裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)點(diǎn)火具點(diǎn)傳火特性的提高

劉 斌，徐志強(qiáng)，李曉波，梁深根，葉 濤

（湖北航天飛行器研究所，湖北 武漢，430040）

中心裝藥徑向膨脹式拋撒是子母戰(zhàn)斗部中較為廣泛使用的一種拋撒方式，它利用火藥燃燒釋放出來(lái)的高壓氣體作為動(dòng)力，推動(dòng)子彈拋離母彈，并使子彈獲得要求的拋撒速度和拋撒姿態(tài)。點(diǎn)火具是中心裝藥徑向膨脹式拋撒方式的重要組成部分，其利用自身裝藥燃燒速度快的特點(diǎn)，點(diǎn)燃拋撒裝藥，使得拋撒裝藥產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，為子彈的拋撒提供動(dòng)力源。由于點(diǎn)火具是該拋撒方式工作的第1個(gè)環(huán)節(jié)，因此，其是否正常工作將直接影響到子彈能否正常拋撒，完成預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。

本文對(duì)點(diǎn)火具的典型結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，針對(duì)傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)建立起試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)其內(nèi)部壓力分布情況和傳火時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，分析其存在的問(wèn)題。由此提出了一種新型裝藥結(jié)構(gòu)，對(duì)比試驗(yàn)表明該裝藥結(jié)構(gòu)能極大地改善點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火特性，可廣泛用于對(duì)點(diǎn)火一致性有較高要求的場(chǎng)合。

1 點(diǎn)火具的典型結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

點(diǎn)火具主要由點(diǎn)火藥柱、點(diǎn)火管、基座和點(diǎn)火器等組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。點(diǎn)火藥柱內(nèi)裝有火藥，放置在點(diǎn)火具的中心；點(diǎn)火管為一端密封的管狀結(jié)構(gòu)，其壁上分布有若干個(gè)傳火孔；點(diǎn)火管安裝在點(diǎn)火藥柱外部，非密封端固定在基座上，其可對(duì)點(diǎn)火藥柱進(jìn)行軸向和徑向約束固定；點(diǎn)火器安裝在基座上的點(diǎn)火孔內(nèi)，作用后輸出火焰，對(duì)點(diǎn)火藥柱進(jìn)行點(diǎn)火。

圖1 點(diǎn)火具的典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The typical structure of igniter

點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，也是影響拋撒性能的重要因素，其工作機(jī)理為：點(diǎn)火器作用輸出火焰后，點(diǎn)火藥柱靠近點(diǎn)火端首先燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的氣體和熾熱的固體顆粒，通過(guò)對(duì)流與輻射傳熱持續(xù)燃燒，并形成使氣體向前運(yùn)動(dòng)的壓力梯度。該壓力梯度沿點(diǎn)火具軸向方向逐漸變小，它促使火藥氣體在點(diǎn)火藥中高速滲透，并以對(duì)流及輻射傳熱的方式加熱周圍的藥粒，當(dāng)藥粒表面溫度達(dá)到著火溫度時(shí)這些藥粒就相繼被點(diǎn)燃，從而形成火焰陣面的傳播?；鹧骊嚸娈a(chǎn)生的高溫、高壓的氣體和熾熱固體顆粒在點(diǎn)火管內(nèi)的高壓作用下從傳火孔處噴出，點(diǎn)燃拋撒裝藥。從點(diǎn)火具的工作機(jī)理可以看出：點(diǎn)火藥柱的燃燒是通過(guò)壓力梯度來(lái)推進(jìn)的，穩(wěn)定的壓力梯度確保了點(diǎn)火具能夠正常、穩(wěn)定、快速的燃燒。點(diǎn)火藥柱的燃燒速度越快，傳火時(shí)間就越短，從沿軸向方向上的傳火孔處噴出的兩相產(chǎn)物的一致性就越好，這樣拋撒裝藥的點(diǎn)燃一致性就好。

由于點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火是依靠點(diǎn)火藥柱自身的燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，點(diǎn)火藥柱的裝藥類型和結(jié)構(gòu)形式就直接影響了點(diǎn)火管內(nèi)的壓力梯度，進(jìn)而決定了點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火特性。但是，目前點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)還沒(méi)有形成切實(shí)可行的理論，評(píng)估點(diǎn)火具點(diǎn)火性能的優(yōu)劣主要依賴點(diǎn)火管內(nèi)的壓力分布情況（即壓力和壓力梯度）和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)效果（即傳火時(shí)間）。

2 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)情況

2.1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)

某點(diǎn)火具的傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示（以下簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)狀態(tài)”）。

圖2 傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火藥柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure schematic of traditional ignition charge

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采取地面靜態(tài)垂直點(diǎn)火方式，將試驗(yàn)產(chǎn)品垂直向上放置，下端使用點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火。在點(diǎn)火具的傳火孔區(qū)域沿軸線方向均布安裝3個(gè)壓力傳感器，對(duì)其內(nèi)部壓力進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)使用高速攝像對(duì)整個(gè)傳火過(guò)程進(jìn)行拍攝，獲取傳火時(shí)間（注：傳火時(shí)間取高速攝像拍攝的從首排傳火孔開(kāi)始冒火到末排傳火孔開(kāi)始冒火的時(shí)間差），試驗(yàn)方案示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)方案示意圖Fig.3 Diagram of test scheme

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)狀態(tài)的點(diǎn)火具進(jìn)行了5發(fā)點(diǎn)傳火試驗(yàn)，其傳火情況如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具的傳火情況Fig.4 The fire scene of traditional igniter

表1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of traditional ignition charge

圖5 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線Fig.5 Pressure curve of traditional ignition charge

2.4 結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行分析，可以看出：

（1）點(diǎn)傳火過(guò)程中，有時(shí)在點(diǎn)火管中部位置會(huì)出現(xiàn)傳火中斷，而后再繼續(xù)傳火的異常現(xiàn)象（圖4中2ms時(shí)的景象）；由于傳火中斷的時(shí)間不可控，很大程度上影響了傳火時(shí)間（如表1第1、4發(fā)試驗(yàn)），有時(shí)，甚至出現(xiàn)了傳火中斷不再繼續(xù)傳火的情況（如表1第5發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)較多未燃燒的殘藥）。以上現(xiàn)象說(shuō)明點(diǎn)火藥柱在傳統(tǒng)點(diǎn)火管內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，造成了傳火異常；

（2）表1中第1、4發(fā)試驗(yàn)的點(diǎn)火管內(nèi)壓力分布差異大，無(wú)梯度規(guī)律，傳火時(shí)間偏長(zhǎng)且不穩(wěn)定；第2、3發(fā)試驗(yàn)的管內(nèi)壓力分布有明顯的壓力梯度，即距離點(diǎn)火端越遠(yuǎn)，壓力越小，且梯度較穩(wěn)定，傳火時(shí)間較短，說(shuō)明穩(wěn)定的壓力梯度有利于縮短傳火時(shí)間；

（3）在點(diǎn)火管內(nèi)壓力分布情況基本相同的條件下，第1發(fā)的點(diǎn)火管內(nèi)壓力高于第4發(fā)，傳火時(shí)間也短于第4發(fā)；第3發(fā)的點(diǎn)火管內(nèi)壓力高于第2發(fā)，傳火時(shí)間也短于第2發(fā)試驗(yàn)；說(shuō)明在點(diǎn)火管內(nèi)壓力越大，傳火時(shí)間越短；

（4）圖5壓力曲線中，點(diǎn)火管的下部和中部均達(dá)到壓力峰值的時(shí)間間隔為0.94ms，中部和上部均達(dá)到壓力峰值的時(shí)間間隔為 3.16ms，時(shí)間間隔相差較大；說(shuō)明點(diǎn)火藥柱從下部到中部的燃燒速度比從中部到上部的燃燒速度要快，點(diǎn)火藥柱在點(diǎn)火管內(nèi)的燃燒速度不穩(wěn)定；

（5）5發(fā)試驗(yàn)產(chǎn)品的狀態(tài)完全相同，但是測(cè)得的傳火時(shí)間和壓力分布差異較大，說(shuō)明該裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)傳火性能不穩(wěn)定。

通過(guò)上述分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著距點(diǎn)火端距離的增加而減小的壓力梯度分布可以縮短傳火時(shí)間；

（2）在點(diǎn)火管內(nèi)壓力分布情況基本相同的條件下，點(diǎn)火管內(nèi)壓力越大，傳火時(shí)間越短；

（3）傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具中的點(diǎn)火藥是顆粒狀的散裝藥，其在點(diǎn)火藥柱中的堆積方式是隨機(jī)不可控的，存在易發(fā)生傳火異常、點(diǎn)傳火性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

3 裝藥結(jié)構(gòu)分析

3.1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具中的點(diǎn)火藥呈顆粒狀，裝填密度約為 1.1g/cm3，燃速約為 9mm/s，火藥力為 250～300kJ/kg，固體產(chǎn)物約占 46%～68%。點(diǎn)火藥柱在點(diǎn)火管內(nèi)燃燒時(shí)，具備流散性好，易于點(diǎn)燃和火焰?zhèn)鞑サ奶攸c(diǎn)，其燃燒產(chǎn)生高溫、高壓的氣體和熾熱的固體顆?？梢暂^快地從傳火孔中噴射點(diǎn)燃拋撒裝藥，加速了拋撒裝藥的全面引燃。但是，這種裝藥結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：

（1）點(diǎn)火藥是密實(shí)堆積的裝藥結(jié)構(gòu)，在點(diǎn)火藥柱被點(diǎn)燃的瞬間，底端的點(diǎn)火藥首先被引燃，火藥氣體通過(guò)點(diǎn)火藥間隙的流動(dòng)受到很大阻礙，因此易形成壓力沖擊使未引燃的點(diǎn)火藥向中心管的頂端運(yùn)動(dòng)，使其發(fā)生堆積，頂端壓力增大，造成點(diǎn)火管不同部位處輸出壓力值相差較大，影響點(diǎn)火藥的正常燃燒，出現(xiàn)燃燒異常的現(xiàn)象；

（2）點(diǎn)火藥在點(diǎn)火藥柱的堆積方式是隨機(jī)不可控的，導(dǎo)致相同狀態(tài)的點(diǎn)火具測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，說(shuō)明點(diǎn)傳火性能不穩(wěn)定；

（3）點(diǎn)火藥柱的剛性較差，在壓力作用下容易發(fā)生彎曲將傳火通道堵塞，導(dǎo)致傳火不通暢。

3.2 改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具的傳火時(shí)間不穩(wěn)定，且誤差較大，將影響母彈的拋撒姿態(tài)，從而影響子母彈的最終作用效果。因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其裝藥性能。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)了一種成型裝藥——奔奈藥管可作為點(diǎn)火藥的替代品。奔奈藥管呈細(xì)長(zhǎng)的圓管狀，密度約為 1.6 g/cm3，燃速約為2cm/s，火藥力約為520kJ/kg，固體產(chǎn)物少。奔奈藥管的主要優(yōu)點(diǎn)包括[2]：

（1）奔奈藥管呈圓管狀，有“天然”的傳火通道，既有利于傳火通暢，又增加了燃燒面積；

（2）奔奈藥管為成型裝藥，藥型排列規(guī)則有序、結(jié)構(gòu)密實(shí)、燃燒層厚度一致，不存在裝藥結(jié)構(gòu)隨機(jī)性的問(wèn)題，燃燒穩(wěn)定有規(guī)律；

（3）奔奈藥管具備一定強(qiáng)度和剛度，燃燒時(shí)不易發(fā)生堆積而堵塞傳火通道，并且在運(yùn)輸和長(zhǎng)期貯存環(huán)境不會(huì)破碎、吸潮和失效。

鑒于奔奈藥管具備熱量高、藥條形狀規(guī)整、燃燒層厚度一致、燃燒規(guī)律易控制，且在點(diǎn)火管中易于保持火焰?zhèn)鞑サ葍?yōu)點(diǎn)，將其安裝在點(diǎn)火藥柱的中央，正對(duì)點(diǎn)火通道。但是，由于拋撒裝藥的點(diǎn)燃是依靠從傳火孔噴出來(lái)的點(diǎn)火藥柱燃燒產(chǎn)生的熾熱固體顆粒，而奔奈藥管的點(diǎn)燃性能不如黑火藥，燃燒產(chǎn)物中熾熱固體顆粒較少，不利于拋撒裝藥的點(diǎn)燃。因此，使用時(shí)還需要在其外壁包覆一層黑火藥，通過(guò)其將黑火藥點(diǎn)燃，產(chǎn)生熾熱固體顆粒，從傳火孔噴出來(lái)點(diǎn)燃拋撒裝藥。這種黑火藥與奔奈藥管相結(jié)合的新型裝藥結(jié)構(gòu)可互補(bǔ)兩種點(diǎn)火藥的不足，從而有效提高點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火特性。

4 改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)情況

4.1 改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝藥質(zhì)量和火藥力計(jì)算，在保證總能量不變的條件下，對(duì)傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)狀態(tài)的裝藥結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱“改進(jìn)狀態(tài)”）如圖6所示。

圖6 改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火藥柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure schematic of improved ignition charge

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)狀態(tài)的點(diǎn)火具進(jìn)行了5發(fā)試驗(yàn)，其傳火情況如圖7所示，測(cè)試結(jié)果如表2和圖8所示。

圖7 改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的傳火景象Fig.7 The fire scene of improved igniter

表2 改進(jìn)狀態(tài)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of improved ignition charge

圖8 改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線Fig.8 Pressure curve of improved ignition charge

4.3 結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）從圖7中可以明顯看出從點(diǎn)火具的底端傳遞至頂端的過(guò)程中未出現(xiàn)傳火中斷的異?，F(xiàn)象；

（2）改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的內(nèi)部壓力分布穩(wěn)定且壓力值明顯高于傳統(tǒng)狀態(tài)的點(diǎn)火具，并且形成了距點(diǎn)火端距離的增加而減小的壓力梯度，且梯度較穩(wěn)定；

（3）改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的傳火時(shí)間與傳統(tǒng)狀態(tài)相比極大地縮短，且時(shí)間穩(wěn)定，說(shuō)明改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具燃燒所形成的穩(wěn)定的壓力梯度有助于提高點(diǎn)傳火特性，大大地縮短了傳火時(shí)間，且時(shí)間穩(wěn)定；

（4）圖8壓力曲線中，點(diǎn)火管的下部和中部均達(dá)到壓力峰值的時(shí)間間隔與中部和上部均達(dá)到壓力峰值的時(shí)間間隔相同，均為0.2ms，與傳統(tǒng)始狀態(tài)相比，時(shí)間間隔一致且明顯縮短，說(shuō)明了改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的燃燒穩(wěn)定且速度快；

（5）圖8中距離點(diǎn)火端越遠(yuǎn)，壓力啟動(dòng)時(shí)間越晚，達(dá)到峰值的時(shí)間也越晚，峰值也逐漸變小，但時(shí)間間隔是恒定的，均為0.2ms。由于測(cè)壓點(diǎn)位置在傳火孔區(qū)域沿軸線方向均勻分布，說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)壓力傳遞的距離是恒定的，進(jìn)而表明改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的壓力傳遞是穩(wěn)定的。

上述分析表明改進(jìn)狀態(tài)點(diǎn)火具的燃燒穩(wěn)定且速度快，點(diǎn)火管內(nèi)壓力高且形成了穩(wěn)定的壓力梯度，大大改善了傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具的點(diǎn)傳火特性，同時(shí)也驗(yàn)證了傳統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)火具試驗(yàn)中得到的結(jié)論。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)子母彈拋撒技術(shù)中的中心膨脹式拋撒方式，對(duì)其點(diǎn)火具進(jìn)行了介紹，并以某點(diǎn)火具為研究對(duì)象，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其存在的問(wèn)題和不足。由此提出了一種奔奈藥管與黑火藥組合的新型裝藥結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其在傳火方面的優(yōu)越性。

本文的試驗(yàn)結(jié)果不僅能指導(dǎo)中心膨脹式拋撒方式中的點(diǎn)火具優(yōu)化設(shè)計(jì)，還適用于其它對(duì)點(diǎn)火一致性有較高要求的產(chǎn)品，具有廣泛的使用前景。

[1]任慧,喬小晶,等.提高點(diǎn)火管點(diǎn)火性能的一種方法[J].含能材料,2001,9(4):168-171.

[2]吳騰芳.爆炸物識(shí)別圖冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[3]李國(guó)新,程國(guó)元,焦清介.火工品實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.