田小濤，李玉雪，肖 冰，王帥中，馬伊凡，劉佩進(jìn)，嚴(yán)啟龍

（1.西北工業(yè)大學(xué) 燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

點(diǎn)火具能在瞬間提供足夠的能量點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥并穩(wěn)定火焰，對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)初始壓強(qiáng)的建立至關(guān)重要，是影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的關(guān)鍵因素之一［1］。因此，對點(diǎn)火裝置真實(shí)工況下的工作性能開展研究，對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

點(diǎn)火具最常見的結(jié)構(gòu)為點(diǎn)火藥盒（殼體）中裝填點(diǎn)火藥，在點(diǎn)火藥中埋入發(fā)火元件。點(diǎn)火藥盒在點(diǎn)火過程中，為點(diǎn)火藥燃燒提供一定的壓強(qiáng)，從而保證點(diǎn)火藥完全燃燒同時(shí)，在強(qiáng)瞬態(tài)的點(diǎn)火過程中，點(diǎn)火藥盒能夠有效控制燃?xì)鈿饬?，使藥劑得以被均勻點(diǎn)燃［1］。因此，殼體在點(diǎn)火裝置中的作用十分重要，很大程度影響了點(diǎn)火藥的點(diǎn)火效果及工作狀態(tài)。研究表明，點(diǎn)火藥盒開孔大小會(huì)影響火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程的流場特性［2］。此外，在點(diǎn)火具的破膜過程中，除推進(jìn)劑表面壓力會(huì)急劇上升外，還會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)振蕩現(xiàn)象［3］。不同殼體材料的點(diǎn)火具具有不同的特性［4］，使用硝基軟片制作殼體材料的點(diǎn)火具加工簡單、成本低，但性能不理想；鐵絲網(wǎng)殼體材料能夠有效提高殼體強(qiáng)度，但鐵與膠之間兩相界面融合不佳；鋁管殼結(jié)構(gòu)的點(diǎn)火具強(qiáng)度較高，對外界電磁干擾具有屏蔽作用。賽璐珞（纖維素）作為最常用的點(diǎn)火藥盒材料，其優(yōu)點(diǎn)為易于沖壓成型、成本低、質(zhì)量輕。此外，賽璐珞作為可燃?xì)んw材料不僅減少了發(fā)動(dòng)機(jī)消極質(zhì)量，而且燃燒后不會(huì)形成碎片損壞藥柱表面、堵塞噴管。但長期貯存時(shí)，賽璐珞會(huì)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象［1，5］。

黑火藥［6-8］、鎂/聚四氟乙烯［9-10］、硼/硝酸鉀［11-14］作為常見的點(diǎn)火藥，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中黑火藥主要由硝酸鉀（氧化劑）、碳（可燃劑）和硫磺（主要起粘合劑作用［15］）組成。黑火藥具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，在較低的溫度和壓力下即可點(diǎn)燃，燃燒速度快，火焰感度好，工藝簡單，原料豐富［16-17］。但黑火藥燃燒殘?jiān)蚀?，燃燒產(chǎn)物易腐蝕武器系統(tǒng)、污染環(huán)境且吸濕性強(qiáng)，燃?xì)鉄熿F量大。研究表明，黑火藥藥柱在低壓下的燃速與環(huán)境壓力呈線性關(guān)系，且環(huán)境壓力低至20 kPa 時(shí)，黑火藥藥柱會(huì)出現(xiàn)瞎火或熄火現(xiàn)象［18］。黑火藥中硫磺受熱熔化后能填補(bǔ)碳與硝酸鉀界面的間隙，使體系導(dǎo)熱性變好，且硫磺會(huì)使黑火藥機(jī)械感度增大［19］。在鎂/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）點(diǎn)火藥中，聚四氟乙烯作為氧化劑具有熱穩(wěn)定性好、能量高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)［20］；金屬鎂燃燒具有高熱值、高反應(yīng)活性的特點(diǎn)，與聚四氟乙烯反應(yīng)可釋放出大量熱量。Mg/PTFE 在氮?dú)夂涂諝? 種環(huán)境下的反應(yīng)機(jī)理不同，氧氣會(huì)參與Mg 的反應(yīng)且抑制PTFE 和Mg 的中間反應(yīng)［21］。研究表明，Mg/PTFE 燃燒速率及其敏感性與Mg 濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［22］。硼/硝酸鉀（B/KNO3）作為一種高能點(diǎn)火藥，由氧化劑（KNO3）、可燃劑（B）和粘合劑組成。硼/硝酸鉀具有點(diǎn)火能力強(qiáng)、燃燒熱值高、燃燒穩(wěn)定、鈍感、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［23-24］。但目前，硼/硝酸鉀作為點(diǎn)火藥還存在以下問題：硝酸鉀與硼混合不均勻；硼表面易形成氧化層，導(dǎo)致點(diǎn)火藥中活性硼含量不高［25］。B/KNO3具有高溫穩(wěn)定性［26］。對比不同氧燃比的B/KNO3激光點(diǎn)火特性，表明具有較低激光點(diǎn)火能量閾值的B/KNO3配方具有較短的激光點(diǎn)火延遲時(shí)間［27］。煙火劑Mg/PTFE、B/KNO3與黑火藥相比，能量更高，燃速更快，含氣量較少不易產(chǎn)生過高壓強(qiáng)峰。但煙火劑發(fā)火點(diǎn)均比黑火藥發(fā)火點(diǎn)溫度高，且Mg 和B 易氧化，貯存穩(wěn)定性更差，此外，大多數(shù)煙火劑都具有較強(qiáng)的吸濕性［1］。

上述研究主要針對點(diǎn)火藥盒和點(diǎn)火藥的性能等方面，但尚未有點(diǎn)火具工作過程中點(diǎn)火藥與包裝賽璐珞（纖維素）材料相互作用及其藥型結(jié)構(gòu)對火焰?zhèn)鞑ヌ匦杂绊懙南嚓P(guān)研究報(bào)道。為了更好分析點(diǎn)火藥在實(shí)際工況下的點(diǎn)火反應(yīng)過程，本研究選用3 種典型點(diǎn)火藥，并以殼體材料為纖維素的點(diǎn)火藥盒，按照一定質(zhì)量比制成樣品，從熱分解特性以及熱解氣相產(chǎn)物等方面，研究了黑火藥、鎂/聚四氟乙烯、硼/硝酸鉀點(diǎn)火過程中與纖維素殼體材料的熱相互作用。同時(shí)，通過點(diǎn)火腔模擬了點(diǎn)火具在發(fā)動(dòng)機(jī)中的自由點(diǎn)火過程，研究了點(diǎn)火具裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量及配方組成等因素對其工作過程中能量釋放特性及燃溫分布的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

黑火藥（HY-2），粒徑為2.8～5.6 mm；黑火藥（HY-5），粒徑為0.63～1.18 mm。鎂/聚四氟乙烯（Mg/PTFE）、硼/硝酸鉀（B/KNO3）由西安北方慶華機(jī)電集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。纖維素殼體的生產(chǎn)廠商為上海賽璐珞板廠。

1.2 裝藥配方與裝藥結(jié)構(gòu)

為研究纖維素殼體材料與點(diǎn)火藥的熱相互作用，按照實(shí)際裝藥中材料的質(zhì)量比設(shè)計(jì)并制備了3 種點(diǎn)火藥與纖維素的復(fù)合物樣品。由于涉及的2 種黑火藥配方粒徑不同，因此黑火藥只取HY-2 制備黑火藥/纖維素復(fù)合物。制備過程如下：研缽中加入酒精研磨點(diǎn)火藥，將酒精和點(diǎn)火藥混合物進(jìn)行抽濾后自然風(fēng)干。研缽中倒入丙酮溶液，加入剪成小塊的纖維素不斷研磨，待纖維素溶于丙酮后，加入研磨后的點(diǎn)火藥不斷攪拌（點(diǎn)火藥與纖維質(zhì)量比為2∶1），直至丙酮揮發(fā)得到點(diǎn)火藥/纖維素復(fù)合物，自然風(fēng)干后得到最終樣品。點(diǎn)火藥的配方組成、點(diǎn)火藥與纖維素復(fù)合物的配方與各樣品代號如表1 所示（纖維素縮寫為XWS）。

表1 所測樣品基本配方Table 1 Formulations of the involved samples

此外，研究還模擬構(gòu)建了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自由點(diǎn)火腔室，并在其中對不同裝藥結(jié)構(gòu)、不同裝藥量及不同配方組成裝藥的點(diǎn)火具樣品進(jìn)行了模擬點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)火藥盒形狀分為大圓柱體形、小圓柱體形、方形、環(huán)形和異形5 種，如圖1 所示。

圖1 本文所涉及的典型點(diǎn)火藥盒形狀及其編號1—環(huán)形，2—方形，3—異形，4—大圓柱體形，5—小圓柱體形Fig.1 Typical ignition cartridge shape and number in the article 1—ring，2—square，3—irregular，4—large cylindrical，5—small cylindrical

1.3 測試方法與實(shí)驗(yàn)條件

熱分析：采用TG-DSC 同步熱分析儀器，在流速為50 mL?min-1的Ar 氣氛下，研究了樣品的熱分解行為，樣品質(zhì)量1～2 mg，升溫速率5 ℃·min-1，升溫范圍50～500 ℃（Mg/PTFE 升溫范圍50～800 ℃）。

同時(shí)，熱解氣體通過一根加熱管道傳輸至Bruker Tensor Ⅱ傅里葉變換紅外光譜儀，光譜儀掃描速度40 張·秒-1，分辨率0.4 cm-1，波數(shù)范圍8000～350 cm-1，設(shè)置參數(shù)為每次掃描時(shí)長8 s，掃描間隔4 s，即升溫速率5 ℃·min-1條件下每1 ℃掃描一次。點(diǎn)火過程與燃溫測量：將實(shí)驗(yàn)樣品用雙面膠固定在燃燒室內(nèi)樣品放置處，燃燒室結(jié)構(gòu)如圖2 所示。點(diǎn)火線通過圖2a 燃燒室中的點(diǎn)火線接孔點(diǎn)燃樣品。燃燒室開有透明視窗，其中點(diǎn)火藥點(diǎn)火過程由高速攝像機(jī)（Phantom M340）以1000 幀/秒的速度通過普通玻璃視窗記錄。同樣，通過藍(lán)寶石玻璃視窗采用高速紅外熱像儀（x6520sc）對火焰溫度分布進(jìn)行測試。

圖2 模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自由點(diǎn)火腔室結(jié)構(gòu)示意圖：（a）燃燒室整體結(jié)構(gòu)布局；（b）燃燒室三視圖；（c）相機(jī)布局1—封頭，2—藍(lán)寶石玻璃視窗，3—普通玻璃視窗，4—點(diǎn)火線接孔，5—測壓孔，6—樣品放置處，7—紅外相機(jī)，8—高速相機(jī)Fig.2 Schematic diagram of the simulated rocket engine ignition chamber： （a） the overall structure of the combustion chamber layout； （b） three views of combustion chamber； （c） two camera layouts 1—seal head，2—sapphire glass window，3—ordinary glass window，4—igniter connection hole，5—pressure hole，6—sample placement，7—infrared camera，8—high speed camera

燃燒室壓強(qiáng)測量方法：將壓力傳感器（型號HS-H-4M，側(cè)壓板范圍0～10 MPa，采樣率50 kHz）安裝在燃燒室上側(cè)開的測壓孔上采集壓力數(shù)據(jù)。

凝相燃燒產(chǎn)物分析：采用X 射線衍射儀（XRD，日本，ULTIMA IV）分析凝相燃燒產(chǎn)物的物相組成，掃描范圍為5°～80°，步長為0.02 fs。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方的熱分解特性及熱解氣相產(chǎn)物分析

為了評價(jià)纖維素作用下不同點(diǎn)火藥的熱反應(yīng)行為的變化情況，測試了點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物非等溫?zé)岱磻?yīng)過程。相應(yīng)的非等溫DSC（Differential Scanning Calorimetry）與TGA（Thermogravimetry Analysis）曲線如圖3 所示，詳細(xì)熱分析參數(shù)見表2 和表3。

圖3 點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物的TG/DTG 和DSC 曲線（括號中的溫度對應(yīng)于Mg/PTFE 和Mg/PTFE/XWS）Fig.3 DSC and TG/DTG curves of igniting pyrotechnics and its cellulose composites （The temperature in brackets corresponds to Mg/PTFE and Mg/PTFE/XWS）

表2 點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物在加熱速率為5 ℃·min-1的氬氣氣氛下的TG/DTG 參數(shù)Table 2 TG/DTG parameters of igniting pyrotechnics and the corresponding composites at a heating rate of 5 ℃·min-1 at Ar atmosphere

表3 點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物的熱分解 DSC 參數(shù)Table 3 The DSC parameters of igniting pyrotechnics and the corresponding composites under Ar atmosphere

黑火藥的熱分解過程主要包含S、KNO3的轉(zhuǎn)晶和熔化，以及C、S 與KNO3之間的化學(xué)反應(yīng)［28］。主要有4個(gè)吸熱過程：114～120 ℃附近S 的轉(zhuǎn)晶過程、130 ℃附近KNO3轉(zhuǎn)晶過程、270 ℃和330 ℃左右S 和KNO3分別熔化過程。以上4 個(gè)吸熱過程均無質(zhì)量損失。403 ℃附近為C、S 與KNO3的三元復(fù)合物的主放熱反應(yīng)過程，該階段質(zhì)量損失達(dá)到30%以上。此外，黑火藥另一熱分解質(zhì)量損失發(fā)生在218.5 ℃附近，此時(shí)S與KNO3發(fā)生了凝聚相反應(yīng)。如圖3b 所示，HY-2 在133.4 ℃和333.4 ℃出現(xiàn)了由于KNO3轉(zhuǎn)晶和熔化導(dǎo)致的吸熱峰，但均未觀察到S 的轉(zhuǎn)晶和熔化過程，其主要原因是S 含量較少，其吸熱過程被黑火藥的放熱所掩蓋。此外，HY-2 在409.4 ℃附近的放熱峰為C、S 與KNO3之間的氧化還原放熱反應(yīng)，其放熱量為3108 J·g-1。該過程的質(zhì)量變化對應(yīng)于圖3a 中345～442.5 ℃范圍內(nèi)較寬的失重峰。HY-2 在190-215 ℃范圍內(nèi)的失重峰是由于S 和KNO3發(fā)生預(yù)熱反應(yīng)所致。Mg/PTFE 在340.8、650.8、703.8 ℃的吸熱峰分別為PTFE 熔化、Mg吸熱熔化和中間產(chǎn)物的分解［21，29］。其中，中間產(chǎn)物的分解吸熱對應(yīng)于Mg/PTFE 在690.7～725.7 ℃的熱損失，450.8～578.3 ℃的熱損失為PTFE 與Mg 的放熱反應(yīng)，放 熱 量 為505.8 J·g-1。B/KNO3在137.9，331.9，413.4 ℃附近分別出現(xiàn)了吸熱峰、吸熱峰和放熱峰，分別表示KNO3的轉(zhuǎn)晶、熔融［26，30］，以及B 和KNO3的放熱反應(yīng)［31］。359.4 ℃處出現(xiàn)了微弱放熱峰，為非穩(wěn)態(tài)KNO3的固相分解放熱過程。B/KNO3只有一個(gè)質(zhì)量損失過程，如圖3a所示，為B 和KNO3的反應(yīng)。

3種點(diǎn)火藥與纖維素復(fù)合后，均在200 ℃附近出現(xiàn)放熱峰，為纖維素的分解放熱。由表3 計(jì)算得，HY-2/XWS和Mg/PTFE/XWS 的 總 放 熱 量 分 別 為1045.4 J·g-1、810.4 J·g-1，均 低 于 原 點(diǎn) 火 藥 的 總 放 熱 量（HY-2 和Mg/PTFE 的放熱量分別為3108 J·g-1、1157.4 J·g-1），而B/KNO3/XWS 的總放熱量為1397.4 J·g-1，比B/KNO3的放熱量高出2.39 倍。從表2 中的DTG 參數(shù)容易看出，纖維素的加入使得HY-2 和Mg/PTFE 放熱反應(yīng)時(shí)的熱解速率降低，卻加速了B/KNO3放熱反應(yīng)的熱解速率，且B/KNO3/XWS 相比于B/KNO3熱解過程多出2 個(gè)放熱峰，因此表現(xiàn)出上述現(xiàn)象。下文將分析纖維素對不同種類點(diǎn)火藥熱分解過程的影響。

如圖3b，HY-2/XWS 相較HY-2 均多了1 個(gè)吸熱峰和1 個(gè)放熱峰，分別為S 的轉(zhuǎn)晶和纖維素的分解。從圖3b 中可以明顯看出，HY-2/XWS 的主放熱峰（第二個(gè)放熱峰）緊跟在KNO3的熔化峰之后，而不是在KNO3熔化吸熱峰結(jié)束后一段溫升才開始放熱，說明纖維素降低了黑火藥的起始反應(yīng)（C、S 和KNO3間的化學(xué)反應(yīng)）溫度，HY-2/XWS 的峰溫前移也說明了這一現(xiàn)象。HY-2/XWS 第一階段的質(zhì)量損失發(fā)生在177.8～220.3 ℃，相較HY-2 同階段的質(zhì)量損失在190～215 ℃，黑火藥的失重峰增寬。但是由于黑火藥/纖維素復(fù)合物在該質(zhì)量損失階段同時(shí)包含了S 和KNO3的預(yù)反應(yīng)和纖維素的分解，因此，難以確定該失重階段2 種反應(yīng)的反應(yīng)溫度和界限，要確定是否因?yàn)槔w維素的存在降低了黑火藥預(yù)反應(yīng)的溫度、延長了預(yù)反應(yīng)的時(shí)間，還需要更深入的研究。

Mg/PTFE 在340.8 ℃附近發(fā)生PTFE 的融化吸熱，但在Mg/PTFE/XWS 的熱解曲線沒有出現(xiàn)該吸熱峰，是因?yàn)樵撨^程被Mg/PTFE/XWS 的吸熱所掩蓋。422.5 ℃附近Mg/PTFE/XWS 熱解曲線出現(xiàn)Mg/PTFE的分解吸熱峰，在Mg/PTFE 熱解曲線中并未出現(xiàn)，這是由于Mg/PTFE 的分解溫度接近Mg/PTFE 的初始反應(yīng)溫度（450.8 ℃），被Mg/PTFE 的放熱反應(yīng)掩蓋。而添加了纖維素的樣品，其放熱反應(yīng)起始溫度較高（552.5 ℃），遠(yuǎn)離Mg/PTFE 的分解溫度，因此該過程顯現(xiàn)。同時(shí)，纖維素也使得Mg/PTFE 的放熱峰向高溫移動(dòng)：Mg/PTFE 的放熱峰峰溫為505.8 ℃，Mg/PTFE/XWS 的放熱峰峰溫為575 ℃。

為進(jìn)一步研究纖維素對不同類型點(diǎn)火藥熱分解過程化學(xué)反應(yīng)路徑的影響，對點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物的熱分解氣相產(chǎn)物進(jìn)行FTIR 表征，其結(jié)果如圖4。

圖4 典型火藥在纖維素作用下的熱分解峰溫處氣相產(chǎn)物紅外吸收光譜圖Fig.4 FTIR spectra of the decomposition gaseous products at peak temperature

B/KNO3的熱解曲線在331.9 ℃表現(xiàn)為吸熱峰，而在B/KNO3/XWS 熱解曲線中表現(xiàn)為放熱峰，且該放熱峰對應(yīng)于TG/DTG 曲線存在1 個(gè)失重峰，說明該溫度下可能發(fā)生了反應(yīng)。該部分反應(yīng)可能為KNO3與纖維素?zé)峤馓嘉镔|(zhì)的反應(yīng)。從峰溫來看，纖維素同時(shí)也使B/KNO3反應(yīng)放熱峰向低溫移動(dòng)（該反應(yīng)在B/KNO3、B/KNO3/XWS 熱解曲線中的放熱峰峰溫分別為413.4，379.2 ℃）。

如圖4，HY-2 的主要?dú)庀喈a(chǎn)物有H2O、CO2、NO2、N2O，Mg/PTFE 的氣相產(chǎn)物主要包括H2O、CO2、CF2、HF，與文獻(xiàn)［28-29］結(jié)果較為符合。其中HY-2 氣相產(chǎn)物中N2O 可能為雜質(zhì)氣體，且FTIR 圖譜中并沒有SO2等黑火藥熱分解主要?dú)庀喈a(chǎn)物的明顯峰值，這可能是因?yàn)樗褂玫暮诨鹚帢悠分蠸 含量較低，SO2濃度較低無法被紅外檢測設(shè)備準(zhǔn)確記錄。HY-2/XWS 的氣相產(chǎn)物種類與HY-2 一致，表明纖維素的加入并未改變黑火藥原有的分解路徑，同時(shí)可以看出復(fù)合物圖譜中各個(gè)峰的強(qiáng)度相比于黑火藥均明顯增強(qiáng)。纖維素分解時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生H2O、CO2、NO2等氣體導(dǎo)致復(fù)合物圖譜中峰強(qiáng)度增強(qiáng)，同時(shí)如果纖維素的加入能提高黑火藥的分解速率，同樣也會(huì)使復(fù)合物峰強(qiáng)度增強(qiáng)，要確定什么因素增強(qiáng)峰強(qiáng)度還需更深入的研究。Mg/PTFE/XWS 與Mg/PTFE 氣相產(chǎn)物一致，除CO2外其余氣相產(chǎn)物濃度基本一致，可見纖維素在Mg/PTFE熱解過程中生成的主要?dú)庀喈a(chǎn)物為CO2。B/KNO3及其纖維素復(fù)合物氣相產(chǎn)物較少，未被紅外檢測設(shè)備記錄。

2.2 點(diǎn)火燃燒能量釋放特性

由上文可知，纖維素通過改變點(diǎn)火藥的放熱量、熱分解速率、反應(yīng)溫度等影響點(diǎn)火藥熱分解過程。為進(jìn)一步研究點(diǎn)火具工作過程中纖維素殼體及其藥型結(jié)構(gòu)對點(diǎn)火具工作過程的影響，研究還通過模擬點(diǎn)火具在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中自由點(diǎn)火的燃燒室對不同裝藥結(jié)構(gòu)、不同裝藥量及不同配方組成裝藥的點(diǎn)火具樣品進(jìn)行了模擬點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。其中，不同裝藥結(jié)構(gòu)模擬點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)采用HY-5 點(diǎn)火藥，其裝藥量為10 g。不同裝藥量模擬點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)樣品為HY-5，有10，14，18 g和20 g 4 種典型裝藥量，點(diǎn)火藥盒為大圓柱體形。針對不同點(diǎn)火藥配方模擬點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，樣品藥盒也采用大圓柱體裝藥，點(diǎn)火藥種類有黑火藥（HY-2、HY-5）、Mg/PTFE、B/KNO3，其裝藥量都為10 g。

2.2.1 火焰結(jié)構(gòu)

采用自制燃燒室對各點(diǎn)火具樣品的模擬點(diǎn)火燃燒過程進(jìn)行研究，如圖5～7 分別為不同配方組成樣品、不同裝藥結(jié)構(gòu)樣品和不同裝藥量點(diǎn)火具的模擬點(diǎn)火燃燒過程。

圖5 不同配方裝藥點(diǎn)火具點(diǎn)火與火焰增長過程Fig.5 Ignition process and flame propagation of igniters with different formula charge

圖5a～5b 為HY-5、HY-2 的點(diǎn)火燃燒過程，可見明顯的預(yù)燃過程。點(diǎn)火具首先局部預(yù)燃（圖5a 為0.6 ms、圖5b 為0.6 ms 處圖像），隨后主裝藥被局部點(diǎn)燃后完全點(diǎn)燃，燃燒瞬間生成大團(tuán)火焰且釋放出大量氣體，火焰顏色呈現(xiàn)為亮黃色。爆炸瞬間生成大量氣體，攜帶黑火藥顆粒從點(diǎn)火藥盒濺射到整個(gè)燃燒室（如圖5a 為6.3 ms、圖5b 為7.5 ms 處圖像），燃燒劇烈可見明顯的黑火藥顆粒。纖維素殼體在點(diǎn)火具模擬點(diǎn)火過程中起到了一定的增壓效應(yīng)，為初始火焰的確立奠定了壓強(qiáng)基礎(chǔ)。Mg/PTFE 和B/KNO3的點(diǎn)火燃燒過程與黑火藥類似，但并未觀察到預(yù)燃過程。Mg/PTFE 點(diǎn)火瞬間主裝藥先局部點(diǎn)燃，隨后完全點(diǎn)燃，火焰顏色為亮黃色。如圖5d，B/KNO3的點(diǎn)火發(fā)展過程短暫，幾乎在點(diǎn)火瞬間主裝藥就被全部點(diǎn)燃，同時(shí)可以觀察到明顯的顆粒燃燒。從點(diǎn)火具的工作時(shí)間來看，10 g 裝藥量下，對比圖5a 和5b，可見大粒徑黑火藥點(diǎn)火具比小粒徑黑火藥點(diǎn)火具工作時(shí)間長，而B/KNO3點(diǎn)火具的工作最長，Mg/PTFE 工作時(shí)間最短。

圖6 為不同裝藥結(jié)構(gòu)樣品的模擬點(diǎn)火燃燒過程，各樣品點(diǎn)火燃燒過程都是由局部點(diǎn)燃發(fā)展為全面點(diǎn)燃。小圓柱體形、方形、異形藥盒樣品分別在4.6，0.5，2.3 ms 觀察到藥盒殼體被爆炸瞬間生成的氣體沖破，同時(shí)也可以看到大量點(diǎn)火藥顆粒被帶出（點(diǎn)火藥盒及點(diǎn)火藥顆粒位置在圖中標(biāo)出）。從燃燒劇烈程度上來看，異形藥盒樣品火焰明亮度最高，異形藥盒點(diǎn)火具工作時(shí)間最長，與小圓柱體形藥盒點(diǎn)火具工作時(shí)間接近。同時(shí)，方形和環(huán)形藥盒點(diǎn)火具工作時(shí)間較短。圖7 為不同裝藥量樣品的模擬點(diǎn)火燃燒過程。如圖7 所示，裝藥量對點(diǎn)火具工作時(shí)間影響不大。裝藥量分別為10，14，20 g 的樣品從完全點(diǎn)燃到點(diǎn)火結(jié)束的時(shí)間分別為126，157，145 ms 左右（18 g 裝藥量樣品由于未拍攝到點(diǎn)火結(jié)束，未作對比）。各樣品的點(diǎn)火燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程如表4 所示。

表4 各樣品燃燒節(jié)點(diǎn)時(shí)間Table 4 The burning node time of each sample

2.2.2 能量釋放過程實(shí)時(shí)溫度分布

利用高速紅外相機(jī)獲得了火焰溫度分布圖和火焰特征點(diǎn)的溫度變化曲線，圖8～9 為不同配方組成樣品、不同裝藥結(jié)構(gòu)樣品和不同裝藥量樣品的最高溫度對比圖和溫度變化曲線。如圖8，各樣品的溫度分布規(guī)律較為接近，溫度分布以點(diǎn)火藥盒為中心向外輻射（圖8中各圖中心為點(diǎn)火藥盒位置，因?yàn)榧t外相機(jī)拍攝時(shí)，點(diǎn)火藥盒位于圖像中心），溫度由低到高，顆粒燃燒明顯。燃燒產(chǎn)生大量氣體攜帶裝藥顆粒噴射而出，中心溫度較低是因?yàn)橹行木奂w粒較多，顆粒間的相互傳熱吸收了部分熱量，從而使中心溫度低于輻射外緣。

圖8 （a～d）不同配方組成樣品；（e～h）不同裝藥結(jié)構(gòu)樣品；（i～l）不同裝藥量樣品的最高火焰溫度出現(xiàn)時(shí)刻的溫度分布對比Fig.8 Comparison of the highest flame temperature distribution of each sample

如圖9c～9d 可知，HY-5 點(diǎn)火具最高溫為768 ℃，HY-2 點(diǎn)火具最高溫為820 ℃，HY-5 的最高溫比HY-2低6.8%。由圖9c～9d 溫度變化曲線可知，HY-2 點(diǎn)火具點(diǎn)燃后，溫度迅速攀升，到達(dá)最高溫后突然下降，最高溫處溫度曲線尖銳；而HY-5 點(diǎn)火具溫度曲線則相對平緩，表明HY-2 燃燒更劇烈，釋能速率更快更聚焦，因此燃溫也更高?？梢娏捷^小的黑火藥點(diǎn)火具具有較低的燃燒溫度。由圖9a～9d 可知，3 種點(diǎn)火藥中Mg/PTFE 的燃燒溫度最高，約為1226 ℃，同時(shí)，到達(dá)最高溫時(shí)其溫度變化曲線相對其他點(diǎn)火藥更尖銳。根據(jù)圖9e～9h，裝藥結(jié)構(gòu)對點(diǎn)火具的燃燒溫度影響不顯著，環(huán)形藥盒樣品溫度最低，為738 ℃，方形藥盒樣品溫度最高，為788 ℃，二者溫差僅為50 ℃。

圖9 （a～d）不同配方組成樣品；（e～h）不同裝藥量樣品；（i～l）不同裝藥結(jié)構(gòu)樣品的燃燒室壓強(qiáng)和燃燒溫度隨能量釋放過程的變化Fig.9 The combustion chamber pressure and combustion temperature of each sample change with the flame propagation process

圖9 為各樣品的燃燒室壓強(qiáng)和燃燒溫度隨能量釋放過程的變化曲線。分析圖9g～9i 不同裝藥量點(diǎn)火具的溫度變化曲線（如紅色曲線所示），可見裝藥量對樣品的燃燒溫度影響不大，4 種裝藥量的樣品溫度變化曲線趨勢基本一致，且最高溫?zé)o顯著差異，溫差不超過50 ℃。此外，實(shí)驗(yàn)還記錄了樣品模擬點(diǎn)火燃燒過程中的壓力變化。由壓力變化曲線可見，壓力變化緊接著溫度變化，趨勢與溫度變化基本一致。不同的是，點(diǎn)火之后，溫度曲線和壓力曲線均迅速上升，到達(dá)最高點(diǎn)之后，溫度快速降低，而壓力曲線則迅速下降至略低于最高處壓力數(shù)值后，維持幾乎不變一段時(shí)間再快速下降，使得溫度與壓力變化不同步。這是因?yàn)椋紵以谶_(dá)到最高溫度后，由于裝藥燃燒完畢，沒有新的熱量釋放，因此燃燒室自然對流散熱，溫度降低。燃燒過程中不斷生成氣體，同時(shí)燃燒室中的氣體不斷向外逸散，燃燒室內(nèi)壓力越高，氣體向外排處的速度越快。當(dāng)燃燒過程生成氣體的速率高于排氣速率，壓力升高；當(dāng)燃燒過程生成氣體的速率等于排氣速率，壓力不變；當(dāng)燃燒過程生成氣體的速率低于排氣速率，壓力降低。從最高壓強(qiáng)來看，對于不同配方（如圖9a～9d）和不同裝藥結(jié)構(gòu)（如圖9i～9l）的點(diǎn)火具，B/KNO3和環(huán)形點(diǎn)火藥盒更有利于建立高壓強(qiáng)點(diǎn)火環(huán)境。且隨著裝藥量增加，點(diǎn)火具所建立的最高壓強(qiáng)也增加（如圖9e～9h）。點(diǎn)火具在點(diǎn)火過程中壓強(qiáng)和溫度的建立過程對裝藥燃面的著火過程至關(guān)重要。例如，低溫時(shí)利用黑火藥點(diǎn)燃復(fù)合推進(jìn)劑主裝藥，容易引起“喘氣”燃燒現(xiàn)象［3］；點(diǎn)火具溫度、壓強(qiáng)要達(dá)到點(diǎn)火區(qū)域自持燃燒溫度閾值，才能使點(diǎn)火域快速升溫升壓實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑初始燃面可靠點(diǎn)火。從點(diǎn)火信號給出指令起到燃燒室初始壓強(qiáng)建立，其間所對應(yīng)的間隔稱為點(diǎn)火延遲時(shí)間。點(diǎn)火延遲是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能的主要指標(biāo)。若點(diǎn)火延遲時(shí)間超過規(guī)定值，便認(rèn)為該發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火性能不可靠。而點(diǎn)火具藥盒破裂瞬間和發(fā)動(dòng)機(jī)被點(diǎn)燃瞬間極大地影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。一般來講，點(diǎn)火具的燃燒氣體溫度越高，點(diǎn)火延遲時(shí)間越短［1］。

術(shù)中：①手術(shù)視野較小，沒有清晰的顯露手術(shù)視野：脊柱外科手術(shù)中出血較多，視野不清，以及椎板“開窗”術(shù)或半椎板切除術(shù)術(shù)野局限，導(dǎo)致粘連松解或椎間盤摘除時(shí)對硬脊膜造成損傷；②術(shù)中操作不當(dāng)：手術(shù)醫(yī)生沒有足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、術(shù)中操作過程不熟練或者術(shù)中動(dòng)作粗暴，都有可能會(huì)對硬膜造成損傷進(jìn)而引發(fā)腦脊液漏，特別是在棘突斜坡進(jìn)行減壓時(shí)鉗咬椎板或黃韌帶時(shí)角度及深淺度不當(dāng)，造成硬脊膜被咬損或撕破，椎管內(nèi)腫瘤摘除切開硬脊膜后硬脊膜縫合方式不對等。

2.3 凝相產(chǎn)物成分分析

圖10 為點(diǎn)火藥及其纖維素復(fù)合物凝相燃燒產(chǎn)物（Combustion Condensed Products，CCPs）的XRD 光譜。由圖10 可知，黑火藥CCPs 的主要相是KHCO3和K2SO4，其中前者與報(bào)道的K2CO3［28］不同。原因可能是黑火藥冷卻過程中K2CO3與冷凝水蒸氣產(chǎn)生了反應(yīng)。HY-2/XWS 的CCPs 沒有產(chǎn)生黑火藥凝相燃燒產(chǎn)物外的新物質(zhì)，進(jìn)一步表明了纖維素在燃燒過程中沒有改變黑火藥的反應(yīng)路徑。同樣，Mg/PTFE/XWS 的CCPs不含纖維素的燃燒相關(guān)產(chǎn)物，表明其完全降解為氣體。除 未 反 應(yīng) 的Mg 外，MgF2是Mg/PTFE 的 主 要CCPs［29］。Mg/PTFE 和Mg/PTFE/XWS 的凝相燃燒產(chǎn)物中都含有Mg，表明其未能完全燃燒。而Mg/PTFE/XWS 的凝相燃燒產(chǎn)物中Mg 的特征峰強(qiáng)度相對較低，表明纖維素會(huì)增強(qiáng)Mg 燃燒。此外，MgO 可能是由Mg 與纖維素釋放的O 反應(yīng)生成。由于B/KNO3及其纖維素復(fù)合材料的CCPs 是無定形的，因此，采用XRD 儀器難以檢測到。這些復(fù)合材料更詳細(xì)的反應(yīng)途徑未來還需要通過量子化學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖10 HY-2、Mg/PTFE 及其纖維素復(fù)合物的凝相燃燒產(chǎn)物XRD 光譜Fig.10 XRD spectra of combustion products of HY-2、Mg/PTFE and their cellulose composites

3 結(jié)論及展望

本研究制備了含33.3%纖維素的點(diǎn)火藥復(fù)合樣品以研究纖維素外殼對點(diǎn)火藥熱反應(yīng)性能的影響，此外還研究了裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥量及配方組成對點(diǎn)火具能量釋放過程及燃溫分布的影響規(guī)律?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1） 纖維素會(huì)降低黑火藥和Mg/PTFE的總放熱量，降幅分別為66.4%，58.5%。然而，纖維素卻使B/KNO3的總放熱量提高了2.39 倍。

（2） 對樣品熱解氣相產(chǎn)物分析表明，纖維素并未改變黑火藥和Mg/PTFE 的分解路徑。此外，燃燒凝相產(chǎn)物分析結(jié)果顯示，模擬點(diǎn)火過程點(diǎn)火具的燃燒產(chǎn)物與點(diǎn)火藥原材料燃燒產(chǎn)物一致，進(jìn)一步說明纖維素在燃燒過程中沒有改變點(diǎn)火藥的反應(yīng)路徑。

（3） 在配方影響方面，B/KNO3點(diǎn)火具工作最長，Mg/PTFE 點(diǎn)火具工作時(shí)間最短。且大粒徑黑火藥比小粒徑黑火藥燃溫更高，大粒徑黑火藥點(diǎn)火具具有更短的工作時(shí)間。此外，Mg/PTFE 點(diǎn)火具的燃燒溫度最高，約為1226 ℃，燃燒最劇烈。

（4） 在裝藥結(jié)構(gòu)影響方面，方形和環(huán)形藥盒點(diǎn)火具工作時(shí)間較小圓柱體形和異形點(diǎn)火藥盒的點(diǎn)火具工作時(shí)間縮短42%左右，具有更高的點(diǎn)火效率。此外，裝藥結(jié)構(gòu)對燃溫影響不顯著，最大溫差僅為49.7 ℃。

（5） 在裝藥量影響方面，裝藥量對點(diǎn)火具的工作時(shí)間和燃燒火焰溫度影響不顯著，溫差不超過50 ℃。模擬點(diǎn)火過程研究表明，藥形為大圓柱體形、裝藥量10 g 的黑火藥點(diǎn)火具在點(diǎn)火燃燒過程中會(huì)發(fā)生預(yù)點(diǎn)火現(xiàn)象。點(diǎn)火藥生成大量氣體攜帶未點(diǎn)燃點(diǎn)火藥顆先破殼再實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

本研究探索了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)顆粒型點(diǎn)火具的工作過程中火藥與包裝纖維素材料相互作用及其藥型結(jié)構(gòu)對能量釋放特性的影響規(guī)律，但是研究中一些現(xiàn)象機(jī)理尚未得到解釋。如配方的熱分解特性分析部分，黑火藥的失重峰增寬的機(jī)理僅從熱重曲線的變化無法得到解釋，需要進(jìn)行更深入的研究。B/KNO3在熱分解曲線中KNO3可能與纖維素?zé)峤馓嘉镔|(zhì)發(fā)生了放熱反應(yīng)，但是在熱解氣相產(chǎn)物和燃燒凝相產(chǎn)物分析中由于相關(guān)物質(zhì)無法被儀器采集，因此這一推測無法得到驗(yàn)證。此外，文章僅對點(diǎn)火具點(diǎn)火過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，還可以通過數(shù)值模擬的方法更深入的認(rèn)識(shí)點(diǎn)火具殼體與點(diǎn)火藥在點(diǎn)火過程中的相互作用。