快速同步爆炸點火分離裝置應用研究

2022-09-13 04:47:06張新華韋宗玖趙家其李賀楠

兵器裝備工程學報 2022年8期

張新華，韋宗玖，趙家其，李賀楠

(1.安徽紅星機電科技股份有限公司, 合肥 231135; 2.陸軍裝備部駐南京地區軍事代表局駐合肥地區軍事代表室, 合肥 231135; 3.南京理工大學，南京 210094)

1 引言

傳統分離機構的點火方式有點火頭點火、電底火點火、爆轟點火等，其中如黑火藥點燃3/1樟單基發射藥，開艙時間約為6～9 ms，電底火點火技術也十分成熟，但是其較長的點火時間很難滿足現代戰場對快速分離的要求。張丁山等采用爆轟點火方式，這種方法將點火延遲時間縮短到0.3 ms,但并沒有減少燃燒發射過程的延時時間；李海元采用等離子體點火的密閉爆發器實驗系統，實現將有效點火的電能的閾值降低的同時顯著增加火藥的燃速；薛奡煒等發現等離子體點火可以明顯縮短火藥的點火延遲時間，且對于不同發射藥均能產生顯著效果，但其點火時需要特定裝置；姬龍等基于爆炸點火設計的分離裝置理論上可以達到200 m/s的分離速度；王剛等發現在導爆索爆炸點火點燃發射時，發射藥燃燒產生的壓力明顯增加，最大壓力出現的時間卻明顯縮短；郭晨冰和李楓均設計了一種爆炸活塞式分離裝置，但是其裝藥量小、能量低，而且采用的活塞結構，體積較大，難以滿足戰場條件對快速分離的需求;周煜韜采用火藥力輔助金屬熔斷，大大降低了對電流要求，但軍事適用面較窄;夏冬星等設計的螺栓分離機構可以滿足對分離裝置大承載的要求，但是25 m/s分離速度顯然是偏低的;邢星星設計了一種利用火藥燃燒產生的氣體推動撞桿，然后撞桿撞擊分離體的分離裝置，得到了撞桿底部壓力和整體速度對時間的關系以及分離體速度和相應曲線。

爆炸點火是利用炸藥爆炸產生的高溫產物及氣體點燃發射藥，炸藥是以爆轟的速度點火，點火速度快。炸藥爆炸點火幾乎不受外界溫度等環境因素影響，點火能量穩定，點火一致性好，7 000～8 000 m/s。爆炸點火具有點火速度快、形成壓力高等特點。爆炸點火使用的炸藥和燃燒點火使用的點火藥相比，安全性好。

本文設計了一種基于爆炸點火和“一入四出”式的鋁導爆索傳爆方式的快速分離實驗裝置。鋁導爆索快速點燃發射藥，靠發射藥急速燃燒產生的大量氣體的推力剪斷剪切環，實現前后兩級的快速分離。

圖1 分離機構作用原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operation of the separation mechanism

2 結構設計

分離機構的性能與點傳火裝藥結構、分離藥室容積、分離裝藥的弧厚、分離裝藥的裝藥量等參數相關。

針對分離藥室的為扁平圓柱形的特點，為了解決點火同步性問題，設計了“一入四出”式導爆索傳爆結構，均布于分離藥室內，實現均勻點火。

2.1 “一入四出”式爆炸點火設計

分離裝置主要由法蘭盤、本體、傳爆組件、傳爆藥柱、鋁導爆索、發射藥包、堵頭等組成，結構示意圖見圖2。發射藥包內裝有3/1樟單基發射藥。

圖2 分離裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of the separation device

裝置從引信能量輸入到發射藥開始作用需要經過72 mm的傳火通道，為使點火能量快速到達發射藥，設計傳爆組件-傳爆藥柱-鋁導爆索作為點火能量的傳遞機構。通過剪裁導爆索長度使其總長度為47 mm；傳爆藥柱直徑15 mm，高度8 mm，藥劑為JH-14炸藥，藥量3 g，密度為1.65 g/cm；鋁導爆索直徑7 mm，長度25 mm。傳爆組件、傳爆藥柱、鋁導爆索均采用爆轟進行能量傳遞，平均爆速高達7 000 m/s，能量傳遞速度快。同時爆轟波傳遞過程中產生的高能熱量能夠實現發射藥包的快速點火。通過傳爆組件-傳藥柱-鋁導爆索的快速傳點火機構設計，引信輸入的爆轟能量可以通過沖擊波的形式快速到達發射藥包表面，進而實現發射藥包的快速點火功能。

點火同步性設計的主要目的是讓發射藥包能夠在很短的時間內實現各部分的均勻點火，從而實現發射藥包快速燃燒釋放氣體壓力的功能。為實現發射藥包快速點火均勻燃燒的功能，裝置采用藥柱徑向圓周均布的4根長度相同的鋁導爆索作為快速點火機構。試驗數據表明一路四出點火燃燒時間差為410 ns。當藥柱爆炸后，四根鋁導爆索在爆轟沖擊的作用下同時起爆，由于4根鋁導爆索的爆速和長度相同，其爆轟能量傳遞到發射藥包的時間也基本一致。發射藥包在四路爆轟沖擊同時作用下，其藥包均布的4個點火部位被快速均勻點火，進而實現點火同步性要求。

2.2 隔爆和爆炸點火藥量設計

堵頭用于消爆，消除導爆索爆炸產生的爆轟波的不利影響。如果導爆索離發射藥距離太近，爆轟波會將發射藥藥粒炸成碎粒，造成發射藥燃燒異常。

快速分離發射主要是利用發射藥迅速燃燒產生大量的高溫高壓氣體,當分離機構的藥室內的氣體壓力達到剪切螺紋破壞極限時，就可以實現前級分離體的分離發射。

所以可以將分離過程分為2個階段，第一階段為火藥燃燒開始至藥室內的火藥燃氣的氣體壓力達到剪切環的破壞極限。第二階段為剪切環破壞至前級分離體迅速加速到最大速度

1) 第一階段

在此階段可看作密閉容器下的火藥燃燒，結合幾何燃燒條件下定容燃燒可以得到：

(1)

(2)

=1+2+3

(3)

(4)

式中,為該裝置的初始點火壓力；為該火藥的火藥力；為前級分離體的質量；為已燃百分數；為藥室橫截面積；剪切壓力；為達到時對應的值;為相對燃燒面積；為該火藥的燃速系數；、和為該火藥形狀特征量；為燃速指數；為已燃相對厚度；為此裝置發射藥燃氣余容；為發射藥密度；為剪斷剪切環所需最大剪切力

2) 第二階段

當分離機構內藥室的發射藥氣體壓力達到剪切環破壞極限時﹐剪切環發生瞬間剪切,前級分離體開始加速運動,可得到如下內彈道方程組:

(5)

=++

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，為壓力全沖量；為次要功計算系數；為前級分離體質量；=-1，為絕熱指數；、、為達到剪切環破壞極限時各參數的取值。由此解出發射過程中前級分離體速度、行程、膛內壓力之間的關系。

設計了兩種規格的鋁導爆索，鋁導爆索具有強度好，抗過載性能好，易于加工等特點。炸藥選用JH-14炸藥，主要成分為黑索今，屬于負氧平衡炸藥，生成的氣體產物主要是CO、HO、CO、N和H等。其爆轟反應式為：

CHON=CO+CO+HO+N+H+Q

如果炸藥能量與彈體強度，剪切強度有匹配關系。能量過大可能對發射藥藥粒產生破壞，使藥粒破碎，影響發射藥穩定燃燒，可能會導致壓力異常升高。

發射藥包袋內部裝藥選用弧厚較薄的3/1樟單基發射藥，該發射藥可提高發射藥的燃燒一致性，使推進壓力和作用時間保持相對穩定。取發射藥的1/2火藥起始厚度為0.8 mm、火藥力1 180 kJ/kg、壓藥密度為1.65 g/cm、發射藥包內的總藥量為70 g、7A04材料的剪切環最大剪切力為150 MPa時經計算發射藥點燃0.2 ms時膛內壓力達到300 MPa，其產生的氣壓推力可實現串聯戰斗部級間的快速剪切分離，滿足相對分離速度不小于100 m/s的技術要求。