某型特種彈發(fā)光異常研究

李便花,潘會(huì)平,王 艷,陳麗娟,孫宏濤,申 佳

(1.山西北方晉東化工有限公司,山西 陽泉 045000;2.陸軍駐太原地區(qū)第三軍代室,山西 太原 030000)

隨著高新技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和作戰(zhàn)需求的不斷提升,武器裝備呈現(xiàn)信息化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化體系協(xié)同,但作戰(zhàn)環(huán)境的電磁干擾、電磁屏蔽等復(fù)雜的電磁環(huán)境,對(duì)以信息技術(shù)為主導(dǎo)的作戰(zhàn)指令、互聯(lián)互通的信息傳遞形成了較大的安全威脅,甚至可能貽誤戰(zhàn)機(jī),造成不可預(yù)估的后果。在作戰(zhàn)中,如電信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)出現(xiàn)“空白”時(shí),常規(guī)信號(hào)彈藥具有不可替代的作用[1],由光色和發(fā)射數(shù)量組合下達(dá)的指令信息能夠準(zhǔn)確傳達(dá),不受環(huán)境影響,且攜帶方便,操作簡單。

1 產(chǎn)品故障及危害

特種彈一般指利用煙火劑或其他裝填物產(chǎn)生的光、色、聲、熱、煙和電磁等效應(yīng),完成信號(hào)指示、縱火、照明、施放煙幕、電子偵察與干擾等特種作戰(zhàn)任務(wù)的彈藥的總稱,是不依賴于炸藥爆炸或聚能效應(yīng)直接毀傷目標(biāo)而完成某些特殊戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的彈藥[2]。該特種彈是利用其燃燒產(chǎn)生的光色,通過遠(yuǎn)距離識(shí)別,實(shí)施地面信號(hào)聯(lián)絡(luò)和目標(biāo)指示。

1.1 故障描述

某型特種彈在交驗(yàn)過程中抽取樣品114發(fā)(其中高溫32發(fā),低溫32發(fā),勤務(wù)性能項(xiàng)目50發(fā))進(jìn)行功能試驗(yàn),常溫及高溫均未發(fā)現(xiàn)故障,低溫試驗(yàn)時(shí),產(chǎn)品到達(dá)預(yù)定高度,出現(xiàn)2發(fā)星光體燃燒時(shí)間不足2 s,試驗(yàn)終止。

1.2 故障危害

該特種彈是通過燃燒產(chǎn)生不同光色進(jìn)行信號(hào)傳遞的一種彈藥。如果在發(fā)射過程中出現(xiàn)燃燒時(shí)間不足故障,信號(hào)不能準(zhǔn)確傳遞或形成錯(cuò)誤信號(hào),使指令不能正常下達(dá)或指令下達(dá)錯(cuò)誤,就會(huì)給戰(zhàn)爭(zhēng)帶來不可想象的后果。

2 原因分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用原理

2.1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該型特種彈由保護(hù)套、頂蓋、筒體、發(fā)火件、助推劑和星光體(基本藥)等組成(見圖1)。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 作用原理

該型特種彈使用時(shí),取掉產(chǎn)品保護(hù)套及頂蓋,發(fā)火件發(fā)火點(diǎn)燃助推劑,助推劑燃燒氣體產(chǎn)生反作用力,使特種彈飛向高空,推進(jìn)劑燃完的瞬間點(diǎn)燃基本藥,基本藥燃燒產(chǎn)生光色,實(shí)施地面的信號(hào)聯(lián)絡(luò)和目標(biāo)指示。

2.2 原因排查

2.2.1 生產(chǎn)過程排查

1)操作人員。

故障發(fā)生后,對(duì)制藥、壓藥及裝配操作人共計(jì)42名進(jìn)行了排查,操作人員均在本崗位工作3年以上,在生產(chǎn)之前均進(jìn)行了工藝培訓(xùn),并考試合格取得了操作合格證。操作人員未見異常。

2)工裝、設(shè)備。

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中使用高速粉碎機(jī)、干料混合機(jī)、濕料混合機(jī)、天平及壓藥模具等工裝設(shè)備,故障發(fā)生后對(duì)其檢定及運(yùn)行情況進(jìn)行了排查。設(shè)備及工裝均有檢定合格證。高速粉碎機(jī)、干料混合機(jī)的設(shè)備運(yùn)行記錄表中均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備有異常情況,濕料混合機(jī)為生產(chǎn)星光體基本藥設(shè)備,在故障批產(chǎn)品生產(chǎn)過程中設(shè)備運(yùn)行記錄表中有斷電停機(jī)約3.5 h的記錄。經(jīng)對(duì)操作人員詢問,濕料混合機(jī)在意外斷電后,生產(chǎn)分廠及設(shè)備維修部門進(jìn)行了檢查并對(duì)故障線路進(jìn)行了維修,設(shè)備恢復(fù)后,在技術(shù)人員的指導(dǎo)下,未深入對(duì)藥劑質(zhì)量進(jìn)行辨識(shí)及處理,根據(jù)藥劑狀態(tài)下達(dá)了繼續(xù)混制的指令。濕料混合機(jī)在生產(chǎn)過程存在意外斷電異常情況。

3)原材料。

故障批所用原材料有氧化劑、還原劑、粘合劑、鋁粉、高密度聚乙烯等共計(jì)27種,7種外購件,通過對(duì)原材料及外購件進(jìn)行逐一排查,故障批用原材料均有合格證并經(jīng)入廠復(fù)驗(yàn)合格。原材料未見異常。

4)工藝過程控制。

根據(jù)產(chǎn)品故障現(xiàn)象,對(duì)星光體用基本藥劑生產(chǎn)過程、壓藥過程及裝配過程進(jìn)行了排查。通過對(duì)基本藥劑制備各組份衡量記錄進(jìn)行檢查,其氧化劑、還原劑、粘合劑均在配方要求的公差范圍之內(nèi),未見異常;檢查制備藥劑過程工藝記錄,藥劑干混記錄為25 min,符合工藝時(shí)間要求,未見異常;藥劑濕混記錄為30 min,但備注中記錄為10 min+20 min,經(jīng)對(duì)操作人員詢問,藥劑濕混過程中,設(shè)備啟動(dòng)10 min后發(fā)生故障停止運(yùn)轉(zhuǎn),設(shè)備故障清除后,在技術(shù)人員的指導(dǎo)下按照工藝條件要求,繼續(xù)對(duì)藥劑進(jìn)行20 min的混制,與日常藥劑連續(xù)濕混30 min存在差異;檢查藥劑壓藥記錄,藥量記錄為(m1-0.06)～(m1+0.07) g,壓力為p,壓藥保壓時(shí)間為t1,符合藥量(m1±0.1) g、壓力(p±1) MPa及保壓時(shí)間(t1±5) s的工藝規(guī)定,壓藥過程未見異常;檢查裝配過程記錄,生產(chǎn)中采用定量發(fā)料模式進(jìn)行裝配,產(chǎn)品零部件裝配齊全,裝配過程無異常。因此工藝過程控制未見異常。

5)環(huán)境控制。

對(duì)制藥、壓藥及裝配工房溫度、相對(duì)濕度控制情況進(jìn)行了檢查。溫度為19～25 ℃,符合15～35 ℃的工藝要求;相對(duì)濕度為41%～53%,符合40%～70%的相對(duì)濕度工藝要求。生產(chǎn)環(huán)境控制未見異常。

6)檢測(cè)控制。

對(duì)故障批產(chǎn)品檢測(cè)過程進(jìn)行了排查。故障批用星光體制成型后使用天平(精度為0.01 g)和專用高度量規(guī)進(jìn)行100%質(zhì)量及高度檢測(cè),合格后抽取5發(fā)進(jìn)行了主波長、發(fā)光強(qiáng)度、靜態(tài)燃燒時(shí)間檢測(cè),檢測(cè)儀器均經(jīng)檢定合格,其中主波長為(λ1+65)～(λ1+102) nm,符合λ1～(λ1+130) nm要求,發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果為(λ1+3 248)～(λ1+8 576) cd,符合不低于λ1的技術(shù)要求,靜態(tài)燃燒時(shí)間為(t2+3)～(t2+7) s,符合不低于t2的技術(shù)要求。星光體靜態(tài)檢測(cè)過程控制未發(fā)現(xiàn)異常。星光體隨機(jī)抽取10發(fā)裝配成品進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn),2名操作人員同時(shí)進(jìn)行時(shí)間檢測(cè),燃燒時(shí)間為(t3+1)～(t3+6) s,符合燃燒時(shí)間≥t3的要求。在產(chǎn)品性能測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)異常。

7)小結(jié)。

根據(jù)對(duì)生產(chǎn)過程的排查,星光體用基本藥劑在濕混約10 min時(shí)設(shè)備意外斷電,停止混制,約3.5 h后設(shè)備故障解除,技術(shù)人員根據(jù)藥劑外觀質(zhì)量狀態(tài)決定繼續(xù)完成20 min濕混。與正常生產(chǎn)存在差異,需進(jìn)一步分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.2 故障樹排查

為進(jìn)一步排查引起該次特種彈發(fā)光異常故障的原因,建立了故障樹[3](見圖2),并對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行排查。

圖2 發(fā)光異常故障樹

1)觀察誤差。

在故障批產(chǎn)品性能試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及(L+5) km處同時(shí)進(jìn)行觀察,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)星光體動(dòng)態(tài)燃燒時(shí)間,(L+5) km處進(jìn)行光色辨別。兩發(fā)故障產(chǎn)品在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的記錄為不足2 s,(L+5) km處記錄為剛發(fā)現(xiàn)光色,光色馬上消失,無持續(xù)時(shí)間。根據(jù)兩處記錄,排除了觀察誤差因素。

2)推進(jìn)劑(助推劑)點(diǎn)火能力弱。

星光體是由推進(jìn)劑(助推劑)點(diǎn)燃并推出筒體,如果推進(jìn)劑點(diǎn)火能力弱,有可能會(huì)出現(xiàn)無法點(diǎn)燃星光體或星光體燃燒不足現(xiàn)象。影響推進(jìn)劑(助推劑)點(diǎn)火能力的兩個(gè)因素為推進(jìn)劑(助推劑)藥量少和藥劑水分超出X%要求[4]。

對(duì)推進(jìn)劑(助推劑)藥量及水分進(jìn)行檢查。推進(jìn)劑(助推劑)在稱藥前水分分析結(jié)果為(X-0.6)%,符合水分不超出X%的要求;推進(jìn)劑(助推劑)首件檢驗(yàn)和生產(chǎn)過程每1 h藥量檢查記錄,藥量為(m2-0.08)～(m2+0.1) g,符合藥量(m2±0.2) g的技術(shù)要求。排除了推進(jìn)劑(助推劑)點(diǎn)火能力弱的因素。

3)星光體燃速高。

形成星光體本身燃燒速度較高的兩個(gè)因素為星光體藥劑少和星光體高度超出H規(guī)定。對(duì)星光體藥量、高度尺寸進(jìn)行追溯,藥量記錄為(m1-0.06)～(m1+0.07) g,高度尺寸記錄為(H-0.12)～(H-0.04) mm,符合藥量(m1±0.1) g、高度不超過H的規(guī)定。另星光體靜態(tài)燃燒時(shí)間為(t2+3)～(t2+7) s,符合不低于t2的技術(shù)要求。排除了星光體燃速高的因素[5]。

4)星光體強(qiáng)度不足。

星光體在推進(jìn)劑(助推劑)將其點(diǎn)燃并推出筒體時(shí),如果強(qiáng)度不足,推進(jìn)劑(助推劑)形成的點(diǎn)火壓力將星光體沖擊為碎塊,導(dǎo)致星光體瞎火或小塊燃燒,燃燒時(shí)間大幅降低[6]。形成星光體強(qiáng)度不足的兩個(gè)因素為粘合劑少和粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)間不充分。粘合劑是由環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂兩組分組成,通過兩組分充分混合交聯(lián)固化增強(qiáng)星光體強(qiáng)度。對(duì)藥劑制備過程進(jìn)行追溯,藥劑混制時(shí),記錄為環(huán)氧樹脂(m3-1.2) g,聚酰胺樹脂(m4+2) g,符合環(huán)氧樹脂(m3±5) g,聚酰胺樹脂(m4±5) g的要求;查藥劑制備過程時(shí),有設(shè)備停機(jī)約3.5 h記錄,因此藥劑為非連續(xù)混制,影響粘合劑環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂充分混合。因此不排除因粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)間不充分而導(dǎo)致星光體強(qiáng)度不足的因素。

5)小結(jié)。

通過故障樹因素排查分析,由于設(shè)備故障,藥劑非連續(xù)進(jìn)行混制,導(dǎo)致環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂未充分混合,降低了粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時(shí)間,使星光體強(qiáng)度不足因素需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)排查結(jié)果,對(duì)藥劑不連續(xù)生產(chǎn)的異常情況是否導(dǎo)致產(chǎn)品故障進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證方案

試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行了藥劑制備、星光體壓制、星光體靜態(tài)燃燒時(shí)間檢測(cè)、星光體抗壓力檢測(cè)及星光體動(dòng)態(tài)燃燒時(shí)間檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 機(jī)理分析

環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂單獨(dú)存放時(shí)不會(huì)發(fā)生固化反應(yīng),兩者按照相應(yīng)比例充分混合后發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)[7]。反應(yīng)方程式如圖3所示。

圖3 反應(yīng)方程式

星光體用基本藥生產(chǎn)時(shí),物料與膠液混合10 min后,設(shè)備意外斷電,藥劑混合終止,環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂已在藥劑干粉中分散但未充分混合,設(shè)備停滯約3.5 h過程中,聚酰胺樹脂中胺揮發(fā)損失,胺值降低,影響兩樹脂固化形成的長鏈交聯(lián)質(zhì)量,降低了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,導(dǎo)致星光體強(qiáng)度不足,在推進(jìn)劑(助推劑)作用下碎裂,燃燒時(shí)間短。尤其是在低溫條件下,星光體強(qiáng)度不足,在壓力沖擊下更易破碎,加之低溫傳火能量較低,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)形成星光體瞎火。

5 采取措施及舉一反三

5.1 措施

根據(jù)排查結(jié)果及故障因素試驗(yàn)驗(yàn)證,采取了如下措施。

1)基本藥制造工藝中明確濕混過程必須連續(xù)進(jìn)行的要求。

2)完善異常情況應(yīng)急管理處置要求。遇到停電、機(jī)械故障等突發(fā)異常情況時(shí),藥劑混全中斷,該自然批藥劑作報(bào)廢處理。

3)該特種彈在研發(fā)過程中共計(jì)試驗(yàn)樣品近2 000余發(fā),均未出現(xiàn)類似故障,試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)選用的科研批星光體為該特種彈定型批用星光體,產(chǎn)品定型試驗(yàn)800余發(fā)均未出現(xiàn)此類問題,因此在批生產(chǎn)過程中,為降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),以定型批星光體靜壓力值為最低控制要求,在主要原材料換批時(shí),開批試驗(yàn)項(xiàng)目、每個(gè)批驗(yàn)收增加星光體常溫靜壓力測(cè)試,規(guī)定靜壓力要求不小于N,每次試驗(yàn)2發(fā)。

5.2 措施驗(yàn)證

1)連續(xù)生產(chǎn)40個(gè)批次基本藥,分別進(jìn)行了靜壓力試驗(yàn),共計(jì)80發(fā),壓力范圍為(N+0.4)～(N+1.6) kN。

2)對(duì)上述40個(gè)批次藥劑進(jìn)行了靜態(tài)燃燒時(shí)間試驗(yàn),共計(jì)200發(fā),燃燒時(shí)間為(t2+1)～(t2+6) s,符合技術(shù)要求。

3)對(duì)上述40個(gè)批次藥劑進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)試驗(yàn),高溫環(huán)境800發(fā),燃燒時(shí)間為(t3+1)～(t3+6) s;低溫環(huán)境為800發(fā),燃燒時(shí)間為(t3+2)～(t3+8) s;常溫環(huán)境為800發(fā),燃燒時(shí)間為(t3+2)～(t3+7) s;且未出現(xiàn)星光體發(fā)光異?，F(xiàn)象。

5.3 舉一反三

1)在類似藥劑制備工藝規(guī)程中規(guī)定,藥劑混制過程中一旦出現(xiàn)混制中斷,該藥劑不再用于產(chǎn)品裝配。

2)藥劑原材料換批生產(chǎn)時(shí)必須進(jìn)行小樣性能試驗(yàn),符合產(chǎn)品技術(shù)要求后方可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)該特種彈發(fā)光異常是由于基本藥在生產(chǎn)過程中設(shè)備突然斷電,藥劑混合停滯導(dǎo)致環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂固化交聯(lián)反應(yīng)不充分,使星光體強(qiáng)度不足,在點(diǎn)火壓力作用下破碎而形成的。

2)生產(chǎn)過程異常情況一定要進(jìn)行充分安全及質(zhì)量分險(xiǎn)分析,規(guī)避成品質(zhì)量隱患。

3)設(shè)計(jì)是質(zhì)量的源頭,要對(duì)其點(diǎn)火、傳火等序列的能量進(jìn)行合理分配,且進(jìn)行邊界條件的試驗(yàn)驗(yàn)證,給生產(chǎn)留有充足的裕度。