高氯酸鉀含量百分比對(duì)延期點(diǎn)火具延時(shí)精度的影響

李 明，袁玉紅，葛瑞榮，趙金成，高佳佳

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高氯酸鉀含量百分比對(duì)延期點(diǎn)火具延時(shí)精度的影響

李 明，袁玉紅，葛瑞榮，趙金成，高佳佳

（國(guó)營(yíng)九三七四廠，安徽合肥，231135）

制式鎢延期藥高氯酸鉀含量百分比為9%～11%，針對(duì)其無(wú)法滿足18～21s長(zhǎng)秒量延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度要求的問(wèn)題，提出一種調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法。制備了高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥，裝填延期點(diǎn)火具，在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足延期點(diǎn)火具的延期時(shí)間精度要求。同時(shí)對(duì)新型鎢延期藥反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了含13%~15%高氯酸鉀的鎢延期藥可應(yīng)用于最長(zhǎng)延期時(shí)間22~25s（±1.5s）的延期點(diǎn)火具。

點(diǎn)火具；延期藥；高氯酸鉀；含量；延時(shí)精度

配用于某型火箭干擾彈的延期點(diǎn)火具的延期時(shí)間為其主要戰(zhàn)技指標(biāo)之一，延期時(shí)間精度決定干擾劑的播撒密集度，是高效作戰(zhàn)的有力保證[1]。該延期點(diǎn)火具延期時(shí)間為18～21s，且火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾部點(diǎn)火壓力較大，需采用多次裝、壓鎢延期藥方法制造，但此方法制造的延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度難以保證。本文介紹一種調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)延期點(diǎn)火具下達(dá)的延期時(shí)間18～21s戰(zhàn)技指標(biāo)要求，同時(shí)對(duì)該方法作用機(jī)理進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 作用原理

在某型火箭干擾彈中，延期點(diǎn)火具內(nèi)裝引燃藥在密閉空間內(nèi)被火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作用后輸出火焰點(diǎn)燃，引燃藥點(diǎn)燃鎢延期藥，經(jīng)歷18～21s延期后，輸出火焰點(diǎn)燃點(diǎn)火具內(nèi)裝輸出藥劑，輸出藥劑輸出火焰點(diǎn)燃下級(jí)藥盒，完成延期點(diǎn)火功能。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 某延期點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)圖

2 高氯酸鉀含量對(duì)延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度的影響

2.1 制式鎢延期藥

某高氯酸鉀含量百分比為9%～11%制式鎢延期藥廣泛應(yīng)用于不同延期時(shí)間的延期點(diǎn)火具，但研究發(fā)現(xiàn)，該鎢延期藥僅適用于延期時(shí)間小于12s（精度±0.6可有效保證）的延期點(diǎn)火具，隨著延期時(shí)間的增加，其裝配的延期點(diǎn)火具延期時(shí)間散差加大。在=50mm，=15mm，=2mm，室溫25℃、相對(duì)濕度55%的條件下裝配的延期點(diǎn)火具試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 制式鎢延期藥裝配延期點(diǎn)火具靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Static test results of delay ignitors with standard tungsten type delay composition

注：延期時(shí)間要求為18~21s。

該延期點(diǎn)火具采用多次裝藥壓藥方法制造，裝配過(guò)程中受裝藥次數(shù)、壓藥設(shè)備、裝藥誤差、壓力傳遞等多因素影響[2]，延期時(shí)間越長(zhǎng)，裝藥壓藥次數(shù)越多，累計(jì)誤差越大。從表1可以看出：當(dāng)延期時(shí)間指標(biāo)為18～21s時(shí)，該制式鎢延期藥裝配的延期點(diǎn)火具在高溫、低溫及常溫條件下延期時(shí)間超上限出現(xiàn)概率分別為5%、10%及8%，超下限出現(xiàn)的概率分別為6%、5%及5%。

2.2 調(diào)整高氯酸鉀后的鎢延期藥

對(duì)此，本文提出調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，制備成新型鎢延期藥，并裝配延期點(diǎn)火具。表2為高氯酸鉀含量百分比為12%及14%時(shí)新型鎢延期藥裝配的延期點(diǎn)火具試驗(yàn)結(jié)果。

表2 新型鎢延期藥裝配延期點(diǎn)火具靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Static test results of delay igniter with improved delay composition

從表2可以看出，高氯酸鉀含量百分比為12%時(shí)，新型鎢延期藥裝配的延期點(diǎn)火具在常溫及低溫試驗(yàn)時(shí)分別出現(xiàn)2發(fā)延期時(shí)間超上限，其余均滿足指標(biāo)要求；高氯酸鉀含量百分比為14%時(shí)，新型鎢延期藥裝配的延期點(diǎn)火具高溫、低溫及常溫條件下延期時(shí)間均滿足指標(biāo)要求。

同時(shí)，筆者對(duì)不同高氯酸鉀含量百分比時(shí)鎢延期藥裝配的延期點(diǎn)火具，在常溫條件下進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同高氯酸鉀含量百分比的延期點(diǎn)火具靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Static test results of delay ignitors with different percentage of KClO4 content

從表3可以看出，對(duì)于=50mm、=15mm、=2mm的延期點(diǎn)火具，其延期時(shí)間精度隨著鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的升高而提高；當(dāng)高氯酸鉀含量百分比處于13%～15%時(shí)延期點(diǎn)火具可滿足18～21s指標(biāo)要求；當(dāng)鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比超過(guò)15%時(shí)，出現(xiàn)點(diǎn)火困難和斷火現(xiàn)象。

3 高氯酸鉀含量百分比對(duì)延期時(shí)間影響的機(jī)理分析

本文使用的長(zhǎng)秒延期藥為鎢系延期藥劑，屬于微氣體延期藥，其配方為鎢粉、高氯酸鉀、鉻酸鋇體系。為了調(diào)整燃速，加入硅藻土作為惰性填料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%）。其化學(xué)反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)物配比可以由氧平衡來(lái)確定。

反應(yīng)機(jī)理為：

KClO4→KCl+2O2↑ （1）

4BaCrO4→4BaO+2Cr2O3+3O2↑ （2）

2W+3O2→2WO3（3）

BaO+ WO3→BaWO4（4）

在零氧平衡時(shí)，氧化劑供給氧正好完全氧化金屬可燃劑。如果多余，氧化劑與可燃劑只能作為惰性物考慮，它們將在反應(yīng)中起“熱沉”作用，吸收反應(yīng)放出的熱量，使溫度和燃速下降。

零氧平衡三元混合物反應(yīng)方程為：

3KClO4+8BaCrO4+8W→3KCl+8BaWO4+4Cr2O3（5）

++=95 （6）

式（6）~（7）中：()為KClO4的相對(duì)分子質(zhì)量，138.55g/mol；()為BaCrO4的相對(duì)分子質(zhì)量，253.32g/mol；()為W的相對(duì)分子質(zhì)量，183.84 g/mol；--為氧化劑KClO4的質(zhì)量組成，%；為氧化劑BaCrO4的質(zhì)量組成，%；為可燃劑W的質(zhì)量組成，%；經(jīng)過(guò)計(jì)算可得零氧平衡時(shí)三元混合物的配比為∶∶等于10.1∶49.2∶35.7。

氧差計(jì)算公式為：

式（8）中：為藥劑中可燃劑完全氧化所需氧量和藥劑所含氧量之差；為1g氧需要消耗KClO4的量，2.17g；為1g氧需要消耗BaCrO4的量，10.55g；為1g氧能氧化W的量，3.83g。

根據(jù)式（8）計(jì)算藥劑氧差，氧差隨著氧化劑KClO4的百分比含量的變化曲線如圖2所示，從圖2中可取零氧平衡時(shí)高氯酸鉀的含量百分比為10.5，這與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

圖2 高氯酸鉀含量百分比與藥劑氧差關(guān)系曲線圖

綜上所述，當(dāng)高氯酸鉀含量百分比小于10.5%時(shí)，藥劑配方屬于負(fù)氧平衡，可燃劑不能完全燃燒，且燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫高壓氣體較少，內(nèi)部環(huán)境壓力較小，燃燒產(chǎn)生氣體不能及時(shí)排出，燃燒環(huán)境壓力不穩(wěn)，燃速處于波動(dòng)狀態(tài)，故延期時(shí)間散差較大；當(dāng)高氯酸鉀含量百分比大于10.5%小于13%時(shí)，藥劑配方由負(fù)氧平衡變?yōu)檎跗胶?，藥劑燃燒產(chǎn)生氣體較多，內(nèi)部環(huán)境壓力變大，氣體排出量增大，燃燒環(huán)境漸趨穩(wěn)定，燃速波動(dòng)較小，故延期時(shí)間散差減?。划?dāng)高氯酸鉀含量百分比增加到13%～15%時(shí)，藥劑延期精度達(dá)到技術(shù)要求，這是因?yàn)檎跗胶鈺r(shí)藥劑燃燒過(guò)程產(chǎn)生的高溫高壓氣體增多，壓力增大且燃燒產(chǎn)生氣體可有效排出，燃燒環(huán)境壓力穩(wěn)定，藥劑均勻燃燒，燃速穩(wěn)定，延期時(shí)間精度較高；而當(dāng)高氯酸鉀含量百分比大于15%時(shí)，因高氯酸鉀開(kāi)始反應(yīng)時(shí)的分解反應(yīng)屬于吸熱過(guò)程，故出現(xiàn)點(diǎn)火困難和斷火現(xiàn)象[3]。因此，延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度主要決定于其內(nèi)裝鎢延期燃燒所處壓力環(huán)境是否穩(wěn)定。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在其它尺寸一致的條件下，設(shè)計(jì)4種不同長(zhǎng)度的延期點(diǎn)火具殼體，即=15mm、=2mm，分別選取1=35mm、2=50mm、3=70mm、4=80mm，在室溫25℃、相對(duì)濕度55%的環(huán)境下分別用高氯酸鉀含量百分比為9%～11%制式鎢延期藥，以及高氯酸鉀含量百分比為13%～15%新型鎢延期藥，裝配延期時(shí)間分別為10.4～11.6s、18～21s、22～25s及26～29s延期點(diǎn)火具，綜合試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同延期時(shí)間段延期點(diǎn)火具靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

Tab.4 Static test results of delay ignitors and new ones

從表4可以看出，用高氯酸鉀含量為9%～11%制式鎢延期藥裝填延期點(diǎn)火具，可有效滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為10.4～11.6s的延期時(shí)間精度要求，無(wú)法保證設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為18～21s、22～25s及26～29s延期時(shí)間精度要求；用高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥裝填延期點(diǎn)火具，可有效滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為10.4～11.6s、18～21s 及22～25s延期時(shí)間精度要求，對(duì)于設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為26～29s的延期點(diǎn)火具，試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)1發(fā)延期時(shí)間超上限現(xiàn)象；同時(shí)，同一延期時(shí)間設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)下，對(duì)比兩種不同鎢延期藥裝填的延期點(diǎn)火具延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差，發(fā)現(xiàn)含13%~ 15%高氯酸鉀的延期藥明顯小于含9%~11%高氯酸鉀的延期藥。

分析試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：隨著延期時(shí)間設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的增加，高氯酸鉀含量百分比較低（9%～11%）的制式鎢延期藥無(wú)法滿足長(zhǎng)秒量延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度要求。這是由于延期時(shí)間要求越長(zhǎng)，其燃燒時(shí)內(nèi)部壓力越不穩(wěn)定，故試驗(yàn)結(jié)果散差越大；而高氯酸鉀含量百分比較高（13%～15%）的新型鎢延期藥可有效滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)22～25s以下秒段的延期時(shí)間精度要求（精度±1.5可有效保證），且隨著延期時(shí)間指標(biāo)的增大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)散差存在增大趨勢(shì)。當(dāng)延期點(diǎn)火具設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為26～29s時(shí)，延期點(diǎn)火具燃燒時(shí)產(chǎn)生高溫高壓氣體不能及時(shí)排出，燃燒環(huán)境壓力不穩(wěn)定，出現(xiàn)延期時(shí)間超上限現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)制式鎢延期藥無(wú)法滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為18～21s長(zhǎng)秒量延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度的問(wèn)題，提出一種通過(guò)調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，制備高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥，裝填延期點(diǎn)火具，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)秒量延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度要求。

（2）對(duì)新型鎢延期藥實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)秒量延期點(diǎn)火具延期時(shí)間精度的機(jī)理進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)得出該新型鎢延期藥可應(yīng)用于最長(zhǎng)延期時(shí)間為22～25s（精度±1.5可有效保證）的延期點(diǎn)火具，對(duì)于延期時(shí)間設(shè)計(jì)指標(biāo)為26～29s及以上（精度±1.5s）的延期點(diǎn)火具其應(yīng)用具有一定的局限性。

[1] 蔡瑞嬌.火工品原理與設(shè)計(jì)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2004.

[2] 袁玉紅,葛瑞榮,等.鉛延期索在某型人雨彈中的應(yīng)用[J].火工品,2014(6):20-22.

[3] 王凱民.火工品工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

Effect of Percentage of Potassium Perchlorate Content on Delay Precision of Delay Ignitor

LI Ming, YUAN Yu-hong, GE Rui-rong, ZHAO Jin-cheng, GAO Jia-jia

(State-run 9374 Factory, Hefei, 231135)

Aimed at the problem that the standard tungsten type delay composition, which contains 9% to 11% potassium perchlorate(KClO4), can’t meet the requirement of 18~21s delay time for some igniter, a method of adjusting the content of potassium perchlorate was proposed. The new delay composition containing 13%~15% potassium perchlorate was prepared and charged to delay igniter, and tested under ordinary temperature. The test results met with the needs of delay accuracy. Meanwhile, the reaction mechanism of new delay composition was analyzed, and the verification test indicated that the new delay composition containing 13%~15% potassium perchlorate can be applied to delay igniter with long delay time of 22~25s(±1.5s).

Igniter; Delay composition；KClO4；Content；Delay precision

1003-1480（2017）03-0034-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.009

2017-03-10

李明（1968 -），男，工程師，主要從事火工品質(zhì)量技術(shù)管理工作。