快速同步爆炸點火分離裝置應(yīng)用研究

張新華，韋宗玖，趙家其， 李賀楠

(1.安徽紅星機電科技股份有限公司, 合肥 231135; 2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐合肥地區(qū)軍事代表室, 合肥 231135; 3.南京理工大學， 南京 210094)

1 引言

傳統(tǒng)分離機構(gòu)的點火方式有點火頭點火、電底火點火、爆轟點火等，其中如黑火藥點燃3/1樟單基發(fā)射藥，開艙時間約為6～9 ms，電底火點火技術(shù)也十分成熟，但是其較長的點火時間很難滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場對快速分離的要求。張丁山等采用爆轟點火方式，這種方法將點火延遲時間縮短到0.3 ms,但并沒有減少燃燒發(fā)射過程的延時時間；李海元采用等離子體點火的密閉爆發(fā)器實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)將有效點火的電能的閾值降低的同時顯著增加火藥的燃速；薛奡煒等發(fā)現(xiàn)等離子體點火可以明顯縮短火藥的點火延遲時間，且對于不同發(fā)射藥均能產(chǎn)生顯著效果，但其點火時需要特定裝置；姬龍等基于爆炸點火設(shè)計的分離裝置理論上可以達到200 m/s的分離速度；王剛等發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)爆索爆炸點火點燃發(fā)射時，發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的壓力明顯增加，最大壓力出現(xiàn)的時間卻明顯縮短；郭晨冰和李楓均設(shè)計了一種爆炸活塞式分離裝置，但是其裝藥量小、能量低，而且采用的活塞結(jié)構(gòu)，體積較大，難以滿足戰(zhàn)場條件對快速分離的需求;周煜韜采用火藥力輔助金屬熔斷，大大降低了對電流要求，但軍事適用面較窄;夏冬星等設(shè)計的螺栓分離機構(gòu)可以滿足對分離裝置大承載的要求，但是25 m/s分離速度顯然是偏低的;邢星星設(shè)計了一種利用火藥燃燒產(chǎn)生的氣體推動撞桿，然后撞桿撞擊分離體的分離裝置，得到了撞桿底部壓力和整體速度對時間的關(guān)系以及分離體速度和相應(yīng)曲線。

爆炸點火是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物及氣體點燃發(fā)射藥，炸藥是以爆轟的速度點火，點火速度快。炸藥爆炸點火幾乎不受外界溫度等環(huán)境因素影響，點火能量穩(wěn)定，點火一致性好，7 000～8 000 m/s。爆炸點火具有點火速度快、形成壓力高等特點。爆炸點火使用的炸藥和燃燒點火使用的點火藥相比，安全性好。

本文設(shè)計了一種基于爆炸點火和“一入四出”式的鋁導(dǎo)爆索傳爆方式的快速分離實驗裝置。鋁導(dǎo)爆索快速點燃發(fā)射藥，靠發(fā)射藥急速燃燒產(chǎn)生的大量氣體的推力剪斷剪切環(huán)，實現(xiàn)前后兩級的快速分離。

圖1 分離機構(gòu)作用原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operation of the separation mechanism

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

分離機構(gòu)的性能與點傳火裝藥結(jié)構(gòu)、分離藥室容積、分離裝藥的弧厚、分離裝藥的裝藥量等參數(shù)相關(guān)。

針對分離藥室的為扁平圓柱形的特點，為了解決點火同步性問題，設(shè)計了“一入四出”式導(dǎo)爆索傳爆結(jié)構(gòu)，均布于分離藥室內(nèi)，實現(xiàn)均勻點火。

2.1 “一入四出”式爆炸點火設(shè)計

分離裝置主要由法蘭盤、本體、傳爆組件、傳爆藥柱、鋁導(dǎo)爆索、發(fā)射藥包、堵頭等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。發(fā)射藥包內(nèi)裝有3/1樟單基發(fā)射藥。

圖2 分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the separation device

裝置從引信能量輸入到發(fā)射藥開始作用需要經(jīng)過72 mm的傳火通道，為使點火能量快速到達發(fā)射藥，設(shè)計傳爆組件-傳爆藥柱-鋁導(dǎo)爆索作為點火能量的傳遞機構(gòu)。通過剪裁導(dǎo)爆索長度使其總長度為47 mm；傳爆藥柱直徑15 mm，高度8 mm，藥劑為JH-14炸藥，藥量3 g，密度為1.65 g/cm；鋁導(dǎo)爆索直徑7 mm，長度25 mm。傳爆組件、傳爆藥柱、鋁導(dǎo)爆索均采用爆轟進行能量傳遞，平均爆速高達7 000 m/s，能量傳遞速度快。同時爆轟波傳遞過程中產(chǎn)生的高能熱量能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射藥包的快速點火。通過傳爆組件-傳藥柱-鋁導(dǎo)爆索的快速傳點火機構(gòu)設(shè)計，引信輸入的爆轟能量可以通過沖擊波的形式快速到達發(fā)射藥包表面，進而實現(xiàn)發(fā)射藥包的快速點火功能。

點火同步性設(shè)計的主要目的是讓發(fā)射藥包能夠在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)各部分的均勻點火，從而實現(xiàn)發(fā)射藥包快速燃燒釋放氣體壓力的功能。為實現(xiàn)發(fā)射藥包快速點火均勻燃燒的功能，裝置采用藥柱徑向圓周均布的4根長度相同的鋁導(dǎo)爆索作為快速點火機構(gòu)。試驗數(shù)據(jù)表明一路四出點火燃燒時間差為410 ns。當藥柱爆炸后，四根鋁導(dǎo)爆索在爆轟沖擊的作用下同時起爆，由于4根鋁導(dǎo)爆索的爆速和長度相同，其爆轟能量傳遞到發(fā)射藥包的時間也基本一致。發(fā)射藥包在四路爆轟沖擊同時作用下，其藥包均布的4個點火部位被快速均勻點火，進而實現(xiàn)點火同步性要求。

2.2 隔爆和爆炸點火藥量設(shè)計

堵頭用于消爆，消除導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生的爆轟波的不利影響。如果導(dǎo)爆索離發(fā)射藥距離太近，爆轟波會將發(fā)射藥藥粒炸成碎粒，造成發(fā)射藥燃燒異常。

快速分離發(fā)射主要是利用發(fā)射藥迅速燃燒產(chǎn)生大量的高溫高壓氣體,當分離機構(gòu)的藥室內(nèi)的氣體壓力達到剪切螺紋破壞極限時，就可以實現(xiàn)前級分離體的分離發(fā)射。

所以可以將分離過程分為2個階段，第一階段為火藥燃燒開始至藥室內(nèi)的火藥燃氣的氣體壓力達到剪切環(huán)的破壞極限。第二階段為剪切環(huán)破壞至前級分離體迅速加速到最大速度

1) 第一階段

在此階段可看作密閉容器下的火藥燃燒，結(jié)合幾何燃燒條件下定容燃燒可以得到：

(1)

(2)

=1+2+3

(3)

(4)

式中,為該裝置的初始點火壓力；為該火藥的火藥力；為前級分離體的質(zhì)量；為已燃百分數(shù)；為藥室橫截面積；剪切壓力；為達到時對應(yīng)的值;為相對燃燒面積；為該火藥的燃速系數(shù)；、和為該火藥形狀特征量；為燃速指數(shù)；為已燃相對厚度；為此裝置發(fā)射藥燃氣余容；為發(fā)射藥密度；為剪斷剪切環(huán)所需最大剪切力

2) 第二階段

當分離機構(gòu)內(nèi)藥室的發(fā)射藥氣體壓力達到剪切環(huán)破壞極限時﹐剪切環(huán)發(fā)生瞬間剪切,前級分離體開始加速運動,可得到如下內(nèi)彈道方程組:

(5)

=++

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

=-

(11)

(12)

式中，為壓力全沖量；為次要功計算系數(shù)；為前級分離體質(zhì)量；=-1，為絕熱指數(shù)；、、為達到剪切環(huán)破壞極限時各參數(shù)的取值。由此解出發(fā)射過程中前級分離體速度、行程、膛內(nèi)壓力之間的關(guān)系。

設(shè)計了兩種規(guī)格的鋁導(dǎo)爆索，鋁導(dǎo)爆索具有強度好，抗過載性能好，易于加工等特點。炸藥選用JH-14炸藥，主要成分為黑索今，屬于負氧平衡炸藥，生成的氣體產(chǎn)物主要是CO、HO、CO、N和H等。其爆轟反應(yīng)式為：

CHON=CO+CO+HO+N+H+Q

如果炸藥能量與彈體強度，剪切強度有匹配關(guān)系。能量過大可能對發(fā)射藥藥粒產(chǎn)生破壞，使藥粒破碎，影響發(fā)射藥穩(wěn)定燃燒，可能會導(dǎo)致壓力異常升高。

發(fā)射藥包袋內(nèi)部裝藥選用弧厚較薄的3/1樟單基發(fā)射藥，該發(fā)射藥可提高發(fā)射藥的燃燒一致性，使推進壓力和作用時間保持相對穩(wěn)定。取發(fā)射藥的1/2火藥起始厚度為0.8 mm、火藥力1 180 kJ/kg、壓藥密度為1.65 g/cm、發(fā)射藥包內(nèi)的總藥量為70 g、7A04材料的剪切環(huán)最大剪切力為150 MPa時經(jīng)計算發(fā)射藥點燃0.2 ms時膛內(nèi)壓力達到300 MPa，其產(chǎn)生的氣壓推力可實現(xiàn)串聯(lián)戰(zhàn)斗部級間的快速剪切分離，滿足相對分離速度不小于100 m/s的技術(shù)要求。

3 試驗

主要進行了分離裝置靜態(tài)傳爆可靠性試驗及系統(tǒng)匹配性試驗。

3.1 靜態(tài)傳爆可靠性試驗

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test apparatus

圖4 試驗裝置實物圖Fig.4 Physical drawing of the test apparatus

試驗結(jié)果表明，5發(fā)分離裝置全部可靠起爆，裝置內(nèi)傳爆組件、傳爆藥柱、鋁導(dǎo)爆索及發(fā)射藥均可靠作用如圖5所示。

圖5 試驗后的傳爆藥柱和鋁導(dǎo)爆索Fig.5 Reliable action of the explosive column and the aluminum detonator cable

3.2 戰(zhàn)斗部靜態(tài)分離試驗

為驗證串聯(lián)戰(zhàn)斗部在分離裝置作用分離時間和相對分離速度，系統(tǒng)進行了戰(zhàn)斗部靜態(tài)分離試驗，試驗數(shù)量4發(fā)，通過高速攝像確定前后級的相對分離速度和分離時間，試驗結(jié)果見表1。

表1 戰(zhàn)斗部靜態(tài)分離試驗結(jié)果Table 1 Warhead static separation test results

試驗結(jié)果表明，4發(fā)戰(zhàn)斗部均發(fā)生可靠分離，戰(zhàn)斗部相對分離速度為125.6～143.6 m/s，分離最大時間為1.1～1.5 ms，試驗結(jié)果滿足要求。

3.3 戰(zhàn)斗部炮射分離試驗

為驗證炮擊發(fā)射環(huán)境中串聯(lián)戰(zhàn)斗部在分離裝置作用分離時間，系統(tǒng)進行了戰(zhàn)斗部炮射分離試驗，通過測速靶測定炮彈出膛口速度，然后用高速攝像記錄炮彈的分離運動過程。試驗后通過高速攝影畫面，判斷戰(zhàn)斗部的分離時間對否滿足指標要求，試驗數(shù)量2發(fā)，試驗現(xiàn)場布置見圖6。

圖6 炮射試驗現(xiàn)場布置示意圖Fig.6 Layout of the artillery firing test site

試驗后，2發(fā)戰(zhàn)斗部飛行穩(wěn)定并可靠分離，符合試驗預(yù)期，試驗結(jié)果滿足技術(shù)指標要求。

4 結(jié)論

1) 分離裝置利用導(dǎo)爆索爆轟波傳遞速度高等特點，可以對分離裝置內(nèi)發(fā)射藥包可靠點火。

2) 通過分離裝置中的“一入四出”的傳爆設(shè)計，調(diào)整炸藥量，實現(xiàn)發(fā)射藥包均勻點火，提高點火和燃燒同步性。

3) 選用弧厚較薄的3/1樟單基發(fā)射藥可提高發(fā)射藥燃燒的一致性，實現(xiàn)快速產(chǎn)生高壓，滿足戰(zhàn)斗部快速分離和加速要求。

4)分離裝置采用爆炸點火方式，可實現(xiàn)戰(zhàn)斗部在2 ms內(nèi)快速分離和加速。