劉 敏，李積珍，王科偉，李 寧，付一鳴

某延期管耐高離心、高過(guò)載優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 敏1，李積珍2，王科偉2，李 寧2，付一鳴2

（1. 陸軍裝備部駐西安地區(qū)第一代表室，陜西 西安，710025；2.北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

針對(duì)某延期管在高離心、高過(guò)載條件下的斷火現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，并對(duì)管殼材料、單向傳火閉氣機(jī)構(gòu)、裝藥直徑等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：采用設(shè)計(jì)的單向傳火閉氣機(jī)構(gòu)，裝藥直徑為φ4.8mm時(shí)，在240r/s高過(guò)載離心條件下延期管能夠滿(mǎn)足延期要求。

延期管；高過(guò)載離心；性能；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著武器系統(tǒng)的作用方式不同，延期產(chǎn)品在武器系統(tǒng)中的作用環(huán)境越來(lái)越苛刻。以往延期產(chǎn)品作用基本是在靜態(tài)條件下或是在徑向受較小過(guò)載條件下完成其功能，當(dāng)延期產(chǎn)品軸向（過(guò)載方向與傳火方向相反）受到較大過(guò)載時(shí)，其性能和延期時(shí)間均會(huì)受到不同程度的影響[1]。影響較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致延期管斷火。為了使延期產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足武器的使用環(huán)境，對(duì)某延期管在高過(guò)載條件下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 延期管試驗(yàn)環(huán)境及條件

延期管裝配在某拋射導(dǎo)彈煙火激活裝置中，裝配結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 延期管在煙火激活裝置中的裝配方式

延期管軸向承受過(guò)載加速度大于等于26 000g，發(fā)射時(shí)徑向承受過(guò)載加速度大于等于16 000g，拋射時(shí)徑向承受過(guò)載加速度大于等于5 000g，延期管安裝在直徑為145mm外圓的子彈體上，轉(zhuǎn)速在不大于240r/s時(shí)可靠工作，轉(zhuǎn)速在320r/s時(shí)延期管結(jié)構(gòu)不允許損壞。延期管試驗(yàn)條件：經(jīng)軸向26 000g和徑向16 000g的錘擊試驗(yàn)后，在轉(zhuǎn)速為240r/s條件下完成功能試驗(yàn)。

2 延期管在高過(guò)載離心條件下斷火原因分析

延期管裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其延期藥為鎢系延期藥，過(guò)渡藥為硅系引火藥，點(diǎn)火藥為硼系點(diǎn)火藥；延期管在靜態(tài)條件下均能滿(mǎn)足時(shí)間要求和輸出要求，即延期時(shí)間為1~5s；延期管在轉(zhuǎn)速60r/s時(shí)延期時(shí)間和輸出性能能夠滿(mǎn)足指標(biāo)要求，在120r/s時(shí)延期管斷火。對(duì)60r/s條件下作用正常的延期管和120r/s高離心條件下斷火的延期管做工業(yè)CT透視，見(jiàn)圖3。

圖2 延期管裝藥結(jié)構(gòu)

圖3 延期管CT透視圖

由圖3可知，在60r/s條件下正常作用的延期管，其過(guò)渡藥和點(diǎn)火藥位置均有藥劑燃燒后的殘?jiān)?，而?20r/s條件下斷火的延期管在過(guò)渡藥和點(diǎn)火藥位置均有較大的空位產(chǎn)生，由此說(shuō)明空位是導(dǎo)致延期管在120r/s離心條件下斷火的主要原因。而引起空位的原因主要有以下兩點(diǎn)：首先，硼點(diǎn)火藥在反應(yīng)初期由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w，且這一過(guò)程在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)發(fā)生，高轉(zhuǎn)速形成的離心力使流體狀的硼點(diǎn)火藥通過(guò)傳火孔流向延期管外，從而導(dǎo)致容腔內(nèi)出現(xiàn)空位，此空位隨著離心力的提高而增大；其次，硼點(diǎn)火藥燃燒后形成殘?jiān)拿芏冗h(yuǎn)大于燃燒前密度，硼點(diǎn)火藥燃燒前密度與壓藥壓力有關(guān)，壓力越大其密度越大，但由于硼點(diǎn)火藥為固體顆粒狀，理論上顆粒與顆粒之間存在間隙；硼點(diǎn)火藥燃燒過(guò)程中發(fā)生固體-流體-固體的變化，這種變化使燃燒前顆粒之間的空隙排除，增加了燃燒產(chǎn)物的密度，從而在裝藥容腔中形成空位。對(duì)60r/s條件下正常作用的延期管進(jìn)行解剖，見(jiàn)圖4，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)管壁（管殼材料為黃銅）留有沒(méi)有燃燒的延期藥和過(guò)渡藥，且占總裝藥面積的30%，這使設(shè)計(jì)上延期藥的長(zhǎng)徑比改變，藥劑燃燒面積的減少使反應(yīng)放出的能量更少，當(dāng)離心過(guò)載增大，延期管會(huì)出現(xiàn)斷火現(xiàn)象。

圖4 藥劑在銅管殼中燃燒效果

為解決延期管的斷火問(wèn)題，對(duì)出現(xiàn)在內(nèi)管壁沒(méi)燃燒藥劑的問(wèn)題做了進(jìn)一步分析，其主要原因是高速運(yùn)動(dòng)條件下管殼散熱引起的。延期管管殼材料為黃銅棒，散熱系數(shù)為109W·m-1·K-1；理論上延期管在作用過(guò)程中點(diǎn)火藥首先燃燒，其產(chǎn)生的熱量首先通過(guò)管殼對(duì)過(guò)渡藥進(jìn)行預(yù)熱，延期藥燃燒時(shí)反應(yīng)區(qū)的能量主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射及燃燒氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散作用傳入未燃藥劑，藥劑的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬材料。因此，靜態(tài)條件下作用的延期管的金屬管壁會(huì)在藥劑傳遞的熱量達(dá)到未燃藥劑之前把熱量傳遞給未燃藥劑，從而通過(guò)管壁對(duì)未反應(yīng)的藥劑進(jìn)行預(yù)先加熱，進(jìn)而縮短了藥劑從低溫升高到反應(yīng)溫度所需的時(shí)間，且使未反應(yīng)藥劑處于高溫狀態(tài)，因而加快了反應(yīng)的進(jìn)行。但延期管在高離心條件下作用時(shí)相對(duì)空氣高速運(yùn)動(dòng)，空氣的高速流動(dòng)使延期管管殼溫度急劇下降，且管殼在空氣中釋放的熱量遠(yuǎn)大于管殼對(duì)藥劑傳遞的熱量，使靠近內(nèi)管壁的藥劑溫度達(dá)不到其反應(yīng)溫度，從而在延期管內(nèi)管壁出現(xiàn)沒(méi)有燃燒的藥劑。

3 產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)總體規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求（外形結(jié)構(gòu)及尺寸）對(duì)點(diǎn)火管進(jìn)行了設(shè)計(jì)，前期采用傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)及傳火方式，延期藥高為5mm，管殼材料采用銅和不銹鋼，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，延期管在靜態(tài)條件下均能滿(mǎn)足性能要求，但在離心過(guò)載條件下出現(xiàn)大量的斷火現(xiàn)象。說(shuō)明傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足高過(guò)載條件下延期管的性能要求。為滿(mǎn)足指標(biāo)要求，對(duì)延期管在高過(guò)載條件下的受力進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖5，并借鑒前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果對(duì)延期管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從材料選擇、裝藥直徑確定、點(diǎn)傳火方式的設(shè)計(jì)以及壓藥密度等4個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 延期管離心條件下受力圖

3.1 管殼材料

對(duì)銅和不銹鋼管殼在60r/s高離心過(guò)載條件下進(jìn)行性能試驗(yàn)對(duì)比（黃銅導(dǎo)熱系數(shù)：109W·m-1·K-1，不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)：49.8W·m-1·K-1），不銹鋼作為延期管管殼時(shí)，延期藥燃速穩(wěn)定。對(duì)試驗(yàn)后的延期管進(jìn)行解剖，見(jiàn)圖6。

圖6 藥劑在不銹鋼管殼中燃燒效果

經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)管殼內(nèi)壁有少許殘?jiān)?，為完全燃燒后的產(chǎn)物，不影響藥劑后續(xù)燃燒。對(duì)比圖4、圖6可知選用不銹鋼作為殼體材料時(shí)，熱損失相對(duì)較小，有利于延期藥充分燃燒，同時(shí)選用不銹鋼還可以更好地承受延期管內(nèi)部藥劑燃燒產(chǎn)生的內(nèi)壓。

3.2 裝藥直徑

高離心過(guò)載條件下裝藥直徑對(duì)延期管的性能有直接的影響，當(dāng)裝藥直徑小時(shí)，高過(guò)載離心作用下形成的空氣流動(dòng)導(dǎo)致管殼的熱損失加快，進(jìn)而使靠近管壁的藥劑無(wú)法燃燒，導(dǎo)致延期管斷火。當(dāng)轉(zhuǎn)速為60r/s、管殼裝藥直徑為φ3mm時(shí)，斷火延期管藥劑燃燒情況如圖7所示。

由圖7可知在離心速度為60r/s、裝藥直徑為φ3mm時(shí)，參與燃燒的延期藥藥高約在2.5～3.0mm，即在上述條件下延期管可靠作用時(shí)其內(nèi)部延期藥藥高必須小于2.5mm。由此對(duì)部分不同裝藥直徑的延期管所能滿(mǎn)足的最大轉(zhuǎn)速進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 裝藥直徑φ3mm時(shí)作用效果圖

表1 離心過(guò)載條件下對(duì)應(yīng)的裝藥直徑

Tab.1 The corresponding charge diameter under high centrifugal overload

3.3 傳火方式及閉氣機(jī)構(gòu)

由于受高過(guò)載離心的影響，延期管點(diǎn)、傳火方式不能參照普通延期類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，延期管必須設(shè)計(jì)為單向傳火，且點(diǎn)火藥被點(diǎn)燃后還要形成單向閉氣機(jī)構(gòu)，能夠阻擋藥劑燃燒時(shí)形成的高溫殘?jiān)蚝笠苿?dòng)（離心過(guò)載產(chǎn)生的離心力與延期管的能量傳遞方向相反）。為使延期管正常作用，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了由支撐環(huán)、傳火墊片、加強(qiáng)帽和火焰感度高的點(diǎn)火藥組合形成的單向傳火、閉氣結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖8。

圖8 單向傳火、閉氣結(jié)構(gòu)示意圖

單向傳火、閉氣機(jī)構(gòu)作用原理：延期管受上級(jí)針刺火帽輸出的火焰后，火焰先通過(guò)三孔支撐環(huán)點(diǎn)燃高感度點(diǎn)火藥，點(diǎn)火藥燃燒的火焰在經(jīng)過(guò)傳火墊片的傳火孔和加強(qiáng)帽底部的傳火孔后點(diǎn)燃加強(qiáng)帽中的小威力點(diǎn)火藥，進(jìn)而點(diǎn)燃過(guò)渡藥和延期藥，形成單向傳火機(jī)構(gòu)；同時(shí)在高過(guò)載離心力作用下傳火墊片向后移動(dòng)，使支撐環(huán)的3個(gè)孔完全覆蓋，而小威力點(diǎn)火藥燃燒后形成的殘?jiān)魅雮骰饓|片和加強(qiáng)帽的傳火孔，最終組成單向閉氣機(jī)構(gòu)。

3.4 壓藥密度

在高過(guò)載離心條件下，提高延期管藥劑（延期藥分別為鎢系延期藥、硼系延期藥和硅系引燃藥）的壓藥密度有利于能量傳遞，延期藥密度增加時(shí)，藥劑的空隙度將減小，對(duì)應(yīng)延期藥的燃速將下降。當(dāng)密度達(dá)到一定值時(shí)藥劑間的空隙度很小，此時(shí)具有平行層燃燒的性質(zhì)，燃速區(qū)域穩(wěn)定，延期精度也很高[2]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)選擇延期管裝藥直徑為φ3.0mm和φ4.8mm，延期藥為鎢系延期藥和硼系延期藥，過(guò)渡藥選用硅系引燃藥，點(diǎn)火藥選用瀝青鈍化三硝基間苯二酚鉛，壓藥壓力為210MPa，對(duì)應(yīng)的延期藥藥高約為2mm、5mm，點(diǎn)、傳火方式采用上述單向傳火、閉氣機(jī)構(gòu)。確定裝配參數(shù)后進(jìn)行了高過(guò)載離心試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2~3。

表2 裝藥直徑為φ3 mm高離心過(guò)載下延期管試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The test results of the delay element with 3mm charge diameter under high centrifugal overload

表3 裝藥直徑為φ4.8mm高離心過(guò)載下延期管試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 The test results of the delay element with 4.8mm charge diameter under high centrifugal overload

分析表2~3試驗(yàn)結(jié)果，可知采用設(shè)計(jì)的單向傳火、閉氣機(jī)構(gòu)，裝藥直徑為φ4.8mm時(shí)，在240r/s的高過(guò)載條件下，延期管未出現(xiàn)斷火現(xiàn)象，延期時(shí)間滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

針對(duì)某延期管在高離心過(guò)載下出現(xiàn)斷火現(xiàn)象，分析其原因并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：（1）高離心過(guò)載下，能量損失過(guò)大是導(dǎo)致延期管斷火的主要原因；（2）高離心過(guò)載條件下傳統(tǒng)延期產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不能滿(mǎn)足要求，通過(guò)對(duì)管殼材料、裝藥直徑、傳火方式及閉氣機(jī)構(gòu)，以及壓藥密度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以解決點(diǎn)火具性能不穩(wěn)定的問(wèn)題；（3）采用設(shè)計(jì)的單向傳火、閉氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)裝藥直徑為φ4.8mm時(shí)，在240r/s以?xún)?nèi)的高離心過(guò)載條件下，延期管均能可靠作用。

[1] 吳艷霞,沈瑞琪,葉迎華.高加速度過(guò)載對(duì)硼延期藥延期性能的影響 [J].火工品,2005(03):20-23.

[2] 王凱民,張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[3] 蔡吉生,沈瑞琪,葉迎華. 延期體抗高加速度過(guò)載的結(jié)構(gòu)加固性能研究[J].火工品, 2007(2):53-55.

The Optimum Design of High Centrifugal Overload Resistance for Some Delay Element

LIU Min1，LI Ji-zhen2，WANG Ke-wei2，LI Ning2，F(xiàn)U Yi-ming2

(1.The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an, Xi’an, 710025；2. Xi’an Qinghua Company, North Special Energy Group Co.Ltd., Xi’an, 710025)

The causes of the fire failure of some delay element in high centrifugal and high overload conditions were analyzed, and optimum designs on shell material, unidirection flame propagation obturator and charge diameter were carried out. The verification test results show that by use of the designed unidirection flame propagation obturator, as the charge diameter of φ4.8mm, the delay tube can meet the delay requirement under high centrifugal overload condition of 240r/s.

Delay element；High centrifugal overload；Performance；Structure design

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.005

1003-1480（2020）01-0018-04

2019-11-20

劉敏（1985 -），男，工程師，主要從事火工品質(zhì)量控制工作。