劉 亮，羅運(yùn)強(qiáng)，張文龍，范 智

（中國(guó)航天科技集團(tuán)四院四十二所，湖北 襄陽(yáng) 441003）

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車安全技術(shù)也逐漸成為備受關(guān)注的話題。另一方面交通事故爆發(fā)的愈來(lái)愈頻繁，安全氣囊作為汽車上自我保護(hù)裝置也越來(lái)越受到人們重視。安全氣囊氣體發(fā)生器主要分為發(fā)生器上下殼體結(jié)構(gòu)件，過(guò)濾網(wǎng)，點(diǎn)火系統(tǒng)和產(chǎn)氣藥。點(diǎn)火系統(tǒng)主要作為發(fā)生器的點(diǎn)火裝置，在受到外界系統(tǒng)刺激后點(diǎn)火系統(tǒng)爆發(fā)點(diǎn)火。其作用機(jī)理是當(dāng)氣體發(fā)生器接收到電信號(hào)后，發(fā)生器內(nèi)部的電爆管起爆，點(diǎn)爆管內(nèi)的起爆藥燃燒產(chǎn)生的熱量將點(diǎn)火藥點(diǎn)燃，點(diǎn)火藥燃燒后將產(chǎn)氣藥點(diǎn)燃，產(chǎn)氣藥燃燒產(chǎn)生的大量高溫氣體將氣袋充滿，從而達(dá)到保護(hù)乘客的目的。

安全氣囊氣體發(fā)生器點(diǎn)火系統(tǒng)主要分為點(diǎn)火殼體，電爆管，點(diǎn)火藥三個(gè)部分。點(diǎn)火藥作為點(diǎn)火系統(tǒng)最主要組成部分，其對(duì)點(diǎn)火輸出如何影響仍未有太多研究。本文主要針對(duì)點(diǎn)火藥的三個(gè)方面，從點(diǎn)火藥類型、點(diǎn)火藥藥量和點(diǎn)火藥藥片規(guī)格對(duì)如何影響點(diǎn)火輸出做了系統(tǒng)研究。

1 安全氣囊氣體發(fā)生器兩相流點(diǎn)火理論

點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火過(guò)程可以用內(nèi)彈道兩相流點(diǎn)火模型[1]來(lái)解釋，當(dāng)電爆管接受外界信號(hào)點(diǎn)火后，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生氣體-顆粒兩相流的點(diǎn)火射流，點(diǎn)火射流由氣相和顆粒相共同組成，顆粒相有兩種形態(tài)，可能為液相，也有可能為固態(tài)粒子，這與點(diǎn)火藥的種類和點(diǎn)火產(chǎn)生的溫度有關(guān)系，同時(shí)還與固態(tài)粒子的物化性能有關(guān)。燃燒后產(chǎn)生的兩相流固態(tài)或液態(tài)粒子溫度較高，隨著顆粒粒子從點(diǎn)火管噴出，到與產(chǎn)氣藥接觸過(guò)程中會(huì)損失大量的熱，在與產(chǎn)氣藥接觸后產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，而氣態(tài)物質(zhì)主要是通過(guò)對(duì)流的方式發(fā)生熱交換。兩種加熱方式相結(jié)合，共同完成對(duì)產(chǎn)氣藥的點(diǎn)火過(guò)程。

2 點(diǎn)火藥對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)的影響

2.1 點(diǎn)火藥的類型對(duì)點(diǎn)火性能影響

現(xiàn)有點(diǎn)火藥分為三種類型[2]：第一類為5氨基四唑體系的點(diǎn)火藥，該類型點(diǎn)火藥爆熱值較高，產(chǎn)生大量的氮?dú)?；第二類主要以硝酸胍為主體的點(diǎn)火藥，該類型點(diǎn)火藥中一般含有部分金屬單質(zhì)，從而達(dá)到燃燒后產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)氣量與第一種類型基本相同，產(chǎn)生的氣體中含有較高含量的水蒸氣；第三類為硼硝酸鉀體系，主要以B-KNO3為主體的點(diǎn)火藥，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是傳統(tǒng)型的點(diǎn)火藥[3]，由于配方中加入了硼粉，其點(diǎn)火藥的能量較高，燃燒后產(chǎn)生大量的熱[4]，該類型點(diǎn)火藥幾乎不產(chǎn)生氣體。三種體系的點(diǎn)火藥點(diǎn)火方式、點(diǎn)火性能存在較大的差異，各自有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)氣體發(fā)生器及氣體發(fā)生劑的要求，選擇不同的點(diǎn)火藥類型，圖1中顯示了安全氣囊發(fā)生器中三種點(diǎn)火藥藥片的點(diǎn)火輸出，選擇的點(diǎn)火藥規(guī)格為直徑均是3 mm，厚度1.1 mm的藥片。

圖1 三種類型點(diǎn)火藥點(diǎn)火壓力曲線Fig.1 The pressure curves of the three types ignition

表1 三種類型點(diǎn)火藥點(diǎn)火壓力輸出Table 1 Ignition pressure of three types of ignition

表2 三種類型點(diǎn)火藥點(diǎn)火內(nèi)壓輸出Table 2 Combustion pressure of three types of ignition

圖2 不同類型點(diǎn)火藥燃燒室內(nèi)壓曲線Fig.2 The Combustion pressure curves of the three types ignition

根據(jù)表 1的結(jié)果顯示，在相同的發(fā)生器，裝藥參數(shù)一致的情況下，三種類型的點(diǎn)火藥壓力輸出不太一致，類型Ⅲ點(diǎn)火藥點(diǎn)火能量大，放出的熱量高，雖然該類型點(diǎn)火藥幾乎不產(chǎn)生的氣體，但是由于其燃燒后的熱量較高[5]，燃燒室溫度較高，單位時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃的產(chǎn)氣藥較多，前10 ms過(guò)程中壓力升高的較快，因此壓力值上較另外兩種類型的點(diǎn)火藥要高；另外兩種類型點(diǎn)火藥主要點(diǎn)火方式以氣體導(dǎo)熱為主，固態(tài)粒子加熱為輔，類型Ⅱ點(diǎn)火藥由于爆熱值較高，點(diǎn)火能量大，其10 ms壓力也相應(yīng)較高。同時(shí)對(duì)比三種類型藥劑的點(diǎn)火內(nèi)壓數(shù)據(jù)，將相同藥量的三種點(diǎn)火藥裝入發(fā)生器中，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)火壓力輸出[6]，表2顯示了上述藥劑的點(diǎn)火最大內(nèi)壓數(shù)據(jù)。

圖2中曲線說(shuō)明在相同藥量的點(diǎn)火藥系統(tǒng)中，類型Ⅰ點(diǎn)火藥和類型Ⅱ點(diǎn)火藥內(nèi)壓[7]較高，從表 1中數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，類型Ⅰ和Ⅱ兩種點(diǎn)火藥產(chǎn)氣量較高，因而點(diǎn)火內(nèi)壓也相應(yīng)較高，雖然上述兩種類型點(diǎn)火藥產(chǎn)氣率相當(dāng)，但是類型Ⅰ點(diǎn)火藥由于燃燒溫度較高，產(chǎn)生氣體溫度也較高，因此在點(diǎn)火內(nèi)壓上類型Ⅰ輸出較類型Ⅱ高。類型Ⅲ點(diǎn)火藥由于產(chǎn)氣率較低，雖然燃燒溫度較高，但氣量較小決定了其內(nèi)壓輸出較低。

2.2 點(diǎn)火藥藥量對(duì)點(diǎn)火性能影響

點(diǎn)火藥藥量對(duì)點(diǎn)火性能的影響展開(kāi)研究和分析，選擇類型Ⅱ和類型Ⅲ點(diǎn)火藥作為研究對(duì)象，增加點(diǎn)火藥藥量，類型Ⅱ點(diǎn)火藥從2.3，2.5，2.7，3.0 g四種藥量的點(diǎn)火藥裝入發(fā)生器中，類型Ⅲ點(diǎn)火藥藥量從2，2.7，3，3.2 g四種藥量變化，上述點(diǎn)火藥藥片直徑均是Ф3，厚度1.1 mm的藥片規(guī)格，對(duì)不同類型的藥劑增加點(diǎn)火藥量，考察點(diǎn)火性能的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明類型Ⅱ點(diǎn)火藥量的增加，點(diǎn)火時(shí)間逐漸縮短，10 ms壓力逐漸增加，到后來(lái)增加越來(lái)越緩慢；而類型Ⅲ點(diǎn)火藥隨著點(diǎn)火藥量的增加，點(diǎn)火時(shí)間呈現(xiàn)先縮短后增加的趨勢(shì)。

類型Ⅱ點(diǎn)火藥由于產(chǎn)氣率較高，其燃燒后產(chǎn)生大量的氣體，依靠氣體對(duì)流進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而點(diǎn)燃后續(xù)的點(diǎn)火藥藥片，因此點(diǎn)火系統(tǒng)中點(diǎn)火藥的密度對(duì)其影響較小，在點(diǎn)火藥藥量增加過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的點(diǎn)火藥[8]藥片更多，產(chǎn)生的高溫氣體和粒子也較多，點(diǎn)火能力增加，曲線中點(diǎn)火時(shí)間呈現(xiàn)不斷縮短和點(diǎn)火壓力增加的趨勢(shì)。而類型Ⅲ點(diǎn)火藥燃燒后產(chǎn)生大量的高溫粒子[9]，其主要加熱方式是通過(guò)高溫固態(tài)粒子來(lái)完成熱傳導(dǎo)過(guò)程。當(dāng)點(diǎn)火管端面的點(diǎn)火藥先燃燒后，產(chǎn)生的高溫粒子點(diǎn)燃后續(xù)的藥片。當(dāng)點(diǎn)火管內(nèi)點(diǎn)火藥藥量增加，其點(diǎn)火藥密度也相應(yīng)增加，端面點(diǎn)火藥燃燒后產(chǎn)生的高溫粒子將對(duì)更多的藥劑產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，這使得單位體積內(nèi)點(diǎn)火藥藥片吸收的熱量降低，達(dá)到一定程度后吸收的熱量不足以達(dá)到其分解溫度，因此會(huì)造成后續(xù)的點(diǎn)火藥分解速度降低，從而出現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)間先降低后又增加的趨勢(shì)。

圖3 類型Ⅱ點(diǎn)火藥不同點(diǎn)火藥量點(diǎn)火壓力曲線Fig.3 The pressure curves about different weight of ignition Ⅱ

圖4 類型Ⅲ點(diǎn)火藥不同點(diǎn)火藥量點(diǎn)火性能曲線Fig.4 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

圖5 不同厚度的類型Ⅲ點(diǎn)火藥點(diǎn)火壓力曲線Fig.5 The pressure curves about different weight of ignition Ⅲ

圖6 不同直徑的類型Ⅲ點(diǎn)火藥點(diǎn)火壓力曲線Fig.6 The pressure curves about different diameter of ignition Ⅲ

2.3 點(diǎn)火藥藥片藥型對(duì)點(diǎn)火性能影響

以類型Ⅲ點(diǎn)火藥為研究對(duì)象，考察厚度為1.1,1.6,2.0 mm，直徑Ф3藥片三種狀態(tài)下相同點(diǎn)火藥藥量點(diǎn)火性能變化；同時(shí)在相同重量的條件下，考察直徑2, 3, 4 mm的藥片點(diǎn)火性能隨直徑增加的關(guān)系。圖5中和圖6中顯示了隨著點(diǎn)火藥厚度和直徑的增加，點(diǎn)火時(shí)間也在不斷增加，點(diǎn)火10 ms壓力不斷減小。點(diǎn)火藥厚度和直徑的增加，相同點(diǎn)火藥藥量條件下其藥片總表面積相應(yīng)的減小，燃燒表面的減小造成其單位時(shí)間內(nèi)藥片的燃燒速度的降低，因此曲線中隨著藥片厚度和直徑的增加，點(diǎn)火時(shí)間均延長(zhǎng)，點(diǎn)火后10 ms壓力也降低。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)中不同點(diǎn)火藥的研究，主要得出了以下三點(diǎn)結(jié)論：

（1）三種類型的點(diǎn)火藥配方體系存在較大區(qū)別，點(diǎn)火方式差異性較大。按照兩相流點(diǎn)火理論分析，類型Ⅰ和類型Ⅱ點(diǎn)火藥主要以氣體導(dǎo)熱為主，而類型Ⅲ點(diǎn)火藥是以固體高溫粒子熱傳導(dǎo)為主，同時(shí)由于點(diǎn)火藥的爆熱值和燃燒溫度也存在較大區(qū)別，因此選擇點(diǎn)火藥類型是尋找點(diǎn)火系統(tǒng)互相匹配的過(guò)程。

（2）不同類型的點(diǎn)火藥隨藥量不斷增加，點(diǎn)火過(guò)程呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。由于點(diǎn)火方式的區(qū)別，類型Ⅰ和類型Ⅱ點(diǎn)火藥藥量增加后，點(diǎn)火時(shí)間縮短、點(diǎn)火10 ms壓力均增加，而類型Ⅲ點(diǎn)火藥隨藥量增加前期表現(xiàn)出與上述點(diǎn)火藥相同的趨勢(shì)，但是增加到一定程度后，點(diǎn)火時(shí)間開(kāi)始延長(zhǎng)。

（3）點(diǎn)火藥藥片直徑或厚度增加，藥片總的燃燒面積減小，因而點(diǎn)火時(shí)間均延長(zhǎng)，點(diǎn)火10 ms壓力也均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

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