某型延時(shí)起爆裝置延期時(shí)間影響因素的研究?

時(shí)家俊

安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司(安徽合肥，230012)

引言

延期類(lèi)火工品通常用于武器系統(tǒng)中，以保證在點(diǎn)火一定時(shí)間后準(zhǔn)確完成分離或爆炸。 現(xiàn)在使用的延期類(lèi)火工品可以采用電子線路(電子延時(shí))或者裝填延期藥(藥劑式延時(shí))來(lái)實(shí)現(xiàn)。 清華大學(xué)將碳納米管作為改性添加物進(jìn)行延時(shí)，研究有了新的突破。 不過(guò)目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的還是藥劑式延時(shí)。

雖然延期藥的延期時(shí)間不如電子延時(shí)準(zhǔn)確，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，特別適用于大量非電激發(fā)類(lèi)火工品。 從具體應(yīng)用角度分類(lèi)，延期藥在時(shí)間上可分為毫秒級(jí)延期藥(短延期藥)、秒級(jí)延期藥(長(zhǎng)延期藥)兩類(lèi)；從燃燒時(shí)是否有氣體產(chǎn)生方面分類(lèi)，可分為有氣體、微氣體和無(wú)氣體延期藥，通常將黑火藥稱(chēng)為有氣體延期藥，而將以金屬為主要可燃物的延期藥稱(chēng)為無(wú)氣體或微氣體延期藥[1]；從輸入種類(lèi)角度，可分為針刺延期火工品、撞擊延期火工品、電延期火工品以及火焰延期體等；從火工藥劑種類(lèi)角度，可分為硼系延期藥[2-3]、硅系延期藥[4-8]、鎢系延期藥[9-13]等。

我國(guó)目前在大力研究的彈藥類(lèi)產(chǎn)品很多需要安裝一些延期精度高、機(jī)械性能強(qiáng)的延期元件。在要求延期元件長(zhǎng)儲(chǔ)性能好、延期精度高的同時(shí)，還須具有耐高過(guò)載的能力。 但是，國(guó)內(nèi)延期藥研發(fā)以及應(yīng)用中面對(duì)著兩個(gè)主要問(wèn)題：第一是延期時(shí)間精度不高，第二是長(zhǎng)儲(chǔ)性能差。 其中，硼系延期藥主要作為毫秒級(jí)延期藥，其延期時(shí)效一般為25 ～700 ms 時(shí)段，而我國(guó)毫秒級(jí)延期藥正好是在這一階段存在問(wèn)題，因此，對(duì)采用硼系延期藥作為裝藥的延期裝置的延期時(shí)間進(jìn)行研究是相當(dāng)必要的。

作為硼系延期藥，硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥具有輸出能量高、可靠性高及感度適中等特性。 近幾年來(lái)，使用該藥劑裝填的火工品已在多種型號(hào)的彈藥裝備中得到大量應(yīng)用。 目前，硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥已經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)相關(guān)安全性能檢測(cè)，毫秒級(jí)延期藥(如硼鉛丹延期藥)摩擦感度較高，其余部分毫秒級(jí)延期藥暫無(wú)相關(guān)安全性測(cè)試，不作對(duì)比。

結(jié)合某型延時(shí)起爆裝置產(chǎn)品的延期時(shí)間要求，選用硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥作為延期藥，對(duì)硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥的粒度、裝藥殼體材料、消爆腔尺寸、延期裝藥結(jié)構(gòu)及壓藥壓力等開(kāi)展延期時(shí)間影響因素的研究。

1 延期時(shí)間影響因素的機(jī)理

1.1 原材料的粒度和粉末度

可燃劑硼和氧化劑硝酸鉀的粒度大小、粉末含量會(huì)對(duì)延期藥燃速及精度產(chǎn)生較大影響。 原材料粒度小時(shí)，表面積會(huì)增加，延期藥燃速快，混藥均勻性好，藥劑一致性也好。 反之，粗粒度成分一致性差，延期精度差。

延期藥造粒后，會(huì)存在一定含量的粉末，對(duì)延期精度影響顯著。 通常來(lái)講，粉末含量低時(shí)，延期精度高；粉末含量高時(shí)，流散性會(huì)變差，導(dǎo)致裝配過(guò)程中藥量損失較大。 另外，粉末含量高，在壓力一定時(shí)壓藥，就會(huì)出現(xiàn)一些缺點(diǎn)，比如延期藥柱高度不一、流散性差、混藥不均勻、壓藥壓力傳遞不好、壓藥密度不一致等。 延期精度差的主要原因是藥柱高度及壓藥密度的不一致，較低的粉末含量足以克服這些缺點(diǎn)，延期精度就會(huì)有所提升[14]。

1.2 壓藥壓力

壓藥壓力對(duì)延期時(shí)間的影響具有多重性。 壓藥壓力的變化可改變藥劑的導(dǎo)熱、熱容、孔隙率、反射率等化學(xué)性能。 一般情況下，延期藥密度增加時(shí)，藥劑孔隙度會(huì)減小，對(duì)應(yīng)的延期藥燃速下降。 當(dāng)延期藥密度高于一定值時(shí)，孔隙度變化很小，此時(shí)具有平行層燃燒的性質(zhì)，燃速趨于穩(wěn)定，延期精度也最高。所以，通常要求延期藥密度要盡可能地提高[15]。 在一定過(guò)載條件下，采用小直徑直填裝藥和裝壓鉛延期索的方式，在一定的裝藥密度條件下均能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的延期時(shí)間。

1.3 延期裝藥殼體材料

延期藥的燃燒實(shí)際是一個(gè)氧化還原過(guò)程。 伴隨著反應(yīng)的進(jìn)行、熱量的產(chǎn)生和傳遞、固體殘?jiān)蜕倭繗怏w產(chǎn)物的生成，燃燒過(guò)程可分成3 個(gè)階段：點(diǎn)火、引燃和燃燒。 對(duì)正在燃燒的延期藥柱，在燃燒面附近可分為預(yù)熱區(qū)、反應(yīng)區(qū)和燃燒產(chǎn)物區(qū)3 個(gè)區(qū)域。

延期藥的預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)會(huì)對(duì)燃燒時(shí)間造成波動(dòng)。因此，選用導(dǎo)熱系數(shù)大的金屬材料能顯著提高延期裝藥的燃速。 擬選取鋼、鋁及銅材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。延期裝藥不同的殼體材料厚度使延期藥燃燒過(guò)程中的吸熱能力在一定程度上表現(xiàn)不同。 隨著厚度增加，管壁吸收的熱量有增加的趨勢(shì)，對(duì)未燃藥劑產(chǎn)生的預(yù)熱作用變小，延期藥燃速降低，延期時(shí)間增加。

1.4 延期裝藥結(jié)構(gòu)

某型延時(shí)起爆裝置輸入能量為爆轟輸入，能量過(guò)大，會(huì)損壞延期藥裝藥結(jié)構(gòu)，造成燃燒陣面不穩(wěn)定現(xiàn)象，極端條件下可能出現(xiàn)瞎火風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)優(yōu)化裝藥結(jié)構(gòu)，在爆轟輸入界面和延期裝藥界面之間設(shè)置衰減裝置，降低爆轟輸入對(duì)延期裝藥的破壞，以達(dá)到穩(wěn)定燃燒的目的，并可提高點(diǎn)火一致性，有利于穩(wěn)定延期時(shí)間。

延期火工品設(shè)計(jì)中，通常使用異型衰減片，避開(kāi)中心部位的偏心小孔傳火通道，衰減片厚度、傳火孔面積、形狀和材料的差異都可能會(huì)導(dǎo)致延期時(shí)間的變化。 某型延時(shí)起爆裝置主要設(shè)計(jì)消爆腔(輸入爆轟陣面與延期裝藥起始點(diǎn)火界面之間的一段容腔)。 通常情況下，消爆腔的消爆能力與容腔直徑和高度保持一定的聯(lián)系，主要作用是使輸入的爆轟波在其中衰減，形成帶有合適能量及溫度的燃燒波以點(diǎn)燃延期藥，增加導(dǎo)爆索噴出的高溫產(chǎn)物與延期藥的接觸時(shí)間和接觸面積，提高元件的點(diǎn)火可靠性，為延期藥的燃燒產(chǎn)物提供釋放空間，減弱延期藥燃燒的脈沖作用，保證延期藥穩(wěn)定燃燒，最大限度地提高裝置的延期精度[16]。

2 延期藥的制造工藝

原材料：硼粉，粒徑1.5 μm，保定中普拓科技有限公司；硝酸鉀，純度大于99%，分析純，天津市恒光化學(xué)試劑制造有限公司；氟橡膠，工業(yè)品級(jí)，上海東氟化工科技有限公司。

儀器：真空干燥器，常州燕加隆機(jī)械設(shè)備有限公司；不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)，河南新航巴山航空材料有限公司。

延期藥的制作工藝簡(jiǎn)要步驟為：原材料處理→配料→濕混→藥劑烘干→篩分→裝盒。

原材料處理： 硼粉過(guò)100 目篩，取篩下物；硝酸鉀過(guò)200 目篩，取篩下物。

配料(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：硼粉20% ～30%、硝酸鉀70% ～80%、氟橡膠小于5%(外加，使用氟橡膠、丙酮溶液造粒，固、液質(zhì)量比1︰8)。

濕混：按一定的配比稱(chēng)取硼粉、硝酸鉀放入燒杯中，加入溶解有氟橡膠的丙酮溶液，采用超聲波混合3 h。

烘干：采用真空干燥器烘干。

篩分、裝盒：延期藥分別過(guò)40 目篩和60 目篩，將篩分后的延期藥裝入防靜電橡膠盒并做好標(biāo)簽。

3 延時(shí)起爆裝置的延期時(shí)間

某型延時(shí)起爆裝置的延期時(shí)間主要由延期體部件實(shí)現(xiàn)，其他次要的影響因素不作敘述。 延期體主要為裝壓鉛延期索結(jié)構(gòu)或直填裝藥結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，試驗(yàn)裝配如圖2 所示。

延期時(shí)間主要通過(guò)示波儀進(jìn)行測(cè)試讀數(shù)。 測(cè)試原理：通過(guò)靶線法進(jìn)行測(cè)定，兩路靶線均由兩根絕緣漆包線(單根直徑0.2 mm)并聯(lián)后擰花剪齊，一靶靶線接在導(dǎo)爆索輸入端，二靶靶線連接固定在延時(shí)起爆裝置輸出端(裝藥為鈍黑-5 炸藥)，兩路分別先后發(fā)火，間隔的發(fā)火時(shí)間即為延期時(shí)間。

3.1 硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥粒度對(duì)延期時(shí)間的影響

延期體為裝壓鉛延期索(藥芯直徑2.2 mm、高3.5 mm)結(jié)構(gòu)，硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥粒度作為單一因素進(jìn)行試驗(yàn)，每組各試驗(yàn)15 發(fā)，結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：未經(jīng)過(guò)篩的方案1＃延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差較大，精度較差；方案2＃和方案4＃延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差水平相當(dāng)，藥劑顆粒度較大或粒度較細(xì)(粉末度比例高)均可能降低燃燒一致性，不利于延期時(shí)間的控制，兩種極限分布的藥劑經(jīng)鉛管裝藥拉制后的鉛延期索單位長(zhǎng)度裝藥量測(cè)算誤差約10%；方案3＃藥劑顆粒度相對(duì)均勻，標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差較好，延期時(shí)間精度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 裝藥殼體對(duì)延期時(shí)間的影響

裝藥殼體的材料和厚度對(duì)延期時(shí)間可能產(chǎn)生一定的影響，材料導(dǎo)熱系數(shù)以及厚度的大小能夠影響延期時(shí)間的均值和偏差水平。 表2 中列出了擬選擇的3 種材料導(dǎo)熱系數(shù)。

分別進(jìn)行了4 組試驗(yàn)：殼體材料分別為鋼(厚2.5 mm)、鋁(厚2.5 mm)、銅(厚2.5 mm)、銅(厚3.5 mm)。 裝藥直徑3.5 mm，壓藥采用兩裝兩壓，總藥量約50 mg，壓藥壓力(60 ±5)MPa，保壓時(shí)間每次不少于5 s。 每組試驗(yàn)各做15 發(fā)，結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：裝藥條件保持不變、殼體厚度δ均為2.5 mm時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較低的鋼制、鋁制延期體延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差水平相當(dāng)，精度較低；導(dǎo)熱系數(shù)高的銅制延期體的對(duì)應(yīng)的延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差較小，精度較高；銅質(zhì)材料，殼體厚度δ分別為2.5、3.5 mm 的條件下，δ為2.5 mm 的延期體對(duì)應(yīng)的延期時(shí)間精度略高。

表1 點(diǎn)火藥不同粒度時(shí)的延期時(shí)間Tab.1 Delay time of ignition powder with different particle size

表2 3 種材料的導(dǎo)熱系數(shù)Tab.2 Thermal conductivity of three materials

3.3 消爆腔尺寸對(duì)延期時(shí)間的影響

在設(shè)計(jì)延期結(jié)構(gòu)消爆腔時(shí)，共進(jìn)行了4 種方案的對(duì)比試驗(yàn)。 每組各做15 發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：消爆腔孔徑在0.5 ～0.9 mm 范圍內(nèi)，隨著孔徑減小，腔體體積變小，輸入的能量衰減明顯，導(dǎo)致延期裝藥的點(diǎn)火一致性變差，標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差增加，延期時(shí)間精度降低；消爆腔孔徑0.9 mm 的條件下，傳火通道由6.0 mm 增加到7.0 mm，消爆腔體積增大，延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差均有所增加，精度有所降低。

3.4 延期體裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)延期時(shí)間的影響

在某型延時(shí)起爆裝置中，延期時(shí)間要求約200 ms，延期體尺寸受到整個(gè)產(chǎn)品尺寸的限制，最大設(shè)計(jì)裝藥直徑約3.5 mm，裝藥高度約3.0 mm。 點(diǎn)火藥在一定密度的條件下，燃燒需要一定的時(shí)間，因此，裝藥結(jié)構(gòu)采用直填裝藥(直接裝壓延期藥)或裝壓延期索(壓藥沖表面積與延期索外徑相當(dāng))的方式實(shí)現(xiàn)延期功能。 兩種結(jié)構(gòu)壓藥壓力相同，均為(60 ±5)MPa，每組各做15 發(fā)，結(jié)果見(jiàn)表5。

在某型延時(shí)起爆裝置其余裝配狀態(tài)相同的條件下，直填裝藥結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)23 齒(29 000 g)錘擊條件后，藥面容易掉藥，延期時(shí)間偏差和極差較大，藥劑內(nèi)部發(fā)生斷層的現(xiàn)象，存在瞎火的風(fēng)險(xiǎn)；裝壓延期索結(jié)構(gòu)延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差偏小，在相同的壓力及試驗(yàn)條件下，方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 壓藥壓力對(duì)延期時(shí)間的影響

壓藥壓力對(duì)延期時(shí)間的大小和精度有直接的影響。 增加壓藥壓力，可以提高延期時(shí)間的均值水平；壓藥壓力偏小時(shí)，延期時(shí)間受環(huán)境力的改變，延期時(shí)間的精度偏低；壓藥壓力的提高從一定程度上可以提高延期時(shí)間的精度。 隨著壓藥壓力的逐步提高，延期時(shí)間趨于穩(wěn)定。 表6 為不同壓藥壓力條件下，直填裝藥和裝壓延期索兩種方案的延期時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種延期裝藥結(jié)構(gòu)在40 MPa壓力時(shí)，延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差較大，精度偏低；壓力提高到100 MPa 時(shí)，延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差均明顯減小，精度得到提高。 裝壓延期索結(jié)構(gòu)壓藥壓力分別為70、100 MPa 時(shí)，延期時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差水平接近，精度大致相當(dāng)。

表3 不同裝藥殼體條件下的延期時(shí)間Tab.3 Delay times with different charge shells ms

表4 不同消爆腔尺寸條件下的延期時(shí)間Tab.4 Delay time with different size of chamber ms

表5 不同裝藥結(jié)構(gòu)條件下的延期時(shí)間Tab.5 Delay time with different charging structures ms

表6 不同壓藥壓力時(shí)的延期時(shí)間Tab.6 Delay time under different charging pressures

從數(shù)據(jù)規(guī)律看，隨著裝藥壓力提高，直填裝藥和裝壓延期索結(jié)構(gòu)延期時(shí)間精度均有所增加，延期索結(jié)構(gòu)延期時(shí)間結(jié)果略?xún)?yōu)于直填裝藥結(jié)構(gòu)；壓力提高到一定程度時(shí)，延期索結(jié)構(gòu)的延期時(shí)間精度水平趨于一致。

4 結(jié)論

以點(diǎn)火藥硼/硝酸鉀作為毫秒級(jí)延期藥，針對(duì)某型延時(shí)起爆裝置延期時(shí)間的影響因素進(jìn)行了一系列的研究，結(jié)果表明：

1)藥劑混制時(shí)，過(guò)40 ～60 目篩網(wǎng)，制成的延期藥延期精度較高。

2)裝藥殼體采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅制延期體，殼體厚度為2.5 mm 時(shí)，延期時(shí)間精度較好。 采用精確的消爆腔設(shè)計(jì)，可滿足可靠發(fā)火的要求，提高了延期時(shí)間的精度。

3)采用裝壓鉛延期索工藝時(shí)，壓藥壓力在40 ～100 MPa 時(shí)，壓藥壓力越大，裝壓延期索燃燒一致性較好，延期精度越高；在一定的過(guò)載條件下，裝配工藝性?xún)?yōu)于直填裝藥。

4)采用直填裝藥結(jié)構(gòu)的延期藥，密度均勻，延時(shí)精度在一定的條件下可以滿足延期時(shí)間要求。 后續(xù)研究中，可提高延時(shí)起爆裝置結(jié)構(gòu)的整體抗過(guò)載性能，來(lái)滿足延期時(shí)間抗過(guò)載設(shè)計(jì)。

硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥為微氣體點(diǎn)火藥，后續(xù)研究時(shí)要充分考慮其使用環(huán)境，以更好地控制延期裝置延期時(shí)間的范圍和精度。