一種高安全性鈍感電起爆器的設(shè)計(jì)

何鋒彥，楊正才，劉海旭，常 峰，胡淑娟，張文卿

一種高安全性鈍感電起爆器的設(shè)計(jì)

何鋒彥，楊正才，劉海旭，常 峰，胡淑娟，張文卿

（北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西 西安，710025）

針對(duì)某鈍感電起爆器1.5A/2.25W5min不發(fā)火的鈍感要求和通6A/20ms直流電流可靠發(fā)火的要求，通過(guò)分析影響電起爆器安全性、發(fā)火可靠性及作用時(shí)間的影響因素，進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)。研究表明：合理的散熱結(jié)構(gòu)與橋路設(shè)計(jì)，以及鈍感耐高溫藥劑設(shè)計(jì)可滿足高安全性與可靠發(fā)火要求；點(diǎn)火藥劑中金屬鋯粉粒度小于2μm、粘合劑氟橡膠含量為0.5%、壓藥壓力為85MPa時(shí)，發(fā)火時(shí)間精度最佳。該設(shè)計(jì)為電起爆器類火工品的鈍感化研究提供一種新的思路。

電起爆器；安全；點(diǎn)火；鈍感；作用時(shí)間

電起爆器是武器彈藥系統(tǒng)中的始發(fā)元件，也是最敏感的裝置。在制造、運(yùn)輸、勤務(wù)處理、貯存及使用中，存在著各種因素的靜電積累和電磁干擾，加之各種大功率雷達(dá)、高頻無(wú)線電發(fā)射機(jī)和振蕩源等電磁場(chǎng)的影響，電起爆器因靜電或射頻能量引起意外爆炸或提前發(fā)火的事例不乏報(bào)道。因此，電起爆器的安全性愈來(lái)愈受到重視，其安全指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)GJB 344A-2005鈍感電起爆器通用規(guī)范中1A/1W5min的安全性要求[1]，需要滿足1.5A/2.25W5min超鈍感要求。這給電起爆器的鈍感化設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。本研究針對(duì)超鈍感的設(shè)計(jì)要求，開展電起爆器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)分析，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 主要技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)途徑分析

電起爆器為單橋發(fā)火結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的橋路電阻為0.9～1.1Ω；電起爆器經(jīng)受1.5A/2.25W5min不發(fā)火試驗(yàn)，產(chǎn)品不應(yīng)發(fā)火或失效；通入直流6A/20ms電流，電起爆器從通電到發(fā)火的工作時(shí)間不大于10ms，同批驗(yàn)收產(chǎn)品的發(fā)火時(shí)間極差不大于3ms。

目前，鈍感型火工品主要有橋絲式火工品、橋帶式火工品、半導(dǎo)體橋式火工品及橋膜式火工品。橋絲式火工品具有作用時(shí)間短、作用時(shí)間一致性好的特點(diǎn)；橋帶式火工品通過(guò)橋帶的集散熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的安全性和發(fā)火性，作用時(shí)間較長(zhǎng)，一致性略低于橋絲式火工品；半導(dǎo)體橋式火工品具有高瞬發(fā)的特點(diǎn)；橋膜火工品發(fā)火時(shí)間短，電阻一致性好，但橋膜與電極的附著力一致性較難控制，工藝檢測(cè)困難[2-3]。鑒于橋帶式火工品作用時(shí)間較長(zhǎng)，半導(dǎo)體橋式火工品和橋膜式火工品工藝復(fù)雜，所以選用技術(shù)最成熟的橋絲式火工品。通過(guò)選擇橋絲材料、直徑和藥劑來(lái)滿足安全性與發(fā)火時(shí)間的要求。

2 設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)途徑分析，將電起爆器設(shè)計(jì)為四針單橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)玻璃封接實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的耐壓密封性能，產(chǎn)品輸出端采用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品密封。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電起爆器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析及解決

目前，鈍感火工品一般按照通電1A/1W 5min不發(fā)火，通電5A/50ms的直流電流脈沖可靠發(fā)火的電性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。該新型電起爆器安全性指標(biāo)為1.5A/ 2.25W5min不發(fā)火，發(fā)火電流為6A/20ms的直流電流脈沖，與常規(guī)鈍感火工品相比，安全能量提高了125%，而發(fā)火電流只提高了20%，同時(shí)要求發(fā)火時(shí)間短、一致性好。因此，安全性、發(fā)火可靠性和發(fā)火時(shí)間是電起爆器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 電起爆器的安全性設(shè)計(jì)

根據(jù)能量守衡定律，橋絲式電起爆器發(fā)火過(guò)程的能量變化可視為輸入的電能量轉(zhuǎn)化為橋絲加熱所需的能量和橋絲向外散失的能量[4]。電起爆器通以直流電流1.5A/2.25W5min不發(fā)火，即輸入的能量?jī)H用以抵消散失于周圍的能量，構(gòu)成穩(wěn)態(tài)條件，橋絲加熱后的溫度達(dá)不到藥劑的發(fā)火點(diǎn)。因此，高效的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高發(fā)火點(diǎn)的藥劑選擇是安全性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

（1）散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如圖1所示，橋絲加熱產(chǎn)生的熱量向外散失途徑為：與橋絲接觸的電極通過(guò)玻璃封接體傳導(dǎo)到殼體；與橋絲接觸的藥劑向周圍傳遞；與橋絲、藥劑接觸的裝藥室傳導(dǎo)到殼體。在滿足電極與殼體的電絕緣強(qiáng)度的前提下，玻璃封接體的壁越薄越有利于電極向殼體傳導(dǎo)熱量，從絕緣強(qiáng)度的裕度和玻璃封接的工藝性考慮，設(shè)計(jì)電極與外殼之間的最小間距為（0.32±0.02）mm（最小擊穿電壓為900V，滿足500V電壓不擊穿的絕緣強(qiáng)度要求），有效提高散熱效率。同時(shí)藥室材料選擇非金屬材料，選用導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大的陶瓷材料加工成裝藥室，提高熱量散失能力。

（2）橋絲的選擇及焊橋方式：橋絲材料選擇電阻率較高、電阻溫度系數(shù)小、特征值較小、熔點(diǎn)高、比熱容大及與藥劑有良好相容性的6J20鎳鉻電阻合金絲。依據(jù)橋路電阻要求0.9～1.1Ω，根據(jù)文獻(xiàn)[2]中電阻與橋絲長(zhǎng)度的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算確定橋絲直徑為φ0.070 mm、橋距為（3.2±0.02）mm。通常橋絲焊接方法有錫釬焊和儲(chǔ)能焊，錫釬焊是用融化的焊錫把橋絲和電極包覆在一起，不利于高過(guò)載的沖擊，且工藝較復(fù)雜；儲(chǔ)能焊是通過(guò)電容放電產(chǎn)生的高溫加以適當(dāng)?shù)膲毫?，將橋絲與電極熔為一體，它的焊點(diǎn)強(qiáng)度高。因此，電起爆器選用儲(chǔ)能焊接工藝。

（3）點(diǎn)火藥的選擇及裝填方式：目前，在1A/ 1W5min不發(fā)火的鈍感火工品設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火藥常選用起爆藥或混合藥劑。經(jīng)測(cè)試起爆藥雖能滿足1A/1W5min不發(fā)火的要求，但滿足不了1.5A/ 2.25W 5min不發(fā)火的要求。因此，可選熱導(dǎo)系數(shù)大和分解溫度較高的混合點(diǎn)火藥。目前橋絲式火工品常用的混合藥劑主要有氯化鉀/硫氫化鉛/鉻酸鉛點(diǎn)火藥和鋯粉/高氯酸鉀點(diǎn)火藥。經(jīng)測(cè)試氯化鉀/硫氫化鉛/鉻酸鉛點(diǎn)火藥（可燃劑為硫氫化鉛，氧化劑為氯化鉀和鉻酸鉛，外加硝化棉）分解溫度大約在200～300℃，藥劑中沒(méi)有金屬粒子，不利于熱量的傳導(dǎo)。因此常用于敏感火工品如點(diǎn)火頭、點(diǎn)火具等。鋯粉/高氯酸鉀點(diǎn)火藥（可燃劑鋯粉、氧化劑高氯酸鉀，外加粘合劑氟橡膠）分解溫度為480℃以上。

鋯粉/高氯酸鉀點(diǎn)火藥中含有金屬鋯粒子，有利于熱量的傳遞，高氯酸鉀為強(qiáng)氧化劑，也具有助燃作用，氟橡膠具有導(dǎo)熱不導(dǎo)電、長(zhǎng)貯安定性好的特性。將該藥劑直接壓裝在橋絲上，并對(duì)不同的壓裝壓力進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果見表1。

表1 點(diǎn)火藥不同裝藥壓力下的發(fā)火試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Firing test results of ignition composition charged with different pressure

由試驗(yàn)可看出，當(dāng)裝藥壓力超過(guò)60MPa后可保證安全，且具有一定的安全裕度。

2.2.2 發(fā)火時(shí)間的影響因素

電起爆器通6A/20ms的直流電流應(yīng)可靠發(fā)火，發(fā)火時(shí)間不大于10ms，同批驗(yàn)收時(shí)間差不大于3ms。橋絲式電起爆器發(fā)火時(shí)間在輸入能量和橋絲一定的條件下主要與藥劑有關(guān)。減小藥劑粒度能改善藥劑與橋絲的接觸程度，藥劑與橋絲的接觸緊密可減小發(fā)火能量、提高發(fā)火率、縮短發(fā)火時(shí)間[6]。點(diǎn)火藥為混合藥劑，對(duì)每個(gè)組分的粒度進(jìn)行發(fā)火測(cè)時(shí)試驗(yàn)（壓藥壓力均為70MPa）。

（1）鋯粉粒度的影響：選取不同粒度的鋯粉混制成點(diǎn)火藥，各裝配5發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)火時(shí)間測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同粒度鋯粉的點(diǎn)火藥發(fā)火時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.2 Test results of firing time of ignition composition with different size of Cr powder

表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，使用粒度較粗的鋯粉混制的點(diǎn)火藥發(fā)火時(shí)間為4.59～5.45ms，平均4.978ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.32，使用粒度較細(xì)的鋯粉混制的點(diǎn)火藥點(diǎn)火時(shí)間為4.19～4.62ms，平均4.396ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.17。通過(guò)對(duì)比，使用粒度較細(xì)的鋯粉混制的點(diǎn)火藥發(fā)火時(shí)間短，并且一致性好。

（2）高氯酸鉀粒度的影響：選取不同粒度的高氯酸鉀混制成點(diǎn)火藥，各裝配5發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)火時(shí)間測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高氯酸鉀粒度對(duì)點(diǎn)火藥的發(fā)火時(shí)間影響不明顯。

（3）氟橡膠含量的影響：選取不同含量的氟橡膠粘合劑混制成點(diǎn)火藥，各裝配5發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)火時(shí)間測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 不同粒度高氯酸鉀的點(diǎn)火藥發(fā)火時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Test results of firing time of ignition composition with different size of potassium percholorate

表4 不同含量氟橡膠點(diǎn)火藥的發(fā)火時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.4 Test results of firing time of ignition composition with different content of fluororubber

表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)粘合劑為1%時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間為4.18～4.87ms，平均4.592ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.27，粘合劑為0.5%時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間為4.26～4.89ms，平均4.54ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.23。通過(guò)驗(yàn)證對(duì)比，當(dāng)粘合劑為0.5%時(shí)，發(fā)火時(shí)間較短，發(fā)火時(shí)間一致性較好。

（4）壓藥壓力對(duì)發(fā)火時(shí)間的影響：增加裝藥壓力能改善藥劑與橋絲的接觸程度，減小發(fā)火能量，提高發(fā)火率，縮短發(fā)火時(shí)間。但增大密度后，增加散熱也可能會(huì)延長(zhǎng)發(fā)火時(shí)間[5]。因此，選取不同的裝藥壓力各裝配5發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)火時(shí)間測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同壓藥壓力下發(fā)火時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.5 Test results of firing time under different charge pressure

從表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)壓藥壓力控制在85MPa時(shí)，發(fā)火時(shí)間精度較好。

2.2.3 發(fā)火可靠性設(shè)計(jì)

橋絲發(fā)熱點(diǎn)燃點(diǎn)火藥的可靠性主要由橋絲與點(diǎn)火藥的接觸情況和點(diǎn)火藥的特性決定，橋絲與點(diǎn)火藥的接觸情況可通過(guò)熱瞬態(tài)檢測(cè)進(jìn)行檢驗(yàn)，在確保橋絲與點(diǎn)火藥緊密接觸的情況下，橋絲在通入6A的直流電流20ms時(shí)橋絲的溫升大于藥劑的發(fā)火點(diǎn)即可保證點(diǎn)火藥可靠作用。當(dāng)給橋絲式火工品快速通電時(shí)，橋溫上升時(shí)間將比冷卻時(shí)間小得多，此時(shí)可忽略熱損失（即假設(shè)輸入能量只用于加熱橋絲），則橋溫[3]為：

式（1）中：c為橋絲材料比熱容，J/(g·℃)；為通入電流，A；0為橋絲電阻，Ω；為時(shí)間，s；為橋絲溫度系數(shù)，℃-1。將c=0.46J/(g·℃)、=6A，0=1Ω、=20ms、=50×10-6℃-1）代入式（1），得=1 565℃，已知點(diǎn)火藥的發(fā)火點(diǎn)為480℃，此時(shí)橋絲升高的溫度大于點(diǎn)火藥的發(fā)火點(diǎn)，產(chǎn)品可靠發(fā)火。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 安全性驗(yàn)證試驗(yàn)

電起爆器的安全性設(shè)計(jì)主要是避免發(fā)生意外發(fā)火。對(duì)電起爆器進(jìn)行了安全摸底試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 電起爆器安全性摸底試驗(yàn)

Tab.6 Preliminary test of electric initiator safety

經(jīng)產(chǎn)品安全性試驗(yàn)驗(yàn)證，其最大不發(fā)火條件為1.8A/3.24W5min，相比技術(shù)安全指標(biāo)1.5A/2.25W 5min，具有較高裕度（1.2）。

3.2 發(fā)火試驗(yàn)

電起爆器是通過(guò)電流的輸入使裝藥發(fā)火，輸入的電流值應(yīng)能使電起爆器可靠發(fā)火。發(fā)火電流摸底試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可見，最小全發(fā)火電流為2.7A，而發(fā)火電流為6A，發(fā)火電流具有較高裕度（2.2）。

表7 發(fā)火電流試驗(yàn)

Tab.7 Thorough test of firing current

3.3 發(fā)火時(shí)間試驗(yàn)

技術(shù)指標(biāo)要求通入直流6A/20ms電流，從通電到發(fā)火的工作時(shí)間不大于10ms，同批驗(yàn)收產(chǎn)品的發(fā)火時(shí)間極差不大于3ms。作用時(shí)間摸底試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 作用時(shí)間測(cè)試結(jié)果

Tab.8 Test results of function time

由表8可見，電起爆器的發(fā)火時(shí)間在4.01～4.81ms，平均值4.43ms，標(biāo)準(zhǔn)差0.27ms，發(fā)火時(shí)間極差0.8ms，滿足從通電到發(fā)火的工作時(shí)間不大于10ms，同批驗(yàn)收產(chǎn)品的發(fā)火時(shí)間極差不大于3ms的要求，并具有一定裕度。

4 結(jié)論

通過(guò)合理的橋路及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用鈍感的耐高溫藥劑，解決了1.5A/2.25W5min不發(fā)火的高安全性和6A/20ms可靠發(fā)火的難題。與常規(guī)1A/1W5min不發(fā)火鈍感火工品相比，安全能量提高了125%，而發(fā)火電流只提高了20%。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證藥劑中金屬鋯粉粒度與粘合劑氟橡膠含量是影響發(fā)火時(shí)間的關(guān)鍵，高氯酸鉀粒度影響不明顯。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證壓制點(diǎn)火藥的壓藥壓力為85MPa時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間精度最好。本研究為高安全性鈍感電起爆器設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

[1] GJB 344A-2005鈍感電起爆器通用規(guī)范[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì),2005.

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

[3] 蔡瑞嬌.火工品設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社.1999.

[4] 李金名,等.電橋結(jié)構(gòu)對(duì)電火工品感度影響研究[J].爆破器材,2004,33(1):28-31.

[5] 佑全.灼熱橋絲電雷管作用時(shí)間研究[J].火工品,1994(2):4-7.

[6] 楊慶玲.點(diǎn)火藥粒度變化對(duì)產(chǎn)品性能的影響研究[J].火工品，2005(4):26-29.

Design on An Insensitive Electric Initiator with High Safety

HE Feng-yan，YANG Zheng-cai，LIU Hai-xu，CHANG Feng，HU Shu-juan，ZHANG wen-qing

(Xi’an Qinghua Company，CNGC North Special Energy Group，Xi’an，710025)

Aimed at the requirements of non-fire under 1.5A/2.25W5min and fire reliably under 6A/20ms condition, a new insensitive electric initiator was designed and tested in this paper, based on analyzing the factors affecting the safety, fire reliability and function time of the electric initiator. The study show that: when metal zirconium powder is less than 2μm, adhesive fluororubber content is 0.5%, and pressure of charge is 85MPa, the accuracy of ignition time is the best. The design provides a new way for safety and reliability design of insensitive electric initiator.

Electric initiator；Safety；Ignition；Insensitive；Function time

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.04.003

1003-1480（2019）04-0010-04

2019-05-05

何鋒彥（1978-），男，高級(jí)工程師，從事火工品設(shè)計(jì)研究。