延期藥延期時間的p-t曲線測試新方法?

劉慶安 李 燕 朱順官 袁 彬

南京理工大學化工學院(江蘇南京，210094)

引言

以延期藥為能源的延期器件具有簡單、經濟、可靠、抗干擾和體積小等特點，廣泛應用于時間引信、自毀裝置、解脫機構、毫秒級或秒級延期雷管、點火具和其他火工器件中[1]。

燃速是延期藥最重要的特性參數，目前已有數十種燃速測試方法，如靶線法、攝影法、光電法、熱電偶法、光導纖維法、自變電阻法、離子導電法、電容法、γ射線法等[2]。靶線法和光電法都用來測量延期藥的平均燃速，其原理是在燃燒開始時計時，燃燒結束時斷開記錄，從而算出延期藥的平均燃速。攝影法雖比靶線法好，但成本較高，實驗周期長，且只能得到圖像，實驗結果的處理較為繁瑣。熱電偶法是在被測藥柱中插入兩支或兩支以上熱電偶，記錄熱電偶溫度隨時間的變化；這種方法操作復雜，且會干擾延期藥燃燒溫度場，不能滿足實驗要求。自變電阻法可用來測試瞬時燃速和燃燒的全過程，僅適用于含有金屬粉末的藥劑[2]。杜志明[3]將光電耦合器件(CCD)技術應用于藥劑燃燒速度的測試，解決了以往無法測試延期藥、點火藥瞬時燃速的難題，得到了Ti-BaCrO4延期藥燃燒波面的位置-時間曲線、瞬時燃速曲線以及平均燃速隨壓力變化的曲線。馮西平[4]對目前比較成熟的探針法、光電法、靶線法和聲電法進行了實驗研究，指出光電法是一種精確度較高的測時方法，其反應速度很快，適合精確的火工品作用時間的測量，但是在測試過程中要注意其他光信號的干擾。光電法適用于各類延期藥的燃速測試，如硅系延期藥[5-6]、硼系延期藥[7-11]、鎢系延期藥[12-16]。在評價一批延期元件延期精度的一致性時，采用光電法比較方便[2]。光電法雖較為成熟，但難以做到在密閉燃燒條件下測試以模擬延期火工品內部真實的燃燒環境，高低溫測試時延期體溫度不易維持，難以在測試延期時間的同時監測內部壓力的變化。顏事龍等[17]設計了一套雷管延期體延時測試新方法，由示波器顯示整個過程的壓力-時間曲線，由波形讀出從點火到每個藥芯的噴火時間，但仍采用引火藥頭、導爆管兩種點火方式。

在延期體燃速測試時，影響測試精度的因素有很多。其中，點火藥的藥量、壓藥密度等因素直接影響其對延期藥柱的點火能量，從而影響延期藥柱的穩定燃燒，造成延期精度低的問題。因此，點火藥藥量的選擇應考慮其自身的性質和延期藥的性質，從點火能量匹配的角度考慮[18]，使延期藥盡快達到穩態燃燒。

此外，延期體從烘箱或低溫箱取出到點火測試有一定的的時間，若采用傳統的光電法測試時需要設計一個保溫塊用來維持延期體的溫度，這樣就使得實驗操作繁瑣，不便于實際測試。

本文中，設計了一種p-t曲線測壓組件，用示波器記錄燃燒過程中測壓組件內部壓力變化曲線，通過適當的取點，得到延期藥的燃燒時間。傳統測試方法采用導爆管、電引火藥頭點火，本文中，采用電弧點火，避免了電引火藥頭、導爆管等外加點火元件對燃速測試的影響。傳統光電法采用兩個光電二極管取兩個信號的時間差，本文中，采用一個壓力變送器，通過膠木測壓組件得到輸入端、輸出端點火藥燃燒壓力峰的時間，體現了軍用延期體的真實點火傳火狀態。另外，采用該法測試，延期體在密閉條件下燃燒，較為接近延期火工品的實際使用環境。這種方法方便易操作，有效地解決了高低溫測試時的保溫問題。

1 測試方法簡介

1.1 延期體p-t曲線測試系統

延期體p-t曲線測試系統包括測壓組件、高壓電弧點火器、壓力變送器、供電電源、示波器等。延期體p-t曲線測壓組件結構如圖1所示。測壓組件主體采用膠木材質，左、右兩端為銅制螺栓。左端螺栓中間加工一凹槽，凹槽中插入一金屬針(直徑1 mm，長度13 mm)，測壓模具裝配后，金屬針與延期體鋁管殼間距為2 mm，兩端螺栓接上高壓電弧點火器后，即可在金屬針與延期體鋁管殼間產生電弧放電現象，利用電弧放電的高溫特性點燃延期體。

圖1 延期體測壓組件Fig.1 Pressure measuring component for extension body

測壓組件上部螺紋為壓力變送器接口，采用FST800-211壓力變送器，其量程為1.6、2.0 MPa，信號輸出為0～10 V、0～5 V，精度為±0.5%FS。

圖2為某延期體的p-t曲線測試結果。延期藥為鎢系延期藥(質量分數：W，38%；BaCrO4，52%；KClO4，10%；總藥量400 mg)，延期體的輸入端和輸出端均為60 mg的601點火藥。

圖2 鎢系延期藥p-t曲線測試圖譜Fig.2 p-t curve test chart of tungsten type delay composition

圖2中第一個壓力峰為輸入端601點火藥的燃燒壓力峰，第二個壓力峰為輸出端601點火藥的燃燒壓力峰。取第一個壓力峰最高點的時間-0.891 s及第二個壓力峰起點的時間0.871 s，可得延期藥的延期時間1.762 s。

該延期時間測試方法，第一個壓力峰最高點的時間及第二個壓力峰起點時間的讀取可以精確到1 ms，較好地滿足了實驗精度要求。

1.2 樣品制備

鎢系延期體Ⅰ、硅系延期體Ⅰ均為自壓延期體，壓藥壓力為200 MPa，管殼材質為2Al2鋁合金，內徑為3.50 mm，外徑為6.16 mm，長度分別為16.40、10.40 mm；鎢系延期體Ⅱ、硅系延期體Ⅱ均為鉛芯延期體，由南京理工大學科技化工有限責任公司生產。

1)鎢系延期體Ⅰ。延期藥為W/BaCrO4/KClO4(質量分數為：W，38%；BaCrO4，52%；KClO4，10%)，采用篩網干混法制備，藥量為440 mg，分4次壓裝，每次壓藥110 mg，輸入端、輸出端均為60 mg的601點火藥，手動杠桿壓藥機壓藥。

2)鎢系延期體Ⅱ。結構為大內管壓裝點火索和延期索。為得到壓力信號，在輸出端壓入40 mg 601點火藥，壓藥壓力約20 MPa。

3)硅系延期體Ⅰ。延期藥為Si/Pb3O4(質量分數為：Si，37.2%；Pb3O4，62.8%)，采用篩網干混法制備，藥量為140 mg，分兩次壓裝，每次壓藥70 mg，輸入端、輸出端均為601點火藥，藥量分別為100 mg和60 mg，手動杠桿壓藥機壓藥。

4)硅系延期體Ⅱ。切長5.3 mm，油壓機壓藥。在延期體輸入端、輸出端各壓入601點火藥(手動點壓，藥量均為10 mg左右)。

2 測試結果及討論

2.1 秒級延期測試

鎢系延期體Ⅰ、鎢系延期體Ⅱ兩種延期元件結構不同，裝藥直徑不同，同時考察了兩類鎢系延期體的測試精度。兩類鎢系延期體的p-t曲線測試圖譜與圖2類似，取點方式相同，故不再贅述。為了初步驗證p-t曲線法測試秒級延期體的可行性，在室溫條件下用該法進行了鎢系延期體Ⅰ的延期時間測試工作，測試結果見表1。該樣品為自壓延期體，非工廠生產的標準樣品，故沒有與傳統光電法進行對比。

表1中，鎢系延期體Ⅰ的延期精度為3.30%，精度較高，測試誤差主要是由藥劑本身、裝藥條件的差別造成的，測試系統本身對延期時間測試的誤差比較小。

為了進一步驗證該法測試的精度，取一批鎢系延期體Ⅱ(工廠生產的標準樣品)，分別采用p-t曲線法和光電法。在室溫條件下進行延期時間的測試，并對測試結果進行了對比，如表2所示。光電法采用100 MHz 10段智能爆速測量儀，南京理工大學民用爆破器材研究所研制，分辨率0.1 ms，測試裝置由兩個光靶獲取信號，一個獲取導爆管的光信號，一個獲取延期體末端的噴火信號。

表1 鎢系延期體Ⅰ測試結果Tab.1 Test results of tungsten type extension bodyⅠ

p-t曲線法測試去掉了點火端點火索的燃燒時間，整個燃燒過程在密閉條件下進行，因此該法測試得到的延期時間比工廠采用傳統光電法所得的延期時間稍短。兩種測試方法精度差別不明顯，說明p-t曲線法測試延期時間可以滿足秒級延期測試要求。

表2 鎢系延期體Ⅱ的p-t曲線法與傳統光電法測試結果對比Tab.2 Comparison of the results of p-t curve method and traditional photoelectric method for tungsten type extension bodyⅡ

表3 硅系延期體Ⅰ測試結果Tab.3 Test results of silicon type extension bodyⅠ

表4 硅系延期體Ⅱ的p-t曲線法與傳統光電法測試結果對比Tab.4 Comparison of the results of p-t curve method and traditional photoelectric method for silicon type extension bodyⅡ

2.2 毫秒級延期測試

硅系延期體Ⅰ、硅系延期體Ⅱ兩種延期元件結構不同，裝藥直徑不同，同時考察了兩類硅系延期體的測試精度。同樣，兩類硅系延期體的p-t曲線測試圖譜與圖2類似，取點方式相同，故不再贅述。為了初步驗證p-t曲線法測試毫秒級延期體的可行性，在室溫條件下用該法進行了硅系延期體Ⅰ的延期時間測試工作，測試結果見表3。該樣品為自壓延期體，非工廠生產的標準樣品，故沒有與傳統光電法進行對比。

表3中硅系延期體Ⅰ的延期精度為11.24%，精度較高，測試誤差主要是由藥劑本身、裝藥條件的差別造成的，測試系統本身對延期時間測試的誤差比較小。

為了進一步驗證該法測試的精度，取一批硅系延期體Ⅱ(工廠生產的標準樣品)，分別采用p-t曲線法和光電法在室溫條件下進行延期時間的測試，并對測試結果進行了對比，如表4所示。

表4中，所有測試數據均在2段延期時間(25±10 ms)范圍內，與光電法相比，p-t曲線法測試的延期時間較長，是因為延期體輸入端手動點壓的601點火藥的藥量過少(約10 mg)。硅系延期體Ⅱ采用p-t曲線法測試得到的延期時間精度較低，而硅系延期體Ⅰ采用p-t曲線法測試得到的精度較高(硅系延期體Ⅰ裝藥一致性較好)。硅系延期體Ⅱ生產時未壓入點火藥，測試時手動點壓了約10 mg點火藥(延期體點火端為弧形且套有金屬殼體，故無法用沖子壓點火藥，僅能點壓約10 mg點火藥，且無法控制點火藥藥量，裝藥一致性差)，點火藥藥量過少，且與延期藥接觸不緊密，則點火能量過小、兩個壓力信號的峰值也不夠明顯，故p-t曲線法測試得到的精度不夠理想。

輸入端點火藥燃燒壓力約為0.2 MPa，而采用同樣的測試條件測得的導爆管輸出壓力約為0.8 MPa(p-t曲線如圖3所示)。根據點火能量匹配理論，輸入端601點火藥點火能量過小，導致延期藥非穩態燃燒段加長，延期精度較低。因此，只要改變延期體生產的工藝，壓入點火藥，p-t曲線法適用于2段或其他段別毫秒級延期體的測試。

2.3 p-t曲線測時裝置的保溫效果

將延期體、壓力變送器裝配到測壓組件中，點火端螺栓處插入水銀溫度計并用硅橡膠密封。放入烘箱中升溫到58.6℃，保溫4 h后拿出，溫度-時間測量結果如圖4所示。

由圖4可知，延期體在1 min內溫度降低不超過1℃。p-t曲線法測試時，測壓組件從烘箱或低溫箱取出到測試約0.5 min。因此，p-t曲線測試系統保溫效果較好，適合于高低溫下的燃速測試。

圖3 輸入端601點火藥燃燒壓力和導爆管輸出壓力對比Fig.3 Comparison of the 601 ignition charge combustion pressure at input end and output pressure of detonating tube

圖4 延期體的溫度-時間曲線Fig.4 Temperature-time curve of extension body

2.4 高低溫下的延期時間測試

將18發鎢系延期體Ⅰ分別與18個測壓組件裝配后放入烘箱和低溫箱中保溫4 h后測試，p-t曲線法延期時間測試結果如表5所示。

表5 高低溫下鎢系延期體Ⅰ延期時間測試結果Tab.5 Test results of tungsten type extension bodyⅠat high and low temperatures

由表5可知，在高低溫下采用p-t曲線法測試延期時間，延期精度均較高。該法測試誤差較小，適合于高低溫下的燃速測試。

3 結論

采用電弧點火方式，設計了一種新型延期時間測試方法，避免了電引火藥頭、導爆管等外加點火元件對燃速測試的影響，體現了軍用延期體的真實點火傳火狀態，通過記錄測壓組件內部p-t曲線得到延期藥的燃燒時間，分別用p-t曲線法和光電法測試了秒級及毫秒級延期體的延期時間，并對測壓組件的保溫效果進行了測試，得到如下結論：

1)建立的p-t曲線測試系統應用于秒級、毫秒級延期藥延期時間的測試是可行的。采用該法測試，方便易操作，可有效地解決高低溫測試時的保溫問題。采用電弧點火避免了藥頭藥劑質量對燃速測試的影響。另外，延期體在密閉條件下燃燒，較為接近延期火工品的實際使用環境。

2)秒級延期體光電法測試后計算得到的延期精度為3.35%，p-t曲線法測試后計算得到的延期精度為3.43%。表明p-t曲線法測試延期時間可以滿足秒級延期測試要求。

3)毫秒級延期體光電法測試后計算得到的延期精度為12.21%，p-t曲線法測試后計算得到的延期精度為18.96%。根據點火能量匹配理論，通過調整輸入端點火藥藥量，p-t曲線法測試延期時間可以滿足毫秒級延期測試要求。