一種高精度的延期點火器設(shè)計方法研究

王軍學(xué)，夏冬星，馬 駿，程 濤

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061)

0 引言

在某型產(chǎn)品研制過程中，保護罩分離采用了反推燃氣發(fā)生器分離方案。反推燃氣發(fā)生器包括兩種：一種是正向燃氣發(fā)生器，一種是側(cè)向燃氣發(fā)生器。為了保證保護罩分離時不破壞彈體其他部分結(jié)構(gòu)，側(cè)向燃氣發(fā)生器采用了火工延時點火技術(shù)。延期點火器在接收到信號后，既要完成點火功能，又要完成延時功能。尤為重要的是，延期點火器的延期時間必須達到一定的精度，延期時間過短或者過長，都會損壞彈體其他結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗。根據(jù)保護罩分離時的分離速度和分離姿態(tài)，確定本產(chǎn)品的延期時間指標為(190±20)ms。

1 延期點火器結(jié)構(gòu)及工作原理

延期點火器結(jié)構(gòu)見圖1，主要由兩部分組成：一部分用來完成延時點火功能，稱為延期組件；一部分用來完成隔爆功能，稱為隔板組件。兩種組件均采用了不銹鋼結(jié)構(gòu)，并進行了熱處理，有效地提高了延期點火器的力學(xué)性能。隔板組件裝有羧甲基纖維素疊氮化鉛、斯蒂芬酸鉛和耐水藥。羧甲基纖維素疊氮化鉛起爆能力強，斯蒂芬酸鉛是一種火焰感度很高的起爆藥。延期組件中裝有耐水藥、延期藥和點火藥。當(dāng)隔板組件和延期組件分別完成裝藥后，將延期組件旋入隔板組件中，擰入的時候放入一個密封墊圈并在延期組件的外螺紋上涂抹環(huán)氧樹脂固化膠。

圖1 延期點火器結(jié)構(gòu)

其工作原理為：當(dāng)隔板組件接收到上一級的火焰信號后，點燃隔板組件輸入端火焰感度高的斯蒂芬酸鉛，再點燃起爆能力強的羧甲基纖維素疊氮化鉛，其產(chǎn)生的爆轟波通過厚度1.5 mm的隔板迅速起爆隔板組件輸出端的羧甲基纖維素疊氮化鉛，進一步后點燃耐水藥，這種由爆轟轉(zhuǎn)為燃燒的現(xiàn)象，稱為“消爆效應(yīng)”[1]。耐水藥發(fā)火后，點燃延期組件中的耐水藥和延期藥，延期藥經(jīng)過一定的延期時間后，點燃耐水藥和點火藥，點火藥點燃點火藥盒，進一步點燃燃氣發(fā)生器。

2 延期藥選用和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 延期藥選用

本產(chǎn)品的技術(shù)指標中規(guī)定的延期時間為190 ms，公差為±20 ms，屬于短延期產(chǎn)品，應(yīng)選擇燃速較快的毫秒級延期藥，以滿足本產(chǎn)品的延期時間技術(shù)指標要求。

目前毫秒級延期藥主要有硅鐵系、硅系、鎂系和硼系。硅鐵系延期藥有較好的延期范圍，在保存良好的環(huán)境中，毫秒級短延期可靠性、安定性良好，但是硅鐵粉碎較難達到數(shù)微米的粒度，耗能較大，并且硅鐵中硅和鐵的含量不易控制。硅系延期藥是目前國內(nèi)使用較為廣泛的毫秒級延期藥，但是由于硅粉活性較高，長期貯存后容易發(fā)生表面氧化現(xiàn)象，導(dǎo)致延期時間超差。鎂系延期藥主要針對煤炭系統(tǒng)，因為其可以防止引爆瓦斯氣體和粉塵，但是鎂系延期藥容易吸濕導(dǎo)致延期時間超差。硼系延期藥在國外得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)展開了硼/鉻酸鋇延期藥預(yù)點火反應(yīng)機理[2]、硼系延期藥在線性升溫條件下反應(yīng)特性[3]、硼系延期藥燃速及反應(yīng)動力學(xué)[4]等多項關(guān)于硼系延期藥的研究工作。硼系延期藥具有延期時間精度高、產(chǎn)氣量少、點火能量足等優(yōu)點，并已得到了廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，本產(chǎn)品選擇硼系延期藥，壓藥壓力設(shè)計為365 MPa，保壓時間設(shè)計為10 s。

2.2 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計

隔板組件與延期組件之間選擇銅質(zhì)密封圈進行密封，具體設(shè)計見圖2。

圖2 延期點火器密封結(jié)構(gòu)

本產(chǎn)品在密封結(jié)構(gòu)上進行了以下設(shè)計：

(1)在延期組件螺紋前端設(shè)計了臺階結(jié)構(gòu)，以增大銅質(zhì)密封圈的接觸面積。

(2)將隔板組件內(nèi)螺紋設(shè)計為收尾結(jié)構(gòu)，對銅質(zhì)密封圈的變形進行徑向限位。

2.3 螺紋強度校核

延期點火器工作時的薄弱環(huán)節(jié)主要是輸出端與燃氣發(fā)生器的連接螺紋，燃氣發(fā)生器工作時內(nèi)部壓強最大值為Pmax=40 MPa，在強度校核時內(nèi)部壓力Pm′按1.5倍最大壓力計算，Pm′=1.5Pmax=60 MPa。設(shè)F1為M10螺紋實際承受的最大載荷，F(xiàn)2為M10螺紋能承受的最大載荷，S21為延期點火器螺紋牙強度安全系數(shù)，則有：

F1=Pm′×πD12/4.

(1)

F2=0.58πd2npτb.

(2)

S21=F2/F1.

(3)

其中：D1為螺紋公稱直徑，D1=10 mm；d2為M10外螺紋底徑，為8.917 mm；n為螺紋連接扣數(shù)，設(shè)計值為4扣，取有效連接扣數(shù)3；p為螺距，設(shè)計值為1 mm；τb為剪切強度，13Cr11Ni2W2MoV 熱處理強度τb≥575 MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)得：F1=3 140 N,F2≥28 013 N，S21≥8.92。

強度校核結(jié)果表明，延期點火器螺紋牙強度有較高的安全系數(shù)，可以滿足要求。

3 延期時間測試方法

按如圖3所示的發(fā)火線路使產(chǎn)品發(fā)火，用通-斷靶線法測試產(chǎn)品發(fā)火時間。

圖3 發(fā)火試驗線路

在試樣輸出端位置設(shè)置靶線，產(chǎn)品作用前靶線處于通路狀態(tài)，產(chǎn)品作用后將靶線炸斷，靶線處于斷路狀態(tài)。示波器采集產(chǎn)品通電時刻記為t1，靶線炸斷時刻記為t2，延期點火器的延期時間t=t2-t1。

4 環(huán)境試驗

4.1 濕熱試驗

將延期點火器放置到濕熱箱中，一個循環(huán)為24 h，進行10個循環(huán)后，取出進行延期時間測試，其結(jié)果見表1。

表1 濕熱環(huán)境對點火器延期時間的影響

試驗結(jié)果表明，延期點火器密封性能良好，密封設(shè)計措施有效，在濕熱環(huán)境中放置10天后，延期時間滿足要求。

4.2 高溫試驗

將延期點火器放置在+60 ℃的高溫箱內(nèi)，4 h后，取出進行延期時間測試，其結(jié)果見表2。

表2 高溫環(huán)境對點火器延期時間的影響

試驗結(jié)果表明，延期點火器在+60 ℃經(jīng)4 h后，其延期時間都在規(guī)定時間范圍內(nèi)，與濕熱試驗比較，其延期時間縮短了5.74%。

4.3 低溫試驗

將延期點火器放置在-40 ℃的低溫箱內(nèi)，4 h后，取出進行延期時間測試，其結(jié)果見表3。

表3 低溫環(huán)境對點火器延期時間的影響

試驗結(jié)果表明，延期點火器在-40 ℃經(jīng)4 h后，其延期時間都在規(guī)定時間范圍內(nèi)，與濕熱試驗比較，其延期時間延長了4.22%。

5 結(jié)論

本文介紹了一種高延期精度的延期點火器的設(shè)計方法，選擇了性能優(yōu)良的硼系延期藥，采取了有效的密封措施，采用通-斷靶線法對延期點火器進行了發(fā)火時間測試，試驗表明：經(jīng)過濕熱試驗、高溫試驗和低溫試驗后，該型延期點火器的延期精度誤差≤±6%，相比較同類產(chǎn)品精度有了較大程度的提高。