感應(yīng)制熱式彈丸裝藥倒空技術(shù)安全性分析與設(shè)計(jì)*

向紅軍，雷 彬，邢彥昌

(解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

0 引言

彈藥是一種戰(zhàn)時(shí)大量消耗的裝備，平時(shí)必須進(jìn)行大量的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。超過(guò)儲(chǔ)存期或質(zhì)量顯著下降的彈藥將成為報(bào)廢彈藥，這些報(bào)廢彈藥如果不能得到及時(shí)有效處理，將給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重影響，同時(shí)也會(huì)造成儲(chǔ)運(yùn)和維護(hù)成本增大，因此報(bào)廢彈藥處理是一項(xiàng)長(zhǎng)期性和經(jīng)常性工作，而對(duì)彈丸中的裝藥進(jìn)行有效處理又是報(bào)廢彈藥處理的關(guān)鍵。

目前裝藥彈體的倒空方法主要有蒸汽加熱倒藥法、預(yù)熱挖藥法、高壓水射流倒藥等幾種處理方法。蒸汽加熱倒藥法主要用于低熔點(diǎn)裝藥倒空，而且倒藥時(shí)會(huì)產(chǎn)生冷凝廢水，對(duì)環(huán)境造成二次污染;預(yù)熱挖藥法效率太低、工作強(qiáng)度大;高壓水射流倒藥法存在處理效率低、產(chǎn)生大量污染廢水、倒藥成本較高等不足［1-2］。文中針對(duì)彈丸裝藥倒空需要，提出了一種基于電磁感應(yīng)制熱原理的彈丸裝藥倒空方法，并結(jié)合彈丸裝藥的燃爆特性，重點(diǎn)對(duì)該方法使用過(guò)程中的安全性進(jìn)行了分析。

1 電磁制熱基本原理

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)通過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，并產(chǎn)生感應(yīng)電流Ic(即渦流)。因?yàn)榻饘俚碾娮韬苄。圆淮蟮母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)便可產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流。渦流流過(guò)導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生R(R表示導(dǎo)體的等效電阻)的電功率熱消耗，使導(dǎo)體溫度上升，達(dá)到加熱目的［3］。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁感應(yīng)制熱的工作原理，給出感應(yīng)制熱式彈丸倒藥裝置的初步設(shè)計(jì)方案，其加熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由加熱線圈、保護(hù)外殼以及外部電源等構(gòu)成。

圖1 感應(yīng)制熱器

系統(tǒng)的工作過(guò)程為:首先將待倒空的彈丸置于感應(yīng)制熱器的腔體內(nèi)，然后利用電力電子變換系統(tǒng)將市電轉(zhuǎn)換成直流電，并經(jīng)過(guò)功率開(kāi)關(guān)管IGBT后，提供給感應(yīng)制熱器。IGBT受驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制而導(dǎo)通和關(guān)斷，從而在感應(yīng)制熱器的加熱線圈中產(chǎn)生高頻電流，同時(shí)通過(guò)加熱線圈激發(fā)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)［4］。在高頻磁場(chǎng)的作用下，置于感應(yīng)制熱器內(nèi)部的鐵質(zhì)彈丸表面會(huì)產(chǎn)生渦流，彈丸表面的渦流損耗將以熱能的形式對(duì)彈丸裝藥進(jìn)行傳導(dǎo)加熱。在彈丸內(nèi)壁，由于裝藥的溫度較高，因而會(huì)率先熔化，使得裝藥在重力作用下整體脫落彈丸內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)整體倒藥。

為提高倒藥效率，可將多個(gè)感應(yīng)制熱器并聯(lián)到一起，形成加熱倒藥箱，同時(shí)對(duì)多發(fā)彈丸裝藥進(jìn)行倒空。

3 系統(tǒng)安全性分析與設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的工作原理可以看出，其本質(zhì)上和電磁爐相似，但由于彈丸裝藥是一種具有燃爆特性的特殊物質(zhì)，因此對(duì)其加熱過(guò)程中，必須要防止電磁制熱裝置失控或彈丸裝藥過(guò)熱而導(dǎo)致安全事故，因此在系統(tǒng)研制過(guò)程中，首先要對(duì)基于該技術(shù)的安全性進(jìn)行深入研究。

3.1 安全性分析

由于感應(yīng)制熱器對(duì)彈丸的加熱過(guò)程并不是直接加熱，而是一種傳導(dǎo)加熱，因此炸藥的熱積累需要一定的時(shí)間，彈丸裝藥的溫度在加熱過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生突變。同時(shí)，系統(tǒng)在工作時(shí)，并不是對(duì)整體裝藥進(jìn)行加熱，而是對(duì)彈丸內(nèi)壁處的裝藥先進(jìn)行加熱，當(dāng)彈丸內(nèi)壁處的裝藥達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，裝藥在重力作用下會(huì)整體掉出，因此一般不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱的情況。

此外，對(duì)于不同炸藥來(lái)說(shuō)，炸藥熔點(diǎn)和發(fā)火點(diǎn)之間一般存在較大的溫度緩沖區(qū)間，因此在加熱過(guò)程中，彈丸裝藥開(kāi)始熔化時(shí)，即使有局部過(guò)熱的情況，溫度還沒(méi)有上升到炸藥發(fā)火條件時(shí)，彈丸裝藥已經(jīng)整體掉出。同時(shí)，對(duì)于一些柱裝藥彈丸，只需要加熱使粘結(jié)劑熔化就可實(shí)現(xiàn)倒藥，而粘結(jié)劑的熔點(diǎn)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于炸藥的熔點(diǎn)，所以炸藥還未熔化就可能已經(jīng)在重力作用下掉出［5］。

因此，從理論上分析，采用電磁感應(yīng)制熱式彈丸裝藥倒空技術(shù)，可以確保應(yīng)用過(guò)程中的安全性。

3.2 安全性設(shè)計(jì)

為防止系統(tǒng)工作異常造成意外事故，需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全防護(hù)裝置。本系統(tǒng)采用多套獨(dú)立的溫度監(jiān)控和安全報(bào)警裝置，對(duì)系統(tǒng)的溫度實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止加熱過(guò)程出現(xiàn)失控。

首先在感應(yīng)制熱器的內(nèi)表面設(shè)置多點(diǎn)溫度傳感器。由于熱敏電阻具有較高的靈敏度，較大的測(cè)溫范圍，因此選擇熱敏電阻作為系統(tǒng)的溫度傳感器。通過(guò)熱敏電阻實(shí)時(shí)測(cè)得彈丸殼體外表面的溫度，并將溫度值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給測(cè)控系統(tǒng)的CPU，根據(jù)殼體傳熱模型，可以計(jì)算出彈丸內(nèi)壁處的炸藥溫度，一旦溫度達(dá)到倒藥方案中設(shè)置的數(shù)值，即斷開(kāi)加熱電源開(kāi)關(guān)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示系統(tǒng)過(guò)熱，需要切斷電源停止加熱。典型的基于熱敏電阻的溫控電路如圖2所示。

圖2 彈丸殼體外表面溫度檢測(cè)電路

熱敏電阻TRLD與電阻R1分壓，該點(diǎn)電壓變化反映了熱敏電阻阻值的變化，即彈丸殼體外表面的溫度變化。該電壓經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后送入測(cè)控系統(tǒng)的CPU，由CPU監(jiān)測(cè)該電壓的變化，并具有以下功能［6］:

①當(dāng)系統(tǒng)處于定溫功能時(shí)，控制加熱指令，令被加熱物體溫度恒定在指定范圍內(nèi)。

②當(dāng)彈丸殼體外表面溫度高于設(shè)定值時(shí)，加熱立即停止，并報(bào)知信息。

③當(dāng)感應(yīng)制熱器中沒(méi)有放置彈丸時(shí)，加熱一分鐘并停止加熱，并報(bào)知信息。

④當(dāng)熱敏電阻開(kāi)路或短路時(shí)，發(fā)出不啟動(dòng)指令，并報(bào)知相關(guān)的信息。

此外，還可以在利用空氣溫度檢測(cè)電路對(duì)感應(yīng)加熱倒藥箱附近的空氣進(jìn)行間接測(cè)量，當(dāng)測(cè)得的溫度超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)，給出相應(yīng)的報(bào)警指令，其典型電路如圖3所示。

圖3 空氣溫度檢測(cè)電路

圖3中，空氣溫度通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT1與電阻R4阻值的變化間接反映空氣溫度的變化［6］。電壓變化反映了熱敏電阻阻值的變化，即空氣溫度的變化。該電壓變化經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器送入控制系統(tǒng)的CPU，由CPU根據(jù)空氣溫度判定系統(tǒng)的工作溫度，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

除了利用溫度傳感器對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以外，還可以利用計(jì)時(shí)器對(duì)加熱時(shí)間進(jìn)行控制。從前面對(duì)溫度的分析可知，系統(tǒng)工作過(guò)程是一種傳導(dǎo)加熱，炸藥溫度的上升是熱量積累的結(jié)果。在相同加熱條件下，對(duì)同一種彈丸裝藥，要達(dá)到相同的溫度所需要的加熱時(shí)間基本一致，因此通過(guò)數(shù)值仿真和多次驗(yàn)證試驗(yàn)得到某種彈丸裝藥的加熱時(shí)間后，可以將該時(shí)間的平均值作為該種型號(hào)彈丸裝藥倒空的時(shí)間基準(zhǔn)，并以該時(shí)間作為控制感應(yīng)制熱倒藥系統(tǒng)的工作時(shí)間。當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)的CPU發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)停止加熱。

此外，為提高全系統(tǒng)的安全性，在加熱出現(xiàn)失控情況下，還可利用自動(dòng)噴淋裝置，對(duì)彈丸裝藥進(jìn)行強(qiáng)制物理降溫。

根據(jù)上述分析，可給出由溫度傳感器陣列、加熱時(shí)間計(jì)時(shí)器、自動(dòng)噴淋裝置等構(gòu)成的安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其基本原理如圖4所示。

圖4 安全保護(hù)系統(tǒng)

3.3 基本倒藥流程

彈丸裝藥的種類很多，包括單質(zhì)炸藥、混合炸藥，不同炸藥具有不同的物理化學(xué)特性，因此對(duì)于不同的彈丸裝藥和彈丸類型，要根據(jù)其物化特性，通過(guò)數(shù)值仿真分析、原理驗(yàn)證試驗(yàn)給出標(biāo)準(zhǔn)化的加熱方案，明確某類型彈丸裝藥倒空需要的系統(tǒng)加熱時(shí)間、彈丸殼體表面溫度等參數(shù)。

以某型彈的梯黑鋁柱裝藥為例，給出其倒藥過(guò)程。梯黑鋁裝藥的主要成分為梯恩梯、黑索金和鋁粉，其中TNT的熔點(diǎn)為80.9℃，發(fā)火溫度為275℃，爆燃點(diǎn)為300℃;黑索金的熔點(diǎn)為204℃;鋁粉的熔點(diǎn)660℃，由于該裝藥是柱裝藥，因此只需要將彈丸內(nèi)壁溫度加熱到90℃ ～100℃左右，即可使混合炸藥軟化，并與彈丸的彈壁脫離，從而將梯黑鋁炸藥順利從彈底口部倒出。在加熱倒空過(guò)程中，黑索今和鋁粉均不會(huì)受熱分解。

其工作流程如圖5所示，首先在控制系統(tǒng)中選擇該型號(hào)的梯黑鋁柱裝藥，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定溫度閾值為100℃、總的加熱時(shí)間為5 min(根據(jù)加熱功率設(shè)定)，然后啟動(dòng)電源對(duì)其進(jìn)行加熱倒藥。當(dāng)彈丸內(nèi)壁溫度達(dá)到90℃ ～100℃時(shí)，混合裝藥倒出。系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)溫度和時(shí)間任意一個(gè)條件達(dá)到閾值，系統(tǒng)都會(huì)停止加熱并返回結(jié)束信息，從而實(shí)現(xiàn)安全冗余保護(hù)，確保加熱倒藥過(guò)程中的安全。

圖5 安全系統(tǒng)工作過(guò)程

通過(guò)上述安全冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以防止加熱過(guò)程出現(xiàn)失控而引起安全事故，基本解決了系統(tǒng)的安全性難題。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)感應(yīng)制熱式彈丸裝藥倒藥系統(tǒng)的安全性分析和設(shè)計(jì)，可以得出如下結(jié)論:

1)感應(yīng)制熱式彈丸裝藥倒空是對(duì)彈丸裝藥的一種傳導(dǎo)加熱，加熱作用是熱量積累產(chǎn)生的效果，不會(huì)產(chǎn)生熱量的突變，從理論上具有安全性;

2)通過(guò)設(shè)計(jì)溫度傳感陣列、加熱時(shí)間自動(dòng)控制、自動(dòng)噴淋裝置等，構(gòu)建了安全冗余保護(hù)系統(tǒng)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可確保工作過(guò)程中的安全，因此利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)彈丸裝藥加熱倒空具有可行性。

［1］李金明，雷彬，丁玉奎.通用彈藥銷毀處理技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

［2］鞏永孝，劉國(guó)慶，可勇，等.報(bào)廢彈藥處理技術(shù)［M］.北京:解放軍出版社，2004.

［3］李文江，陳鵬，邢勇，等.基于電磁加熱技術(shù)的灌裝加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(9-2):60-61.

［4］吳建華.電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)及IGBT功率模塊驅(qū)動(dòng)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.

［5］雷彬，趙曉利.新型通用彈藥［M］.北京:解放軍出版社，2001.

［6］張翔.電磁感應(yīng)加熱技術(shù)安全性設(shè)計(jì)與研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.