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外部冷却装药的方法优化

时间:2023-06-15 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于内、外冷却的各自优点,许多装置的气体发生器常设计成内冷却与外冷却同时存在,并以外冷却为主的复合型冷却方式,以此起到既能冷却流出的气体,又能过滤气体发生剂燃烧的固体生成物,使流入气囊中的气体较为纯洁。外冷却的装药方式繁多,绝大部分的烟火型气体发生器都采用外冷却的装药方式,下面仅举其中几例。

外部冷却装药的方法优化

烟火型气体发生器采用的主要冷却方式还是外冷却,即将冷却剂置于气体发生器中的气体通路段。尽管内冷却效率高,但要满足内冷却的上述两个条件是困难的。内冷却所能达到的冷却程度有限,发生器排出气体的温度往往达不到要求的那样低。此外,外冷却也有其可取之处:

(1)外冷却既能起到冷却气体的作用,又能起到过滤气体的作用。烟火型气体发生剂燃烧产物中普遍含有固体颗粒。这些颗粒从气体发生器中排出的瞬间具有较大的能量和较高的温度,这是损害充气受体的主要因素之一。因此,使用这种装置,过滤层通常是不可缺少的。合理设计外冷却结构就能在冷却气体的同时,又起到过滤层的作用,使外冷却装置兼有多种功能。

(2)在效率上,外冷却虽然不如内冷却,但它的降温范围宽,排气温度甚至可以达到或接近环境温度。因为外冷却材料和气体发生剂是分开放置的,冷却材料不干扰发生剂的点火和燃烧,所以冷却材料的种类和用量不受气体发生剂的限制,只要装置的空间和质量允许,冷却材料的用量可以是任意的。

(3)外冷却的冷却材料容易选择,对冷却剂的几何因素、物理性质和化学性质不像对内冷却材料的要求那么严格,铁丝、金属片、玻璃纤维甚至液体水都可以作为冷却的物理材料;带有酸性和碱性的化合物也可以作为外冷却的化学冷却剂。如果选择得当(如选用Cp(T)值高、分解吸热量大的冷却剂),外冷却效果可以优于内冷却。

由于内、外冷却的各自优点,许多装置的气体发生器常设计成内冷却与外冷却同时存在,并以外冷却为主的复合型冷却方式,以此起到既能冷却流出的气体,又能过滤气体发生剂燃烧的固体生成物,使流入气囊中的气体较为纯洁。

外冷却的装药方式繁多,绝大部分的烟火型气体发生器都采用外冷却的装药方式,下面仅举其中几例。

1.夹层液体冷却

可以用液体直接与排出气体接触冷却。这种冷却方式效果好,但气体中常含有液体以及液体挥发后的气体组分,这在某些情况下是不希望的(如液体对充气受体有腐蚀、充气受体长时间工作)。图4-2所示的装置,采用了夹层式液体外冷却,其冷却剂与发生的气体不混合。这种装置是燃烧产生的气体加热液体并使之蒸发的装置,液体的升温和蒸发可冷却产生的气体。其主要工作过程为:发生剂产生的气体流经气体通道,管壁外是冷却液体,它在液体通道内进行与气体逆向流动,两者通过器壁进行热交换。

图4-2 夹层式液体外冷却装置示意图(www.xing528.com)

1—液体或汽化产物出口;2—燃气通道;3—气体发生器;4—燃气出口;5—冷液体进口;6—液体通道

2.设置冷却室冷却

在待冷却气体流经的管路中增设一个空间,空间内放置冷却剂,这个空间称为冷却室。冷却室要把排出的气体降至所要求的温度,又不致引起燃烧室压力反常的增加。也就是既要增加燃气和冷却剂的接触面积,又要防止过大地增加阻力。根据这个原则,对于长径比较大的气体发生器,可采用装药与冷却剂径向排列的结构,如图4-3所示。该结构能提供较大的接触面积,且气体在冷却室流动的距离较小,不会产生过高的阻力。许多汽车安全气囊用气体发生器都采用这种冷却结构。1997年,人类第一次登陆火星的美国“火星探路者”号火星探测器着陆系统中的气体发生器就是采用的这种外冷却装填结构,得到了较为理想的冷却气体充入气囊。前不久,美国的“机遇”号和“勇气”号火星探测器着陆系统仍采用了与此类似的冷却结构,也取得了预期的效果。

图4-3 装药与冷却剂径向排列

1—气体通道;2—气体发生剂;3—冷却剂;4—有孔挡板;5—排气孔

为了便于装配和固定,装药和冷却剂也可采用轴向排列的结构,如图4-4所示。这种结构较紧凑,便于加工和装配,也便于固定。文献[25]中介绍的海上救生筏用气体发生器就是采用的这种冷却结构。2000年,美国的Stephen Fails和Russell Reed在发表的文章中介绍了一种防火气体发生器,其中的冷却室也是采用的这种与装药轴向排列的装填结构[26]

图4-4 装药与冷却剂轴向排列

1—气体发生剂;2—冷却室;3—气体通道;4—排气口

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