基于熔解裝置的引信內(nèi)部排氣路徑

石彩玲，周 濤，郭曉冰

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

彈藥在運輸、貯存和使用過程中，遭受彈藥庫火災(zāi)、臨近失火等意外熱刺激時往往表現(xiàn)出燃燒轉(zhuǎn)爆轟、殉爆等現(xiàn)象，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失。根究其影響因素，在于密閉的條件下炸藥分解、放熱，可能導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，發(fā)生從燃燒到爆燃再到爆轟，就是所謂的DDT反應(yīng)[1]，即由于無法排氣而引起壓力累積發(fā)生劇烈反應(yīng)。因而，采取排氣緩解設(shè)計是提高彈藥安全性的重要途徑之一。作為彈藥的重要組成部分，引信也不例外。

美國較早地關(guān)注了排氣緩解設(shè)計在提高引信安全性方面的應(yīng)用，在傳爆管殼上開泄氣孔[2]、在引信體和傳爆管之間開泄氣通道[3]，釋放傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，降低內(nèi)部壓力，避免引信發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)；采用可分離式引信結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]，在引信與戰(zhàn)斗部聯(lián)接處使用易熔合金，高溫環(huán)境下易熔合金熔化或變軟，彈體內(nèi)部壓力達(dá)到一定值時將引信推出，避免戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)?？煞蛛x式引信結(jié)構(gòu)設(shè)計在美國手雷引信不敏感彈藥改造中得到應(yīng)用[5]，當(dāng)手雷受到燃燒攻擊溫度超過240℉時戰(zhàn)斗部裝藥反應(yīng)產(chǎn)生的壓力將引信完整推出，釋放彈體內(nèi)壓力，但引信內(nèi)部傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生的壓力無法泄放。

國內(nèi)關(guān)于無線電引信排氣緩解設(shè)計的研究才剛起步，馬楠等人通過試驗研究了引信體側(cè)壁開孔大小對引信慢速烤燃響應(yīng)程度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著泄壓孔徑增大，反應(yīng)程度降低[6]。通常，無線電引信傳爆管通過螺紋與引信體聯(lián)接成一體，裝配位置隨機、引信體上的泄壓孔可能失效；引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合后、傳爆管伸入戰(zhàn)斗部內(nèi)，烤燃環(huán)境下傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通過引信體上泄壓孔不能排出戰(zhàn)斗部，可能造成更大意外危害。針對無線電引信內(nèi)部沒有泄壓通道無法實現(xiàn)烤燃環(huán)境下傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生氣體向外排放的問題，本文提出了基于熔解裝置的引信內(nèi)部排氣路徑。

1 無線電引信結(jié)構(gòu)

無線電引信主要由發(fā)火控制裝置、安解裝置、隔爆部件和傳爆管部件組成，通過壓螺和引信體固連為一體。其中，壓螺與引信體、隔爆部件與引信體、傳爆管部件與引信體均通過螺紋聯(lián)接。引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合時，通過引信體與戰(zhàn)斗部頭螺螺紋聯(lián)接成為一體、伸入戰(zhàn)斗部內(nèi)部，壓螺和部分發(fā)火控制裝置外露。引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合如圖1所示。

圖1 無線電引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合示意圖Fig.1 Connection diagram of radio fuze and warhead

引信為錯列式系統(tǒng)，按GJB573A—1998方法401通過了隔爆安全性試驗，其含能材料有電雷管、導(dǎo)爆藥和傳爆藥，傳爆藥位于隔板之下。文獻(xiàn)[7]指出，如果錯列式系統(tǒng)的引信成功通過北約標(biāo)準(zhǔn)AOP-20《引信系統(tǒng)安全鑒定試驗手冊》中D1爆炸序列中斷試驗，就僅需考慮隔板之下的含能材料。AOP-20 D1試驗要求相當(dāng)于GJB573A—1998方法401的要求，故針對烤燃環(huán)境下傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生氣體的排放問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在引信內(nèi)部形成排氣路徑，避免引信發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)或因引信爆炸導(dǎo)致戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)。

2 基于熔解裝置的引信內(nèi)部排氣路徑

2.1 排氣口選取

要實現(xiàn)無線電引信自身的排氣泄壓，需在引信外露部分設(shè)計排氣口，引信外露零件主要有金屬材質(zhì)的壓螺(熔點660 ℃)和非金屬材質(zhì)的風(fēng)帽(熔點290 ℃)。為了解壓螺和風(fēng)帽在高溫下的反應(yīng)情況以確定排氣口位置，采用ANSYS軟件對引信物理模型分別進(jìn)行了慢速烤燃仿真和快速烤燃仿真。仿真結(jié)果表明：慢速烤燃下，壓螺和風(fēng)帽的溫度在同一時刻基本一致；快速烤燃下，壓螺先于風(fēng)帽到達(dá)熔點，壓螺和風(fēng)帽的溫度變化分別見圖2、圖3。

圖2 壓螺溫度變化Fig.2 Temperature change ofscrew pressing

圖3 風(fēng)帽溫度變化Fig.3 Temperature change of false cap

引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合時，引信壓螺與戰(zhàn)斗部頭螺相鄰，可以通過戰(zhàn)斗部頭螺上的倒角排氣，故選擇在引信壓螺上設(shè)計排氣口。

2.2 排氣路徑

對無線電引信結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為在裸引信和引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合情況下均能實現(xiàn)傳爆藥烤燃反應(yīng)產(chǎn)生氣體的排放，確定排氣路徑為：傳爆管部件隔爆部件引信體發(fā)火控制裝置的支承筒引信體壓螺。其中，傳爆管部件結(jié)構(gòu)不變；隔爆部件增加由金屬材質(zhì)的閉氣銷、壓簧和易熔合金材質(zhì)的頂銷組成的熔解裝置設(shè)計，對隔板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計、在其周向增加盲孔放置熔解裝置，隔爆部件由原先的螺紋聯(lián)接形式改為定位裝配；引信體及支承筒和壓螺進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)設(shè)計，增加易熔合金材質(zhì)的排氣銷設(shè)計。排氣路徑如圖4所示。

圖4 排氣路徑示意圖Fig.4 Schematic view of exhaust path

引信增加排氣路徑后，壓螺與引信體間螺紋聯(lián)接、密封形式不變，排氣銷涂適量密封膠與引信體上對應(yīng)孔過盈裝配可實現(xiàn)密封，引信體下端與傳爆管間縫隙可通過填充密封膠實現(xiàn)密封，引信密封要求不受影響。

常規(guī)環(huán)境下，引信溫度低于所選易熔合金的工作溫度，排氣路徑斷開，不影響引信正常工作?？救辑h(huán)境下，引信溫度達(dá)到易熔合金熔點時，熔解裝置的頂銷和排氣銷熔化，壓簧推動閉氣銷移動、讓位，傳爆藥受熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通過隔板、引信體、支承筒上的通道頂出引信體上的排氣銷，打開排氣路徑；裸引信情況下，傳爆藥受熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通過引信體上外露的孔向外直接排放，降低內(nèi)部壓力，避免引信發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)；引信與戰(zhàn)斗部結(jié)合情況下，引信體上的孔處于戰(zhàn)斗部頭螺內(nèi)，傳爆藥受熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)引信體上的孔通過與戰(zhàn)斗部頭螺倒角相通的壓螺上的排氣口向外排放，避免因引信爆炸導(dǎo)致戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)。

3 試驗驗證

以FOX-7基傳爆藥為試驗對象，分別通過泄漏試驗和烤燃試驗驗證引信增加排氣路徑后的密封性與排氣泄壓效果。

3.1 試驗方法

3.1.1 泄漏試驗

按GJB573A—1998方法308中的氣泡法進(jìn)行試驗，使參試產(chǎn)品完全浸入試驗液體，將液面上部的空氣壓力減小到80.0 kPa±1.3 kPa(絕對壓力)，保壓2 min進(jìn)行觀察。試驗裝置見圖5。

圖5 泄漏試驗裝置Fig.5 Leakage testing

3.1.2 烤燃試驗

烤燃試驗分為慢速烤燃試驗和快速烤燃試驗，試驗過程中均用計算機記錄并采集溫度-時間曲線。慢速烤燃試驗時，參試產(chǎn)品置于慢烤爐中，由慢烤爐提供熱源；溫度調(diào)節(jié)器控制慢烤爐的升溫速率，以12 ℃/h快速從25 ℃升溫至120 ℃后，再以3.3 ℃/h逐漸加熱直至反應(yīng)結(jié)束；用熱電偶測量參試產(chǎn)品發(fā)生響應(yīng)時的表面溫度?？焖倏救荚囼灂r，參試產(chǎn)品置于金屬網(wǎng)上、放置在自制燃料池(1 000 mm×1 200 mm×730 mm)中心位置，下表面與油面距離410～420 mm；采用航空燃油為燃料；用熱電偶測量參試產(chǎn)品周圍火焰溫度。試驗裝置見圖6、圖7。

圖6 慢速烤燃試驗裝置Fig.6 Slow cook-off test equipment

圖7 快速烤燃試驗裝置Fig.7 Fast cook-off test equipment

試驗結(jié)束后，參照表1[8]確定其反應(yīng)類別。

表1 刺激反應(yīng)表征Tab.1 Response characterization under stimulation

3.2 參試產(chǎn)品狀態(tài)

泄漏試驗產(chǎn)品為裸引信，無含能材料。

烤燃試驗產(chǎn)品有裸引信、裸引信+試驗彈體兩種。裸引信含能材料只有傳爆藥，其裝藥密度(1.60±0.05)g/cm3、質(zhì)量16 g；傳爆管殼材料為45#鋼，底厚1 mm、壁厚4 mm。試驗彈體的材料與真實彈體一致，其外形大致一樣，只是彈帶部分略作簡化；彈體內(nèi)部裝藥空間由惰性填充物填充。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 泄漏試驗

有排氣路徑的引信試驗1發(fā)。

試驗過程中，沒有不斷的氣流或連續(xù)的小氣泡冒出，表明引信沒有泄漏、密封適當(dāng)。

3.3.2 烤燃試驗

1)慢速烤燃試驗

無排氣路徑和有排氣路徑的引信各試驗2發(fā)。參試產(chǎn)品試后殘骸見圖8。

圖8 慢速烤燃試驗殘骸Fig.8 Slow cook-off test wreckage

慢速烤燃試驗結(jié)果見表2。

表2 慢速烤燃試驗結(jié)果Tab.2 Slow cook-off test results

由表2可知，有排氣路徑引信發(fā)生響應(yīng)時的溫度相差0.3 ℃、時間相差12.7 min、均為燃燒反應(yīng)，無排氣路徑引信發(fā)生響應(yīng)時的溫度相差6.5 ℃、時間相差118 min、反應(yīng)類別為燃燒和高于燃燒，有排氣路徑引信的響應(yīng)較無排氣路徑引信一致；反應(yīng)類別均為燃燒時，有排氣路徑引信的傳爆藥有未反應(yīng)的殘留物，無排氣路徑引信的傳爆藥均發(fā)生反應(yīng)，有排氣路徑引信的反應(yīng)較無排氣路徑引信減弱。因此，排氣路徑相對提高了引信慢速烤燃時的安全性。

2)快速烤燃試驗

無排氣路徑和有排氣路徑的引信各試驗2發(fā)，有排氣路徑的引信配試驗彈體試驗1發(fā)。參試產(chǎn)品試后殘骸見圖9。

快速烤燃試驗結(jié)果見表3。

由表3可知，有無排氣路徑的引信發(fā)生響應(yīng)的時間差異不大，但其反應(yīng)類別明顯不同；有排氣路徑引信的反應(yīng)類別為無反應(yīng)，低于無排氣路徑引信的反應(yīng)類別——燃燒。配試驗彈體的有排氣路徑引信的反應(yīng)類別與有排氣路徑引信的反應(yīng)類別相同，均為無反應(yīng)；但其發(fā)生響應(yīng)的時間明顯長于裸引信的響應(yīng)時間，分析原因為試驗彈體殼體延緩了其內(nèi)部引信部分的升溫。因此，排氣路徑有效降低了引信快速烤燃時的反應(yīng)類別，而且在引信配用彈體的情況下同樣能起到排氣泄壓的作用。

圖9 快速烤燃試驗殘骸Fig.9 Fast cook-off test wreckage

表3 快速烤燃試驗結(jié)果Tab.3 Fast cook-off test results

4 結(jié)論

本文提出了基于熔解裝置的引信內(nèi)部排氣路徑。該路徑為：傳爆管部件隔爆部件引信體發(fā)火控制裝置的支承筒引信體壓螺，常規(guī)環(huán)境下斷開、不影響引信正常工作；烤燃環(huán)境下打開、向外排放傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，避免引信發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)。驗證試驗結(jié)果表明：

1) 該路徑不影響引信的密封性。

2) 慢速烤燃時，該路徑提高了引信響應(yīng)的一致性，未能降低引信的反應(yīng)類別，但有未反應(yīng)的殘余傳爆藥，相對提高了引信的安全性。

3) 快速烤燃時，該路徑有效降低了引信響應(yīng)的劇烈程度，反應(yīng)類別由燃燒降低為無反應(yīng)；該路徑在引信與彈體結(jié)合狀態(tài)下也可實現(xiàn)排氣的暢通，反應(yīng)類別為無反應(yīng)。

4) 烤燃環(huán)境下，該路徑能形成排氣通道、實現(xiàn)引信傳爆藥反應(yīng)產(chǎn)生氣體的排放，慢速烤燃后的引信表面可見藥粉拋灑痕跡，快速烤燃過程中可聽見清晰的排氣聲。