抗過載長秒量延期電點火具結構設計與性能研究?

沈林燕 王佳茵 王保國 曾雅成 趙文虎 張彥亮 康建成

①中北大學環(huán)境與安全工程學院(山西太原，030051)

②太原工業(yè)學院電子工程系(山西太原，030008)

③山西北方晉東化工有限公司(山西陽泉，045000)

④空軍裝備部駐太原地區(qū)軍事代表室(山西太原，030006)

引言

電點火具多用于火箭彈和火焰噴射器等的點火，有橋絲式、火花式和導電藥式等幾種類型。彈丸侵徹目標時，在撞擊目標的瞬間所承受的沖擊過載加速度達1×105g以上。高過載下，同原理的橋絲電雷管受到塑性波的作用失效時，失效模式主要為結構失穩(wěn)。由此可知，電點火具失效的主要原因是結構變形。

孫曉霞等[1]、藺美君等[2]通過在點火具、雷管等火工品中添加襯墊來提高抗過載性能，雙向過載時可在兩端加入襯墊；試驗與模擬結果表明，襯墊能有效隔離沖擊應力波并緩沖火工品的質(zhì)量慣性。虞跨海等[3]對不同類型的泡沫鋁進行試驗并仿真，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁前置可以有效降低引信在侵徹過程中承受的過載，使用復合夾層結構可以有效降低其被壓實的程度。張文平[4]設計了一種延期元件，增加了消爆空腔，為延期藥提供了一個更為穩(wěn)定的燃燒環(huán)境，提高了延期精度。李便花等[5]將某型電點火具的絕緣套管材料改為聚四氟乙烯，該材料可承受電壓36 kV，可抵抗腳-殼間電壓擊穿，試驗驗證改進后，消除了靜電隱患。

以上文獻從增加襯墊提高過載能力、增加消爆空腔提高延期精度、以及提高預防靜電的能力等方面進行了研究，但關于抗過載長秒量結構的電點火具研究較少。本文中，在點火具抗過載的基礎上，設計了長秒延期裝藥，通過結構和防靜電設計，保證電點火具可靠作用。

1 設計方法與原理

該電點火具由發(fā)火元件、延期體、點火藥等組成，結構如圖1所示。

圖1 抗過載長秒量延期電點火具的結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the anti-overload and long-second delay electric igniter

1.1 發(fā)火元件設計

發(fā)火元件為橋絲式。電點火具受到軸向加載，電極塞很可能發(fā)生內(nèi)陷。采用高強度、高硬度的鈦合金和玻璃封接設計的電極塞[1，6]。腳線為銅絲，間距4.8 mm。橋絲使用6J20鎳鉻絲，直徑50 μm，電阻2.2~2.3 Ω，安全電流200 mA，全發(fā)火電流400 mA。橋絲上壓裝點火藥，完成點火作用。在遠離點火藥的中間部位設計空氣隙。同時，在橋絲與點火藥接觸的外部設置絕緣環(huán)，厚1.5 mm。

發(fā)火元件結構如圖2所示。

圖2 發(fā)火元件的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of the ignition element

1.2 藥劑選擇與結構設計

1.2.1 引燃藥

根據(jù)秒量要求，選用慢速延期藥。該類延期藥一般較難點燃。為保證作用可靠性，引燃藥選擇高能點火藥為宜。根據(jù)MIL—STD—1901A標準，選擇燃燒時間短、燃燒熱值較大的硼/硝酸鉀[7-8]作為引燃藥。

引燃藥部分結構如圖3所示。

圖3 引燃藥的結構示意圖Fig.3 Structure diagram of the ignition powder

1.2.2 延期元件

延期元件主要由管殼和延期藥兩部分組成。

管殼的選擇從兩個方面考慮:一是對延期精度等有無影響；二是是否能承受高過載的沖擊。擬使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料作為延期體管殼。

在研究長延期點火具時，延期精度和瞎火是兩大主要設計重點和難點。當延期時間為10~102s時，一般選用鎢系慢速延期藥。

反應方程式

為配合長秒量設計，對延期藥組分配比進行相應的調(diào)整，減少鎢粉含量，減小燃速[4]。電點火具受到?jīng)_擊，會導致延期元件結構失穩(wěn)，需承擔較大的拉伸應力。添加硅藻土和聚硫密封膠黏結劑，降低燃燒溫度效應[8]，增強抗過載能力，提高延期精度。延期藥的組分質(zhì)量比為m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)∶m(黏結劑)＝33∶10∶55∶2。

為提高延期元件抗過載能力，防止產(chǎn)生漏藥和反向點火等不利于可靠點火的現(xiàn)象，增加傳火可靠性，在延期元件上、下各放置一個邊緣帶缺口的紙墊片[9]。輸入端面設計為凹面，可以收容燃燒產(chǎn)生的氣體[10]，當遇到超高過載時，能防止針刺面直接受力，提高抗過載能力。

延期元件結構如圖4所示。

圖4 延期元件的結構示意圖Fig.4 Structure diagram of the delay element

1.2.3 點火藥

黑火藥難以點燃一些鈍感的火藥或煙火劑，當延期藥發(fā)火點比較高或者難以點燃時，通常選用高熱效應混合藥劑，減少點火藥用量。

秒級延期藥的火焰感度較低，一般需要裝火焰感度高的點火藥起引燃作用。聚四氟乙烯擁有良好的緩沖性能[1]，可提高整體抗過載能力，選用m(聚四氟乙烯)∶m(鋁)∶m(鎂)＝40∶30∶30的點火藥，并在殼體內(nèi)壁涂蟲膠漆防潮。

1.3 抗過載設計

從整體結構強度和增加緩沖材料兩方面考慮。

火工品整體采用收口結構，防止藥劑的沖擊竄動和躥火問題。典型橋絲式電火工品的過載加速度約為1×105g[6]，電點火具整體質(zhì)量不宜過重，在電點火具內(nèi)部增設緩沖材料，并盡可能減小系統(tǒng)體積。電點火具殼體采用復式結構(內(nèi)外雙殼)，內(nèi)管為厚0.2 mm的鋁殼，外殼為2 mm厚的鎳銅殼，有效提高了抗過載性能。結構失穩(wěn)是過載的主要影響因素，電點火具軸向受力，因此主要考慮軸向過載引起的結構變形。開孔泡沫鋁性能優(yōu)異，緩沖效果好[11]，故在延期體輸出端設計厚1.5 mm、內(nèi)徑2.0 mm、外徑7.5 mm的環(huán)狀泡沫鋁減緩沖擊過載，外包一層不銹鋼薄板。

1.4 防靜電設計

堵式和泄式是經(jīng)常使用的預防靜電的方法。堵式最常用的是在易擊穿位置設置絕緣環(huán)；泄式則是在結構中設計出一條保護通道，腳-殼間靜電能量早于危險通道泄放，從而起到保護作用。一般堵和泄結合使用[12]。

由于擊穿不是瞬時完成的，而空氣具有良好的擊穿重復性，在發(fā)火件中部預留空氣隙作為泄放通道。同時，在過渡藥和殼體之間采用環(huán)氧樹脂作為絕緣環(huán)，厚度為1.5 mm。

2 結果與討論

2.1 計算、試驗與仿真結果

2.1.1 發(fā)火安全性計算

當發(fā)火元件通入直流電流I且輸入功率很低時，橋絲溫度不變，發(fā)火元件構成穩(wěn)態(tài)條件[8]，忽略藥劑反應放熱和橋絲熱散失，存在

式中:Q1表示通電所產(chǎn)生的熱量，J；Q2表示橋絲升溫所吸收的熱量，J；Q3表示藥劑升溫所吸收的熱量，J；I表示通過橋絲的電流，A；R表示橋絲電阻，Ω；c1表示橋絲的比熱容，J/(g·K)；m1表示橋絲質(zhì)量，g；c2表示藥劑的比熱容，J/(g·K)；m2表示藥劑的質(zhì)量，g；T1表示常溫，K；T2表示橋絲的最高溫度，K。

已知橋絲電阻約為2.25 Ω、比熱容為0.460 J/(g·K)、質(zhì)量為0.08 mg，藥劑的比熱容為0.864 J/(g·K)、質(zhì)量為120 mg，求得T2為568.15 K。硼/硝酸鉀反應溫度803 K左右。從計算結果上看，設計的電點火具滿足安全性要求。

2.1.2 延期體長度計算

藥芯直徑3.50 mm，壓藥壓力205 MPa，分次、定量、定壓裝藥[4]。藥劑密度約3.02 g/cm3，燃速約1.85 mm/s，延期體長度為27 mm，理論延期時間可滿足設計要求。

2.1.4 靜電泄放計算

保護通道長0.8 mm，空氣隙介電強度為3.93 kV/mm，擊穿電壓為0.8×3.93＝3.144(kV)；危險通道長1 mm，聚四氟乙烯介電強度為25 kV/mm，擊穿電壓為1×25＝25(kV)。危險通道與保護通道的擊穿電壓之比大于4，能夠可靠泄放靜電。

2.1.5 引燃藥的影響

為保證引燃藥與長秒量延期藥的能量相匹配，并可靠點火，選用純度(95%)更高、粒度(0.5~1.0 μm)更小的硼原料，設計并制備了一種熱敏感型硼/硝酸鉀點火藥，松裝藥量(0.060±0.005)g，裝藥密度2.7 g/cm3，硼粉和硝酸鉀選用分析純，純度≥99.5%，粒度為300目，混藥時間40 min。對該引燃藥爆發(fā)點、感度等參數(shù)進行測試，并與許用硼/硝酸鉀點火藥進行對比，結果如表1所示。

表1 熱敏感型硼/硝酸鉀點火藥和許用硼/硝酸鉀點火藥的性能對比Tab.1 Performance comparison of heat sensitive B/KNO3 ignition powder and allowable B/KNO3 ignition powder

2.1.6 延期體管殼材料和厚度的影響

選用鎢系延期藥，質(zhì)量比m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)＝42∶8∶50。選取黃銅、鋼、膠木和有機玻璃4種材料進行橫向?qū)Ρ确治?，對比結果如表2所示。分別選擇壁厚為2、4、12 mm的金屬鋼管殼進行試驗[13]，結果如表3所示。

表2 管殼材料對延期藥燃速的影響Tab.2 Influence of shell materials on burning rate of the delay composition

表3 管殼壁厚對延期藥燃速的影響Tab.3 Influence of shell wall thickness on burning rate of the delay composition

2.1.7 泡沫鋁仿真

為檢驗泡沫鋁的緩沖性能，利用ANSYS/LSDYNA進行仿真[3]。泡沫鋁使用Crushable本構模型，直徑3 mm，厚度2 mm；上、下兩端各有一塊不銹鋼板，直徑3 mm，厚度0.2 mm。上側(cè)剛體以1 mm/s的速度勻速向下移動，作用時間1 s。仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

使用LS-PrePost軟件進行后處理分析，在上端、下端鋼板各取一測點A、B，分別代表緩沖前、緩沖后的受力大小，泡沫鋁受壓狀態(tài)和A、B兩點受力大小如圖6、表4所示。

圖6 泡沫鋁受壓示意圖Fig.6 Compression diagram of foam aluminum

表4 測點隨剛體移動的受壓情況Tab.4 Compression of measuring points with rigid body movement

2.2 分析與討論

對試驗和仿真結果進行分析。

1)與許用硼/硝酸鉀點火藥(GJB 6217—2008)相比較，熱敏感型硼/硝酸鉀點火藥中硼粉純度提高、雜質(zhì)減少、粒度減小，而使組分接觸面積增大，導熱性更好，外界的火焰沖擊傳遞給藥劑的能量被快速釋放到環(huán)境中。因此，由表1可知，熱敏感型硼/硝酸鉀點火藥的5 s延滯期爆發(fā)點、火焰感度均降低，燃燒熱提高了0.575 kJ/g，約9.2%。使用該熱敏感型點火藥作引燃藥，可以滿足電點火具需求。

2)由表2和表3可知:延期藥在膠木、有機玻璃等有機材料中的燃速比在金屬材料中低，但延期精度遠不如在金屬材料中高；當管殼厚度增加時，管壁吸收更多熱量，反應區(qū)溫度降低，燃速減緩。

3)由表4可知，A、B兩點所受壓力先增大、后減小。剛體位移0.60~0.65 mm時，A點壓力大小約為B點的5倍；位移0.70 mm時，A點受力達到最大值60 kPa；位移0.80~1.00 mm時，A點受力變化不大，B點受力不改變。在位移0~0.75 mm部分，B點壓力梯度(單位路程長度上的壓力變化)均遠小于A點壓力梯度，證明泡沫鋁具有優(yōu)異的緩沖性能，可以滿足抗過載要求。

3 結論

設計了一種抗過載長秒量延期的電點火具。

1)從整體結構安排、壓藥方式、藥劑機械強度、增加緩沖材料和密封圈、管殼材料等方面綜合考慮，該電點火具使用鎳銅外殼，保證其抗過載性能，并在內(nèi)部設計了泡沫鋁緩沖材料，厚度為1.5 mm。

2)通過在點火藥和延期藥間加入少量過渡藥，同時增加延期藥壓藥密度的方法，來實現(xiàn)點火延期，延期體長度為27 mm，慢速延期藥選用鎢系延期藥，可達到(14.0±0.5)s的長秒量延期要求。

3)堵、泄結合預防靜電。在點火藥和殼體之間設計1.5 mm寬的絕緣環(huán)，在電極塞中部設計0.2 mm寬的空氣隙，可以有效泄放靜電。