抗過(guò)載長(zhǎng)秒量延期電點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究?

沈林燕 王佳茵 王保國(guó) 曾雅成 趙文虎 張彥亮 康建成

①中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院(山西太原，030051)

②太原工業(yè)學(xué)院電子工程系(山西太原，030008)

③山西北方晉東化工有限公司(山西陽(yáng)泉，045000)

④空軍裝備部駐太原地區(qū)軍事代表室(山西太原，030006)

引言

電點(diǎn)火具多用于火箭彈和火焰噴射器等的點(diǎn)火，有橋絲式、火花式和導(dǎo)電藥式等幾種類(lèi)型。彈丸侵徹目標(biāo)時(shí)，在撞擊目標(biāo)的瞬間所承受的沖擊過(guò)載加速度達(dá)1×105g以上。高過(guò)載下，同原理的橋絲電雷管受到塑性波的作用失效時(shí)，失效模式主要為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。由此可知，電點(diǎn)火具失效的主要原因是結(jié)構(gòu)變形。

孫曉霞等[1]、藺美君等[2]通過(guò)在點(diǎn)火具、雷管等火工品中添加襯墊來(lái)提高抗過(guò)載性能，雙向過(guò)載時(shí)可在兩端加入襯墊；試驗(yàn)與模擬結(jié)果表明，襯墊能有效隔離沖擊應(yīng)力波并緩沖火工品的質(zhì)量慣性。虞跨海等[3]對(duì)不同類(lèi)型的泡沫鋁進(jìn)行試驗(yàn)并仿真，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁前置可以有效降低引信在侵徹過(guò)程中承受的過(guò)載，使用復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)可以有效降低其被壓實(shí)的程度。張文平[4]設(shè)計(jì)了一種延期元件，增加了消爆空腔，為延期藥提供了一個(gè)更為穩(wěn)定的燃燒環(huán)境，提高了延期精度。李便花等[5]將某型電點(diǎn)火具的絕緣套管材料改為聚四氟乙烯，該材料可承受電壓36 kV，可抵抗腳-殼間電壓擊穿，試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后，消除了靜電隱患。

以上文獻(xiàn)從增加襯墊提高過(guò)載能力、增加消爆空腔提高延期精度、以及提高預(yù)防靜電的能力等方面進(jìn)行了研究，但關(guān)于抗過(guò)載長(zhǎng)秒量結(jié)構(gòu)的電點(diǎn)火具研究較少。本文中，在點(diǎn)火具抗過(guò)載的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)秒延期裝藥，通過(guò)結(jié)構(gòu)和防靜電設(shè)計(jì)，保證電點(diǎn)火具可靠作用。

1 設(shè)計(jì)方法與原理

該電點(diǎn)火具由發(fā)火元件、延期體、點(diǎn)火藥等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 抗過(guò)載長(zhǎng)秒量延期電點(diǎn)火具的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the anti-overload and long-second delay electric igniter

1.1 發(fā)火元件設(shè)計(jì)

發(fā)火元件為橋絲式。電點(diǎn)火具受到軸向加載，電極塞很可能發(fā)生內(nèi)陷。采用高強(qiáng)度、高硬度的鈦合金和玻璃封接設(shè)計(jì)的電極塞[1，6]。腳線為銅絲，間距4.8 mm。橋絲使用6J20鎳鉻絲，直徑50 μm，電阻2.2~2.3 Ω，安全電流200 mA，全發(fā)火電流400 mA。橋絲上壓裝點(diǎn)火藥，完成點(diǎn)火作用。在遠(yuǎn)離點(diǎn)火藥的中間部位設(shè)計(jì)空氣隙。同時(shí)，在橋絲與點(diǎn)火藥接觸的外部設(shè)置絕緣環(huán)，厚1.5 mm。

發(fā)火元件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)火元件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the ignition element

1.2 藥劑選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 引燃藥

根據(jù)秒量要求，選用慢速延期藥。該類(lèi)延期藥一般較難點(diǎn)燃。為保證作用可靠性，引燃藥選擇高能點(diǎn)火藥為宜。根據(jù)MIL—STD—1901A標(biāo)準(zhǔn)，選擇燃燒時(shí)間短、燃燒熱值較大的硼/硝酸鉀[7-8]作為引燃藥。

引燃藥部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 引燃藥的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the ignition powder

1.2.2 延期元件

延期元件主要由管殼和延期藥兩部分組成。

管殼的選擇從兩個(gè)方面考慮:一是對(duì)延期精度等有無(wú)影響；二是是否能承受高過(guò)載的沖擊。擬使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料作為延期體管殼。

在研究長(zhǎng)延期點(diǎn)火具時(shí)，延期精度和瞎火是兩大主要設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)延期時(shí)間為10~102s時(shí)，一般選用鎢系慢速延期藥。

反應(yīng)方程式

為配合長(zhǎng)秒量設(shè)計(jì)，對(duì)延期藥組分配比進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，減少鎢粉含量，減小燃速[4]。電點(diǎn)火具受到?jīng)_擊，會(huì)導(dǎo)致延期元件結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需承擔(dān)較大的拉伸應(yīng)力。添加硅藻土和聚硫密封膠黏結(jié)劑，降低燃燒溫度效應(yīng)[8]，增強(qiáng)抗過(guò)載能力，提高延期精度。延期藥的組分質(zhì)量比為m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)∶m(黏結(jié)劑)＝33∶10∶55∶2。

為提高延期元件抗過(guò)載能力，防止產(chǎn)生漏藥和反向點(diǎn)火等不利于可靠點(diǎn)火的現(xiàn)象，增加傳火可靠性，在延期元件上、下各放置一個(gè)邊緣帶缺口的紙墊片[9]。輸入端面設(shè)計(jì)為凹面，可以收容燃燒產(chǎn)生的氣體[10]，當(dāng)遇到超高過(guò)載時(shí)，能防止針刺面直接受力，提高抗過(guò)載能力。

延期元件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 延期元件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of the delay element

1.2.3 點(diǎn)火藥

黑火藥難以點(diǎn)燃一些鈍感的火藥或煙火劑，當(dāng)延期藥發(fā)火點(diǎn)比較高或者難以點(diǎn)燃時(shí)，通常選用高熱效應(yīng)混合藥劑，減少點(diǎn)火藥用量。

秒級(jí)延期藥的火焰感度較低，一般需要裝火焰感度高的點(diǎn)火藥起引燃作用。聚四氟乙烯擁有良好的緩沖性能[1]，可提高整體抗過(guò)載能力，選用m(聚四氟乙烯)∶m(鋁)∶m(鎂)＝40∶30∶30的點(diǎn)火藥，并在殼體內(nèi)壁涂蟲(chóng)膠漆防潮。

1.3 抗過(guò)載設(shè)計(jì)

從整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和增加緩沖材料兩方面考慮。

火工品整體采用收口結(jié)構(gòu)，防止藥劑的沖擊竄動(dòng)和躥火問(wèn)題。典型橋絲式電火工品的過(guò)載加速度約為1×105g[6]，電點(diǎn)火具整體質(zhì)量不宜過(guò)重，在電點(diǎn)火具內(nèi)部增設(shè)緩沖材料，并盡可能減小系統(tǒng)體積。電點(diǎn)火具殼體采用復(fù)式結(jié)構(gòu)(內(nèi)外雙殼)，內(nèi)管為厚0.2 mm的鋁殼，外殼為2 mm厚的鎳銅殼，有效提高了抗過(guò)載性能。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是過(guò)載的主要影響因素，電點(diǎn)火具軸向受力，因此主要考慮軸向過(guò)載引起的結(jié)構(gòu)變形。開(kāi)孔泡沫鋁性能優(yōu)異，緩沖效果好[11]，故在延期體輸出端設(shè)計(jì)厚1.5 mm、內(nèi)徑2.0 mm、外徑7.5 mm的環(huán)狀泡沫鋁減緩沖擊過(guò)載，外包一層不銹鋼薄板。

1.4 防靜電設(shè)計(jì)

堵式和泄式是經(jīng)常使用的預(yù)防靜電的方法。堵式最常用的是在易擊穿位置設(shè)置絕緣環(huán)；泄式則是在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)出一條保護(hù)通道，腳-殼間靜電能量早于危險(xiǎn)通道泄放，從而起到保護(hù)作用。一般堵和泄結(jié)合使用[12]。

由于擊穿不是瞬時(shí)完成的，而空氣具有良好的擊穿重復(fù)性，在發(fā)火件中部預(yù)留空氣隙作為泄放通道。同時(shí)，在過(guò)渡藥和殼體之間采用環(huán)氧樹(shù)脂作為絕緣環(huán)，厚度為1.5 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算、試驗(yàn)與仿真結(jié)果

2.1.1 發(fā)火安全性計(jì)算

當(dāng)發(fā)火元件通入直流電流I且輸入功率很低時(shí)，橋絲溫度不變，發(fā)火元件構(gòu)成穩(wěn)態(tài)條件[8]，忽略藥劑反應(yīng)放熱和橋絲熱散失，存在

式中:Q1表示通電所產(chǎn)生的熱量，J；Q2表示橋絲升溫所吸收的熱量，J；Q3表示藥劑升溫所吸收的熱量，J；I表示通過(guò)橋絲的電流，A；R表示橋絲電阻，Ω；c1表示橋絲的比熱容，J/(g·K)；m1表示橋絲質(zhì)量，g；c2表示藥劑的比熱容，J/(g·K)；m2表示藥劑的質(zhì)量，g；T1表示常溫，K；T2表示橋絲的最高溫度，K。

已知橋絲電阻約為2.25 Ω、比熱容為0.460 J/(g·K)、質(zhì)量為0.08 mg，藥劑的比熱容為0.864 J/(g·K)、質(zhì)量為120 mg，求得T2為568.15 K。硼/硝酸鉀反應(yīng)溫度803 K左右。從計(jì)算結(jié)果上看，設(shè)計(jì)的電點(diǎn)火具滿足安全性要求。

2.1.2 延期體長(zhǎng)度計(jì)算

藥芯直徑3.50 mm，壓藥壓力205 MPa，分次、定量、定壓裝藥[4]。藥劑密度約3.02 g/cm3，燃速約1.85 mm/s，延期體長(zhǎng)度為27 mm，理論延期時(shí)間可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.4 靜電泄放計(jì)算

保護(hù)通道長(zhǎng)0.8 mm，空氣隙介電強(qiáng)度為3.93 kV/mm，擊穿電壓為0.8×3.93＝3.144(kV)；危險(xiǎn)通道長(zhǎng)1 mm，聚四氟乙烯介電強(qiáng)度為25 kV/mm，擊穿電壓為1×25＝25(kV)。危險(xiǎn)通道與保護(hù)通道的擊穿電壓之比大于4，能夠可靠泄放靜電。

2.1.5 引燃藥的影響

為保證引燃藥與長(zhǎng)秒量延期藥的能量相匹配，并可靠點(diǎn)火，選用純度(95%)更高、粒度(0.5~1.0 μm)更小的硼原料，設(shè)計(jì)并制備了一種熱敏感型硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥，松裝藥量(0.060±0.005)g，裝藥密度2.7 g/cm3，硼粉和硝酸鉀選用分析純，純度≥99.5%，粒度為300目，混藥時(shí)間40 min。對(duì)該引燃藥爆發(fā)點(diǎn)、感度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并與許用硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 熱敏感型硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥和許用硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥的性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of heat sensitive B/KNO3 ignition powder and allowable B/KNO3 ignition powder

2.1.6 延期體管殼材料和厚度的影響

選用鎢系延期藥，質(zhì)量比m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)＝42∶8∶50。選取黃銅、鋼、膠木和有機(jī)玻璃4種材料進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觯瑢?duì)比結(jié)果如表2所示。分別選擇壁厚為2、4、12 mm的金屬鋼管殼進(jìn)行試驗(yàn)[13]，結(jié)果如表3所示。

表2 管殼材料對(duì)延期藥燃速的影響Tab.2 Influence of shell materials on burning rate of the delay composition

表3 管殼壁厚對(duì)延期藥燃速的影響Tab.3 Influence of shell wall thickness on burning rate of the delay composition

2.1.7 泡沫鋁仿真

為檢驗(yàn)泡沫鋁的緩沖性能，利用ANSYS/LSDYNA進(jìn)行仿真[3]。泡沫鋁使用Crushable本構(gòu)模型，直徑3 mm，厚度2 mm；上、下兩端各有一塊不銹鋼板，直徑3 mm，厚度0.2 mm。上側(cè)剛體以1 mm/s的速度勻速向下移動(dòng)，作用時(shí)間1 s。仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

使用LS-PrePost軟件進(jìn)行后處理分析，在上端、下端鋼板各取一測(cè)點(diǎn)A、B，分別代表緩沖前、緩沖后的受力大小，泡沫鋁受壓狀態(tài)和A、B兩點(diǎn)受力大小如圖6、表4所示。

圖6 泡沫鋁受壓示意圖Fig.6 Compression diagram of foam aluminum

表4 測(cè)點(diǎn)隨剛體移動(dòng)的受壓情況Tab.4 Compression of measuring points with rigid body movement

2.2 分析與討論

對(duì)試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

1)與許用硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥(GJB 6217—2008)相比較，熱敏感型硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥中硼粉純度提高、雜質(zhì)減少、粒度減小，而使組分接觸面積增大，導(dǎo)熱性更好，外界的火焰沖擊傳遞給藥劑的能量被快速釋放到環(huán)境中。因此，由表1可知，熱敏感型硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥的5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)、火焰感度均降低，燃燒熱提高了0.575 kJ/g，約9.2%。使用該熱敏感型點(diǎn)火藥作引燃藥，可以滿足電點(diǎn)火具需求。

2)由表2和表3可知:延期藥在膠木、有機(jī)玻璃等有機(jī)材料中的燃速比在金屬材料中低，但延期精度遠(yuǎn)不如在金屬材料中高；當(dāng)管殼厚度增加時(shí)，管壁吸收更多熱量，反應(yīng)區(qū)溫度降低，燃速減緩。

3)由表4可知，A、B兩點(diǎn)所受壓力先增大、后減小。剛體位移0.60~0.65 mm時(shí)，A點(diǎn)壓力大小約為B點(diǎn)的5倍；位移0.70 mm時(shí)，A點(diǎn)受力達(dá)到最大值60 kPa；位移0.80~1.00 mm時(shí)，A點(diǎn)受力變化不大，B點(diǎn)受力不改變。在位移0~0.75 mm部分，B點(diǎn)壓力梯度(單位路程長(zhǎng)度上的壓力變化)均遠(yuǎn)小于A點(diǎn)壓力梯度，證明泡沫鋁具有優(yōu)異的緩沖性能，可以滿足抗過(guò)載要求。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種抗過(guò)載長(zhǎng)秒量延期的電點(diǎn)火具。

1)從整體結(jié)構(gòu)安排、壓藥方式、藥劑機(jī)械強(qiáng)度、增加緩沖材料和密封圈、管殼材料等方面綜合考慮，該電點(diǎn)火具使用鎳銅外殼，保證其抗過(guò)載性能，并在內(nèi)部設(shè)計(jì)了泡沫鋁緩沖材料，厚度為1.5 mm。

2)通過(guò)在點(diǎn)火藥和延期藥間加入少量過(guò)渡藥，同時(shí)增加延期藥壓藥密度的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延期，延期體長(zhǎng)度為27 mm，慢速延期藥選用鎢系延期藥，可達(dá)到(14.0±0.5)s的長(zhǎng)秒量延期要求。

3)堵、泄結(jié)合預(yù)防靜電。在點(diǎn)火藥和殼體之間設(shè)計(jì)1.5 mm寬的絕緣環(huán)，在電極塞中部設(shè)計(jì)0.2 mm寬的空氣隙，可以有效泄放靜電。