混合式充气机将一种贮存的、加压气体同气体产生推进剂结合使用来 膨胀安全气囊。在任何汽车用安全气囊的设计中主要的考虑点是：必须在 预定的时间内使安全气囊膨胀一预定的量，以便使其有效地工作。
在混合式充气机中使用的气体产生推进剂通常包括一个二次炸药和一 粘合剂系统。增塑剂也常常是推进剂组成的一部分。作为混合式充气机的 推进剂组成成分的一已知实施例如在美国专利第5,616,883号中由Hamilton 等所披露的那样是一种由二次炸药RDX(六氢化三硝基三嗪)、GAP(缩水甘 油叠氮聚合物)增塑剂和CAB(乙酸丁酸纤维)粘合剂组成的混合物。尽管这 种组成对在安全气囊系统中的推进剂来说是很成功的，但却发现：在一定 的环境条件下，比如当持续暴露于高温或极端的温度波动之下时，各自松 散的推进剂药柱会结成团块，亦即会相互粘接在一起，由此会减少推进剂 加载的纯表面面积。
尽管推进剂药柱的这种结块现象并不伴随有推进剂的任何重大的化学 降解(即：在暴露于温度107℃之下达400小时之后具有小于0.2％的重量损 失)，但已经显示出：推进剂的质量流率、且因此也包括安全气囊的性能受 到被减少的表面面积的影响。在松散推进剂药柱和结块推进剂药柱之间的 性能比较试验表明：尽管两种推进剂均达到相似的峰值压力，但结块推进 剂从较慢的速率达到所需的峰值压力。已经发现，在某些状况下，结块的 推进剂药柱在一闭合容器试验中被点火后，它在30msec时间内产生的压力 要少50～100kPa，这一点提示人们：结块的推进剂降低了气囊的充气速率。 在不受任何专门理论的约束的条件下，可以相信：推进剂药柱持续地暴露 在高温之下会引起GAP增塑剂同乙酸丁酸纤维粘合剂的低熔点低聚物一起 迁移，这将导致CAB粘合剂在推进剂药柱表面具有较高浓度。粘合剂的在 推进剂药柱表面的这种高浓度导致使推进剂药柱相互结块。粘合剂在推进 剂药柱表面的这种高浓度是因为增塑剂的存在而造成的，而增塑剂则被用 于以前的推进剂药柱配方中。
在设计一有效而可靠的安全气囊系统时，应考虑由于环境条件造成推 进剂药柱物理性质变化从而引起增压速率改变的问题。因此，提供如下的 一种安全气囊系统是有优越性的：它即使在被持续暴露在高温和极端热循 环(例如：各自在107℃之下暴露400小时和在107℃和～40℃之间循环)之 下仍具有能产生始终一致的和可预收的气囊增压率的推进剂药柱。

本发明有关一种用于汽车可充气安全气囊系统的混合式充气机，它具 有在经严酷的环境调整之后在给安全气囊充气时能提供始终如一的充气性 能速率。该混合式充气机具有：一充气机壳体，它贮存诸如液体和/或气体 这样的合适的被加压介质；一气体发生器，它贮存一种用于增大流至可充 气安全系统的安全气囊的气流量的合适的推进剂；以及一点火组件，它一 经激活就点燃该推进剂。对一闭合容器试验中在推进剂被点燃之后约 30msec时所产生的压力(该推进剂则经受了至少107℃的一温度达至少400 小时且/或经受了至少107℃的温度达至少2小时紧接着又经受至少～40℃ 的温度达至少2小时的一温度循环，连续重复48个循环)和在一等价的条件 下用一标准推进剂所产生的压力(该推进剂未经受任何一种上述的条件)进 行比较，前一种情况产生的压力与后一种情况产生的压力之差小于10kPa。 此外，即使当推进剂被持续暴露在上述条件下，其化学成分仍保持是匀质 的。在一闭合容器试验中，在推进剂被点燃之后约40msec时，充气机在一 60公升的闭合容器中产生至少400kPa的压力。
在本发明的一个实施例中，推进剂包含一二次炸药和一粘合剂系统。 二次炸药占有约74wt％～85wt％的推进剂，而粘合剂系统则占有从约15wt ％～26wt％的推进剂。
粘合剂选自聚丙烯酸酯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氨基甲 酸乙酯、聚己酸内酯、多元醇、聚乙二醇、聚碳酸酯、Kraton、Estane、 聚丙二醇、聚环氧乙烷、以及它们之间的混合物。优选地选用聚丙烯酸酯 作粘合剂。粘合剂可以是也可以不是经过热硫化处理的。粘合剂优选地含 有一硫化基、它可被用一硫化剂或活化剂处理来形成一交联聚合物。
在本发明的另一实施例中，二次炸药选自PDX(六氢化三硝基三嗪)、 PETN(季戊四醇四硝酸酯)、TAGN(三氨基胍)、HMX(环四亚甲基四硝胺)、 CL～20(六硝基六吖异纤锌烷)、NTO(硝基三唑酮)、TNAZ(三硝基氮杂环丁 烷)、NQ(硝基胍)、及它们的混合物。二次炸药优选地为RDX。另外，根据 需要，出于对燃烧速率或点火改善等考虑也可与上述二次炸药一起使用如 下的氧化剂、它们的混合物和/或低熔混合物：AN(硝酸锭)、ADN(二硝酰胺 铵)、以及GN(硝酸胍)。在本发明的另一实施例中，推进剂选自任何富燃料 的化学药品混合物，它们应能在本发明披露的充气机的富氧环境中持续燃 烧。
本发明的推进剂通常具有从约0.010英寸到约0.100英寸的壁厚，优选 地为从约0.023英寸到约0.053英寸，且在被点燃之后约40msec时在一闭 合容器试验中能产生至少400kPa的压力，并且它还具有在压力为约4000psi 时的从约0.25英寸/秒到约0.75英寸/秒的燃料率，优选地为从约0.30英寸/ 秒到约0.60英寸/秒，更优选地为约0.425英寸/秒。
在上述总结的基础上，便可立即认识到本发明的许多显著的特点。提 供有一种混合式充气机结构，它能重复地满足有关对安全气囊充气所提出 的严格性能要求。在这方面，也包括一种推进剂，组成该推进剂的药柱在 推进剂持续暴露于高温之下后仍具有降低的低熔点粘合剂低聚物的迁移 率。其结果是：保持了其化学成分的匀质性，推进剂药柱的结块得到降低。 此外，通过不要求增塑剂或其它相似化合物，从而使推进剂的配方去除了 一种成分。这种在组成成分上的减少以及对相对较便宜的推进剂粘合剂的 使用降低了推进剂的费用，从而也降低了混合或充气机的费用。
附图说明
本发明的其它优点和特点可从以下的详细说明并参考附图来得以了 解。
图1为一汽车充气安全系统的示意图；
图2A-B分别为一混合式充气机的实施例的纵剖面图和其中一部分的 放大视图；
图3A-J为标准推进剂在闭合容器试验中所得的压力～时间曲线比较 图，推进剂暴露于极端温度条件之下且具有例1～10的组成成分；
图4A-C为标准推进剂在闭合容器试验中所得的压力～时间曲线比较 图，推进剂暴露于极端温度条件之下且具有例11～13的组成成分。

以下参照附图来详细说明本发明，附图将有助于解说本发明的各种特 点。在这方面，本发明主要是有关用于汽车充气安全系统的混合式充气机。 亦即：本发明有关一种既利用贮存的增压气体又利用产生气体和/或热的推 进剂的充气机。在Hamilton等人的美国专利第5,230,531号中披露了不同类 型的混合式充气机，该专利被转让给本申请的受让人，因此该专利的所有 公开内容一并结合在本文中加以参考。
图1示出汽车充气安全系统的一实施例。该充气安全系统的主要部件 10包括一检测器14、一充气机26、以及一安全气囊18。当检测器14敏感 到要求膨胀安全气囊18时(例如：一个预定的减速度)，则将一信号送到充 气机26来释放气体或其它适当的流体使其从充气机26经导管到达安全气 囊18。
图2所示的充气机30是一种混合式充气机且可被用在图1的充气安全 系统10中代替充气机26。因此，充气机30包括一具有被增压介质36的瓶 或充气机壳体34，该被增压介质36在适当时候被提供给安全气囊18(图1)； 还包括一气体发生器82，它提供推进剂气体来增加流到安全气囊18的流量 (例如；通过提供热量来膨胀被增压介质36以及/或产生附加气体)。如在下 文将被更详细讨论的那样，一种枪式推进剂(例如一种高温富燃料式推进剂) 可被用于组成位于气体发生器82中的推进剂药柱，且一种由至少一种惰性 气体(例如氩气)和氧气组成的混合气体可被用作被增压介质36。出于与本发 明相关的一个或多个方面的原因，被增压介质优选地包括约70％～92％的 惰性流体和约8％～30％的氧气，其计量基础为克分子，更优选地为：该被 增压介质包括约79％～90％的惰性流体和约10％～21％的氧气，以克分子 为计量基础。
充气机壳体34和气体发生器82是互联的，气体发生器82位于充气机 壳体34内部以减小充气机30所需的空间。更特殊的是：一中空的扩散器 38被焊接至一中空凸台66(例如它具有约1.25″的直径)的一端。扩散器38 具有多列排放孔40(例如80个排放孔40，每个孔直径约为0.100″)，扩散器 通过这些孔提供来自充气机30的一种“非推进输出”，且有一筛网58被配 置在邻接排放孔40的地方。一封闭盘70被大约配置在凸台66之中且被焊 接至凸台上以用来最初将被增压介质36保持在充气机壳体34的内部。当 需要释放气体时，一具有完全锥形头的子弹50被迫穿透该封闭盘70。尤其 是，子弹50位于枪筒54之中封闭盘70凸起一侧，且当从该充气安全系统 10(图1)的检测器14接收到一合适信号时子弹50受引爆器46的激励所驱 使。一环62被提供来将子弹50起始地保持在引爆前的位置。
一节流套74被焊接至封闭盘70和/或凸台66的一端，该节流套74是 中空的且包括多个节流孔78(例如4个节流孔78，每个的直径为0.201″)， 用于在当封闭盘70被子弹50击破时将充气机壳体34内部与凸台66和扩 散器38内部流体地连成相通。此外，气体发生器82且尤其是气体发生器 壳体86被焊接至节流套74来完成充气机壳体34和气体发生器82的相互 连接。
气体发生器壳体86包括多个推进剂药柱90，它们在被点火时提供被加 热的推进剂燃烧产生气体来增加流入安全气囊18(图1)的气流。推进剂药柱 90被一推进剂套筒94保持在气体发生器壳体86之中，套筒94被一隔离屏 104和挡板100与位于气体发生器壳体86端部96之上的气体发生器入口喷 嘴98相隔离。如下文所需讨论的那样，推进剂药柱90可由枪式推进剂所 组成且是“无烟的”。尽管如此，药柱90是完全柱形的，上有一穿过药柱 中心的孔。其它推进剂药柱结构也是可能的但至少部分取决于所用的专门 推进剂组成成分。
单个(或多个)气体发生器入口喷嘴98(例如直径为约0.516″的单个喷嘴 98)被配置在气体发生器壳体86端部96之上且通常朝向背离封闭盘70的一 侧。气体发生器壳体86也包括多个位于壳体86侧壁上的圆周方向间隔排 列的出口或排放喷嘴200(例如一“列”四个喷嘴200，每个直径为约0.221″)。 尽管当这些喷嘴200的轴向位置更接近于出口时工作性能能被提高，但仍 需要来改变这些喷嘴200的轴向位置(它们通常位于壳体86的中部)。此外， 也需要改变喷嘴200的数目。采取这种在气体发生器壳体86侧壁上具有排 放喷嘴200以及在壳体86端部96之上具有一入口喷嘴98的结构形式，在 推进剂药柱90燃烧期间，被增压介质36经入口喷嘴98被抽进气体发生器 壳体86之中且在气体发生器壳体86之中的混合气体经喷嘴200流出壳体 86。尤其是，由气体发生器壳体86侧壁流过的被增压介质36产生一压差， 该压差将被增压介质36经入口喷嘴98吸入气体发生器壳体86之中。至少 当某些类型的推进剂气体要被产生时，上述这一点极大地改善了充气机30 的性能，这将在下文作更详细的讨论。
气体发生器82包括一点火组件114，用于在适当时间点燃推进剂药柱 90。该点火组件114至少部分位于子弹50和推进剂药柱90之间的气体发 生器壳体86的内部，且通常包括一驱动活塞124、至少一个撞击起爆器120 和一用作激励器的点火/引爆剂材料144。尤其是，一驱动导向装置140连 接节流套74的一端部以及气体发生器壳体86的内壁，驱动导向装置140 因此至少部分地用作包含位于其内部的驱动活塞124的一部分并对其进行 导引。一起爆器支架116连接驱动导向装置140一端并容纳多个常规撞击 起爆器120，这些起爆器120紧挨着点火/引爆剂材料144。该点火/引爆剂 材料144典型地被一炸药杯148保持与起爆器120相邻接。一种合适的点 火/引爆剂材料144的例子是RDX铝引爆剂材料，它具有89％的RDX、11 ％的铝粉外加0.5％的羟基丙基纤维素。一保持架108和挡板112位于起爆 器支架116和推进剂套筒94之间。当气体发生器壳体86不是通过焊接而 是由弯边来连接至节流套74时，气体发生器壳体86在工作中会有伸长的 趋势。结果是，为保持前述部件相互间具有牢固的作用，一波浪式弹性垫 圈(图中未示出)可被比如放置于保持器108和挡板112之间。
驱动活塞124可滑动地位于驱动导向装置140之中且包括一连续凸缘 投射件128，该投射件与起爆器120完全对准，可以理解的是：用多个投射 件(图中未画出)可来替代该完全连续的凸缘投射件128。一贝式弹簧垫圈136 位于驱动导向装置140和驱动活塞124之间且(经一隔片126)与上两者的一 部分相联接，以便将驱动活塞124的位置起始地保持与起爆器120相离开。 因此，可减少因不注意而造成的驱动活塞124与起爆器120的接合的潜在 性，这种接合否则会激励气体发生器82。然而，在子弹50穿过封闭盘70 之后，被子弹50传递至驱动活塞124的能量足以克服贝式弹簧垫圈136， 从而使投射凸缘128能以足够大的力结合起爆器120来点燃至少一个这样 的起爆器120。而该点火动作反过来又点燃点火/引爆剂材料144，且由此也 产生对推进剂药柱90的点火。
在气体发生器82的工作过程中，起爆器120会产生腐蚀且因此能使由 推进剂药柱90燃烧所产生的推进剂气体流经起爆器120。任何这种形式的 推进剂气体的泄漏会对充气机30的性能的一致性产生不良影响。然而，这 些气体按照需要作用在驱动活塞124上来移动活塞124使之与驱动导向装 置140成密封接触。这样便为气体发生器壳体90提供了密封，它完全限制 了气体通过它的任何泄漏。所以，推进剂气体按照需要流经气体发生器喷 嘴98。
总结充气机30的工作过程：检测器14(图1)将一信号送至引爆器46来 推进子弹50。子弹50起初穿过封闭盘70来打开充气机壳体34和安全气囊 18(图1)间的通道。子弹50继续前行直至它撞击驱动活塞124，从而使与之 相联的投射凸缘128打击至少一个被对准的起爆器120。结果，点火/引爆 剂炸药144发火，它反过来又点燃推进剂药柱90。在药柱90在壳体86之 中燃烧的过程中，来自充气机壳体34的被增压介质36经位于壳体86端部 96之上的吸入口喷嘴98被吸入气体发生器壳体86之中。这一过程产生于 流经气体发生器壳体86侧壁的被增压介质36，由此产生一压差。这种对被 增压介质36的“吸入”促进推进剂气体和被增压介质36在壳体86中的混 合，且如下文将更详细讨论的那样，当氧气被包括在被增压介质36中来与 具有大量一氧化碳和氢气的推进剂气体起反应时，上述这一点是特别所希 望的。尽管如此，气体仍经位于壳体86侧壁上的排放喷嘴200被从气体发 生器壳体86中排放掉。这样，流至安全气囊18的气流通过将被增压介质 36与来自气体发生器壳体86的燃烧产物相混合被按照希望地得到了增加 (图1)。
如上所述，混合式充气机30可采用一种枪式推进剂作为推进剂药柱90 的组成成分，并可采用由至少一种惰性气体和氧气的混合物作为被增压介 质36。此处所使用的枪式推进剂是高温、富燃料推进剂，例如象单基的、 双基的、或三基的推进剂，以及象LOVA(低易损性弹药，low vulnerability ammunition)或HELOVA(高能低易损性弹药，high energy，low vulnerability ammunition)推进剂这样的硝胺类推进剂。尤其是，传统的枪式推进剂是那 些具有燃烧温度为约2500°K～约3800°K的、且典型地大于约3000°K 的推进剂，且是富燃料的，从而无需过量的氧气便可产生足量的CO和H2。 来自这些推进剂的过量燃料要求有占贮存气体5～25％克分子量的、或者有 时甚至在15～40％克分子的额外氧气来促进反应平衡来产生CO2和H2O。
在混合式充气机中采用枪式推进剂的方法被披露于Hamilton等人的美 国专利第5,553,889号中，该专利被转让给本申请的受让人，且该专利的全 部披露内容因此结合在本文中一并加以参考。
已经发现，在一定的环境条件下，例如当暴露在至少约105℃的温度之 下达至少约105小时之久，由上述的Hamilton专利所披露的枪式推进剂的 组成会产生一种不一致的性能变化率。例如：已经观察到，如Hamilton专 利中所披露的那种具有RDX(六氧化三硝基三嗪)二次炸药和GAP(缩水甘油 叠氮聚合物)增塑剂和CAP(乙酸聚合物纤维)粘合剂的松散推进剂药柱当被 持续暴露于高温之下时会变成相互粘接在一起，从而会形成一个或多个结 块的推进剂药柱。如在本发明中所使用的那样，“松散推进剂药柱”一词是 指单个分开的、相互不粘接在一起的推进剂药柱，而“结块推进剂药柱” 是指已经相互间粘接在一起的松散推进剂药柱。推进剂药柱的这种粘合(或 结合)减少了推进剂药柱的纯表面面积。尽管并不受特定的理论所约束，据 信推进剂药柱的这种纯表面积的减少是造成推进剂药柱性能(即：增压)率的 变化或降低的原因。有理由相信推进剂药柱在持续暴露于高温过程中的结 块是由存在于推进剂药柱表面上的低熔点粘合剂低聚物的粘接所造成的。 这些原本均匀分散于推进剂药柱中的低熔点粘合剂低聚物当暴露于高温时 开始迁移并集中于推进剂药柱的外表面上，且被相信是由典型地存在于已 有推进剂药柱组分中的增塑剂所促成的。低熔点粘合剂低聚物的这种集中 于推进剂药柱表面的现象造成推进剂药柱均匀性的损失但并不十分影响到 推进剂药柱的整体化学成分。如在本发明中所使用的那样，“均匀性”是指 在整个推进剂药柱中相对均匀的化学成分。尽管推进剂药柱的整体化学成 分可以基本不变，局部的化学成分变化还是发生在以前的混合式推进剂药 柱组成中，造成推进剂药柱物理特性的极大改变。
如以下所要详细讨论的，在松散推进剂药柱和结块推进剂药柱间所作 的一增压率比较试验表明：尽管两者推进剂均达到一相似的峰值压力，但 结块推进剂药剂达到所需降值压力的速度明显地慢。在实验室试验中已经 观察到，在一充气周期中，结块推进剂药柱产生的压力要小50～100kPa。
在以前的混合式推进剂组成中，推进剂药柱当受冲击时也会裂开。推 进剂药柱的这种断裂进一步增加了在预报已有的推进剂药柱的增压率方面 的不确定性。已经发现，在使用本发明的推进剂药柱配方时，会产生具有 类似橡胶性质的推进剂药柱，它们受冲击时不会断裂，从而产生具有更可 预示的、更一致的增压率的推进剂药柱。
如在本发明中所用的那样，“一致的性能率”或“一致的增压率”是指 下述两种压力的差值：一种是在一封闭容器试验中在推进剂被点燃后约 30msec时产生的压力，该推进剂已经经受下述时间和温度条件中的至少一 种：
(a)暴露于至少107℃温度下至少400小时，以及
(b)在至少107℃温度下至少2小时和在至少～40℃温度下至少2小时 作为一个温度循环，经受达48个循环；另一种是由一标准推进剂在与上述 条件等价的条件下产生的压力，该标准推进剂此时未暴露于上述条件的任 何一种。该压力小于约30kPa，更优选地小于约10kPa，且最优选地从统计 学角度来讲约为0kPa。温度循环重复至少约48次。标准的推进剂具有与那 些推进剂在它们经受上述的时间和温度条件之前所具有的基本等价的成分 和物理特征。“基本等价成分”一词意指推进剂的化学成分对所有打算的目 的均是相同的，但允许具有在相同配方的不同批量之间的不可避免的变化。 “基本等价的物理特征”一词是指相同的物理特征但允许在不同批量中存 在有不可避免的变化。对推进剂药柱性能变化率一致性的确定无需在充气 机壳体中进行。可采用实验室实验的方法来模拟由推进剂药柱在充气机壳 体中所产生的压力。典型的实验程序涉及在一采用厚壁炸弹室的闭合容器 中对推进剂点火，亦即引爆，然后测量所产生的压力。
一般来说，对可被用来组成推进剂药柱90的枪式推进剂，药柱总重量 范围(对乘客一方的应用)为约9～15克，且优选地为小于15克。在此情况 下，可优选采用约75～175克的被增压介质36外带约占该介质10％～30 ％的、优选地为20％的氧气，百分比数以总分子量为基础。尤其是，当采 用约145克的被增压介质36，加上占介质20％克分子的氧气，推进剂药柱 90的总重量可为约5.7克。对司机一方的应用来说，所需/所要求的推进剂 药柱90的量可为约2～5克，且对侧向充气机应用来说该量大约为0.5～2.5 克左右。
上述的枪式推进剂量也可表达为被增压介质36的重量与推进剂药柱 90总重的一个比值。被增压介质36的重量与推进剂药柱90的总重的比值， 其范围为10～20左右，且更优选地为14～18左右，最优选地为大于15。 可以被理解的是：通过采用更热的推进剂可进一步提高这些比值，这样甚 至会需要更少的推进剂。在这方面，由于枪式推进剂的输出气体基本上没 有热颗粒物质，因此本充气机较之如当前流行的混合式充气机那样的带颗 粒物质的充气机能产生具有更高温度的输出气体。这种温度的升高将能使 充气机变得更小更轻，因为较热的气体相对来说更富膨胀性。除了上述特 性外，当采用枪式推进剂时还能使充气机总体尺寸和重量减小。
上述的推进剂成分也可表达为总气体输出(即为推进剂气体和被增压 介质36的组合)的克分子量与推进剂药柱90总重量的比值。一般在枪式推 进剂的情况下，输出气体克分子量与推进剂药柱90的总重之比其范围可以 为约0.35～0.6克分子每克推进剂，更优选地为约0.4～0.5克分子每克推进 剂，最优选地为约0.5克分子每克推进剂。
被增压介质36采用多种气体可以允许采用至少一种枪式推进剂配方作 为推进剂药柱90。通常，被增压介质36由至少一种惰性气体和氧气组成。 合适的惰性气体包括：氩、氮、氦、和氖，优选地采用氩。被增压介质中 的氧气部分是多功能性的。开始时，氧气同枪式推进剂药柱90的气体燃烧 产物的反应提供一有助于惰性气体膨胀的热源。这样可部分地降低气体发 生器82所需的推进剂量。此外，氧气同推进剂燃烧产物的反应也把推进剂 气体中任何现存的毒性降低到可接受的程度。例如，氧气将优选地把现存 的很大部分的一氧化碳转换成二氧化碳(例如：将至少约85％的CO转换成 CO2)以及把现存的氢转换成水蒸汽(例如将至少约80％的H2转换成H2O)， 且很大部分的未燃烧的碳氢化合物亦将被类似地消除掉(例如清除至少约 75％的碳氢化合物)。这样，如上所讨论的气体发生器82的性能便会得到极 大改善。亦即，被增压介质36和氧气经位于气体发生器壳体86端部96上 的入口喷嘴由被增压介质36流过在其上具有排放喷嘴200的气体发生器壳 体86的侧壁所产生的压差被吸入气体发生器壳体86中。其结果是：介质 36与CO和气体发生剂的富氢燃烧产物进行混合，它极大地改善了气体发 生剂的整体燃烧效率；气体发生剂的燃烧产物与富氧介质36的混合；以及 推进剂药柱90的燃烧率的提高。气体然后被从位于壳体86侧壁上的排放 喷嘴200排出。上述的气体发生器壳体86的结构因此极大地改进了充气机 30的性能(例如：通过促进氧气同推进剂气体的快速、有效的混合来改进性 能)。
至少一种惰性气体的以克分子为基础的量通常在70％～90％左右，而 氧气的以克分子为基础的量则通常位于10％～30％之间。然而，如上所述， 被增压介质可能包括约70％～92％的克分子的惰性流体和约8％～30％的 克分子的氧气。根据理论换算，通常需要使用超过上述量的氧气量。然而， 通常也需要在输出气体(即推进剂气体和被增压介质的混合)中不含有多于 20％(克分子)的氧气。
充气机30可按如下方式组装。起始时，组装气体发生器82，步骤如下： 1)将挡板100和隔离屏104插入气体发生器壳体86中邻接于排放端96；2) 将推进剂套筒94插入气体发生器壳体86中；3)将推进剂药柱90放置于推 进剂套筒94中；4)将挡板112和保持器108插入气体发生器壳体86中邻接 于推进剂套筒94端部且与气体发生器排放端96相对；5)将起爆器支架116 连同点火/引爆剂材料144和炸药杯148插入气体发生器壳体86中；6)将驱 动导向装置140、贝式垫圈136、以及驱动活塞124插入气体发生器壳体86 中。在此之后，将各部件互联，比如将气体发生器壳体86焊接至节流套74 上，在将子弹50和引爆器46放入扩散器38之后将扩散器38焊接至凸台 66上，将封闭盘70焊在凸台66和节流套74之间，并将凸台焊接至充气机 壳体34上。在不损坏上述结构的情况下，将被增压介质36引入充气机壳 体34。在这方面且在多种气体的情况下，氩气和氧气可经焊接在充气机壳 体34端部上的端气栓42分别输入(例如：先输入氩气和/或其它惰性气体然 后再输入氧气，或按相反次序输入)进充气机壳体34中，或者将它们以预先 混合好的方式输入。
热性能稳定的枪式推进剂，当它们被用作推进剂药柱90的配方时，包 括一二次炸药，即在采用LOVA推进剂情况时为硝胺(RDX)。其它可用在推 进剂药柱90配方中的二次炸药包括另一种硝胺，即HMX(环四亚甲基四硝 胺)，还有PETN(季戊四醇四硝酸)和TAGN(三氨基胍)。下面的表1提供 了RDX、HMX、和FETN等二次炸药的某些燃烧性质。
                         表1     类型     火焰温度(°K)   (在3000psi气压下)     产生的燃烧气体     重量/总重 过量O2     (克分子％)     RDX     3348     33％N2     25％CO     23％H2O     9％H2     8％CO2     剩余其它物质     HMX     3340     33％N2     25％CO     23％H2O     9％H2     8％CO2     剩余其它物质     PETN     3444     19.5％CO     17％N2     3％H2     30％H2O     24％CO2
通常为达到对某些弹道性质和长期热稳定性的所需的组合(例如：企图 获得一种双基推进剂的弹道特性和一种LOVA推进剂的长期时效特性或长 期热稳定性)，二次炸药可与一粘合剂系统组合来作为推进剂药柱的配方 (“混合式推进剂”)。“粘合剂系统”一词此处是指添加到推进剂中的一种 或多种化合物，它们有助于改进推进剂的物理的、化学的、以及/或者弹道 的性质。有用的粘合剂系统包括这样的系统，它们组合有从由粘合剂、增 塑剂、硫化剂、抗氧化剂、稳定剂、遮光剂、以及它们间的组合等组成的 组中选出的推进剂粘接剂。
用于混合式充气机30中的推进剂药柱90的混合式推进剂展示出良好 的弹道特性(即：在较低工作压力之下良好的燃烧速度和燃烧温度)，且展示 出可接受的长期稳定性(例如：一种用于评估长期热稳定性的工业测试是采 用统计学足够多数量的一组样本使之经受(不是点火)暴露于107℃温度之下 达400小时的一个周期)。另一个试验是在不造成不可接受的性能损失的条 件下，(这一点典型地是由客户所建立/规定的)，让充气机经受暴露于107 ℃温度下达400小时。尤其是，由一混合式推进剂组成的推进剂药柱90在 约1800°K～3800°K的燃烧温度范围上燃烧，燃烧速率范围为约0.2英寸 /秒(0.64cm/sec)～0.75英寸/秒(1.9cm/sec)，且其工作压力(气体发生器壳体84 内部的压力)为约4000psi(27.6MPa)或更小。由一混合式推进剂组成的推进 剂药柱90更优选地在约1800°K～3800°K的燃烧温度范围上燃烧，燃烧 速率范围为约0.30英寸/秒(0.76cm/sec)～0.60英寸/秒(1.5cm/sec)，且其工作 压力为约4000psi(27.6MPa)或更小。
一般来说，混合式推进剂组成包括约60wt％～90wt％的二次炸药和 40wt％～10wt％的粘合剂系统。更典型的是，这些推进剂配方包括约74wt ％～85wt％的二次炸药和约26wt％～15wt％粘合剂系统。最优选的是，推 进剂配方包括约84wt％的一种颗粒状二次炸药和约16wt％的一粘合剂系 统。其它添加剂和不可避免的杂质也可以微量的形式(亦即从小于推进剂成 分的2wt％的量)存在于这些推进剂成分中。
已经令人吃惊地发现，在推进剂药柱配方中采用本发明的一种粘合剂 会产生具有在高温时效或热循环之后仍然一致的增压率的推进剂药柱。这 些有用的粘合剂包括从由以下材料组成的组中挑选出来的一种粘合剂，这 些材料为：聚丙烯酸酯、聚丁二烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸乙 酯、聚己酸内酯、多元醇、聚乙二醇、聚碳酸酯、Kraton、Estane、聚丙 二醇、聚环氧乙烷、以及它们之间的混合物。从这些聚合物中已经发现聚 丙烯酸酯在为推进剂药柱提供一致的性能变化率方面特别地有用。
诸如象带有环氧硫化基的聚丙烯酸酯这样的一种聚合物，例如由Zeon 化学公司(Zeon Chemicals，Inc.)提供的Nipol聚丙烯酸酯高弹体(等级AR 53L)，特别适用于作粘合剂。如在本发明中所使用的那样，“硫化基”一词 指存在于聚合物内部的一种官能团，典型地位于端部，通过利用该官能团 可进一步来操纵聚合物。典型的硫化基包括卤化物，如氯化物、溴化物和 碘化物、环氧化物、羟基和羧基。硫化基优选地为非卤化物官能团，因为 当一具有卤化物官能团的化合物被点燃时，它产生诸如氯化氢、充气、氯 气、溴化氢和碘化氢等有毒烟雾。聚合物更优选地包含环氧硫化基。
在本发明的一个实施例中，由于环氧硫化基存在于聚丙烯酸酯中使得 可以将聚丙烯酸脂聚合物进行交联，从而产生具有更高分子重量的聚合物。 这种交联可通过添加一种亲核化合物，即一种硫化剂，或简单地加热该聚 合物而无需使用任何硫化剂来达到。如在本发明中所使用的那样，一种“硫 化剂”是一种化合物，它与聚合物中的一硫化基反应。在环氧硫化基的情 况中，硫化剂引发一连锁反应，它造成形成一交联的聚合物。这一点是可 能的，因为由环氧化物与一硫化剂起反应所产生的醇盐本身作为一种硫化 剂起作用，由此传播了交联反应。用在具有环氧硫化基的交联聚丙烯酸酯 中的典型硫化剂包括铵盐、醇盐、胺、金属盐以及含化合物的硫。硫化剂 优选地选自由羧酸铵组成的组，例如：苯酸铵、乙酸铵、酒石酸铵、以及 它们间的混合物。添加用来交联一聚合物(即一种粘合剂)的一种硫化剂的量 取决于生成推进剂的所要求的机械和物理特性。然而，通常优选采用的是： 硫化剂包括约0.01wt％～0.5wt％的推进剂，更优选地是包括约0.1wt％～ 0.3wt％的推进剂，最优选地是包括约0.2wt％的推进剂。
在以前的混合式推进剂配方中，添加了增塑剂来达到所需的物理和机 械特性，与之不同的是，本发明的混合式推进剂配方提供一种无需采用任 何增塑剂便可取得所需的物理和机械特性的方法。从已有的技术已经知道， 将一种增塑剂添加至聚合物来修改聚合物的物理和机械特性。本发明的推 进剂所需的物理特性是通过选择聚合物和交联的量来达到的。通过避免使 用增塑剂，可产生在时效之后具有一致的增压率的推进剂药柱。在不受任 何特殊理论约束的条件下，我们相信：推进剂药柱的一致性的增压率的取 得是由于聚合物的交联作用，它降低了低熔点低聚物的量，也是由于没有 了增塑剂，从而减少了任何低熔点低聚物集中于推进剂药柱表面的可能性。
在本发明的另一实施例中，推进剂药柱配方包括一抗氧化剂，它给推 进剂药柱提供更大的热稳定性和抗氧化性。用于本发明的典型抗氧化剂包 括诸如BHT(2，6～二叔丁基～4～甲基苯酚)和从美国的Uniroyal化学品公 司(Kniroyal Chemical Co.，Inc.in Middlebury，Connecticut)购到的Naugard 445(4，4′～双(α，α～二甲苯甲酰))二苯胺，4，4′～bis(α，α～ dimethylbenzyl)diphenylamine)等的取代酚，以及其它当今众所周知的抗氧化 剂。抗氧化剂优选地采用Naugard445X。
在本发明的另一实施例中，推进剂配方包括一种稳定剂，它包括乙基 中定剂、二苯胺、间苯二酚、二苯脲II、戊醇、尿素、矿脂、以及甲基硝胺。
尽管壁厚(推进剂药柱90的内、外径之差的一半)取决于所需的性能速 率，推进剂药柱通常优选地具有约0.010～0.100英寸的壁厚。更优选地， 本发明的推进剂药柱具有约0.023～0.053英寸的壁厚。推进剂药柱的长度 也根据所需的特殊性能速率和推进剂药柱的壁厚而有所变化。作为一种经 验方法，推进剂药柱的长优选地约为其壁厚的10倍。本发明的推进剂药柱 典型地具有约0.100英寸～1,000英寸的长度。本发明的推进剂药柱更优选 地具有约0.23英寸～0.53英寸的长度。
抗氧化剂也被包括在推进剂药柱90的混合式推进剂配方的粘合剂系统 中。例如，某些粘合剂一旦暴露于空气或氧气便会分解，且会影响推进剂 药柱90的点火。因此，可将抗氧化剂包括在混合式推进剂组成中，这样可 防止聚合物产生氧化降解作用并因此可提高混合式推进剂组成的长期稳定 性。  
一种具有所需的弹道性质且提供足够的合适长期稳定性指示的混合式 推进剂配方包括将硝胺类二次炸药RDX(六氢化三硝基三嗪)与一包括粘合 剂聚丙烯酸酯的粘合剂系统、硫化剂苯酸铵以及抗氧化剂Naugard445相结 合。一般来说，这种混合式推进剂配方可包括至少约84wt％的RDX、约15wt ％～16wt％的聚丙烯酸酯、约0.1wt％～0.3wt％的苯酸铵、以及不多于0.5wt ％的Naugard445。这些总的相对份量提供给混合式推进剂所需的弹道和长 期时效性质。然而，可以理解的是：若推进剂药柱90必须通过挤压法从这 种配方来制成，则须在上述范围内对这些相对份量作精化。
在本文所披露的混合式推进剂的情形下，在燃烧过程中生产出大量CO和H2(例如：35％CO和19％H2)。另外，经充气机推进剂的燃烧而形成一 氧化碳和氢气对一个汽车充气安全系统来说是不可接受的。然而，当这些 类型的混合式推进剂被用在混合式充气机30中且如上所述，被增压介质36 包括氧气，这样使一氧化碳和氢气的很大一部分(例如95％)在燃烧中或作为 燃烧后反应的一部分被转换成无害的二氧化碳和水蒸汽。采用贮存的氧气 是特别需要的，因为它排除了在混合式推进剂组成中包括一氧气源(例如高 氯酸钾)的需求。然而，在产生的推进剂燃烧气体和贮存氧气间进行的高放 热反应是特别需要的，因为它提高了推进剂的加热值，从而减少了膨胀安 全气囊所需的推进剂量。
当混合式推进剂被配制进推进剂药柱90中且被组合进混合式充气机 30之中时，其所用的量可参考枪式推进剂如上所述加以规定并应特别包括 参照推进剂药柱90和被增压介质36的相对份量在上面所介绍的那些特点。 此外，用在被增压介质36中的氧气和一种惰性气体的相对用量也可被用于 本文所披露的混合式推进剂中。
下面的例子进一步帮助说明包括一种二次炸药和一粘合剂系统的混合 式推进剂配方的特征。如前所述，所有关于“wt％”的参考均指重量百分 比。
本例说明本发明的推进剂配方即使在其暴露于高温或反复热循环之后 仍保持其性能上的一致性，即其增压率。
一种由至少约83wt％RDX(六氢化三硝基三嗪)、约15.5wt％的聚丙烯 酸酯、约0.2wt％的苯酸铵、以及约0.3wt％的Naugard445组成的混合式推 进剂成分被制备并组合进具有平均密度为约1.64g/cc和平均壁厚为约0.023 英寸的柱形药柱中。一5.6g的上述成分的推进剂药柱(即试验样品)以及145g 具有20％氧气的被增压介质被放置进一具有孔径为0.194英寸的充气机中 且被在一固定体积的室(即一种601容器)中点燃。推进剂具有约2228°K的 燃烧温并展示出可接受的弹道性质(即：在4000psi(27.6MPa)下具有 0.85in/sec(2.16cm/sec)的燃烧率))。、在充气机中的气体的平均温度小于800 ℃。标准推进剂药柱的性能由图3A中的实线所表示。所产生的气体包括约 37.5％的一氧化碳、约23％的氮、约27％的氢、约10％的水蒸汽和约2.5 ％的二氧化碳。对该推进剂成分的长期热稳定性进行了评估并认为是可接 受的。例如：推进剂本身被暴露于105℃温度之下达105小时而未点燃，且 在此之后放入一固定体积的容器上进行点火，推进剂的性能如图3A中点线 所示基本未受该热处理所影响。推进剂在被暴露于90℃温度下达总体109 小时以及在～40℃之下总体达89小时的这样一种交替热循环温度轮廓之后 其性能也如图3A中虚线所示未受该冷热交替处理所影响。 例2
本例说明本发明的具有一不同壁厚的推进剂药柱的性能上的一致性。
实验中除采用6.6g的壁厚为0.028英寸的推进剂药柱之外，其余程序 均与例1相同。该标准推进剂药柱的性能曲线由图3B中实线所代表。推进 剂暴露于105℃温度下达105小时后的性能如图3B中的点线所示那样基本 未受该热处理所影响。推进剂在被暴露于90℃温度之下达总共109小时以 及在～40℃之下达总体89小时的这样一种交替热循环温度轮廓之后其性能 也如图3B中虚线所示未受这种暴露于极端温度波动的处理所影响。 例3
本例说明本发明的推进剂药柱在经受400小时的暴露于107℃温度之 下考验之后的性能上的一致性。
实验中除了采用5.7g具有0.023英寸壁厚的推进剂药柱、145g的气体、 以及0.182英寸的充气机孔径外，其余程序均与例1相同。该标准推进剂药 柱的性能曲线由图3C中的实线所代表。该推进剂在被暴露于107℃温度之 下达400小时之后的性能如图3C中点线所示的那样基本未受该热处理所影 响。 例4
本例说明本发明的推进剂药柱即使在经受48个循环的极端温度波动之 后其性能仍具有一致性。
实验中除采用5.7g的壁厚为0.023英寸的推进剂药柱、145g的气体、 和0.182英寸的充气机孔径外，其它程序均与例1相同。该标准推进剂药柱 的性能曲线由图3D中的实线所代表。推进剂在经受暴露于107℃温度之下 达2小时之后又暴露于～40℃之下达2小时这样一个过程总共48次(即48 个循环)之后其性能仍如图3D中虚线所示的那样也基本未受该暴露于极端 温度波动的行为所影响。 例5
本例说明本发明的推进剂药柱即使在经受400小时的在温度107℃之 下暴露之后其性能的一致性。
实验中除采用6.2g的具有0.023壁厚的推进剂药柱、157g的气体，以 及采用0.193英寸的一个充气机孔径之外，其余程序均与例3相同。该标准 推进剂药柱的性能曲线由图3E中的实线所代表。该推进剂在暴露于107℃ 温度之下达400小时之后其性能如图3E中的点线所示基本未受该热处理所 影响。 例6
本例说明本发明的推进剂药柱即使在经受48个循环的极端温度波动之 后仍具有性能上的一致性。
实验中除采用6.2g的具有0.023英寸壁厚的推进剂药柱、157g气体、 以及0.193英寸的充气机孔径之外，其余程序与例4相同。该标准推进剂药 柱的性能曲线由图3F中的实线所代表。推进剂在经受暴露于107℃温度之 下达2小时然后再暴露于～40℃温度之下达2小时这样一个过程总共达48 次(即48个循环)之后其性能仍如图3F中虚线所示那样也基本未受该暴露于 极端温度波动的行为所影响。 例7
本例说明本发明的推进剂药柱处于不同的充气机孔径情况下性能的一 致性。
实验中除采用具有0.023英寸壁厚的推进剂药柱、以及一0.173英寸的 充气机孔径之外，其余程序均与例3相同。该标准推进剂药柱的性能曲线 由图3G中的实线所代表。推进剂在暴露于107℃温度下达400小时后其性 能如图3G中的点线所示基本未受该热处理所影响。 例8
本例说明本发明的推进剂药柱处于不同的充气机孔径情况下性能的一 致性。
实验中除采用具有0.023英寸壁厚的推进剂药柱、以及一0.173英寸的 充气机孔径之外，其余程序均与例4相同。该标准推进剂药柱的性能曲线 由图3H中的实线所代表。推进剂在经受暴露于107℃温度之下达2小时然 后再暴露于～40℃温度之下达2小时这样一个过程总共达48次(即48个循 环)之后其性仍如图3H中虚线所示那样也基本未受该暴露于极端温度波动 的行为所影响。 例9
本例说明本发明的推进剂药柱采用不同量的推进剂药柱时其性能的一 致性。
实验中除采用6.4g推进剂药柱外，其余程序均与例7相同。标准推进 剂药柱的性能曲线由图3I中的实线所代表。推进剂在暴露于107℃温度之 下达400小时后其性能如图3I中点线所示基本未受该热处理所影响。 例10
本例说明本发明的推进剂药柱在采用不同量的推进剂药柱时性能的一 致性。
实验中除采用6.4g的推进剂药柱外，其它程序均与例8相同。标准推 进剂药柱的性能曲线由图3J中的实线所代表。推进剂在经受暴露于107℃ 温度之下达2小时然后又暴露于～40℃温度之下达2小时这样一个过程总 共达48次(即48个循环)之后其性能仍如图3J中虚线所示那样基本未受该 暴露于极端温度波动的行为所影响。 例11
本例说明以前的推进剂配方在持续暴露于高温之后其性能上的变化。
一种由约76wt％RDX、约11.5wt％GAP(缩水甘油叠氮聚合物，增塑剂 等级)、约11.5wt％CAB(乙酸丁酸纤维聚合物)以及约1％MNA(甲硝基苯胺) 组成的推进剂成分被制备并组合进具有平均密度约1.6857g/cc和平均壁厚 约0.023英寸的推进剂药柱中。5.6g的试验样品被放进具有一孔径为0.194 英寸的充气机中并被点火进入一固定体积的容器中。试验样品具有约2400 °K的燃烧温度并展示出可接受的弹道特性。标准推进剂药柱的性能由图 4A中的实线所代表。推进剂气体包含约37％的一氧化碳、约25％的氢气、 约25％的氮气、约10％的水蒸汽以及约3％的二氧化碳。推进剂成分的长 期热稳定性被评估且被认为是可接受的但在推进剂的性能方面产生显著的 变化。例如：推进剂本身被暴露于105℃温度下达105小时且并未点火，但 却观察到明显的推进剂结块现象，且在此之后在被点火进入一充气机的容 器之后，推进剂的性能如图4A中点线所示那样基本上受到该热处理的影 响。推进剂在被暴露于90℃总共达109小时并暴露于～40℃总共达89小时 这样一个热循环之后其性能如图4A虚线所示基本上受该冷热循环处理所 影响。 例12
这是另外一个例子用于说明以前的推进剂配方在经持续暴露于高温之 后性能上产生的变化。
实验中除推进剂具有例11的成分以及0.023英寸的壁厚外，其余程序 均与例3相同。标准推进剂药柱的性能曲线由图4B中的实线所代表。推进 剂在暴露于107℃温度下达400小时后其性能如图4B中点线所示显示出因 该热处理而造成的重大变化。 例13
本例说明以前的推进剂配方在经受48个循环的极端温度波动之后性能 上产生的变化。(2小时的107℃/2小时的～40℃等于一个循环)。
实验中采用同例12相同的程序。标准推进剂药柱的性能曲线由图4C 中实线所代表。推进剂在经受暴露于107℃达2小时然后暴露于～40℃达2 小时这样一个过程达48次(即48个循环)之后其性能如图4C中虚线所示显 示出明显变化。
上述推进剂可用于混合式充气机，例如本文所描述的那些充气机。另 外，一混合式充气机通常包括一包括被增压流体的被增压气体室、一包含 推进剂的气体发生室、一点火器组件、以及一断裂盘。被增压流体基本上 由一惰性流体和氧气组成。推进剂在当比如一定值的减速发生时则被点火 器组件所点燃，且被燃烧来产生气体状产物，(例如一氧化碳和氢气)，它们 与氧气发生反应。一氧化碳和氢气与被增压气体中的氧发生反应来产生二 氧化碳和水蒸汽，同时则增加气体发生室中的压力。然后，断裂盘被打开 来提供二氧化碳、水蒸汽和惰性气体到安全气囊18中(图1)。这样来使安全 气囊18(图1)被充气膨胀。
以上介绍了对本发明的描述和说明。此外，这种描述并不倾向于将本 发明限制于本文中所披露的形式。因此，与上述理论精神相符合的变化和 修整，以及具有相应水平的技术或知识也都属于本发明的范围之内。上文 所述的实施例进一步倾向于解释实践本发明的已知的最好模式，并使熟悉 本技术的人员能够在这些或其它的实施例中使用本发明并根据对本发明的 专门应用或用途的要求作出不同的修改。在已有技术所允许的范围内，所 附的权利要求被认为包括了可替代的实施例。