某金属传火管不同装药对点传火性能的影响研究

李瑞静，郭映华，刘伟，董彦诚，张洪汉

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

在现代高性能火炮的设计中，点传火系统结构设计的好坏对武器弹道性能影响非常大[1-3]。点火系统点火的一致性、安全性直接影响火炮弹道稳定性和射击安全性，影响发射药点火与燃烧的一致性、膛内压力波的产生情况、膛压与初速的稳定性等。对于高动能大口径火炮，发射药装填密度较高，药室自由空间较小，药床透气性较差，采用底部药包点火容易影响火焰的传播，点传火的不同时性会使发射装药在燃烧过程中产生压力波的问题更为突出[4]。为了改善和提高药床的点传火一致性，国内外学者提出了采用中心传火管的方法，并进行了大量的研究工作[1]。季晓松等[5]设计了多点点火系统，提高可燃中心传火管点火的同时性和均匀性，保证长药室装药的安全性和稳定性。王珊珊等利用计算程序对影响大长径比、高密实火药点火管点火性能的主要因素、药床透气性对传火管点传火性能的影响、管式燃气发生器的能量释放过程进行了研究[6-8]。焦旭英等对大长径比点传火管、带有硝基软片管的药管以及药包结构、颗粒模压发射药的点传火性能进行了研究[4、9-10]。

笔者在参考以上文献的基础上，针对某大口径火炮设计了中心金属传火管，通过点传火试验对影响金属传火管点火性能的点火药品种和装药量两个因素进行对比，得到最佳方案，为这类金属传火管的工程设计提供依据。

1 试验

1.1 试验方案

笔者设计了4种试验方案，如表1所示。方案1、2中蛇形药袋长度为350 mm，分别装满大粒黑和小粒黑两种点火药后放入传火管，并用可燃胶将蛇形药袋与传火管内壁一侧粘接；方案3、4中将长度为350 mm苯萘药条捆扎在一起直接装入传火管。其中方案1、2、3装药横截面相同。

表1 试验方案

利用DEWE3010压力测试系统分别对传火管底部、中部与前部的压力变化进行测试，利用高速摄像机拍摄整个传火过程，图像采集频率为5 000帧/s。

1.2 试验装置

试验装置及传火管安装、测试点布置如图1所示，试验装置布置于常规点火试验台上，底火和传火管通过螺纹连接固定于底火座上，通过摆锤撞击对底火进行机械击发。

试验中采用金属传火管，其原理如图2所示，传火管外径20 mm，内径16 mm，管体圆周方向交错均布4列直径为6 mm的传火孔，相邻传火孔间距为30 mm，传火管外壁上布置有3个测压孔，用于安装测压传感器，传火管内分别装大粒黑、小粒黑或苯萘药条作为点火药。

为了便于观察金属传火管的传火过程，管外壁采用可燃胶粘贴一层厚度为0.1 mm的牛皮纸，如图3所示。

2 试验现象与结果

2.1 试验现象

1)试验后底火喷口打开正常，说明击锤的敲击能量能够满足底火的击发要求。击发后的传火管如图4所示，所有的传火孔均打开。

2)在4种方案中，方案1燃烧后传火管内熏黑最为严重，方案2次之，方案3、4最轻。

2.2 不同点火药的点传火性能

应用方案1、2、3对不同点火药的点传火性能进行对比试验。图5为方案1试验后测试孔压力曲线，底火击发点燃点火药后，靠近底火一侧的测压孔1压力先达到最大值，随着点火药不断燃烧，火焰沿着传火管向右侧传递，测压孔2压力达到最大值，压力曲线与实际情况相符合，试验装置设计较为合理。

不同点火药试验结果如表2、3所示，表2中P1、P2分别为测试孔1、2处的燃气压力；表3中Δt1为火焰从传火孔1至传火孔2所用时间；v为火焰的传播速度；Δt2为传火孔1、2破孔时间差；Δt3为点火药作用时间。

表2 不同点火药P-t测试结果

表3 不同点火药高速摄影数据统计

从表2可以看出方案3试验后P1和P2最大值之差为0.6 MPa，比方案1降低了68.4%。从表3可以看出，方案3中火焰从传火孔1传至传火孔2所用时间为0.53 ms，传火速度为566.0 m/s，比方案1和方案2分别提高了83.3和437.5 m/s，提高幅度分别为16.7%和700%；另外，方案3中传火孔1、2破孔时间差和点传火所用时间都较方案1和2明显缩短。所以采用方案3后传火孔压力更趋于一致，火焰传播速度更快，点传火所用时间更短，传火孔破孔的同时性更趋于一致性，具有更为良好的点传火性能。

图6分别为方案1、2、3的点传火过程高速摄像图，记录了不同时刻火焰的传播过程。火焰传播至每个传火孔时会呈现亮斑或亮点，传火孔破孔时会有火焰从传火孔喷出，火焰前端距发火端的长度代表火焰传播的距离。从图6中可以看出，方案2和方案3在0.6 ms时火焰已经从传火孔1传播至传火管最右侧传火孔2，火焰传播速度大于方案1，但是方案2中最右侧传火孔2却没有随即发生破孔，且火焰有熄灭的趋势，相比之下方案3火焰前端距发火端的距离随着时间的增加不断增加，当火焰传至最右侧后传火孔2随即发生破孔喷出火焰，同一时刻烟团的体积大于方案1和方案2，所以方案3具有较强的点燃主装药的能力。

方案1和方案2中大粒黑和小粒黑自由堆积填满点火药袋，装填密度较大，孔隙较小，容易发生点传火不畅的现象，导致各传火焰在传播过程中受到药床阻力的作用，形成较高的压力梯度，传火孔破孔喷出火焰时刻存在差异，造成点火瞬时性、一致性较差，而方案3中苯萘药条由于药条形状规则，每个药条中心均有一传火孔，通过捆扎的方式装入传火管后，轴向会形成多个中心传火孔，因此火焰传播更为通畅，不易堵塞，缩短了破孔时间、点传火时间，加快了火焰传播速度，提高了点火的一致性和均匀性。

2.3 不同点火药量的点传火性能

为了研究不同点火药量对点传火性能的影响，分别对装有不同药量的苯萘药条进行试验和仿真。对装有不同药量的苯萘药条进行试验，高速摄影图如图7所示，可以看出方案3在同一时刻烟团的体积、火焰传播速度均大于方案4，所以方案3具有更为良好的点传火性能，点燃主装药的能力。

建立传火管内点火药燃烧、气固两相流的一维两相流模型，采用Mac Cormack差分格式，对装有不同药量的苯萘药条对点传火性能的影响进行模拟仿真。

2.3.1 计算模型

利用一维两相流方程组来描述传火管内的气相连续方程、动量方程和能量方程，固相连续方程、动量方程[11]，向量形式表示为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

式中：mc为单位时间内燃烧产生的质量；mo为单位时间内由喷火口外泄的质量；co为流量系数；ρp为火药固体密度；ρ为火药气体密度；uo为气体外泄速度；up为固体流动速度；u为气体流动速度；D为相间阻力；φ为空隙率；P为压强；S为微元体内药粒的表面积之和。

气固热交换方程为

(5)

式中，ht为气固换热系数。

气体状态方程为

P(1/ρ-α)=RT=(k-1)e.

(6)

药粒表面温度近似方程为

Tps(t+Δt)=

(7)

2.3.2 定解条件

初始条件为：气固两相速度均为0，压力为一个标准大气压，温度为298 K，密度由状态方程确定，边界条件根据镜面反射法确定。

2.3.3 计算方法

在计算中，采用麦克尔迈克(Mac Cormack)差分格式，这是一种非中心差分格式，对于线性偏微分方程组有二阶精度，而对于非线性偏微分方程组只有一阶精度。这种格式的特点是交替地使用前差与后差格式作为预测校正计算。

稳定性条件

(8)

式中：A′为稳定系数；c为火炮气体声速，

(9)

不同装药量最大压力仿真结果如图8所示。从图中可以看出，随着苯萘药条药量的增加，金属管内最大压力值呈指数式快速增长。

方案3、4压力云图如图9、10所示，其中x坐标为时间，y坐标为苯萘药条长度，z坐标为压力。金属传火管内沿轴向的最大压力值较为一致，两端稍大一些，与方案4相比，方案3最大压力值更大，点火总能量更大，与试验结果相符合。

3 结论

1)大粒黑和小粒黑装填密度较大时，当底火被击发点燃点火药后，气流推动点火药粒向另一端运动，由于孔隙较小，药床的透气性较差，容易产生药粒的挤压和堆积现象，造成压力不均匀、破孔一致性差以及传播速度慢等问题。

2)苯萘药条由于中心均有一传火孔，装入传火管后火焰传播更为通畅，不易堵塞；且随着苯萘药条药量的增加，点火能量也会随之增加，具有更强的点燃主装药的能力。