感應制熱式彈丸裝藥倒空技術安全性分析與設計*

向紅軍，雷 彬，邢彥昌

(解放軍軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引言

彈藥是一種戰(zhàn)時大量消耗的裝備，平時必須進行大量的戰(zhàn)略儲備。超過儲存期或質(zhì)量顯著下降的彈藥將成為報廢彈藥，這些報廢彈藥如果不能得到及時有效處理，將給國家和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴重影響，同時也會造成儲運和維護成本增大，因此報廢彈藥處理是一項長期性和經(jīng)常性工作，而對彈丸中的裝藥進行有效處理又是報廢彈藥處理的關鍵。

目前裝藥彈體的倒空方法主要有蒸汽加熱倒藥法、預熱挖藥法、高壓水射流倒藥等幾種處理方法。蒸汽加熱倒藥法主要用于低熔點裝藥倒空，而且倒藥時會產(chǎn)生冷凝廢水，對環(huán)境造成二次污染;預熱挖藥法效率太低、工作強度大;高壓水射流倒藥法存在處理效率低、產(chǎn)生大量污染廢水、倒藥成本較高等不足［1-2］。文中針對彈丸裝藥倒空需要，提出了一種基于電磁感應制熱原理的彈丸裝藥倒空方法，并結(jié)合彈丸裝藥的燃爆特性，重點對該方法使用過程中的安全性進行了分析。

1 電磁制熱基本原理

根據(jù)電磁感應定律可知，當通過導體回路的磁通量隨時間發(fā)生變化時，回路中會有感應電動勢產(chǎn)生，并產(chǎn)生感應電流Ic(即渦流)。因為金屬的電阻很小，所以不大的感應電動勢便可產(chǎn)生較強的渦流。渦流流過導體，會產(chǎn)生R(R表示導體的等效電阻)的電功率熱消耗，使導體溫度上升，達到加熱目的［3］。

2 系統(tǒng)總體方案設計

根據(jù)電磁感應制熱的工作原理，給出感應制熱式彈丸倒藥裝置的初步設計方案，其加熱器結(jié)構如圖1所示，主要由加熱線圈、保護外殼以及外部電源等構成。

圖1 感應制熱器

系統(tǒng)的工作過程為:首先將待倒空的彈丸置于感應制熱器的腔體內(nèi)，然后利用電力電子變換系統(tǒng)將市電轉(zhuǎn)換成直流電，并經(jīng)過功率開關管IGBT后，提供給感應制熱器。IGBT受驅(qū)動信號的控制而導通和關斷，從而在感應制熱器的加熱線圈中產(chǎn)生高頻電流，同時通過加熱線圈激發(fā)產(chǎn)生高頻磁場［4］。在高頻磁場的作用下，置于感應制熱器內(nèi)部的鐵質(zhì)彈丸表面會產(chǎn)生渦流，彈丸表面的渦流損耗將以熱能的形式對彈丸裝藥進行傳導加熱。在彈丸內(nèi)壁，由于裝藥的溫度較高，因而會率先熔化，使得裝藥在重力作用下整體脫落彈丸內(nèi)壁，實現(xiàn)整體倒藥。

為提高倒藥效率，可將多個感應制熱器并聯(lián)到一起，形成加熱倒藥箱，同時對多發(fā)彈丸裝藥進行倒空。

3 系統(tǒng)安全性分析與設計

從系統(tǒng)的工作原理可以看出，其本質(zhì)上和電磁爐相似，但由于彈丸裝藥是一種具有燃爆特性的特殊物質(zhì)，因此對其加熱過程中，必須要防止電磁制熱裝置失控或彈丸裝藥過熱而導致安全事故，因此在系統(tǒng)研制過程中，首先要對基于該技術的安全性進行深入研究。

3.1 安全性分析

由于感應制熱器對彈丸的加熱過程并不是直接加熱，而是一種傳導加熱，因此炸藥的熱積累需要一定的時間，彈丸裝藥的溫度在加熱過程中不會產(chǎn)生突變。同時，系統(tǒng)在工作時，并不是對整體裝藥進行加熱，而是對彈丸內(nèi)壁處的裝藥先進行加熱，當彈丸內(nèi)壁處的裝藥達到其熔點時，裝藥在重力作用下會整體掉出，因此一般不會出現(xiàn)過熱的情況。

此外，對于不同炸藥來說，炸藥熔點和發(fā)火點之間一般存在較大的溫度緩沖區(qū)間，因此在加熱過程中，彈丸裝藥開始熔化時，即使有局部過熱的情況，溫度還沒有上升到炸藥發(fā)火條件時，彈丸裝藥已經(jīng)整體掉出。同時，對于一些柱裝藥彈丸，只需要加熱使粘結(jié)劑熔化就可實現(xiàn)倒藥，而粘結(jié)劑的熔點通常遠遠低于炸藥的熔點，所以炸藥還未熔化就可能已經(jīng)在重力作用下掉出［5］。

因此，從理論上分析，采用電磁感應制熱式彈丸裝藥倒空技術，可以確保應用過程中的安全性。

3.2 安全性設計

為防止系統(tǒng)工作異常造成意外事故，需要對系統(tǒng)設計相應的安全防護裝置。本系統(tǒng)采用多套獨立的溫度監(jiān)控和安全報警裝置，對系統(tǒng)的溫度實行實時監(jiān)控，防止加熱過程出現(xiàn)失控。

首先在感應制熱器的內(nèi)表面設置多點溫度傳感器。由于熱敏電阻具有較高的靈敏度，較大的測溫范圍，因此選擇熱敏電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。通過熱敏電阻實時測得彈丸殼體外表面的溫度，并將溫度值轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給測控系統(tǒng)的CPU，根據(jù)殼體傳熱模型，可以計算出彈丸內(nèi)壁處的炸藥溫度，一旦溫度達到倒藥方案中設置的數(shù)值，即斷開加熱電源開關并發(fā)出報警信號，提示系統(tǒng)過熱，需要切斷電源停止加熱。典型的基于熱敏電阻的溫控電路如圖2所示。

圖2 彈丸殼體外表面溫度檢測電路

熱敏電阻TRLD與電阻R1分壓，該點電壓變化反映了熱敏電阻阻值的變化，即彈丸殼體外表面的溫度變化。該電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后送入測控系統(tǒng)的CPU，由CPU監(jiān)測該電壓的變化，并具有以下功能［6］:

①當系統(tǒng)處于定溫功能時，控制加熱指令，令被加熱物體溫度恒定在指定范圍內(nèi)。

②當彈丸殼體外表面溫度高于設定值時，加熱立即停止，并報知信息。

③當感應制熱器中沒有放置彈丸時，加熱一分鐘并停止加熱，并報知信息。

④當熱敏電阻開路或短路時，發(fā)出不啟動指令，并報知相關的信息。

此外，還可以在利用空氣溫度檢測電路對感應加熱倒藥箱附近的空氣進行間接測量，當測得的溫度超過預定閾值時，給出相應的報警指令，其典型電路如圖3所示。

圖3 空氣溫度檢測電路

圖3中，空氣溫度通過負溫度系數(shù)熱敏電阻RT1與電阻R4阻值的變化間接反映空氣溫度的變化［6］。電壓變化反映了熱敏電阻阻值的變化，即空氣溫度的變化。該電壓變化經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器送入控制系統(tǒng)的CPU，由CPU根據(jù)空氣溫度判定系統(tǒng)的工作溫度，并發(fā)出相應的控制指令。

除了利用溫度傳感器對系統(tǒng)工作過程中的溫度進行實時監(jiān)控以外，還可以利用計時器對加熱時間進行控制。從前面對溫度的分析可知，系統(tǒng)工作過程是一種傳導加熱，炸藥溫度的上升是熱量積累的結(jié)果。在相同加熱條件下，對同一種彈丸裝藥，要達到相同的溫度所需要的加熱時間基本一致，因此通過數(shù)值仿真和多次驗證試驗得到某種彈丸裝藥的加熱時間后，可以將該時間的平均值作為該種型號彈丸裝藥倒空的時間基準，并以該時間作為控制感應制熱倒藥系統(tǒng)的工作時間。當加熱時間達到設定值后，控制系統(tǒng)的CPU發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)停止加熱。

此外，為提高全系統(tǒng)的安全性，在加熱出現(xiàn)失控情況下，還可利用自動噴淋裝置，對彈丸裝藥進行強制物理降溫。

根據(jù)上述分析，可給出由溫度傳感器陣列、加熱時間計時器、自動噴淋裝置等構成的安全保護系統(tǒng)設計方案，其基本原理如圖4所示。

圖4 安全保護系統(tǒng)

3.3 基本倒藥流程

彈丸裝藥的種類很多，包括單質(zhì)炸藥、混合炸藥，不同炸藥具有不同的物理化學特性，因此對于不同的彈丸裝藥和彈丸類型，要根據(jù)其物化特性，通過數(shù)值仿真分析、原理驗證試驗給出標準化的加熱方案，明確某類型彈丸裝藥倒空需要的系統(tǒng)加熱時間、彈丸殼體表面溫度等參數(shù)。

以某型彈的梯黑鋁柱裝藥為例，給出其倒藥過程。梯黑鋁裝藥的主要成分為梯恩梯、黑索金和鋁粉，其中TNT的熔點為80.9℃，發(fā)火溫度為275℃，爆燃點為300℃;黑索金的熔點為204℃;鋁粉的熔點660℃，由于該裝藥是柱裝藥，因此只需要將彈丸內(nèi)壁溫度加熱到90℃ ～100℃左右，即可使混合炸藥軟化，并與彈丸的彈壁脫離，從而將梯黑鋁炸藥順利從彈底口部倒出。在加熱倒空過程中，黑索今和鋁粉均不會受熱分解。

其工作流程如圖5所示，首先在控制系統(tǒng)中選擇該型號的梯黑鋁柱裝藥，系統(tǒng)自動設定溫度閾值為100℃、總的加熱時間為5 min(根據(jù)加熱功率設定)，然后啟動電源對其進行加熱倒藥。當彈丸內(nèi)壁溫度達到90℃ ～100℃時，混合裝藥倒出。系統(tǒng)工作過程中，當溫度和時間任意一個條件達到閾值，系統(tǒng)都會停止加熱并返回結(jié)束信息，從而實現(xiàn)安全冗余保護，確保加熱倒藥過程中的安全。

圖5 安全系統(tǒng)工作過程

通過上述安全冗余系統(tǒng)設計，可以防止加熱過程出現(xiàn)失控而引起安全事故，基本解決了系統(tǒng)的安全性難題。

4 結(jié)論

通過對感應制熱式彈丸裝藥倒藥系統(tǒng)的安全性分析和設計，可以得出如下結(jié)論:

1)感應制熱式彈丸裝藥倒空是對彈丸裝藥的一種傳導加熱，加熱作用是熱量積累產(chǎn)生的效果，不會產(chǎn)生熱量的突變，從理論上具有安全性;

2)通過設計溫度傳感陣列、加熱時間自動控制、自動噴淋裝置等，構建了安全冗余保護系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構設計上可確保工作過程中的安全，因此利用該系統(tǒng)實現(xiàn)彈丸裝藥加熱倒空具有可行性。

［1］李金明，雷彬，丁玉奎.通用彈藥銷毀處理技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［2］鞏永孝，劉國慶，可勇，等.報廢彈藥處理技術［M］.北京:解放軍出版社，2004.

［3］李文江，陳鵬，邢勇，等.基于電磁加熱技術的灌裝加熱系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2010，26(9-2):60-61.

［4］吳建華.電磁感應加熱系統(tǒng)及IGBT功率模塊驅(qū)動［D］.濟南:山東大學，2010.

［5］雷彬，趙曉利.新型通用彈藥［M］.北京:解放軍出版社，2001.

［6］張翔.電磁感應加熱技術安全性設計與研究［D］.西安:西北工業(yè)大學，2007.