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安全气囊气体发生剂燃速测试方法研究

文档作者：陈樊张宁刘伟屈纯文档来源：湖北航天化学技术研究所工程中心		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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安全气囊气体发生剂燃速测试方法研究
陈樊张宁刘伟屈纯(湖北航天化学技术研究所工程中心，湖北襄樊441000)
摘要：由于安全气囊气体发生剂多为圆片、带孔小圆柱或
其它异形药片，一般固体推进剂药柱或药条的燃速测试方法如
靶线法和水下声发射法在此并不适用，本文研究了专门针对安
全气囊气体发生剂的燃速测试方法．通过密闭爆发器试验进行
测试以及数据处理，可以计算出药剂在不同压强下的燃速、药剂
的燃速压强指数和一定初温下的燃速系数。
关键词：安全气囊；气体发生剂：密闭爆发器：燃速
引言
在经济全球化的今天，安全气囊气体发生剂可以在世界各
地进行生产制造。出于各种不同的目的，例如，降低将气体发
生剂运往各地气体发生器制造商的运输成本，从成本较低的供
应地购买原材料，以及考虑到在危险化学品运输方面的限制等
等，往往会选择一个合适的地点专门生产气体发生剂，所以有
时在气体发生剂的产地可能并没有气体发生器的生产。当气
体发生剂和气体发生器在同一地点进行生产时，通常是将气体
发生剂装入标准气体发生器进行性能测试。当两者不在同一
地点进行生产时，采用标准气体发生器对气体发生剂进行性能
测试并不方便，因此，需要寻找一种不依赖气体发生器的药剂
性能测试方法，从而能够在各个不同的地方应用。但是，由于安
全气囊气体发生剂多为圆片、带孔小圆柱或其它异形药片，一
般固体推进剂药柱或药条的燃速测试方法在此并不适用。受
枪支弹药性能测试方法的启发，采用密闭爆发器试验来测试安
全气囊气体发生剂的燃速性能应该是一种可行的办法。这种
测试不依赖于气体发生器，从而使得实验结果不会受到气体发
生器结构参数的影响。
1实验内容
1．1实验中的各项参数
实验采用的密闭爆发器是由上端盖、垫环、燃烧室壳体和
下端盖几部分组成。密闭爆发器容积为9．9cm3，内表面积为
27cm2；气体发生剂装药量为O．6lg和1．249I药片规格为中3×
1．5mm；压力传感器最大量程为60MPa；点火器型号为FGIl80；
保温温度为23℃，保温时间为4h。
1．2实验操作过程
旋紧密闭爆发器的下端盖，装入称量好的气体发生剂，然
后放入上端的垫环，将电爆管头部放在垫环孔处，旋入上端盖，
压紧电爆管，连接上压力传感器后，轻轻晃动爆发器数次，使试
样在燃烧室底部均匀分布，将密闭爆发器竖直放置，电爆管一
端在上，然后用台钳固定住，插上点火电线，确定所有人员离场
后点火，采集数据。数据采集完毕后，拔掉点火电线，待密闭爆
发器壳体冷却后，缓慢旋开下端盖，将燃烧室腔及传感器接头
清理干净。需要注意的是，每批试验的首发试验为预热试验。
2实验结果及分析
2．1装药量为0．61 g时的压力一时间曲线
在气体发生剂装药量为0．6l g的试验条件下进行三次重
复试验，点火后采集的压力一时间数据曲线如图2一l所示。
从而可以得到三次试验的装填密度(△．)、最大压强(PⅢ-)、
达到最大压强时间(T。。)、点火峰压强(P训)、达到点火峰压强时
间(T讲)数值。
将三次试验最大压强取平均值：
P．．=(17．646+16．50l+16．970)／3=17．039(MPa)
药剂燃烧时间为点火峰后的最低压强与最大压强之间的
时间，三次试验药剂燃烧的平均时间为：
i=【(o．0543一o．0048)+(o．0545一o．0035)+(0．0562一o．0042)】／3=o．0508(s)
三次试验所测点火峰压强的平均值：
：乒：=(6．258+5．28l+4．821)／3=5．453(MPal
图2—1装药量为0．61 g时的压力一时间曲线
2．2装药量为1124 g时的压力一时间曲线
在气体发生剂装药量为1．24 g的试验条件下进行三次重复
试验，点火后采集的压力一时间数据曲线如图2—2所示。从而可
以得到三次试验的装填密度(△：)、最大压强(P。：)、达到最大压
强时间(7k)、点火峰压强(P。商)、达到点火峰压强时间(T啦)
数值。
三次试验所测最大压强的平均值：
P。：=(35．667+37．200+36．942)／3=36．603(MPa)
药剂燃烧时间为点火峰压强与最大压强之间的时间，三次
试验药剂燃烧的平均时间为：
忑=[(0．0416一o．00l9)+(o．0442一o．0020)+(0．0415一o．00l叫／3=o．0406(s)
三次试验所测点火峰压强的平均值：
P∞=(4．252+3．918+3．080)／3=3．750(MPa)
图2—2装药量为1．24 g时的压力一时间曲线
2．3气体发生剂的燃速
2．3．1燃速方程
安全气囊气体发生剂也属于推进剂的一种，它的燃烧依然
服从一般推进剂的燃烧规律，即燃速与发生剂的初温以及燃烧
室压强有关。由于安全气囊气体发生剂一般在数十兆帕以下
的压强环境下燃烧，其燃速满足如下经验方程。1。
r=印“
(下转第278页)
276 万l托方工数据虿醒2016年6月
制责任人员，实行定岗定责模式降低原材料风险。(2)加强岗位
检查。对于定责岗位，管理者需要加强原材料定期与不定期的
质量检查工作。对于检查发现的质量问题及时处理，并告知责
任管理者。(3)责任倒查制度的落实。在责任制基础上，管理者
对于发现的质量风险问题应落实责任倒查制度。确定责任人
员进行处理，确实落实原材料风险控制责任制度。
2．4利用监控网格模式，实现整体质量监控
长输管道施工具有施工路径与周期长的特点，依靠单一的
管理部门难以对工程风险进行有效监控。为此风险管理部门
应利用网格监控模式，对施工全程进行有效监控。这种模式的
主要方式就是将工程整体，按照实际因素(如地质情况、施工复
杂程度、施工土方量等)划分网格，有专职的风险监控人员进行
监控。网格监控模式需要注意以下两方面问题：一方面合理设
置网格，确保监控人员可以对网格进行全面的监控工作。同时
网格间工作总量应基本相等，避免出现工作量过于悬殊造成的
管理问题。另一方面监控人员应选择有实际工作经验与技术
水平的技术人员担任，保证监控工作确实有效。在网格监控完
成后，监控技术人员需要将监控数据进行汇总，汇报到监控管
理者手中形成整体监控数据，实现整体风险控制体系。
2．5设置合理的应急预案，作用突发风险应对处理
风险应急预案的设置尤其是对于突发性风险可以发挥指
导与管理作用。(1)突发性风险危害最大化预测。对于风险应
急管理而言，风险的最大化预测可以使应急管理在预测整体范
围内，避免出现预案外风险。危害预测最大化后，其应对过程
才能游刃有余，切实有效。(2)反应简洁原则。风险应对预案应
采用反应简洁原则，及处理反应过程简洁有效，避免因步骤过
多或操作复杂，降低反应处理效率。(3)风险管理责任制度。风
险应急处理应由专人岗位负责，并通过预案制度方式确定。(4)
方案的可行性原则。应急处理方案应根据勘测、质量控制等实
际工作内容制定，保证方案措施确实可行，不能因理论化过重
影响方案执行过程。
3结语
长输气管道是当前天然气运输的主要方式，长输气管道建
设是天然气能源应用的基础。但是工程施工风险的出现，严重
的影响了管道施工质量与效率。在未来天然气运输研究中，长
输气管道风险应对研究依然会是技术研究的重点内容，其研究
结果会为我国天然气能源运输的开展提供良好的技术支持。
参考文献：
[1】郑玮；李萌．探析天然气长输管道施工存在的风险及对策
【J】．商．2013(05)．
【2]杨璐．天然气长输管道线路设计风险评价方法研究【D]．西
南石油大学．2014．
[2]王宏飞，胡宁，赵项羚子．天然气长输管道施工的安全风险
分析和对策[J]．石化技术．2015(09)．
作者简介：刘国柱(1980年一)，男，重庆人，中海石油管道输气有
限公司，工程师，大学本科学历，研究方向：管道施工及运营管理。
(上接第276页)
式中，r为气体发生剂的燃烧速度，单位为毫米每秒(m耐
s)．b为气体发生剂的燃速系数；n为燃速压强指数；p为燃烧室
压强，单位为兆帕(MPa)。
而燃速是燃烧层厚度的变化速率，即
r=考=塞‘皋’鲁
式中，e为已燃厚度，单位为毫米(mm)；z为已燃气体发生
剂占初始气体发生剂的质量百分数或体积百分数；p为燃烧室
压强，单位为兆帕(MPa)；t为时间，单位为秒(s)。
其中，已燃厚度(e)随已燃百分数(z)的变化速率为：
de一‰一1．‰
出S， 咖(布S加
式中，V邮气体发生剂的初始体积，单位为立方毫米(mm3)；
S，气体发生剂的燃烧面积，单位为平方毫米(mm2)；‘P(z)气体发
生剂的形状函数；sp0气体发生剂的初始表面积，单位为平方毫
米(mm2)；m，燃烧过程中气体发生剂的质量，单位为克(g)；m印
气体发生剂的初始质量，单位为克(g)；V，燃烧过程中气体发生
剂的体积，单位为立方毫米(mm3)。
不同形状的药片，其形状函数‘P(z)也不一样。本文试验中
采用安全气囊气体发生剂为圆形药片，规格为直径3 mm、厚度
1．5 mm，其形状函数通过0rigin软件进行拟合，拟合后的方程如
下所示，相关系数大于0．9999。
西f三1=1．57018一O．57268×eHl 2¨"’一2．96371×10—6×e“”0928砩
根据Nobel—Abel方程可得
如一(去一册
却¨一堋
式中，p燃烧室压强，单位为兆帕(MPa)；△装填密度，单位
为克每立方厘米(g／cm3)；p气体发生剂的密度，单位为克每立方
厘米(g／cm3)；d气体发生剂的余容，单位为立方厘米每克(cm3／
g)；f气体发生剂的火药力，单位为焦每克(J／g)。综上所述，气
体发生剂药片燃速方程为： ，毒坚．盟．聿咖忙)5砷r 厂1、D]2 df
l+I”封刊
其中，计算区间为P—t曲线最大压强的30％～70％区间。
3结语
本文通过密闭爆发器实验研究了安全气囊气体发生剂的
燃烧规律。首先根据气体发生剂的药形拟合出它的形状函数，
然后通过测试两种不同装填密度下的最大压强计算出气体发
生剂的余容和火药力，从而确定了该型药剂具体的燃速方程。
根据实验数据可以计算出气体发生剂在不同压强下的燃速、一
定初温下的燃速系数以及在一定压强范围内的燃速压强指
数。这种燃速测试方法对安全气囊气体发生剂的燃速性能评
估有较强的指导意义，并能为安全气囊气体发生剂的研制设计
提供一定的参考依据。
参考文献：
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[3]金志明，袁亚雄，宋明，现代内弹道学[M]，北京理工大学
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[4]应三九，肖正刚，徐复铭，密闭爆发器试验中发射药燃烧
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278万l方化数工据彳理2016年6月

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