陳 雨，楊正才，仵和平，楊 旗，藺美君，何鋒彥

（特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西 西安，710025）

煙火型氣體發(fā)生器是一種快速的產(chǎn)氣裝置，具有體積小、充氣快、靈活方便、不受環(huán)境條件影響等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于汽車(chē)安全氣囊、救生筏、救生服、飛機(jī)緊急救生充氣滑梯和救生裝置、巡飛彈翼展、軍用偽裝充氣假目標(biāo)等[1]。煙火型氣體發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域一般分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是做功類(lèi)，另一類(lèi)是充氣類(lèi)。做功類(lèi)氣體發(fā)生器一般對(duì)燃?xì)獬隹跍囟纫蟛粐?yán)，但為了提高做功一致性，也希望能有潔凈低溫的氣體做功；而充氣類(lèi)氣體發(fā)生器因受氣囊材料、線纜接頭等外界環(huán)境的限制，燃?xì)獬隹跍囟葧?huì)被限制在120℃以下，并且不允許有固體殘?jiān)鼑姵鰮p壞氣囊，影響絕緣性等，所以氣體發(fā)生器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)。本文介紹一種迷宮式過(guò)濾冷卻氣體發(fā)生器，通過(guò)采用迷宮式過(guò)濾冷卻方式增大氣體發(fā)生器燃?xì)獾牧魍窂胶蜕崦娣e，從而降低氣體的溫度，提高氣體的潔凈度。

1 迷宮式氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)

煙火型氣體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)通常由點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、產(chǎn)氣機(jī)構(gòu)、過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)組成。燃?xì)獾牧鲃?dòng)方式一般有直排式和側(cè)排式。直排式是產(chǎn)氣藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庵苯油ㄟ^(guò)過(guò)濾機(jī)構(gòu)排入到指定的容腔內(nèi)；側(cè)排式是產(chǎn)氣藥裝在燃燒室內(nèi)，燃燒室側(cè)壁上端開(kāi)孔，產(chǎn)氣藥燃燒后燃?xì)鈴娜紵遗艢饪着湃胪鈿ず笤俳?jīng)過(guò)濾排入指定容腔內(nèi)。

本文研究的氣體發(fā)生器采用側(cè)排式，燃?xì)馔ㄟ^(guò)迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)，經(jīng)金屬網(wǎng)層的層層過(guò)濾，并強(qiáng)制經(jīng)過(guò)迷宮式氣體通道冷卻及過(guò)濾后得到低溫、無(wú)殘?jiān)?、純凈的氮?dú)?。該氣體發(fā)生器由點(diǎn)火機(jī)構(gòu)、產(chǎn)氣機(jī)構(gòu)和迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。點(diǎn)火機(jī)構(gòu)由電爆管、輸入端蓋、點(diǎn)火藥盒組成。產(chǎn)氣機(jī)構(gòu)由產(chǎn)氣藥室、墊片、藥室過(guò)濾器組成。迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)由殼體、金屬網(wǎng)層、上吸熱片、下吸熱片組成。

圖1 氣體發(fā)生器示意圖Fig.1 Schematic of gas generator

2 迷宮式過(guò)濾冷卻設(shè)計(jì)

目前氣體發(fā)生器大多采用金屬絲網(wǎng)、吸附殘?jiān)臍謮|、石英砂[2]等來(lái)過(guò)濾固體殘?jiān)?，這要求氣體發(fā)生器的軸向高度較高，才能起到過(guò)濾殘?jiān)?、阻隔火焰的作用，這種過(guò)濾方式在氣體發(fā)生器高度不足時(shí)受到了限制。

本氣體發(fā)生器高度42mm（不含電爆管），純藥劑的高度就占去了25mm（藥量80g），如單純地采用金屬網(wǎng)、氈等來(lái)過(guò)濾冷卻，無(wú)法完全過(guò)濾殘?jiān)?，同時(shí)由于軸向過(guò)濾太短，火焰及殘?jiān)鼤?huì)沖破過(guò)濾結(jié)構(gòu)噴出，因此需要新的過(guò)濾方式來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。本氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)了迷宮式過(guò)濾冷卻，采用金屬絲網(wǎng)和迷宮式吸熱片的組合過(guò)濾方式，集過(guò)濾、降溫于一體，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)Fig.2 Schematic of labyrinth filter and cooling equipment

迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)由殼體、過(guò)濾網(wǎng)組件、上吸熱片和下吸熱片組成。多層金屬絲方孔網(wǎng)組成過(guò)濾網(wǎng)組件；上吸熱片上表面設(shè)計(jì)有迷宮式溝槽，中間開(kāi)排氣孔；下吸熱片側(cè)面開(kāi)槽，上表面同樣設(shè)計(jì)有迷宮式溝槽，見(jiàn)圖3～4。上吸熱片和下吸熱片重合形成迷宮式氣體通道，再結(jié)合過(guò)濾網(wǎng)形成集過(guò)濾、降溫于一體的過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)。

圖3 上吸熱片外形圖Fig.3 Schematic of upper absorbing thermal pieces

圖4 下吸熱片外形圖Fig.4 Schematic of down absorbing thermal pieces

氣體發(fā)生器作用后產(chǎn)生的高溫燃?xì)?、火焰和殘?jiān)鼜娜紵遗懦龊?，先?jīng)過(guò)多層金屬絲網(wǎng)的粗過(guò)濾，過(guò)濾完較大的固體殘?jiān)?，氣體再沿上吸熱片的端面前進(jìn)，經(jīng)過(guò)一次過(guò)濾降溫后到達(dá)中間的排氣孔，氣體通過(guò)中間的排氣孔后進(jìn)入上、下吸熱片之間，經(jīng)過(guò)兩吸熱片配合形成的迷宮式吸熱、降溫和附著殘?jiān)螅ㄟ^(guò)下吸熱片的側(cè)面槽排入外殼底面的出氣口。在整個(gè)過(guò)程中氣體通過(guò)多次的反復(fù)轉(zhuǎn)折，熱量和殘?jiān)粩嗟乇唤饘俳z網(wǎng)和吸熱片吸收和吸附，幾乎所有的殘?jiān)蛔韪粼谖鼰崞瑑?nèi)，干凈的氣體最后再經(jīng)過(guò)殼體的吸熱降溫后，達(dá)到了排出低溫、無(wú)殘?jiān)臍怏w要求。同時(shí)根據(jù)氣體的溫度需要，可以增加吸熱片的數(shù)量，調(diào)整氣體的溫度。

3 迷宮式過(guò)濾冷卻與傳統(tǒng)冷卻對(duì)比

迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)就像迷宮一樣，氣體只能通過(guò)預(yù)設(shè)的通道通過(guò)，迫使氣體在有限高度條件下經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)折流動(dòng)，這極強(qiáng)地增長(zhǎng)了氣體的流通距離，達(dá)到過(guò)濾降溫、阻隔火焰的作用，氣體流通路徑見(jiàn)圖5。如氣體發(fā)生器輸入端蓋距殼體底面距離35mm，產(chǎn)氣藥室高25mm，殼體內(nèi)徑為φ75.5mm，產(chǎn)氣藥室采用側(cè)排式排氣（藥室排氣孔位于藥室殼體側(cè)壁上端），采用迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)，氣體流通路徑為L(zhǎng)1=25+25+37.75+6+34+5+34=166.75mm；若按照傳統(tǒng)的直排式過(guò)濾方式，氣體流通路徑約為L(zhǎng)2=25+37.75/2=43.75mm，L1/L2=3.81。迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)的氣體流通路徑是傳統(tǒng)氣體發(fā)生器的3.81倍，氣體流通路徑增加了280%。

圖5 氣體流通路徑圖Fig.5 Schematic of gas channel

迷宮式過(guò)濾冷卻機(jī)構(gòu)氣體流動(dòng)過(guò)程中，氣體在一個(gè)預(yù)設(shè)的迷宮通道里，氣體與幾個(gè)吸熱片上、下表面全部充分接觸，氣體在吸熱片的有效吸熱下得到了充分的降溫，大大提高了氣體的降溫效果。吸熱片的有效接觸散熱面積為：S1=37.752×3.14×2+4.5×3.14×3×17+（12×3+3.5×3×2）×12+342×3.14×2=17 613.7mm2。而傳統(tǒng)過(guò)濾冷卻方式是側(cè)面開(kāi)槽，氣體直接從側(cè)面槽穿過(guò)，氣體與吸熱器接觸面積只有側(cè)面槽的表面積，吸熱器沒(méi)有被利用上，這使得吸熱器的吸熱效果受到影響。若傳統(tǒng)吸熱器側(cè)面槽12個(gè)，槽寬12mm、槽深3.5mm、吸熱器高9mm、外徑φ75mm，氣體與傳統(tǒng)吸熱器接觸面積為：S2=（12×9+3.5×9×2）×12+342×3.14=5 681.84mm2。顯然，S1/S2=3，即迷宮式過(guò)濾降溫的散熱面積是傳統(tǒng)過(guò)濾方式的3倍，氣體散熱面積增加了200%。同時(shí)氣體的流通路徑增加了280%，使得氣體的殘?jiān)蜏囟鹊玫搅顺浞值奈胶徒档?，大大提高了氣體的過(guò)濾降溫效果。

4 對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)采用迷宮式過(guò)濾冷卻方式的氣體發(fā)生器與傳統(tǒng)過(guò)濾方式的氣體發(fā)生器進(jìn)行驗(yàn)證。在迷宮式氣體發(fā)生器排氣口10mm處放一張白紙并采用高速攝像進(jìn)行采樣，通電產(chǎn)生氣體后，白紙無(wú)燒蝕、熏黑現(xiàn)象。通過(guò)高速攝像判定氣體發(fā)生器作用后無(wú)殘?jiān)?、無(wú)漏煙漏火，使用安全。迷宮式過(guò)濾冷卻應(yīng)用在大裝藥量氣體發(fā)生器上有明顯的降溫效果。某子彈艙建壓用氣體發(fā)生器采用這種新型冷卻過(guò)濾機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的氣體發(fā)生器在同樣藥量狀態(tài)下，在密閉爆發(fā)器內(nèi)進(jìn)行輸出性能試驗(yàn)[3]，測(cè)試燃?xì)鉁囟龋囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 溫度對(duì)比Tab.1 The contrast of temperature

由表1可見(jiàn)，使用迷宮式比傳統(tǒng)的氣體發(fā)生器在排氣孔50mm處溫度降低206℃，密閉爆發(fā)器內(nèi)溫升降低100℃，而且沒(méi)有殘?jiān)鼑姵?，氣體的潔凈度較高；同時(shí)燃?xì)獾臏囟冉捣^大，降低了對(duì)周?chē)h(huán)境影響，增大了氣體發(fā)生器的使用范圍。

5 結(jié)論

采用迷宮式過(guò)濾冷卻方式的氣體發(fā)生器比傳統(tǒng)過(guò)濾的氣體發(fā)生器在同樣裝填條件下的流通路徑增加了2.8倍，散熱面積增加了2倍，該設(shè)計(jì)降低了氣體的溫度，而且沒(méi)有殘?jiān)鼑姵觯粫?huì)影響外部環(huán)境清潔度、絕緣性等，提高了氣體發(fā)生器的安全性，增大了氣體發(fā)生器的使用范圍。

[1]潘功配,楊碩.煙火學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[2]成一，李艷春.一種低溫?zé)o煙的氣體發(fā)生器的研究[J].火工品,2009(4):1-4.

[3]王凱民，張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.