构如图5所示。

图5 固体燃气发生器结构示意图

固体燃气发生器分为两组：一组采用SyQU-1推进剂作为主装药，另一组采用AHYG-2产气药（烟火药剂）作为主装药。使用推进剂作为主装药的固体燃气发生器产生气体温度较高（一般大于1 100℃），但是固体残渣量较少（一般小于10%）。使用AHYG-2产气药的固体燃气发生器产生气体温度相对较低（一般小于700℃），但残渣量极大（一般大于40%）。每组固体燃气发生器均分别使用3种规格的过滤网进行过滤，调整为相同过滤精度，燃气发生器内部工作压强设计为15MPa，试验均在室温状态下进行。固体燃气发生器进行点火后对其进行解剖，分别从过滤网重量、体积、固体残渣容量（评价过滤能力）、过滤网完整性等方面进行评价，试验结果如表1所示。

表1 不同过滤介质的过滤效果对比

Tab.1 Comparison experiment for different filter screen

由表1中数据可知，主装药为推进剂时，使用玄武岩针刺毡过滤网作为过滤介质的燃气发生器，在点火试验后，与过滤网支撑结构对应的气体通道部位被流动的气体吹出燃气发生器外部，正对气体通道的部位形成了空洞，但总体完整，较多的残渣滞留于过滤网上，如图6所示。燃气发生器壳体发生了鼓胀变形，明显是由于内部压力过大造成。采用钼网作为过滤介质时，过滤网结构基本完整，未产生孔洞，但是由于气流冲刷作用，过滤网的方孔产生了一定的扩大，但由于过滤网较薄，所以滤网上几乎没有残渣存在，如图7所示。过滤网材质经高温后发脆，手折即可破裂，燃气发生器结构未发生任何变形。使用不锈钢丝过滤网作为过滤介质时，由于过滤网较厚，其未发生任何破损，局部不锈钢丝发生烧蚀残缺，但数量很少，过滤网的缝隙内存在一定数量残渣，过滤网整体强度依然较高，如图8所示。燃气发生器外壳未发生任何形式变形。

图6 试验后玄武岩针刺毡过滤网照片（主装药为推进剂）

图7 试验后钼网过滤网照片（主装药为推进剂）

图8 试验后不锈钢丝压制过滤网照片（主装药为推进剂）

在使用产气药作为主装药的燃气发生器中，由于产气药为烟火药剂，其燃烧后的残渣量极大，但燃温相对较低。使用玄武岩针刺毡过滤网的发生器壳体炸裂，残骸中找到部分玄武岩针刺毡过滤网碎片，几乎无残渣附着，如图9所示。

图9 试验后玄武岩针刺毡过滤网照片（主装药为烟火药）

使用钼网作为过滤介质时，燃气发生器中的过滤网破损相当严重，不仅过滤网制成机构的气体通道对应的孔洞部位破损，而且在部分孔洞部位过滤网产生堆积，堵塞部分孔洞，如图10所示，但燃气发生器外壳无任何变形。

图10 试验后钼网过滤网照片（主装药为烟火药）

采用不锈钢丝压制网作为过滤介质，燃气发生器中的过滤网结构基本完整，中心部位发生了一定程度的烧蚀，但不影响残渣过滤，过滤网外形维持不变，空隙间存在大量的固体残渣，如图11所示，燃气发生器外形无任何变形。

图11 试验后不锈钢丝压制过滤网照片（主装药为烟火药）

3 结论

（1）玄武岩针刺毡过滤网仅适用于设计压力较低的固体燃气发生器，通常设计压力应低于3MPa。使用玄武岩针刺毡时需要设计有一定密度的支撑机构，例如开孔较小的过滤板，否则在燃气发生器工作过程中容易被吹出燃气发生器外。

（2）相比推进剂作为主装药的燃气发生器，耐热合金丝过滤网（钼网）更适合用于产气药作为主装药的燃气发生器，使用时需设计支撑机构，而且过滤网一般不能单层使用。并且，耐热合金丝过滤网更适合用于对气体洁净度具有精确要求，以及对重量及体积敏感的固体燃气发生器中。

（3）不锈钢丝压制网采用的不锈钢丝虽然耐温性能较差，但是由于其厚度较大，整体不易烧穿，而且具有更大的残渣容量，适用于各种类型燃气发生器。同时不锈钢丝在高温气体氛围中部分受热汽化，可对燃气进行一定程度降温，保证燃气发生器输出气体温度维持较低水平。

[1] 谭大成.弹射内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2015.

[2] 阎冬,柳玲,马宏珺,杨馥瑞.用于安全气囊的气体发生器的全球专利分析[J].企业技术开发,2014,33(4):17-19.

[3] 毛成立,李葆萱,等.燃气发生器流量调节方案的比较[J].北京航空航天大学学报,2006,32(10):16-18.

[4] 王伯羲,冯增国,杨荣杰.火药燃烧理论[M].北京:北京理工大学, 1997.

[5] 关英姿.火箭发动机教程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006.

Comparison Study on Different Kinds of Filter Media in Solid Gas Generator

WU Hao1, WANG Qi1, WU Rui-de1, YANG Wen1, GAO Feng-chuan2

(1. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061；2. The 11st Institute of CASC, Xi’an, 710065)

To meet with the requirement of clean and cool gas generated from solid gas generator, filter system was designed in the gas generator. Through comparison the performance among basalt needing felt filter screen, heat-resistant metal wire filter screen (especially the molybdenum filter screen) and stainless steel wire pressed filter screen, which were used in solid gas generator, the conclusion was obtained that stainless steel wire pressed filter screen has comprehensive performance, which can be used in many kinds of solid gas generator to make the gas clean and cold.

Solid charge gas-generator；Filter media；Stainless steel wire pressed filter screen

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.003

1003-1480（2017）06-0010-04

2017-08-14

吴昊（1982-），男，工程师，从事型号火工品设计与研究。