一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進工藝

哈海榮, 王團盟, 魯忠寶, 黎 勤, 靳 冬

一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進工藝

哈海榮1, 王團盟1, 魯忠寶1, 黎 勤1, 靳 冬2

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 山西江淮重工有限責任公司, 山西 晉城, 048000)

為減少戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥補縮量不足導致的裝藥缺陷, 提高裝藥質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量,優(yōu)化炸藥的爆轟性能, 增強戰(zhàn)斗部的毀傷威力, 文中在常規(guī)熱塑態(tài)裝藥的工藝基礎(chǔ)上, 以DNAN基含鋁炸藥為對象, 提出了一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進工藝。該改進工藝采取保證保溫裝置溫度、減緩注藥速度、減少炸藥轉(zhuǎn)運、減小降溫梯度、延長保溫時間以及重新設(shè)計裝藥補縮裝置等措施, 以提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 減少缺陷, 進而提高戰(zhàn)斗部的安全性。改進工藝前后的對比試驗表明, 改進后的戰(zhàn)斗部裝藥密度從1.70 g/cm3提高到1.78 g/cm3, 增加了4.71%; 戰(zhàn)斗部裝藥量和裝藥內(nèi)部質(zhì)量均得到提升, 彌補了裝藥缺陷, 抑制了縮孔和空隙的產(chǎn)生。熱塑態(tài)裝藥改進工藝簡單易行、實用可靠, 可為大、中型戰(zhàn)斗部熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量的提高提供參考。

戰(zhàn)斗部; DNAN基炸藥; 熱塑態(tài)裝藥; 改進工藝; 裝藥密度; 裝藥質(zhì)量

0 引言

裝藥是彈藥生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。目前已知的裝藥方法較多, 熱塑態(tài)裝藥便是其中常用的一種。熱塑態(tài)裝藥所用的炸藥包中含有低熔點物質(zhì)和高熔點物質(zhì), 具有可塑性, 同時可根據(jù)不同的需要在藥包中加入鋁粉等助劑, 以提高炸藥的不同性能[1-2]。對于熱塑態(tài)裝藥工藝的已知研究較少。為提高裝藥質(zhì)量, 董素榮等[3]提出振動、粒度級配及納米金屬粉等方法; 段愛梅[4]提出真空振動裝藥法; 馮文武等[5]提出了真空塑化振動、顆粒級配、精確稱量加壓成型及大真空室裝藥等裝藥方法。

2,4-二硝基苯甲醚(dinitroanisole, DNAN)作為低易損性炸藥, 因具有沖擊波和熱感度較低等優(yōu)點, 成為混合炸藥的重要載體之一。對于DNAN基炸藥熔鑄裝藥工藝, 國內(nèi)外都展開了相應研究。美國皮卡汀尼兵工廠研發(fā)了一系列采用DNAN基的低成本、低感度PAX(Picatinny Arsenal Explosive)系列炸藥[6]。在國內(nèi), 水中兵器戰(zhàn)斗部“兩高一低”DNAN基混合炸藥研究發(fā)展迅速[7]。同時, 許多DNAN基炸藥的裝藥工藝和方法被提出, 如王春光等[8]提出一種以DNAN為介質(zhì)配制鈍感炸藥的方法; 牛國濤等[9]提出分區(qū)裝藥的方法; 羅一鳴等[10]和牛國濤等[11]通過加入助劑和改善工藝提高裝藥質(zhì)量; 金大勇等[12]提出預整形同步塊鑄技術(shù); 蒙君煚等[13]提出壓力澆鑄與真空澆鑄成型工藝。

某戰(zhàn)斗部以DNAN基炸藥為主裝藥, 采用熱塑態(tài)裝藥工藝進行裝填。通過采用上述方法雖提高了DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 但仍不能滿足戰(zhàn)斗部對裝藥質(zhì)量的要求。DNAN基炸藥的常規(guī)熱塑態(tài)裝藥方法存在裝藥內(nèi)部質(zhì)量較差, 藥柱易出現(xiàn)粗結(jié)晶、氣孔、縮孔、裂紋等缺陷; 裝藥密度較小; 裝藥量較少及裝藥不均勻等問題, 難以滿足使用要求, 工藝技術(shù)有待提高?；诖? 文中在分析常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝存在的問題及原因的基礎(chǔ)上, 提出了一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進工藝。與常規(guī)裝藥工藝相比, 改進工藝的裝藥缺陷明顯減少, 裝藥的內(nèi)部質(zhì)量顯著改善, 裝藥密度和裝藥量明顯增加。

1 常規(guī)熱塑態(tài)裝藥

1.1 裝藥過程

熱塑態(tài)裝藥時, 炸藥注入彈體中會發(fā)生結(jié)晶與凝固, 釋放一定的熱量。同時, 在裝藥過程中如未控制好工藝條件, 炸藥冷卻會導致體積收縮, 從而造成粗結(jié)晶、氣孔、縮孔及裂紋等缺陷。

某戰(zhàn)斗部為提高DNAN基熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量, 炸藥采用真空混合塑化方法。裝藥過程中增強振動, 將氣泡及時排出。同時, 在裝藥過程中注藥速度不能過快, 振動也不能過于劇烈, 以避免重新卷入空氣。其裝藥流程如圖1所示。

圖1 熱塑態(tài)裝藥流程圖

由于對裝藥內(nèi)部質(zhì)量、藥面平整度、裝藥密度和裝藥量等要求較高, 因此加工裝藥補縮裝置, 通過增加炸藥的補縮量來滿足裝藥要求。補縮裝置有2個冒口和多個小孔, 用于加注炸藥和散熱排氣, 裝藥補縮裝置如圖2所示。

圖2 裝藥補縮裝置

為減少快速降溫帶來的裝藥缺陷, 常采用保溫裝置進行冷卻。保溫裝置如圖3所示。圖中, 上部為保溫桶, 內(nèi)部通蒸汽; 下部為水箱, 內(nèi)部通熱水。將完成裝藥的戰(zhàn)斗部置于保溫裝置下部的熱水箱內(nèi), 緩慢向上提升, 通過保溫裝置。完全脫離保溫裝置后, 將戰(zhàn)斗部轉(zhuǎn)移至保溫烘箱內(nèi), 保溫一定時間后隨保溫烘箱一起冷卻。

圖3 保溫裝置示意圖

1.2 裝藥質(zhì)量分析

1) 裝藥密度

通過戰(zhàn)斗部容腔注水法獲得裝藥體積, 通過防爆電子秤獲得裝藥前、后的戰(zhàn)斗部質(zhì)量, 進而得到裝藥質(zhì)量, 隨即求得裝藥密度。

在某戰(zhàn)斗部裝藥中, 采用常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝, 戰(zhàn)斗部裝藥密度為1.70 g/cm3, 裝藥密度和裝藥量均未達到技術(shù)要求。裝藥密度較小, 導致相同情況下炸藥的爆轟性能較差, 戰(zhàn)斗部毀傷威力較弱; 同時, 較小的密度也會導致相同容積下的裝藥量變小。

2) 裝藥缺陷

在戰(zhàn)斗部裝藥的徑向取4個典型部位進行工業(yè)電子計算機斷層(computed tomography, CT) 掃描, 結(jié)果如圖4所示。掃描發(fā)現(xiàn), 戰(zhàn)斗部內(nèi)部存在較大的裝藥缺陷, 缺陷與2個冒口對應, 且主要集中于裝藥上端, 特別是接近2個冒口處, 有明顯的縮孔和空隙。藥柱內(nèi)部缺陷較多, 均勻性較差, 導致出現(xiàn)裝藥密度較小、裝藥量不足等問題。同時, 缺陷降低了藥柱的力學強度, 直接影響彈藥的安全性能, 在外界刺激下易于形成熱點, 導致戰(zhàn)斗部安全性較差。

1.3 原因分析

通過對常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝流程的梳理, 發(fā)現(xiàn)造成某戰(zhàn)斗部裝藥內(nèi)部缺陷較多、裝藥密度較小、裝藥量不足的原因主要如下:

1) 由于保溫裝置采取敞口形式, 上端無密封措施, 保溫裝置內(nèi)部的實際溫度未能達到規(guī)定的數(shù)值, 原定的藥液在熔融狀態(tài)下補縮的方案難以實現(xiàn), 導致裝藥內(nèi)部不能及時補縮, 產(chǎn)生缺陷;

圖4 常規(guī)熱塑態(tài)裝藥后徑向不同位置的CT掃描照片

2) 塑化鍋的出料口較大, 且炸藥完全塑化后流動性較好, 難以控制藥漿的流速;

3) 炸藥出鍋后通過提藥筒轉(zhuǎn)運注入彈體時, 炸藥表面已發(fā)生結(jié)晶, 在裝藥過程中帶來內(nèi)部缺陷, 進而導致密度較低;

4) 炸藥載體DNAN的熔點相對較高, 在保溫冷卻過程中由于與環(huán)境溫度相差較大, 裝藥口部位的炸藥先固化, 導致補縮量不足, 致使裝藥量較少, 不能滿足要求。

因此, 有必要改進熱塑態(tài)裝藥工藝, 并重新設(shè)計補縮裝置, 以提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 減少缺陷, 進而提高戰(zhàn)斗部的安全性; 同時, 提高戰(zhàn)斗部裝藥密度以及裝藥量, 優(yōu)化炸藥的爆轟性能, 增強戰(zhàn)斗部的毀傷威力。

2 熱塑態(tài)裝藥改進工藝

2.1 裝藥工藝改進

將炸藥注入到彈體中, 由于二者之間存在一定的溫差, 會對靠近彈體的炸藥產(chǎn)生迅速冷卻作用, 使其凝固較快, 而遠離彈體的炸藥凝固較慢。炸藥凝固之后體積縮小, 縮小的地方得不到后續(xù)補縮時, 就非常容易形成分散的縮孔和疏松等內(nèi)部缺陷, 導致裝藥密度較低、裝藥質(zhì)量較差。為減少戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥補縮量不足導致的裝藥缺陷, 提高裝藥質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量, 在常規(guī)熱塑態(tài)裝藥的工藝基礎(chǔ)上進行改進, 優(yōu)化藥漿質(zhì)量, 排出藥漿內(nèi)部氣體, 并及時進行補縮。主要改進如下:

1) 保證保溫裝置溫度。炸藥隨著溫度的降低逐漸凝固, 保溫裝置溫度太低, 會導致炸藥凝固過快, 易于出現(xiàn)缺陷, 裝藥密度也會很差。因此, 須改變炸藥的保溫方式, 使保溫裝置的內(nèi)部溫度達到相應數(shù)值, 同時在裝藥出料前、后及注藥過程中也進行相應調(diào)整, 保證炸藥在裝藥過程中始終處于熔融態(tài), 使戰(zhàn)斗部能順利完成裝藥內(nèi)部補縮, 并在之后保溫冷卻。

2) 減緩注藥速度。減小塑化鍋出料口徑, 控制藥漿流速, 避免卷入更多的空氣, 造成缺陷。

3) 減少炸藥轉(zhuǎn)運。炸藥出鍋時直接注入戰(zhàn)斗部, 避免因轉(zhuǎn)運而發(fā)生結(jié)晶, 導致流動性變差, 難以補縮。

4) 減小降溫梯度, 延長保溫時間。保溫時間延長, 有利于炸藥補縮和釋放內(nèi)部應力, 同時減少缺陷, 提高裝藥密度。

5) 重新設(shè)計補縮裝置。增加裝藥后的炸藥補縮量, 并將缺陷引至補縮裝置內(nèi)。

2.2 裝藥補縮裝置改進設(shè)計

2.2.1 功能設(shè)計

新型裝藥補縮裝置的設(shè)計主要考慮以下幾點。

1) 充足的補縮量。之前由于裝藥補縮量不足, 導致裝藥出現(xiàn)較大的缺陷, 同時也導致裝藥密度較小、裝藥量不足, 因此增加裝藥補縮量是提高裝藥質(zhì)量最直接的手段, 增大補縮裝置的高度則是行之有效的方法。

2) 較大的散熱面積。為了增大裝藥的散熱面積, 除保留必要的結(jié)構(gòu), 多余結(jié)構(gòu)全部去掉, 裝藥與外界充分接觸, 加速熱量傳遞, 有利于減小炸藥內(nèi)部的溫差, 同時也利于氣體排出。

3) 較好的材料。在保證裝藥內(nèi)部質(zhì)量、裝藥密度和裝藥量的前提下, 選擇物美價廉、廣泛易得、傳熱性更好的材料。

4) 兼顧戰(zhàn)斗部特殊結(jié)構(gòu)?？紤]到戰(zhàn)斗部軸向存在特殊構(gòu)件, 設(shè)計了“橫板”結(jié)構(gòu), 用以保護特殊構(gòu)件。

根據(jù)以上原則, 設(shè)計得到的新型裝藥補縮裝置如圖5所示, 裝置由殼體、底座和橫板組成, 各部分通過螺栓連接為一個整體。

圖5 新型裝藥補縮裝置設(shè)計圖

新型裝藥補縮裝置的作業(yè)過程為: 首先, 將新型裝藥補縮裝置與戰(zhàn)斗部殼體連接; 然后, 將已處理好的炸藥通過新型補縮裝置注入彈體, 連續(xù)加注, 直至充滿補縮裝置, 同時還伴有振動等處理, 持續(xù)的振動可以有效排出氣體; 之后, 轉(zhuǎn)入保溫固化階段, 較長時間的保溫處理可以使后續(xù)藥漿補充到裝藥冷卻時出現(xiàn)的收縮處, 以此來消除縮孔、裂紋等缺陷; 最后, 轉(zhuǎn)入修整藥面等后續(xù)流程。

2.2.2 結(jié)構(gòu)尺寸及材料

新型裝藥補縮裝置各組件具體情況如下。

1) 殼體

為增大裝藥補縮量, 需增加補縮裝置的高度。但高度過高, 既浪費炸藥, 也影響裝藥的散熱速度, 同時還會增加處理廢藥的成本。通過試驗發(fā)現(xiàn), 殼體的高與內(nèi)徑之比約2∶3為宜, 既能保證充足的補縮量, 也能保證較好的散熱速度。

2) 底座

底座起到連接補縮裝置和戰(zhàn)斗部殼體的作用, 其內(nèi)徑與殼體保持一致。

3) 橫板

橫板高度與殼體高度一致, 寬度與所保護的結(jié)構(gòu)件一致。

考慮到實用性、經(jīng)濟性等因素, 新型裝藥補縮裝置所有構(gòu)件的材料均為5A06鋁。按照尺寸和材料生產(chǎn)得到的實物如圖6所示。

新型裝藥補縮裝置較之前增高很多, 炸藥補縮量明顯增多, 同時加注藥口和排氣口更大。補縮裝置內(nèi)的炸藥與戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)的炸藥凝固時為一體, 在炸藥固化過程中, 通過增加補縮裝置的高度, 使缺陷上移出現(xiàn)在補縮裝置內(nèi), 便可提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量。

圖6 新型裝藥補縮裝置實物圖

2.3 改進工藝質(zhì)量分析

1) 裝藥密度

通過測量, 某戰(zhàn)斗部的裝藥密度由之前的1.70 g/cm3提高到1.78 g/cm3, 增加了4.71%, 裝藥量也滿足技術(shù)要求。

2) 裝藥缺陷

為了分析使用改進工藝之后的裝藥質(zhì)量, 在戰(zhàn)斗部裝藥徑向取4個典型部位進行工業(yè)CT掃描, 結(jié)果如圖7所示。照片顯示, 改進工藝的裝藥質(zhì)量明顯提高, 戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥無明顯缺陷, 縮孔、空隙等缺陷基本消除, 裝藥均勻性得到很大改善, 裝藥質(zhì)量滿足使用要求。檢測數(shù)據(jù)也進一步證明了改進工藝可以有效消除裝藥缺陷, 提高裝藥密度和裝藥量。

圖7 使用改進工藝后的裝藥徑向不同位置CT掃描照片

3 結(jié)束語

文中在分析常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝的基礎(chǔ)上, 研究了一種熱塑態(tài)裝藥改進工藝, 并重新設(shè)計了裝藥補縮裝置, 同時進行對比試驗, 對裝藥密度、裝藥量、內(nèi)部質(zhì)量及其均勻性等進行了分析。分析結(jié)果可知, 使用普通補縮裝置的常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝進行DNAN基炸藥的裝藥, 戰(zhàn)斗部裝藥量不足, 裝藥密度僅1.70 g/cm3; 同時, 裝藥內(nèi)部質(zhì)量較差, 存在較多缺陷。而采用熱塑態(tài)裝藥改進工藝, 并重新設(shè)計補縮裝置后, 裝藥密度達到1.78 g/cm3, 與常規(guī)裝藥工藝相比, 提高了4.71%, 裝藥量也明顯增加; 同時, 改進工藝提高了裝藥內(nèi)部質(zhì)量, 減少了裝藥缺陷, 抑制了縮孔和空隙的產(chǎn)生, 并改善了裝藥均勻性。熱塑態(tài)裝藥改進工藝簡單易行、實用可靠, 可為大、中型戰(zhàn)斗部熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量的提高提供參考。

文中所研究的熱塑態(tài)裝藥改進工藝, 提高了裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 但機理研究偏少, 后續(xù)應對其固化機理進行更深入的研究, 從理論上進一步研究并改進裝藥工藝, 提高裝藥內(nèi)部質(zhì)量。

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Improved Thermoplastic Charge Technique of DNAN-Based Explosive for Warhead

HA Hai-rong1, WANG Tuan-meng1, LU Zhong-bao1, LI Qin1, JIN Dong2

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Shanxi Jianghuai Heavy Industry Co., Ltd., Jincheng 048000, China)

To solve the problem of insufficient explosive charge shrinkage compensation in the warhead, raise the charge density and charge quantity, and optimize the detonation performance of the explosive, an improved thermoplastic charge technique of DNAN-based aluminized explosive for the warhead was proposed on the basis of the conventional thermoplastic charge technique of DNAN-based explosive. In this improved technique, the measures of ensuring the temperature of thermal insulation device, slowing down the charging speed, reducing the transport of explosives and the temperature gradient, prolonging the heat preservation time and redesigning the charge shrinkage compensation device were taken in order to improve the internal quality of warhead charge, reduce the defects and improve the safety of warhead. Comparative test of the conventional and improved techniques showed that the improved charge density of the warhead increased from 1.70 g/cm3to 1.78 g/cm3, increasing by 4.71%. Both the charge quantity and the internal quality of charge were improved, which made up for the charge defects and restrained the generation of shrinkage cavities and voids. This improved thermoplastic charge technique is simple, practical and reliable.

warhead; DNAN-based explosive; thermoplastic charge; improved technique; charge density; charge quality

TJ630; TJ410.5

A

2096-3920(2020)02-0209-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.014

2019-03-16;

2019-07-22.

哈海榮(1990-), 男, 碩士, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計.

哈海榮, 王團盟, 魯忠寶, 等. 一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進工藝[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2020, 28 (2): 209-213.

(責任編輯: 楊力軍)