薛 紹，陶如意，王 浩，程申申

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094）

炮彈火藥床的點火和傳火是內(nèi)彈道過程中相當(dāng)復(fù)雜的一個階段，也是影響內(nèi)彈道性能穩(wěn)定的重要因素之一[1-3]。主裝藥的引燃情況和力學(xué)結(jié)構(gòu)與點火藥燃燒產(chǎn)物在藥床中的傳播過程息息相關(guān)，主要表現(xiàn)在如下兩個方面，即：主裝藥的點火一致性主要受點火藥燃氣的傳播速度的影響，非均勻點火易造成膛內(nèi)壓力波動[4-6]；主裝藥的力學(xué)結(jié)構(gòu)受點火壓力的影響，大的點火沖擊易造成發(fā)射藥的破碎，這種情況對發(fā)射安全性是致命的[7-9]。因此，研究點火能量在藥床中的傳播規(guī)律，對于精確的內(nèi)彈道建模和發(fā)射安全性至關(guān)重要。

近年來，針對炮彈火藥床的點火和傳火過程的研究成果已有很多。王浩等[10]利用光導(dǎo)纖維測量技術(shù)，對點火管內(nèi)火焰的傳播過程進行了研究，驗證了火焰陣面落后于壓力陣面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象。王珊珊等[11-12]建立了點火管和中心管雙一維兩相流模型，分析了點火管結(jié)構(gòu)和點火藥量對點傳火的影響。韓博等[13]設(shè)計了一種大口徑火炮發(fā)射裝藥點傳火模擬試驗裝置，用于監(jiān)測點傳火階段膛內(nèi)各物理參量，為大口徑火炮裝藥點傳火結(jié)構(gòu)設(shè)計以及火炮射擊試驗初期的安全評估提供指導(dǎo)。程誠等[14]對某大口徑火炮內(nèi)彈道膛內(nèi)循環(huán)過程進行了二維兩相流數(shù)值模擬，詳細研究了火藥床燃燒及彈丸推進過程中膛內(nèi)流場特性。Miura 等[15]和Jang 等[16]對粒狀裝藥火炮內(nèi)彈道膛內(nèi)循環(huán)過程進行了三維數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，顆粒藥床的運動會引起壓力波動，而壓力波動的大小取決于點火管的孔徑和孔間距。Jenaro 等[17]利用小波分析方法研究了點火階段膛內(nèi)壓力波問題。Jaramaz 等[18]利用可視化玻璃纖維管點傳火模擬試驗裝置，研究了底部點火條件下藥床的點火和燃燒情況。Colletti 等[19]利用惰性推進劑、光學(xué)探測器及X 射線能量攝像儀等設(shè)備，對火炮點火系統(tǒng)中典型的點火器射流的侵徹特性進行了實驗研究，并建立了點火器射流產(chǎn)物在粒狀藥床中的軸向和徑向的穿透深度數(shù)學(xué)模型。以上研究著重于火藥床的燃燒和流動過程，大多將發(fā)射藥的燃燒同時考慮在點傳火過程中，而對點火藥燃燒產(chǎn)物在藥床中的傳播規(guī)律研究較少?，F(xiàn)代火炮武器多以中大口徑為主，點火系統(tǒng)多為底火加中心點火管的方式，裝藥結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣化，因此開展對中心點火管點火藥火焰在不同藥床結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律研究是十分必要的。

本文中，設(shè)計可視化點傳火模擬試驗系統(tǒng)，開展對不同點火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的中心點火管點傳火試驗，獲得膛內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゼ皦毫ψ兓^程，建立火焰?zhèn)鞑?shù)學(xué)模型。

1 模擬試驗系統(tǒng)

模擬試驗系統(tǒng)主要由模擬試驗裝置和多通道測試系統(tǒng)組成，模擬試驗裝置為火藥的點傳火及燃燒提供場所，采用透明材料制造的燃燒室有利于對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行直觀觀察，多通道測試系統(tǒng)由高速圖像采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)器和瞬態(tài)壓力記錄儀組成，在點火的同時測試記錄燃燒室內(nèi)的物理參數(shù)和現(xiàn)象，其工作流程如圖1 所示。

圖1 模擬試驗系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Flow chart of the simulation experimental system

1.1 可視化模擬試驗裝置

可視化模擬試驗裝置是研究點火火焰在藥床內(nèi)傳播的一個關(guān)鍵設(shè)備，由點火系統(tǒng)、玻璃纖維管燃燒室、保護殼體、泄壓系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。圖2 中P1～P3為測壓孔，這3 個測壓孔分別距離玻璃纖維管燃燒室左端40.0、247.5、455.0 mm。

圖2 可視化模擬裝置Fig. 2 The visualization device for experimental investigation of propellant charge ignition

玻璃纖維管燃燒室長度為495 mm，直徑為110 mm，容積為4.7×106mm3，該燃燒室為承壓主體，設(shè)計最高承壓30 MPa，在其管壁上開有3 個測壓孔，用于監(jiān)測燃燒室內(nèi)的壓力變化。

點火系統(tǒng)為自密封結(jié)構(gòu)，采用電底火加中心點火管的點火結(jié)構(gòu)，可多次重復(fù)使用。點火管為金屬材質(zhì)，在其壁面開有3 列傳火孔（共18 個），如圖3 所示，點火管全長a=250 mm，首孔高度b=130 mm，點火孔間距c=18 mm，點火孔直徑d=6 mm，點火管內(nèi)徑D=19 mm。

圖3 中心點火管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the central ignition tube

保護殼體為鋼結(jié)構(gòu)，為玻璃纖維管提供結(jié)構(gòu)保護，其兩端分別安裝點火系統(tǒng)和泄壓系統(tǒng)，在其正面開有長400 mm、寬120 mm 的矩形窗口，通過窗口可直接觀察記錄玻璃纖維管燃燒室內(nèi)火藥燃燒和火焰?zhèn)鞑デ闆r。

泄壓系統(tǒng)采用爆破膜泄壓方式，可進行5 MPa 以下的不同破孔壓力點傳火試驗。該泄壓系統(tǒng)采用的膜片材料為Al1070，膜片厚度為0.4 mm，膜片直徑為100 mm，破膜壓力為1.5 MPa。

1.2 多通道測試系統(tǒng)

多通道測試系統(tǒng)由德國工業(yè)設(shè)備公司IABG 生產(chǎn)的DEWE-2500 型瞬態(tài)壓力記錄儀、瑞士KISTLER公司生產(chǎn)的壓電式壓力傳感器、同步觸發(fā)器及高速圖像采集系統(tǒng)組成，現(xiàn)場布置如圖4 所示。同步觸發(fā)器同時連接高速圖像采集系統(tǒng)、瞬態(tài)壓力記錄儀及點火系統(tǒng)，給予系統(tǒng)觸發(fā)零點，方便后續(xù)試驗現(xiàn)象的統(tǒng)計分析，高速圖像采集系統(tǒng)以10000 s?1的頻率對火焰?zhèn)鞑ミ^程進行記錄，高頻率可最大限度地記錄藥床中火焰的傳播過程。

圖4 測試現(xiàn)場布置Fig. 4 Arrangement of the test site

2 試驗方案與實施

試驗共有5 種方案，統(tǒng)一采用3#電底火，中心點火管中的點火藥為2#小粒黑。仿真發(fā)射藥由不可燃材料制成，密度為1.5 g/cm3，直徑為16 mm。該仿真發(fā)射藥外形尺寸和密度與24/19 發(fā)射藥相近，具有一定的強度，試驗中不產(chǎn)生形變，為研究不同裝藥結(jié)構(gòu)的點傳火特性提供技術(shù)保證。仿真發(fā)射藥裝藥結(jié)構(gòu)分單一粒狀、單一桿狀和桿-?；旌涎b藥3 種，如圖5 所示，粒狀藥長度為16 mm，桿狀藥長度為160 mm。為降低偶然誤差，每種方案重復(fù)進行2 次試驗，具體參數(shù)見表1。

圖5 不同裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 5 Different charging configurations

表1 各方案裝填參數(shù)Table 1 Charging parameters in each case

3 結(jié)果與分析

可視化區(qū)域點火火焰在藥床傳播過程如圖6 所示：點火過程由電底火擊發(fā)開始，對應(yīng)各方案序列照片中的第1 張；電底火中的黑火藥首先燃燒，并在自由空腔內(nèi)形成高溫燃燒產(chǎn)物區(qū)，隨后點燃中心傳火管中的黑火藥，當(dāng)傳火管內(nèi)外壓差大于內(nèi)襯紙的破孔壓力時，火焰進入藥床，對應(yīng)序列照片中的第2 張照片；然后向藥床徑向和軸向傳播，圖像顯示火焰的徑向效應(yīng)小，在很短的時間內(nèi)火焰到達管壁，在軸向上火焰由出火位置向左右兩端序列傳播。以可視化矩形窗口的左邊界為火焰位置X坐標零點，右邊界為火焰位置正向邊界。由于主裝藥為仿真發(fā)射藥，不具有可燃性，且各方案主裝藥量相近，因此以下影響因素分析中忽略裝藥量的影響，主要考慮主裝藥結(jié)構(gòu)的影響。在軸向火焰面位置判定中以明亮火焰面最前端為火焰位置，結(jié)合高速圖像采集系統(tǒng)中的像素點坐標計算讀取火焰位置。

圖6 不同試驗方案火焰?zhèn)鞑バ蛄姓掌現(xiàn)ig. 6 High-speed photography of flame spreading through propellant charge in different cases

3.1 出火時間

出火時間tc為從點火擊發(fā)開始至窗口內(nèi)第1 次出現(xiàn)火焰的時間，能夠反映中心點火管內(nèi)的傳火性能，該值越小，說明中心點火管內(nèi)的傳火越通暢，點火延時越短。方案1、3、5 的點火藥量為20 g，火焰在0.6 ms 左右出現(xiàn)；而方案2 和4 的點火藥量為30 g，火焰在1.5 ms 才出現(xiàn)，較20 g 點火藥量的火焰出現(xiàn)時間晚了0.9 ms。這說明：中心點火管內(nèi)裝藥量越大，管內(nèi)傳火速度并非越快，反而有所降低，延長了出火時間。這是由于高的裝填密度導(dǎo)致中心點火管內(nèi)的傳火通道不暢，阻礙管內(nèi)氣體流通，進而影響黑火藥的全面點燃，造成點火延時。因此，合理的點火藥量對降低點火延時影響顯著，通過對不同方案出火時間的對比分析可以優(yōu)選點火藥量。

3.2 傳火時間

傳火時間tt=tL+tR（tL為火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口左邊界所用的時間，tR為火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口右邊界所用的時間，tt即為火焰?zhèn)鞑ブ琳麄€窗口的時間），其大小能夠說明藥床內(nèi)傳火性能的好壞，tt的值越小，說明傳火通道暢通，主裝藥被點燃的瞬時性越好。tt的值越大，說明主裝藥結(jié)構(gòu)不合理，傳火通道不暢，主裝藥被點燃的瞬時性也越差，燃燒室內(nèi)易出現(xiàn)較大的壓力波動。不同方案傳火時間見表2，由表2 可知，主裝藥同為桿狀發(fā)射藥且裝填密度相同的方案1 和方案2，傳火時間分別為2.4 和2.0 ms，平均傳火時間為2.2 ms。而主裝藥同為粒狀發(fā)射藥且裝填密度相同的方案3 和方案4，傳火時間分別為3.6 和3.2 ms，平均傳火時間為3.4 ms。方案1 和3、方案2 和4 點火藥量相同，分別為20 和30 g，而傳火時間方案1 比方案3 少1.2 ms，方案2 比方案4 也少1.2 ms。數(shù)據(jù)表明，桿狀藥床比粒狀藥床的傳火時間短，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，這是由于粒狀藥床相間阻力大，降低了火焰速度。同時注意到，同為桿狀裝藥的方案1 和2，同為粒狀裝藥的方案3 和4，點火藥量分別由20 g 增加至30 g，傳火時間分別由2.4 ms 降低為2.0 ms，由3.6 ms 降低為3.2 ms。兩組數(shù)據(jù)顯示，點火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時間均降低0.4 ms，說明點火藥量對主裝藥的傳火時間也有影響。方案1 和2 的tL分別為0.8 ms 和0.6 ms，點火藥量由20 g 增加至30 g，傳火時間降低0.2 ms，而方案3 和4 的tL都為1.0 ms，點火藥量的增加并未影響傳火時間，這是由于粒狀藥床的阻力較大，點火藥量對傳火速度的影響在短距離內(nèi)未得到明顯的展現(xiàn)。對比方案1 和5，火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口左邊界都用了0.8 ms，這是由于在此區(qū)域兩者都為桿狀裝藥床，藥床阻力相同，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蚕嗤?。而火焰從出現(xiàn)位置傳播到窗口右邊界，方案5 所用時間卻比方案1 長了0.5 ms，這是由于火焰?zhèn)鞑ブ亮钏幋参恢米枇ψ兇?、傳播速度降低。通過對不同方案傳火時間的分析可以優(yōu)選主裝藥結(jié)構(gòu)。

表2 各方案傳火時間Table 2 Flame speeding time of each case

3.3 傳火數(shù)學(xué)模型

方案1、3、5 的點火藥量均為20 g，而主裝藥結(jié)構(gòu)各不相同。各方案火焰?zhèn)鞑ノ恢秒S時間的變化如圖7所示。方案1 為單一桿狀裝藥，傳火通道通暢，相間阻力小，火焰面沿軸向線性傳播，傳播速度均勻，平均速度為179.7 m/s；方案3 為單一粒狀裝藥，傳火通道不暢，相間阻力大，火焰面沿軸向衰減傳播，傳播速度逐漸減慢, 平均速度為112.8 m/s；方案5 為桿?；旌涎b藥，火焰面在桿狀藥床部分的傳播特性與方案1 相近，傳播速度均勻，到達粒狀裝藥區(qū)域，傳播速度減慢，傳播特性與方案3 相近，平均速度為145.7 m/s。根據(jù)火焰位置點，利用一階指數(shù)衰減函數(shù)：擬合建立火焰面位置隨時間變化的函數(shù)，函數(shù)參數(shù)見表3。通過擬合建立的點火火焰?zhèn)鞑ミ^程數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度均大于0.98，采用建立的火焰?zhèn)鞑?shù)學(xué)模型可精確開展內(nèi)彈道建模。

表3 方案1、3、5 火焰?zhèn)鞑ノ恢煤瘮?shù)擬合系數(shù)Table 3 Exponential decay function coefficients in cases 1, 3 and 5

圖7 方案1、3、5 火焰?zhèn)鞑ノ恢肍ig. 7 Flame positions along the propellant chamber during charge ignition of cases 1, 3 and 5

3.4 壓力

各方案測點P1、P2、P3處測得的壓力曲線如圖8 所示。從圖8 中可以看出，測點P1、P2處壓力的增長趨勢相近，這是由于P1、P2兩測點相對傳火管的位置對稱，感受到的壓力也相近。各方案的最高壓力和破膜壓力見表4，表中顯示最高壓力受點火藥量的影響，20 g 的點火藥（方案1、3、5）最高壓力為2.5 MPa左右，30 g 的點火藥（方案2、4）最高壓力為2.8 MPa 左右，相較20 g 的高11%；各方案的破膜壓力為1.0 MPa左右，說明系統(tǒng)采用的爆破膜泄壓系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。對比不同裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線發(fā)現(xiàn)，桿狀裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線較光滑，未見明顯的波動，而粒狀裝藥和桿?；煅b結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)不同程度的壓力波動區(qū)，如圖8 中標識區(qū)域。這是由于粒狀藥床的相間阻力大，阻礙氣體傳播，形成氣體壅塞現(xiàn)象，膛內(nèi)易形成壓力波動。通過分析對各方案燃燒室內(nèi)壓力，可洞悉壓力波動形成的原因，提高發(fā)射安全性。

圖8 各方案P1、P2、P3 測點的壓力曲線Fig. 8 Pressure-time curves measured at measuring points P1, P2and P3in each case

表4 各方案的最高壓力和破膜壓力Table 4 The highest pressure and membrane-broken pressure in each case

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計的模擬試驗系統(tǒng)是一套集多項技術(shù)于一體的完整的模擬試驗系統(tǒng)，可以進行不同點火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的點傳火試驗?？梢暬娜紵覍⒒鹧娴膫鞑ミ^程直觀展現(xiàn)，為點傳火過程的研究提供新方法，結(jié)合多通道測試系統(tǒng)可對出火時間、傳火時間、火焰?zhèn)鞑ノ恢眉叭紵覂?nèi)壓力等參數(shù)進行測試，從而對不同點火藥量、不同裝藥結(jié)構(gòu)的點傳火的一致性、瞬時性、均勻性等進行對比試驗研究，進而優(yōu)選點火藥量、優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，建立火焰?zhèn)鞑ツＰ停瑸榫_開展內(nèi)彈道建模、提高發(fā)射安全性提供參考。還可以減少彈道試驗次數(shù)，有效縮短研究周期，因此具有較高的經(jīng)濟和社會效益。

（2）較大的點火藥量使出火時間延長，單一桿狀裝藥床傳火性能優(yōu)于單一粒狀裝藥和桿?；煅b藥床，粒狀裝藥床易形成氣體壅塞，膛內(nèi)出現(xiàn)壓力波動現(xiàn)象?；鹧?zhèn)鞑ミ^程符合一階指數(shù)衰減函數(shù)，擬合建立的點傳火火焰?zhèn)鞑ミ^程數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度大于0.98。