某復(fù)雜發(fā)射環(huán)境用延期點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)研究

付一鳴，王科偉，藺美君，高元科，吳宏杰，曹建強(qiáng)

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某復(fù)雜發(fā)射環(huán)境用延期點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)研究

付一鳴，王科偉，藺美君，高元科，吳宏杰，曹建強(qiáng)

（北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司，陜西西安，710025）

為滿足高膛壓、高過載等復(fù)雜發(fā)射條件下的延期點(diǎn)火，對(duì)某延期點(diǎn)火裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、傳火通道、轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)點(diǎn)火藥進(jìn)行了篩選。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的延期裝置滿足平原和高原兩種發(fā)射環(huán)境，且在高膛壓、高過載條件下具有較高的延期精度。

延期點(diǎn)火裝置；高膛壓；高過載；轉(zhuǎn)換通道；點(diǎn)火藥

隨著炮射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展，為滿足導(dǎo)彈在不同區(qū)域的作戰(zhàn)需求，對(duì)導(dǎo)彈增程發(fā)動(dòng)機(jī)用火工品的功能提出了更高的要求。電延期火工品雖然可以設(shè)計(jì)成全密封結(jié)構(gòu)來消除高膛壓對(duì)產(chǎn)品性能的影響，但需要電能源的激發(fā)，增加了系統(tǒng)電源負(fù)載；火焰延期點(diǎn)火器直接利用炮射導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)膛內(nèi)火焰點(diǎn)燃，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而傳統(tǒng)的火焰延期火工品結(jié)構(gòu)在耐高膛壓和過載方面能力有限，不能滿足導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的環(huán)境要求。本文設(shè)計(jì)了一種全新的火焰式雙通道延期點(diǎn)火裝置，來滿足某炮射導(dǎo)彈在高原區(qū)域與平原區(qū)域的使用要求，其能承受發(fā)射時(shí)最大215MPa的膛壓和1.1×104g的過載。

1 雙通道延期裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

該延期裝置主要部件包括閉氣機(jī)構(gòu)、長(zhǎng)延期部件、短延期部件、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、固定卡盤、點(diǎn)火藥盒。其中閉氣機(jī)構(gòu)和長(zhǎng)、短延期部件是承受炮射導(dǎo)彈在發(fā)射時(shí)膛內(nèi)高壓燃?xì)夂透哌^載沖擊的關(guān)鍵部件，能承受持續(xù)10～20ms、230MPa、29 000g的高膛壓高過載沖擊，并起延期點(diǎn)火的功能；點(diǎn)火藥盒用于點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥。其結(jié)構(gòu)見圖1。

點(diǎn)火裝置工作原理為：炮射導(dǎo)彈在平原發(fā)射時(shí)，膛內(nèi)燃?xì)庵苯幼饔迷陂L(zhǎng)延期部件輸入端，經(jīng)過6.5～8.5s延遲后點(diǎn)燃點(diǎn)火藥盒，從而點(diǎn)燃助推發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，達(dá)到增程的目的；炮射導(dǎo)彈在高原發(fā)射時(shí)，打開轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，短延期部件較長(zhǎng)延期部件先完成工作，經(jīng)0.8～1.2s延遲后點(diǎn)燃點(diǎn)火藥盒使助推發(fā)動(dòng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)高原使用的目的。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 耐高膛壓高過載設(shè)計(jì)

2.1.1延期部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)、短延期部件結(jié)構(gòu)一致，主要由外管殼、點(diǎn)火管和延期管構(gòu)成。點(diǎn)火管口部帶有翻邊，裝入外管殼后與外管殼翻邊壓合，以有效防止炮膛內(nèi)高壓燃?xì)膺M(jìn)入通道內(nèi)直接點(diǎn)燃點(diǎn)火藥盒出現(xiàn)瞬發(fā)。

（a）點(diǎn)火管設(shè)計(jì) 根據(jù)點(diǎn)火裝置裝配于導(dǎo)彈的位置以及結(jié)合高膛壓高過載條件下的受力分析，確定點(diǎn)火管為該點(diǎn)火裝置耐高膛壓高過載的關(guān)鍵部件，而點(diǎn)火管傳火孔的大小是能否承受高膛壓沖擊的核心之一。由于某炮射導(dǎo)彈較國(guó)內(nèi)其他炮射導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的膛壓高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、過載大，因此設(shè)計(jì)了不同直徑的傳火孔進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表1，點(diǎn)火管傳火孔示意圖見圖2?；鸸て纺M膛內(nèi)的發(fā)射過載一般采用馬歇特錘擊試驗(yàn)法代替[1]，地面點(diǎn)火試驗(yàn)采用已定型的某電點(diǎn)火器來模擬發(fā)射時(shí)的膛壓。

表1 不同直徑的傳火孔模擬試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Simulation experiment result for vent holes with various diameters

圖2 延期部件結(jié)構(gòu)示意圖

從表1試驗(yàn)結(jié)果看出，經(jīng)23齒錘擊(擊錘打擊加速度29 000g)[2]后進(jìn)行的高、低溫測(cè)時(shí)，設(shè)計(jì)傳火孔直徑為3.0mm出現(xiàn)了6發(fā)瞬發(fā)的現(xiàn)象，直徑為0.9mm時(shí)出現(xiàn)了2發(fā)瞎火的現(xiàn)象，因此傳火孔直徑過大可能造成點(diǎn)火管被膛壓擊穿，傳火孔直徑過小則可能造成點(diǎn)傳火不可靠而瞎火。傳火孔直徑為2.1mm時(shí)點(diǎn)傳火可靠、延期時(shí)間穩(wěn)定，且系統(tǒng)空氣炮試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)表明，延期時(shí)間滿足指標(biāo)要求和系統(tǒng)使用要求。

（b）防瞬發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)炮射導(dǎo)彈用延期類火工品而言，高膛壓高過載環(huán)境是引起產(chǎn)品瞬發(fā)的主要因素。為保證該點(diǎn)火裝置在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)穩(wěn)定工作，在延期管輸出端增加一個(gè)非金屬膜片，以降低延期管輸出裝藥與管殼底部之間的沖擊作用，達(dá)到緩沖的效果，避免了外管殼凸起底部受高膛壓高過載沖擊時(shí)擠壓輸出裝藥而導(dǎo)致瞬發(fā)；此外，有效阻擋了燃?xì)馔ㄟ^金屬管殼之間空隙直接點(diǎn)燃輸出裝藥，從而實(shí)現(xiàn)防瞬發(fā)的目的，并且該非金屬膜片在延期管正常作用后能被輸出藥可靠點(diǎn)燃，見圖2。增加非金屬膜片后試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 非金屬膜片防瞬發(fā)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Experiment results of non-metallic membrane for anti-instantaneous ignition

從表2結(jié)果可以看出，裝有非金屬膜片的產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)無瞬發(fā)現(xiàn)象，系統(tǒng)空氣炮試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)300余發(fā)仍無瞬發(fā)出現(xiàn)。

2.1.2裝藥設(shè)計(jì)

加氫裂化裝置有大量氫氣及烴、非烴類等危險(xiǎn)生產(chǎn)介質(zhì)，泄漏的可燃性、爆炸性物料可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。由于加氫裂化裝置反應(yīng)部分在高壓下操作，其爆炸、火災(zāi)事故的危害后果尤其嚴(yán)重；同時(shí)加氫裂化裝置的靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備及催化劑等造價(jià)高，在操作過程中有被損壞的可能，會(huì)造成企業(yè)資產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，加氫裂化裝置生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時(shí)，必須采取可靠的措施，將異常工況控制在可控范圍內(nèi)，甚至停止生產(chǎn)以規(guī)避生產(chǎn)異常導(dǎo)致的人員、裝備的重大損失。

該點(diǎn)火裝置的延期部件采用LTNR-點(diǎn)火藥-延期藥-輸出藥的裝藥序列實(shí)現(xiàn)延期點(diǎn)火功能，常規(guī)的延期類火工品一般選用硼系點(diǎn)火藥或耐水點(diǎn)火藥[3]作為點(diǎn)燃延期藥的點(diǎn)火藥，硼系點(diǎn)火藥和耐水點(diǎn)火藥燃燒后的產(chǎn)物為單一氧化物和金屬物質(zhì)Pb，有易分散性的特點(diǎn)。該產(chǎn)品延期藥采用鎢系延期藥，點(diǎn)火藥選用結(jié)渣性能好的硅系點(diǎn)火藥。在高膛壓高過載沖擊下不產(chǎn)生裂紋，使延期藥與膛內(nèi)高壓燃?xì)馕锢砀艚^，從而達(dá)到延期藥穩(wěn)定燃燒的目的。

硅系點(diǎn)火藥由硅粉Si、CaSi、Pb3O4組成，其反應(yīng)方程式為：Si+2Pb3O4+2CaSi→3SiO2+2CaO+6Pb

硅系點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物為SiO2和CaO的混合物，SiO2俗稱硅石，固體塊狀形態(tài)，有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而混制硅系點(diǎn)火藥時(shí)加入的硅藻土和產(chǎn)物CaO吸附性強(qiáng)，能吸收空氣中的少量水分。因此硅系點(diǎn)火藥燃燒后的最終物質(zhì)為一種高密度殘?jiān)?，與金屬管殼緊密接合，具有很好的密封性。采用壓力容器（油壓）對(duì)燃燒后的延期部件殘留物進(jìn)行耐壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 燃燒后的延期部件耐壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Compression strength testing results of the delay components after burning

表3試驗(yàn)結(jié)果表明，硅系點(diǎn)火藥燃燒后形成具有一定強(qiáng)度和承壓能力的固態(tài)殘?jiān)艹惺芨咛艍焊哌^載沖擊。

2.2 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮部隊(duì)使用的便利性，在進(jìn)行高原發(fā)射時(shí)，需打開轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)使短延期部件工作。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在與閉氣機(jī)構(gòu)的傳火孔貼合部位設(shè)計(jì)閉氣錐，選用紫銅作為轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)加工材料，利用其易變形的特點(diǎn)，安裝后能與傳火孔緊密貼合，起到密封的作用，以保證導(dǎo)彈在平原發(fā)射時(shí)的安全性；同時(shí)，設(shè)計(jì)一字形扳手孔，工作人員使用常用的工具即可在短時(shí)間內(nèi)拆卸。轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖見圖3。在采用該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)中，短延期端密封良好，沒有出現(xiàn)因竄火點(diǎn)燃短延期部件的現(xiàn)象。

圖3 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)示意圖

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 延期時(shí)間

工程研制階段，進(jìn)行了4批延期點(diǎn)火裝置驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，在-50～+50℃條件下，延期時(shí)間穩(wěn)定。

表4 延期點(diǎn)火裝置驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Acceptance test results of delay ignition device

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

在導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火和炮射導(dǎo)彈平原區(qū)域、高原區(qū)域飛行等各種聯(lián)合試驗(yàn)中，延期點(diǎn)火裝置均可靠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，滿足總體使用要求。

4 結(jié)論

通過點(diǎn)火管設(shè)計(jì)和利用硅系點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物的物理特性，使點(diǎn)火裝置具有耐高膛壓高過載沖擊的特點(diǎn)，解決了延期時(shí)間不穩(wěn)定的難題；非金屬膜片設(shè)計(jì)杜絕了高膛壓高過載發(fā)射條件下存在瞬發(fā)的可能；轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使長(zhǎng)、短延期部件分別在平原、高原工作，從而實(shí)現(xiàn)雙通道點(diǎn)火功能，使炮射導(dǎo)彈滿足不同區(qū)域的作戰(zhàn)需求。

[1] 王凱民,張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[2] 劉偉欽.火工品制造[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1988.

[3] 成一.火工藥劑學(xué)[M].南京:南京理工大學(xué)出版社,2004.

Research on the Design of Delay Ignition Device Applied in Complicated Launch Environment

FU Yi-ming,WANG Ke-wei，LIN Mei-jun，GAO Yuan-ke，WU Hong-jie，CAO Jian-qiang

(North Special Energy Group Co.,Ltd.,Xi’an,710025)

In order to meet with the delay ignition requirement under the complicated launch environment, such as high boring pressure, high overload,, the research conducted special design for the internal structure, flash channel and the switching channel of the delay ignition device, and performed screening for ignition powders .The research results demonstrated that the designed delay device can satisfy the launch environment on the plateau and on the plain, and has high delay precision under the conditions of high boring pressure and high overload.

Delay ignition device；High boring pressure；High overload；Switching channel；Ignition powder

1003-1480（2015）05-0006-03

TJ45+5

A

2015-06-10

付一鳴（1981-），男，工程師，從事火工品產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研究。