吳 昊，王 琦，吳瑞德，楊 文，高鳳川

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固體燃氣發(fā)生器過濾介質(zhì)比較研究

吳 昊1，王 琦1，吳瑞德1，楊 文1，高鳳川2

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061；2. 航天科技11所，陜西 西安, 710065）

為滿足固體燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的燃氣純凈以及降低溫度的需求，在燃氣發(fā)生器內(nèi)設(shè)計過濾機構(gòu)。通過對比玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)、耐熱金屬絲編制網(wǎng)（鉬網(wǎng)）、不銹鋼絲壓制網(wǎng)在燃氣發(fā)生器內(nèi)的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)不銹鋼絲壓制網(wǎng)具有更全面的性能表現(xiàn)，適用于各種類型固體燃氣發(fā)生器的殘渣過濾及冷卻降溫。

固體燃氣發(fā)生器；過濾介質(zhì)；不銹鋼絲壓制網(wǎng)

固體燃氣發(fā)生器依靠內(nèi)部固體主裝藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃氣做功，廣泛應(yīng)用于航天、航空多領(lǐng)域，例如子母彈頭分離、減震氣囊打開、液體燃料加壓、紅外特征釋放等。固體燃氣發(fā)生器釋放氣體瞬間溫度較高，采用煙火藥的燃氣溫度介于800~1 200K，采用固體推進劑的燃氣溫度大于2 400K，且其中夾雜大量固體粒子。大量固體殘渣的存在，將導(dǎo)致燃氣管路堵塞，使內(nèi)部壓力升高造成炸膛，或者，熾熱的固體粒子將會燒穿氣囊，造成氣囊漏氣。同時，過高的溫度會造成燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)體因受熱強度降低而炸裂，或者將管路及氣囊燒穿。鑒于上述問題，對固體燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的氣體進行過濾、降溫顯得極為迫切，然而同時能夠滿足過濾及降溫兩種條件的技術(shù)目前不夠成熟[1-5]。本研究針對3種類型的過濾介質(zhì)，開展相關(guān)性能研究，以期為燃氣發(fā)生器設(shè)計提供參考。

1 過濾介質(zhì)對比

固體燃氣發(fā)生器的燃氣過濾要求主要為：（1）耐高溫；（2）具有一定強度，特別是在高壓氣體沖刷下保持過濾能力明顯不變；（3）具有大量殘渣容納能力；（4）具有一定降溫能力；（5）易于加工成形；（6）便于檢驗；（7）化學(xué)穩(wěn)定性好。

目前，國內(nèi)固體燃氣發(fā)生器工程領(lǐng)域應(yīng)用主要基于3種類型的過濾介質(zhì)：（1）高溫玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)；（2）耐熱金屬絲壓制網(wǎng)（典型的為鎢網(wǎng)）；（3）不銹鋼絲壓制網(wǎng)。本文對3種過濾介質(zhì)工程使用優(yōu)缺點進行比較，并利用燃氣發(fā)生器對3種介質(zhì)的過濾性能進行實測對比。

1.1 玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)

玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)屬于合成纖維針刺過濾材料，由于玄武纖維本身強度高、耐高溫、耐腐蝕、延伸率低（小于3%），主要用于工業(yè)除塵和煙、氣凈化。對直徑0.5mm以下的固體粒子其過濾效率可達99.0%~99.5%，使用溫度300~350℃，瞬間可耐受400℃。玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)如圖1所示。

圖1 玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)實物照片

該針刺氈的優(yōu)點是過濾精度較高，缺點是整體強度較低，使用時依靠機械裁切的方式制備為一定形狀，并且需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。在相同氣體通路面積的情況下，支撐結(jié)構(gòu)必須采取“小眼多孔”的結(jié)構(gòu)，避免“大眼少孔”的結(jié)構(gòu)，避免其被高壓氣體沖刷帶走，常用方法如圖2所示。

圖2 玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)使用方法

由于玄武巖針刺氈的過濾精度較高，可通過控制其厚度達到控制過濾能力的目的。雖然加工成形方便，但其耐受溫度較低，所以，較適合用于過濾精度高，燃氣釋放壓力低的燃氣發(fā)生器。該過濾網(wǎng)對固體殘渣的容納能力小，易在表面形成致密濾餅而阻滯氣流通過，造成內(nèi)部壓力異常而發(fā)生殼體炸裂。若殼體設(shè)計耐壓升高，會造成過濾網(wǎng)被沖出燃氣發(fā)生器外，造成過濾能力下降或是過濾網(wǎng)殘渣堵塞噴口、管路的現(xiàn)象。所以不建議將玄武巖針刺氈應(yīng)用于壓力較高的燃氣發(fā)生器，而是適用于產(chǎn)氣壓力低于3MPa、工作時間小于1s的固體燃氣發(fā)生器。

1.2 耐熱金屬絲編制網(wǎng)

耐熱金屬絲編織網(wǎng)主要是指耐溫性能較好的鎢合金絲或鉬合金絲制成的編織網(wǎng)。鎢絲網(wǎng)耐溫3 380℃，鉬絲網(wǎng)耐溫2 610℃。由于兩種耐熱合金絲材質(zhì)較硬，無法編織為較大密度的濾網(wǎng)。目前國內(nèi)鎢絲網(wǎng)最大可編織為200目，過濾精度0.07~24.3mm，鉬絲網(wǎng)最大可編織為400目，過濾精度0.02~23.7mm。為提高過濾精度，可采取多層過濾網(wǎng)疊加的形式進行過濾。鉬網(wǎng)如圖3所示。

圖3 鉬網(wǎng)照片

1.3 不銹鋼絲壓制網(wǎng)

不銹鋼絲過濾網(wǎng)為近幾年發(fā)展起來的一種新型過濾網(wǎng)，主要是通過模具將一定絲徑的不銹鋼絲壓制為一定形狀，其外形如圖4所示。

圖4 不銹鋼絲壓制網(wǎng)實物照片

此類過濾網(wǎng)采用普通不銹鋼絲，短時間耐溫約800℃。該過濾網(wǎng)的過濾精度的調(diào)節(jié)手段主要有兩種：（1）固定重量下調(diào)整外型尺寸；（2）增加過濾網(wǎng)厚度。

由于壓制成型過濾網(wǎng)需要將金屬絲進行較大程度彎折，耐熱金屬絲通常硬度較高或者材質(zhì)脆性較大，在壓制過程中容易使金屬絲折斷，所以耐熱金屬絲一般不適應(yīng)制造壓制網(wǎng)。

2 試驗驗證

為驗證3種不同過濾網(wǎng)的過濾效果及適用范圍，將其應(yīng)用于固體燃氣發(fā)生器過濾結(jié)構(gòu)中。燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 固體燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

固體燃氣發(fā)生器分為兩組：一組采用SyQU-1推進劑作為主裝藥，另一組采用AHYG-2產(chǎn)氣藥（煙火藥劑）作為主裝藥。使用推進劑作為主裝藥的固體燃氣發(fā)生器產(chǎn)生氣體溫度較高（一般大于1 100℃），但是固體殘渣量較少（一般小于10%）。使用AHYG-2產(chǎn)氣藥的固體燃氣發(fā)生器產(chǎn)生氣體溫度相對較低（一般小于700℃），但殘渣量極大（一般大于40%）。每組固體燃氣發(fā)生器均分別使用3種規(guī)格的過濾網(wǎng)進行過濾，調(diào)整為相同過濾精度，燃氣發(fā)生器內(nèi)部工作壓強設(shè)計為15MPa，試驗均在室溫狀態(tài)下進行。固體燃氣發(fā)生器進行點火后對其進行解剖，分別從過濾網(wǎng)重量、體積、固體殘渣容量（評價過濾能力）、過濾網(wǎng)完整性等方面進行評價，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同過濾介質(zhì)的過濾效果對比

Tab.1 Comparison experiment for different filter screen

由表1中數(shù)據(jù)可知，主裝藥為推進劑時，使用玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)作為過濾介質(zhì)的燃氣發(fā)生器，在點火試驗后，與過濾網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)的氣體通道部位被流動的氣體吹出燃氣發(fā)生器外部，正對氣體通道的部位形成了空洞，但總體完整，較多的殘渣滯留于過濾網(wǎng)上，如圖6所示。燃氣發(fā)生器殼體發(fā)生了鼓脹變形，明顯是由于內(nèi)部壓力過大造成。采用鉬網(wǎng)作為過濾介質(zhì)時，過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本完整，未產(chǎn)生孔洞，但是由于氣流沖刷作用，過濾網(wǎng)的方孔產(chǎn)生了一定的擴大，但由于過濾網(wǎng)較薄，所以濾網(wǎng)上幾乎沒有殘渣存在，如圖7所示。過濾網(wǎng)材質(zhì)經(jīng)高溫后發(fā)脆，手折即可破裂，燃氣發(fā)生器結(jié)構(gòu)未發(fā)生任何變形。使用不銹鋼絲過濾網(wǎng)作為過濾介質(zhì)時，由于過濾網(wǎng)較厚，其未發(fā)生任何破損，局部不銹鋼絲發(fā)生燒蝕殘缺，但數(shù)量很少，過濾網(wǎng)的縫隙內(nèi)存在一定數(shù)量殘渣，過濾網(wǎng)整體強度依然較高，如圖8所示。燃氣發(fā)生器外殼未發(fā)生任何形式變形。

圖6 試驗后玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)照片（主裝藥為推進劑）

圖7 試驗后鉬網(wǎng)過濾網(wǎng)照片（主裝藥為推進劑）

圖8 試驗后不銹鋼絲壓制過濾網(wǎng)照片（主裝藥為推進劑）

在使用產(chǎn)氣藥作為主裝藥的燃氣發(fā)生器中，由于產(chǎn)氣藥為煙火藥劑，其燃燒后的殘渣量極大，但燃溫相對較低。使用玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)的發(fā)生器殼體炸裂，殘骸中找到部分玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)碎片，幾乎無殘渣附著，如圖9所示。

圖9 試驗后玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)照片（主裝藥為煙火藥）

使用鉬網(wǎng)作為過濾介質(zhì)時，燃氣發(fā)生器中的過濾網(wǎng)破損相當嚴重，不僅過濾網(wǎng)制成機構(gòu)的氣體通道對應(yīng)的孔洞部位破損，而且在部分孔洞部位過濾網(wǎng)產(chǎn)生堆積，堵塞部分孔洞，如圖10所示，但燃氣發(fā)生器外殼無任何變形。

圖10 試驗后鉬網(wǎng)過濾網(wǎng)照片（主裝藥為煙火藥）

采用不銹鋼絲壓制網(wǎng)作為過濾介質(zhì)，燃氣發(fā)生器中的過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)基本完整，中心部位發(fā)生了一定程度的燒蝕，但不影響殘渣過濾，過濾網(wǎng)外形維持不變，空隙間存在大量的固體殘渣，如圖11所示，燃氣發(fā)生器外形無任何變形。

圖11 試驗后不銹鋼絲壓制過濾網(wǎng)照片（主裝藥為煙火藥）

3 結(jié)論

（1）玄武巖針刺氈過濾網(wǎng)僅適用于設(shè)計壓力較低的固體燃氣發(fā)生器，通常設(shè)計壓力應(yīng)低于3MPa。使用玄武巖針刺氈時需要設(shè)計有一定密度的支撐機構(gòu)，例如開孔較小的過濾板，否則在燃氣發(fā)生器工作過程中容易被吹出燃氣發(fā)生器外。

（2）相比推進劑作為主裝藥的燃氣發(fā)生器，耐熱合金絲過濾網(wǎng)（鉬網(wǎng)）更適合用于產(chǎn)氣藥作為主裝藥的燃氣發(fā)生器，使用時需設(shè)計支撐機構(gòu)，而且過濾網(wǎng)一般不能單層使用。并且，耐熱合金絲過濾網(wǎng)更適合用于對氣體潔凈度具有精確要求，以及對重量及體積敏感的固體燃氣發(fā)生器中。

（3）不銹鋼絲壓制網(wǎng)采用的不銹鋼絲雖然耐溫性能較差，但是由于其厚度較大，整體不易燒穿，而且具有更大的殘渣容量，適用于各種類型燃氣發(fā)生器。同時不銹鋼絲在高溫氣體氛圍中部分受熱汽化，可對燃氣進行一定程度降溫，保證燃氣發(fā)生器輸出氣體溫度維持較低水平。

[1] 譚大成.彈射內(nèi)彈道學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2015.

[2] 閻冬,柳玲,馬宏珺,楊馥瑞.用于安全氣囊的氣體發(fā)生器的全球?qū)＠治鯷J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2014,33(4):17-19.

[3] 毛成立,李葆萱,等.燃氣發(fā)生器流量調(diào)節(jié)方案的比較[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2006,32(10):16-18.

[4] 王伯羲,馮增國,楊榮杰.火藥燃燒理論[M].北京:北京理工大學(xué), 1997.

[5] 關(guān)英姿.火箭發(fā)動機教程[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

Comparison Study on Different Kinds of Filter Media in Solid Gas Generator

WU Hao1, WANG Qi1, WU Rui-de1, YANG Wen1, GAO Feng-chuan2

(1. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061；2. The 11st Institute of CASC, Xi’an, 710065)

To meet with the requirement of clean and cool gas generated from solid gas generator, filter system was designed in the gas generator. Through comparison the performance among basalt needing felt filter screen, heat-resistant metal wire filter screen (especially the molybdenum filter screen) and stainless steel wire pressed filter screen, which were used in solid gas generator, the conclusion was obtained that stainless steel wire pressed filter screen has comprehensive performance, which can be used in many kinds of solid gas generator to make the gas clean and cold.

Solid charge gas-generator；Filter media；Stainless steel wire pressed filter screen

TJ450.4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.003

1003-1480（2017）06-0010-04

2017-08-14

吳昊（1982-），男，工程師，從事型號火工品設(shè)計與研究。