薛園園，盧 斌，文 沖，解瑞珍，秦國圣，李 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

火工驅(qū)動裝置是利用火炸藥燃燒或爆炸反應(yīng)時產(chǎn)生的氣動效應(yīng)完成驅(qū)動功能的裝置，主要由動力源火工品、活塞桿和活塞筒組成，其原理是火藥點火后產(chǎn)生高溫高壓氣體推動活塞，從而為負載機構(gòu)提供推力、位移、速度、沖量等。參考國內(nèi)外火工驅(qū)動結(jié)構(gòu)的最新研究進展，本文開展了微尺寸火工驅(qū)動裝置的做功參數(shù)研究。通過基本假設(shè)建立做功參數(shù)數(shù)學(xué)-物理模型，得出裝置空腔內(nèi)壓力變化趨勢，由此初步推算出速度變化趨勢；通過裝填不同配比的斯蒂芬酸鉛與硝化棉的混合藥劑，對裝置進行了發(fā)火試驗及高速攝影測速試驗，并計算出驅(qū)動速度，研究了斯蒂芬酸鉛與硝化棉不同配比對微火工驅(qū)動裝置中做功能力的影響。

1 微火工驅(qū)動裝置

本研究的微火工驅(qū)動裝置由蓋板、含能藥柱、推桿、換能元、底座組成，底板裝藥區(qū)體積約為7.8mm3，推桿與含能藥柱接觸面約為0.75mm2，長3.5mm，裝填藥劑為斯蒂芬酸鉛和硝棉酯（硝化棉和乙酸乙酯的混合物）。圖1為微火工驅(qū)動裝置三維分拆圖，圖2為微驅(qū)動裝置樣品與5角硬幣大小對比圖。

圖1 微火工驅(qū)動裝置三維分拆圖Fig.1 Three-dimensional splitting schematic of micro explosive actuator

圖2 微火工驅(qū)動裝置樣品Fig.2 Sample photo

2 做功參數(shù)模型建立

2.1 基本假設(shè)

假設(shè)：（1）燃氣服從氣體狀態(tài)方程；（2）火藥燃燒遵循幾何燃燒定律；（3）忽略原空腔內(nèi)氣體對燃燒反應(yīng)的影響；（4）燃燒產(chǎn)物成分始終不變；（5）忽略熱損失，忽略裝置形變；（6）點火藥瞬時燃盡，推桿在燃氣壓力推動下的啟動是瞬間完成的。

2.2 藥腔理論做功參數(shù)模型

2.2.1 壓力

假定火藥瞬時燃燒完，氣體質(zhì)量狀態(tài)方程為：

式（1）中：r=R/M，M為氣體的平均摩爾質(zhì)量。

火藥力方程：

式（1）～（2）中：P為裝藥區(qū)壓力；V為氣體的比容；R為與氣體組分有關(guān)的氣體常數(shù)；T為火藥的燃燒溫度；f為火藥力。

（1）燃燒過程：由式（1）～（2）可得理論狀態(tài)下：

考慮到氣體損失，則有：

式（3）～（5）中：P0為理論狀態(tài)下藥劑燃燒完全裝藥區(qū)的壓力；V0為理論狀態(tài)下藥劑燃燒產(chǎn)生氣體所占容積；P1為某一時刻藥劑燃燒時裝藥區(qū)的壓力；V1為某一時刻藥劑燃燒產(chǎn)生氣體的實際容積；ψ為某一時刻已燃燒的火藥質(zhì)量占火藥總質(zhì)量的百分比；ω、f分別是火藥燃燒產(chǎn)生氣體的總體質(zhì)量和火藥力；G為損失的氣體量。

對式（4）、（5）兩式微分并合并，可推導(dǎo)出：

（2）做功過程：藥劑完全燃燒后產(chǎn)生的燃氣壓力主要用來增加負載動能和克服阻力做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：

式（7）～（8）中：M為推桿的質(zhì)量；v為推桿運動速度；∑F為阻力；S為推桿與藥劑的接觸面積；x為推桿運動距離。對式（7）～（8）兩式微分整理得：

通過模型可推導(dǎo)出在火藥的燃燒過程中，裝藥腔的壓力是個急劇上升的過程；在做功過程中，裝藥腔的壓力與時間關(guān)系的曲率應(yīng)明顯為負值，是下降過程。在整個燃燒運動過程中壓力呈現(xiàn)為一個先上升后下降的過程。已知壓力大小與做功能力的大小成正比，由此可推算出推桿的速度曲線與壓力曲線相仿。

2.2.2 運動速度方程

燃氣壓力P作用于推桿，使其產(chǎn)生一個變加速度，推桿以此變加速度由初始位置運動到結(jié)束位置，令兩位置間的距離為dx，運行時間為dt，則有：

根據(jù)牛頓第二運動定律，有P2S-∑F＝Ma等式成立。即：

3 裝藥設(shè)計

3.1 裝藥量初步計算

微火工驅(qū)動裝置的底板裝藥區(qū)內(nèi)裝填藥劑為斯蒂芬酸鉛和硝棉酯。按硝棉酯（硝化棉與乙酸乙酯的混合物）與斯蒂芬酸鉛質(zhì)量比為1:1設(shè)計實驗，硝化棉酯中硝化棉的比例設(shè)計為15%、10%、5%（簡稱為15%硝棉酯，10%硝棉酯，5%硝棉酯）。因此混合藥劑的體積比為：

式（12）中：v1、w1、ρ1分別為斯蒂芬酸鉛的體積百分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)、密度；v2、w2、ρ2分別為硝化棉的體積百分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)、密度。

底板裝藥腔的理論體積值為θmm3，因此：

式（13）中V1、V2分別為斯蒂芬酸鉛、硝化纖維的體積。

根據(jù)m=ρV可計算出各藥劑的理論質(zhì)量，見表1。

表1 理論裝藥量Tab.1 Theoretical charge mass

3.2 混藥及裝藥

硝化棉（NC）為白色絮狀，按15%、10%、5%的比例稱取一定量的硝化棉充分溶于1g乙酸乙酯中（后面簡稱硝棉酯），置于陶瓷坩堝中浸泡幾天，然后稱取1g的斯蒂芬酸鉛，將其加入到混合均勻的硝棉酯中，攪拌均勻，靜置一段時間后，用牙簽將混合好的藥劑滴加到微推裝置的裝藥區(qū)。為防止縮孔，裝填時應(yīng)分次裝填。將裝填好藥劑的裝置放于烘箱、30℃干燥0.5h。實際裝藥量如表2所示。

表2 實際裝藥量Tab.2 Actual charge mass

由表2可看出，在定體積稱量的條件下，隨著硝化棉含量的增加，混合藥劑質(zhì)量增加。因滴裝藥不可避免的氣孔問題及人工操作的誤差，所以實測質(zhì)量小于理論裝藥量。

表3 理論藥量與實測裝藥量對比Tab.3 Comparison of theoretical charge mass to actual charge mass

4 試驗及結(jié)果分析

4.1 發(fā)火試驗

將產(chǎn)品按要求組裝好安裝在試驗夾具上進行發(fā)火試驗。樣品分為3組，分別裝填含5%、10%、15%硝棉酯的混合藥劑。試驗后檢查試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表4所示。圖3為試驗前后樣品圖。

表4 發(fā)火試驗結(jié)果Tab.4 Fire test results

圖3 發(fā)火試驗前后的樣品Fig.3 The sample before and after fire test

根據(jù)圖3及表4可知所有裝置均可以完成既定功能，對于相同質(zhì)量的混合藥劑，隨著斯蒂芬酸鉛含量的增加，裝置的損壞越發(fā)明顯。

4.2 測速試驗

采用高速攝影的測試方法測試作用時間，進而求出推桿的運動速度。將裝置按要求連接好，如圖4所示，不接任何負載，固定在試驗夾具上，接好線后，打開高速攝影儀及光源，進行測速試驗。拍攝的樣品運動圖像如圖5所示。表5為3組測試結(jié)果，根據(jù)v=s/t，推算出速度，瞬時速度——距離曲線見圖6。

表5 推桿運動瞬時速度Tab.5 Instant speed of moving pisiton

圖4 高速攝影試驗裝置圖Fig.4 Test device for high speed photography

圖5 樣品運動圖像Fig.5 The movement graph of sample

圖6 瞬時速度——距離曲線Fig.6 The curves of instant actuation speed vs distance

從表5及圖6中可以看出，速度曲線先上升后下降，與理論計算中所得結(jié)果相一致，且速度隨位移的增加迅速減小。從表5中可看出隨著硝化棉含量的增加，推桿在同一位移段內(nèi)的瞬時平均速度增大。而表4發(fā)火試驗中隨著硝化棉含量的降低，裝置的破損嚴重，說明燃燒產(chǎn)生的壓力越大，產(chǎn)生的推力也應(yīng)該越大，推桿的瞬時速度也應(yīng)該越大，這與測速試驗的結(jié)果相反。分析其原因，認為隨著硝化棉含量的降低、斯蒂芬酸鉛含量的增多，藥劑燃燒一瞬間產(chǎn)生的沖擊力變大，使裝置破損越發(fā)嚴重，相應(yīng)地氣體泄漏越迅速，這直接導(dǎo)致了驅(qū)動力的大幅度降低。對比試驗結(jié)果說明，15%硝化棉含量的混合藥劑較低含量硝化棉的混合藥劑更適合此微火工驅(qū)動裝置。

5 結(jié)論

（1）理論計算分析與試驗結(jié)果所得的推桿速度曲線具有較好的吻合性，說明理論分析在實驗方案的設(shè)計上具有較好的指導(dǎo)作用。（2）通過高速攝影測速試驗與發(fā)火試驗，可以得出火藥燃燒的推動力能夠滿足推桿做功的要求。（3）隨著硝化棉含量的增加，同體積下藥劑質(zhì)量增大，火藥燃燒驅(qū)動推桿速度明顯增加；對比試驗數(shù)據(jù)，15%硝化棉含量的混合藥劑較低含量硝化棉的混合藥劑適合此微火工驅(qū)動裝置，后續(xù)將加強裝置密封性及增加硝化棉含量進行推動試驗。

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