某型特種彈發(fā)光異常研究

李便花,潘會平,王 艷,陳麗娟,孫宏濤,申 佳

(1.山西北方晉東化工有限公司,山西 陽泉 045000;2.陸軍駐太原地區(qū)第三軍代室,山西 太原 030000)

隨著高新技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和作戰(zhàn)需求的不斷提升,武器裝備呈現(xiàn)信息化、智能化及網(wǎng)絡(luò)化體系協(xié)同,但作戰(zhàn)環(huán)境的電磁干擾、電磁屏蔽等復(fù)雜的電磁環(huán)境,對以信息技術(shù)為主導(dǎo)的作戰(zhàn)指令、互聯(lián)互通的信息傳遞形成了較大的安全威脅,甚至可能貽誤戰(zhàn)機,造成不可預(yù)估的后果。在作戰(zhàn)中,如電信號、網(wǎng)絡(luò)信號出現(xiàn)“空白”時,常規(guī)信號彈藥具有不可替代的作用[1],由光色和發(fā)射數(shù)量組合下達(dá)的指令信息能夠準(zhǔn)確傳達(dá),不受環(huán)境影響,且攜帶方便,操作簡單。

1 產(chǎn)品故障及危害

特種彈一般指利用煙火劑或其他裝填物產(chǎn)生的光、色、聲、熱、煙和電磁等效應(yīng),完成信號指示、縱火、照明、施放煙幕、電子偵察與干擾等特種作戰(zhàn)任務(wù)的彈藥的總稱,是不依賴于炸藥爆炸或聚能效應(yīng)直接毀傷目標(biāo)而完成某些特殊戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的彈藥[2]。該特種彈是利用其燃燒產(chǎn)生的光色,通過遠(yuǎn)距離識別,實施地面信號聯(lián)絡(luò)和目標(biāo)指示。

1.1 故障描述

某型特種彈在交驗過程中抽取樣品114發(fā)(其中高溫32發(fā),低溫32發(fā),勤務(wù)性能項目50發(fā))進(jìn)行功能試驗,常溫及高溫均未發(fā)現(xiàn)故障,低溫試驗時,產(chǎn)品到達(dá)預(yù)定高度,出現(xiàn)2發(fā)星光體燃燒時間不足2 s,試驗終止。

1.2 故障危害

該特種彈是通過燃燒產(chǎn)生不同光色進(jìn)行信號傳遞的一種彈藥。如果在發(fā)射過程中出現(xiàn)燃燒時間不足故障,信號不能準(zhǔn)確傳遞或形成錯誤信號,使指令不能正常下達(dá)或指令下達(dá)錯誤,就會給戰(zhàn)爭帶來不可想象的后果。

2 原因分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用原理

2.1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

該型特種彈由保護(hù)套、頂蓋、筒體、發(fā)火件、助推劑和星光體(基本藥)等組成(見圖1)。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 作用原理

該型特種彈使用時,取掉產(chǎn)品保護(hù)套及頂蓋,發(fā)火件發(fā)火點燃助推劑,助推劑燃燒氣體產(chǎn)生反作用力,使特種彈飛向高空,推進(jìn)劑燃完的瞬間點燃基本藥,基本藥燃燒產(chǎn)生光色,實施地面的信號聯(lián)絡(luò)和目標(biāo)指示。

2.2 原因排查

2.2.1 生產(chǎn)過程排查

1)操作人員。

故障發(fā)生后,對制藥、壓藥及裝配操作人共計42名進(jìn)行了排查,操作人員均在本崗位工作3年以上,在生產(chǎn)之前均進(jìn)行了工藝培訓(xùn),并考試合格取得了操作合格證。操作人員未見異常。

2)工裝、設(shè)備。

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中使用高速粉碎機、干料混合機、濕料混合機、天平及壓藥模具等工裝設(shè)備,故障發(fā)生后對其檢定及運行情況進(jìn)行了排查。設(shè)備及工裝均有檢定合格證。高速粉碎機、干料混合機的設(shè)備運行記錄表中均未發(fā)現(xiàn)設(shè)備有異常情況,濕料混合機為生產(chǎn)星光體基本藥設(shè)備,在故障批產(chǎn)品生產(chǎn)過程中設(shè)備運行記錄表中有斷電停機約3.5 h的記錄。經(jīng)對操作人員詢問,濕料混合機在意外斷電后,生產(chǎn)分廠及設(shè)備維修部門進(jìn)行了檢查并對故障線路進(jìn)行了維修,設(shè)備恢復(fù)后,在技術(shù)人員的指導(dǎo)下,未深入對藥劑質(zhì)量進(jìn)行辨識及處理,根據(jù)藥劑狀態(tài)下達(dá)了繼續(xù)混制的指令。濕料混合機在生產(chǎn)過程存在意外斷電異常情況。

3)原材料。

故障批所用原材料有氧化劑、還原劑、粘合劑、鋁粉、高密度聚乙烯等共計27種,7種外購件,通過對原材料及外購件進(jìn)行逐一排查,故障批用原材料均有合格證并經(jīng)入廠復(fù)驗合格。原材料未見異常。

4)工藝過程控制。

根據(jù)產(chǎn)品故障現(xiàn)象,對星光體用基本藥劑生產(chǎn)過程、壓藥過程及裝配過程進(jìn)行了排查。通過對基本藥劑制備各組份衡量記錄進(jìn)行檢查,其氧化劑、還原劑、粘合劑均在配方要求的公差范圍之內(nèi),未見異常;檢查制備藥劑過程工藝記錄,藥劑干混記錄為25 min,符合工藝時間要求,未見異常;藥劑濕混記錄為30 min,但備注中記錄為10 min+20 min,經(jīng)對操作人員詢問,藥劑濕混過程中,設(shè)備啟動10 min后發(fā)生故障停止運轉(zhuǎn),設(shè)備故障清除后,在技術(shù)人員的指導(dǎo)下按照工藝條件要求,繼續(xù)對藥劑進(jìn)行20 min的混制,與日常藥劑連續(xù)濕混30 min存在差異;檢查藥劑壓藥記錄,藥量記錄為(m1-0.06)～(m1+0.07) g,壓力為p,壓藥保壓時間為t1,符合藥量(m1±0.1) g、壓力(p±1) MPa及保壓時間(t1±5) s的工藝規(guī)定,壓藥過程未見異常;檢查裝配過程記錄,生產(chǎn)中采用定量發(fā)料模式進(jìn)行裝配,產(chǎn)品零部件裝配齊全,裝配過程無異常。因此工藝過程控制未見異常。

5)環(huán)境控制。

對制藥、壓藥及裝配工房溫度、相對濕度控制情況進(jìn)行了檢查。溫度為19～25 ℃,符合15～35 ℃的工藝要求;相對濕度為41%～53%,符合40%～70%的相對濕度工藝要求。生產(chǎn)環(huán)境控制未見異常。

6)檢測控制。

對故障批產(chǎn)品檢測過程進(jìn)行了排查。故障批用星光體制成型后使用天平(精度為0.01 g)和專用高度量規(guī)進(jìn)行100%質(zhì)量及高度檢測,合格后抽取5發(fā)進(jìn)行了主波長、發(fā)光強度、靜態(tài)燃燒時間檢測,檢測儀器均經(jīng)檢定合格,其中主波長為(λ1+65)～(λ1+102) nm,符合λ1～(λ1+130) nm要求,發(fā)光強度檢測結(jié)果為(λ1+3 248)～(λ1+8 576) cd,符合不低于λ1的技術(shù)要求,靜態(tài)燃燒時間為(t2+3)～(t2+7) s,符合不低于t2的技術(shù)要求。星光體靜態(tài)檢測過程控制未發(fā)現(xiàn)異常。星光體隨機抽取10發(fā)裝配成品進(jìn)行發(fā)射試驗,2名操作人員同時進(jìn)行時間檢測,燃燒時間為(t3+1)～(t3+6) s,符合燃燒時間≥t3的要求。在產(chǎn)品性能測試中未發(fā)現(xiàn)異常。

7)小結(jié)。

根據(jù)對生產(chǎn)過程的排查,星光體用基本藥劑在濕混約10 min時設(shè)備意外斷電,停止混制,約3.5 h后設(shè)備故障解除,技術(shù)人員根據(jù)藥劑外觀質(zhì)量狀態(tài)決定繼續(xù)完成20 min濕混。與正常生產(chǎn)存在差異,需進(jìn)一步分析及試驗驗證。

2.2.2 故障樹排查

為進(jìn)一步排查引起該次特種彈發(fā)光異常故障的原因,建立了故障樹[3](見圖2),并對相關(guān)因素進(jìn)行排查。

圖2 發(fā)光異常故障樹

1)觀察誤差。

在故障批產(chǎn)品性能試驗時,試驗現(xiàn)場及(L+5) km處同時進(jìn)行觀察,試驗現(xiàn)場檢測星光體動態(tài)燃燒時間,(L+5) km處進(jìn)行光色辨別。兩發(fā)故障產(chǎn)品在試驗現(xiàn)場的記錄為不足2 s,(L+5) km處記錄為剛發(fā)現(xiàn)光色,光色馬上消失,無持續(xù)時間。根據(jù)兩處記錄,排除了觀察誤差因素。

2)推進(jìn)劑(助推劑)點火能力弱。

星光體是由推進(jìn)劑(助推劑)點燃并推出筒體,如果推進(jìn)劑點火能力弱,有可能會出現(xiàn)無法點燃星光體或星光體燃燒不足現(xiàn)象。影響推進(jìn)劑(助推劑)點火能力的兩個因素為推進(jìn)劑(助推劑)藥量少和藥劑水分超出X%要求[4]。

對推進(jìn)劑(助推劑)藥量及水分進(jìn)行檢查。推進(jìn)劑(助推劑)在稱藥前水分分析結(jié)果為(X-0.6)%,符合水分不超出X%的要求;推進(jìn)劑(助推劑)首件檢驗和生產(chǎn)過程每1 h藥量檢查記錄,藥量為(m2-0.08)～(m2+0.1) g,符合藥量(m2±0.2) g的技術(shù)要求。排除了推進(jìn)劑(助推劑)點火能力弱的因素。

3)星光體燃速高。

形成星光體本身燃燒速度較高的兩個因素為星光體藥劑少和星光體高度超出H規(guī)定。對星光體藥量、高度尺寸進(jìn)行追溯,藥量記錄為(m1-0.06)～(m1+0.07) g,高度尺寸記錄為(H-0.12)～(H-0.04) mm,符合藥量(m1±0.1) g、高度不超過H的規(guī)定。另星光體靜態(tài)燃燒時間為(t2+3)～(t2+7) s,符合不低于t2的技術(shù)要求。排除了星光體燃速高的因素[5]。

4)星光體強度不足。

星光體在推進(jìn)劑(助推劑)將其點燃并推出筒體時,如果強度不足,推進(jìn)劑(助推劑)形成的點火壓力將星光體沖擊為碎塊,導(dǎo)致星光體瞎火或小塊燃燒,燃燒時間大幅降低[6]。形成星光體強度不足的兩個因素為粘合劑少和粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時間不充分。粘合劑是由環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂兩組分組成,通過兩組分充分混合交聯(lián)固化增強星光體強度。對藥劑制備過程進(jìn)行追溯,藥劑混制時,記錄為環(huán)氧樹脂(m3-1.2) g,聚酰胺樹脂(m4+2) g,符合環(huán)氧樹脂(m3±5) g,聚酰胺樹脂(m4±5) g的要求;查藥劑制備過程時,有設(shè)備停機約3.5 h記錄,因此藥劑為非連續(xù)混制,影響粘合劑環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂充分混合。因此不排除因粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時間不充分而導(dǎo)致星光體強度不足的因素。

5)小結(jié)。

通過故障樹因素排查分析,由于設(shè)備故障,藥劑非連續(xù)進(jìn)行混制,導(dǎo)致環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂未充分混合,降低了粘合劑交聯(lián)固化反應(yīng)時間,使星光體強度不足因素需進(jìn)一步驗證。

3 試驗驗證

根據(jù)排查結(jié)果,對藥劑不連續(xù)生產(chǎn)的異常情況是否導(dǎo)致產(chǎn)品故障進(jìn)行試驗驗證。

3.1 試驗驗證方案

試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案進(jìn)行了藥劑制備、星光體壓制、星光體靜態(tài)燃燒時間檢測、星光體抗壓力檢測及星光體動態(tài)燃燒時間檢測,試驗結(jié)果見表2。

表2 試驗驗證結(jié)果

4 機理分析

環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂單獨存放時不會發(fā)生固化反應(yīng),兩者按照相應(yīng)比例充分混合后發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)[7]。反應(yīng)方程式如圖3所示。

圖3 反應(yīng)方程式

星光體用基本藥生產(chǎn)時,物料與膠液混合10 min后,設(shè)備意外斷電,藥劑混合終止,環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂已在藥劑干粉中分散但未充分混合,設(shè)備停滯約3.5 h過程中,聚酰胺樹脂中胺揮發(fā)損失,胺值降低,影響兩樹脂固化形成的長鏈交聯(lián)質(zhì)量,降低了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度,導(dǎo)致星光體強度不足,在推進(jìn)劑(助推劑)作用下碎裂,燃燒時間短。尤其是在低溫條件下,星光體強度不足,在壓力沖擊下更易破碎,加之低溫傳火能量較低,嚴(yán)重時可能會形成星光體瞎火。

5 采取措施及舉一反三

5.1 措施

根據(jù)排查結(jié)果及故障因素試驗驗證,采取了如下措施。

1)基本藥制造工藝中明確濕混過程必須連續(xù)進(jìn)行的要求。

2)完善異常情況應(yīng)急管理處置要求。遇到停電、機械故障等突發(fā)異常情況時,藥劑混全中斷,該自然批藥劑作報廢處理。

3)該特種彈在研發(fā)過程中共計試驗樣品近2 000余發(fā),均未出現(xiàn)類似故障,試驗驗證時選用的科研批星光體為該特種彈定型批用星光體,產(chǎn)品定型試驗800余發(fā)均未出現(xiàn)此類問題,因此在批生產(chǎn)過程中,為降低質(zhì)量風(fēng)險,以定型批星光體靜壓力值為最低控制要求,在主要原材料換批時,開批試驗項目、每個批驗收增加星光體常溫靜壓力測試,規(guī)定靜壓力要求不小于N,每次試驗2發(fā)。

5.2 措施驗證

1)連續(xù)生產(chǎn)40個批次基本藥,分別進(jìn)行了靜壓力試驗,共計80發(fā),壓力范圍為(N+0.4)～(N+1.6) kN。

2)對上述40個批次藥劑進(jìn)行了靜態(tài)燃燒時間試驗,共計200發(fā),燃燒時間為(t2+1)～(t2+6) s,符合技術(shù)要求。

3)對上述40個批次藥劑進(jìn)行了發(fā)射試驗試驗,高溫環(huán)境800發(fā),燃燒時間為(t3+1)～(t3+6) s;低溫環(huán)境為800發(fā),燃燒時間為(t3+2)～(t3+8) s;常溫環(huán)境為800發(fā),燃燒時間為(t3+2)～(t3+7) s;且未出現(xiàn)星光體發(fā)光異常現(xiàn)象。

5.3 舉一反三

1)在類似藥劑制備工藝規(guī)程中規(guī)定,藥劑混制過程中一旦出現(xiàn)混制中斷,該藥劑不再用于產(chǎn)品裝配。

2)藥劑原材料換批生產(chǎn)時必須進(jìn)行小樣性能試驗,符合產(chǎn)品技術(shù)要求后方可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)該特種彈發(fā)光異常是由于基本藥在生產(chǎn)過程中設(shè)備突然斷電,藥劑混合停滯導(dǎo)致環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂固化交聯(lián)反應(yīng)不充分,使星光體強度不足,在點火壓力作用下破碎而形成的。

2)生產(chǎn)過程異常情況一定要進(jìn)行充分安全及質(zhì)量分險分析,規(guī)避成品質(zhì)量隱患。

3)設(shè)計是質(zhì)量的源頭,要對其點火、傳火等序列的能量進(jìn)行合理分配,且進(jìn)行邊界條件的試驗驗證,給生產(chǎn)留有充足的裕度。