含金属丝网燃气发生器对气囊充气过程的试验研究

吴 晨，江 坤，黄 明

(南京理工大学，能源与动力工程学院，南京 210094)

1 引言

燃气发生器是子母弹抛撒武器、汽车安全气囊等系统的主要装置之一，气囊是囊式抛撒系统的关键部件，在实际工程应用中受到高压、高温燃气冲击，易发生破损情况。气囊一旦发生破损，囊内压力急剧下降，将直接影响到子弹的抛撒速度及散布情况，无法保证燃气发生系统工作的稳定性。目前部分学者为防止气囊破损，对气囊材料强度及抛撒药剂等方面展开试验和理论研究。

房玉军等提出以氮气发生剂作为囊式抛撒燃气发生器抛撒药，并设计了对应试验。试验采用单舱、双舱2种抛撒装置，使用氮气发生剂作为抛撒药，同时对舱两侧气囊充气。同时设计了过多药量时气囊破裂试验。试验结果表明采用氮气发生剂为抛撒药时，囊内峰值压力较低，抛撒过载小；气囊破损时，将大大降低子弹抛撒速度。王帅等对一种复合材料的气囊进行了试验研究。该气囊材料中心为芳纶布，上下层为橡胶通过环氧树脂与芳纶布黏合。经过拉伸试验得出该复合材料在拉伸过程中没有明显屈服现象，具有一定线性黏弹性。设计了气囊承压试验与抛撒试验，验证该复合材料气囊在3.5 MPa压力下未出现明显破裂，子弹抛撒速度可达到12 m/s，加速度为400，表明该复合材料气囊具有较良好承压能力。吴昊等通过试验分析研究了不同材料过滤介质的性能表现。研究表明不锈钢丝压制网整体不易少穿，能够较好过滤残渣，同时具有一定储热能力，能对燃气进行一定程度的降温。

2 试验装置

1)燃气发生器

本文在传统燃气发生器结构基础上增加了降温室，燃气发生器结构如图1所示，主要由点火座、点火药室、主装药室、低压室、降温室、堵盖、丝网挡板及其他元器件组成。主要腔室尺寸如表1。为了便于采集燃气参数数据，设计与气囊等效体积的金属储气罐，试验时将堵盖旋转安装在燃气发生器一侧，使燃气从另一侧单向流入储气罐。其中。主装药室周向分布4个直径1 mm的通孔。低压室一侧为4个直径2 mm燃气通道。挡板含19个直径为3 mm的通孔。

1-堵盖；2-低压室；3-主装药室；4-点火药室；5-点火座；6-降温室；7-丝网挡板图1 燃气发生器结构示意图Fig.1 Structure diagram of gas generator

表1 燃气发生器主要腔室尺寸Tabel 1 Dimensions of main chamber of gas generator

2)金属储气罐

燃气经过降温室降压、降温后对密闭储气罐充气。该储气罐与实际气囊体积等效，由304不锈钢制成，其结构如图2所示。储气罐内径为80 mm，内径有效长度为110 mm。储气罐右侧有3处开孔：2号孔为2号测压孔，用以安装压力传感器测量降温室压力；3号孔为泄压孔，用以安装泄压螺栓；4号孔为测温孔，用以安装热电偶。

1-储气罐本体；2-2号测压孔；3-泄压孔；4-测温孔图2 储气罐结构示意图Fig.2 Structural diagram of air storage tank

3)气囊

气囊由芳纶织布、橡胶复合材料制成，直径为50 mm，长度为450 mm。气囊照片如图3。

图3 气囊照片Fig.3 Gasbag of the experiment

4)金属丝网

试验采用30目、100目2种304不锈钢压制金属丝网，该丝网具有强度高、耐高温等优点。30目金属丝网丝径为0.15 mm、孔径0.7 mm，100目金属丝网丝径为0.07 mm、孔径为0.19 mm。金属丝网经裁剪后装填入降温室中，装填厚度约为10 mm，装填后如图4所示。

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图4 金属丝网装填示意图Fig.4 Wire mesh in cooling chamber

3 试验方案设计及试验测试系统

3.1 实验方案

为了研究金属丝网对燃气的降压、降温效果，需要进行多次不同工况下试验来对比分析。由于实际气囊为芳纶/橡胶复合材料制成，不易获得囊内燃气数据，故设计等效体积的金属储气罐用于试验以获得囊内燃气压力、温度曲线。本文试验根据燃气发生器充气对象分为2个部分：第一部分为燃气发生器对金属储气罐充气试验，第二部分为燃气发生器对气囊充气试验。

1)燃气发生器对储气罐充气试验

试验分为3种工况，试验工况参数表如表2：① 降温室内不含金属丝网；② 降温室内填充10 mm厚的30目金属丝网；③ 降温室内填充10 mm厚的100目金属丝网。由电点火头点燃点火药后，主装药燃烧产生燃气，经过低压室后流入降温室，最后向金属储气罐充气。在降压室侧面及储气罐尾部设置测压点，通过压力传感器及数据采集器获取降压室及储气罐内燃气压力曲线。在储气罐尾部设置测温点，通过压力传感器及数据采集器获取降压室及储气罐内燃气压力曲线。在储气罐尾部设置测温点，通过热电偶及数据采集器获取储气罐内燃气温度曲线。通过对比分析不同工况下燃气的压力、温度曲线获取金属丝网对燃气的压力、温度影响。

2)燃气发生器对气囊充气试验

燃气发生器充气试验分为3种工况，有关工况参数如表2所示。通过高速摄像机记录燃气发生器对气囊充气过程，观测燃气发生器实际充气效果。

表2 燃气发生器充气试验工况参数Tabel 2 Gas generator inflation test condition parameter table

3.2 试验测试系统

本文试验为研究金属丝网对燃气压力、温度的影响，需要分析燃气进入储气装置后的压力、温度变化规律并观测燃气发生器对气囊的充气过程。其中压力数据通过KISTLER公司生产的KISTLER-601H型压电式压力传感器及DEWE2500型多通道瞬态信号记录仪获得，温度数据通过OMEGA公司生产的CO2-k型热电偶及信号记录仪获得，气囊充气过程通过高速摄像机记录。其中燃气发生器对储气罐充气试验测试系统现场布置如图5所示。

图5 燃气发生器对金属储气罐充气试验现场布置示意图Fig.5 Schematic diagram of test site layout of gas generator inflating metal air storage tank

4 试验结果分析

4.1 燃气发生器对储气罐充气试验结果分析

图6为储气罐内燃气压力曲线，压力起始时间从点火时刻开始。由于储气罐为不锈钢材质，且体积较大，燃气流入储气罐后与储气罐换热充分，因此存在一定的热耗散，测量的压力数据与温度数据都比实际情况偏低。整体来看，在燃气进入储气罐后，罐内压力迅速升高。到达10 ms左右时，由于火药已经基本烧完，燃气流量减小，储气罐内压力上升趋势减缓，随后由于降温室与储气罐之间压差逐渐减小，储气罐内压力上升趋势逐渐平缓。另外从图中可以清晰看到，金属丝网的存在使得储气罐内燃气压力上升较缓慢，同时储气罐内最高压力降低。其中，金属丝网使燃气压力降低的原因有两点：① 流动受阻造成的惯性力损失；② 由于燃气自身粘性力及金属丝网结构造成的摩擦、涡旋、流体分离等粘性力损失。总体看来，在燃气主要释放期间(即点火之后的前30 ms)，无丝网时罐内最高压力达到1.92 MPa，装填30、100目金属丝网时罐内最高压力分别达到1.58 MPa、1.4 MPa。装填30、100目金属丝网时，罐内压力在前30 ms时间段平均下降了22.1%、35.3%。

图6 储气罐内压力曲线Fig.6 Pressure curve in air tank

图7为储气罐温度曲线。同样由于试验存在热耗散的原因，使得储气罐内燃气温度偏低。由于受到热电偶响应时间的限制，该温度曲线初始时刻从热电偶采集到燃气的温度数据开始。从图中可以看到，在0 ms温度急剧上升，随后趋于平缓。装填有金属丝网的储气罐内燃气温度整体低于没有装填金属丝网的，且随着孔隙率减小温度曲线越平缓，最高温度越低。这是由于燃气在经过金属丝网时，由于粘性力损失及惯性力损失造成部分能量损失，同时还有部分能量以直接以换热的形式损耗。在燃气主要释放期间，无丝网时罐内最高温度达到1 120 K，装填30、100目金属丝网时罐内最高温度分别达到1 042 K、910 K。装填30、100目金属丝网时，罐内温度在前30 ms平均下降10.0%、23.4%。

图7 储气罐内温度曲线Fig.7 Temperature curve in air storage tank

4.2 燃气发生器对气囊充气试验结果分析

为验证装填金属丝网的燃气发生器对气囊的实际充气效果，进行了不同工况燃气发生器对气囊充气试验。在3次试验中，装填100目金属丝网的燃气发生器对气囊充气效果良好，未发生破损。装填30目金属丝网及未装填金属丝网的燃气发生器对气囊充气时，气囊均出现破损漏气现象。

图8(a)为未装填金属丝网时燃气发生器对气囊充气时照片，可以看到气囊出现大量漏气，气囊比较干瘪。比对图9(a)的气囊照片，可以看到充气后气囊出现了3处破损。图8(b)为装填30目金属丝网时燃气发生器对气囊充气时照片，可以看到气囊出现部分漏气。比对图9(b)的气囊破损照片，可以看到充气后气囊出现了一处破损。图8(c)为装填100目金属丝网时燃气发生器对气囊充气照片，可以看到气囊未出现漏气，充气效果较良好。图9(b)为试验后气囊照片，可以看到气囊完好，未出现破损。

图8 不同工况燃气发生器对气囊充气试验照片Fig.8 Photos of gas generator inflation test on airbag under different working conditions

图9 不同工况试验后气囊照片Fig.9 Photos of airbag after test under different working conditions

5 结论

1)装填不同金属丝网后的燃气发生器在对储气罐充气过程中，储气罐内压力、温度都有不同程度的降低。其中，在燃气主要释放期间，装填30目、100目金属丝网的工况相较于未装填丝网的，罐内压力平均下降了22.1%、35.3%，罐内温度平均下降了10.0%、23.4%。说明金属丝网对燃气具有良好的降压、降温效果，且金属丝网目数越高，降压、降温效果越好。

2)在相同装药工况下，未装填金属丝网的燃气发生器对气囊充气时，气囊破损，出现大量漏气，气囊未能完全充气展开；装填30目金属丝网的燃气发生器对气囊充气时，气囊也出现少量漏气，同样未能完全展开；装填100目金属丝网后的燃气发生器对气囊充气效果良好，未出现漏气。结果表明装填金属丝网后的燃气发生器切实对燃气有降压、降温的效果，能够起到防止气囊破损的作用。