РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОСПЛАМЕНИТЕЛЕЙ

Введение

Электровоспламенители относятся к электрическим средствам инициирования и могут быть использованы в средствах воспламенения пороховых зарядов к боеприпасам, патронам стрелкового оружия, патронам малокалиберной артиллерии, взрывным боеприпасам, детонаторам, фейерверкам.

Инициирующий ток проходит через мостик накаливания (далее по тексту - МН), представляющий тонкую металлическую проволочку, приваренную к токопроводящими элементами. При прохождении тока происходит разогрев мостика. Если при этом воспламенительный состав (далее по тексту - ВС), контактирующий с мостиком, нагревается до температуры вспышки, происходит его воспламенение.

Конструкция электрического воспламенителя представлена на рис. 1. 

Рисунок 1. Конструкция электровоспламенителя

где:

1 – контакты;

2 – корпус;

3 – мостик накаливания;

4 – воспламенительный состав.

Для электровоспламенителей, применяемых в ракетной технике и автомобилестроении одним из основных параметров является время их срабатывания, обычно задаваемое в техническом задании на проектирование. Время срабатывания складывается из двух величин:

1) время, необходимое для разогрева мостика накаливания до температуры воспламенения ВС;

2) время горения ВС.

Методика определения второго параметра при известных термодинамических характеристиках ВС разработана много десятилетий назад [стр.29, 2] и до сих пор не претерпела сколько-нибудь значительных изменений.  При этом первым параметром, представляющим собой переходной процесс в мостике накаливания, обычно пренебрегают.  Однако, при использовании ВС с высокой скоростью горения, время разогрева мостика накаливания и время горения ВС становятся соизмеримыми и переходной процесс мостика необходимо учитывать.

В настоящей статье изложена последовательность создания термоэлектрической модели цепи запуска электровоспламенителей и представлены результаты расчетов по ее программной реализации.

Термоэлектрическая модель цепей запуска электровоспламенителей

Электрическое сопротивление мостиков накаливания (МН) при прохождении через него электрического тока:

                                                           (1)

где:

R₀ – сопротивление МН в исходном состоянии;

α – температурный коэффициент сопротивления;

θ – изменение температуры МН от воздействия протекающего тока.

Подводимая к МН мощность от внешнего источника тока:

                                                (2)

Аналитические соотношения для тепловых процессов, протекающих в МН, заимствованы из [стр.481-484, 3].

Тепловая энергия, потребляемая на нагрев мостика накаливания и передаваемая в воспламенительный состав, определяется следующим соотношением:

                                                          (3)

где:

θ – изменение температуры при нагревании МН;

c_th – теплоемкость МН:

c_th=mc=ρπr²Lc                                                            (4)

где:

с – удельная теплоемкость материала МН;

ρ – плотность материала МН;

L–длина МН;

r – радиус МН;

r_th  - термическое сопротивление МН:

                                                                        (5)

При построении термодинамической модели МН принимались следующие допущения:

-       МН разогревается равномерно по всей своей длине;

-       воспламенительный состав полностью и равномерно «охватывает» нить мостика по всей ее длине.

Подводимая к мостику электрическая энергия и выделяемая им тепловая энергия эквивалентны:

P_fl=P_el,

отсюда термоэлектрическая модель МН примет вид:

или                                                             (6)

Реализация термоэлектрической модели для расчета времени разогрева мостика накаливания до температуры инициирования воспламенительного состава

Зависимость температуры разогрева МН от воздействия приложенного электрического импульса найдем путем решения дифференциального уравнения (6).

В качестве исходных данных принималось:

-       напряжение инициирующего импульса U=27 В;

-       начальная температура МН Т₀=20°С;

-       сопротивление МН R=1, 2, 5, 10 Ом;

-       параметры материала МН – константан, монель, манганин,  нихром;

-       температуры воспламенения ВС взяты из [1].

Результаты представлены на рисунках 2-5.

Рисунок 2. Материал МН - Константан

Рисунок 3. Материал МН - Монель

Рисунок 4. Материал МН – Манганин

Рисунок 5. Материал МН - Нихром

Анализ полученных данных показывает, что время, необходимое для воспламенения ВС, составляет для разных типов МН:

Таблица 1.

Время воспламенения ВС для разных типов МН

Заключение

Приведенные в данной статье соотношения и расчеты позволяют провести оценку энергетических и временных характеристик электровоспламенителей (ток или энергию срабатывания, безопасный ток, время срабатывания).

Все расчеты проводились в среде MATLAB 14b.

Список литературы:

1. ОСТ В84 1405-98 «Воспламенительные составы. Общие технические условия».
2. Под ред. Серебрякова М.Е., Внутренняя баллистика.- Киев.: типография Оборонгиза, 1939 г.
3. U. Hilger, L. Lei, S. Frei and M. Rudolph: Modeling of Electrical Igniters of Vehicle Occupant Restraint Systems for EMC Simulations, 2009 20th International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, Zurich, Switzerland 12-16 January 2009.