某耐高溫雙做功火工裝置的研究

房修義，李 彤，孫振興

（遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順，113003）

在航天技術(shù)中，火工裝置是指通過一種或數(shù)種小型火工元件及其他結(jié)構(gòu)，完成釋放拋放、切割破碎、驅(qū)動開關(guān)等功能的系列復(fù)雜裝置的總稱[1]。其設(shè)計主要是利用成熟火工元件為輸入，通過改變輸出藥量，從而實現(xiàn)各類不同功能[1]。本研究根據(jù)某系統(tǒng)技術(shù)要求，對某耐高溫雙做功火工裝置進(jìn)行了設(shè)計。

1 系統(tǒng)組成與要求

1.1 系統(tǒng)組成

某系統(tǒng)由彈殼、密封墊、活塞、火工裝置等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The composition of the system

圖1中火工裝置裝配在彈殼端部，通過密封墊將兩個活塞通道相互可靠密封。火工裝置作用時先后做功，分別使兩個活塞及彈殼內(nèi)物體先后按圖示方向運動，并以一定的速度飛離彈體。

1.2 系統(tǒng)要求

系統(tǒng)要求火工裝置在電流作用下應(yīng)可靠發(fā)火，并在210℃高溫環(huán)境下可靠工作，同時滿足系統(tǒng)的力學(xué)、溫度、電磁環(huán)境等使用要求。特征指標(biāo)和要求為：（1）火工裝置須先后做功；（2）火工裝置在22cm3容積內(nèi)輸出壓強(qiáng)峰值應(yīng)為 0.75～2.50MPa，殼體內(nèi)物體飛離速度要求精度高；（3）火工裝置作用后塑料彈殼不能破損。

2 方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)組成和系統(tǒng)要求，該火工裝置在設(shè)計中除應(yīng)考慮電性能、環(huán)境條件等要求，還應(yīng)考慮如下要求：（1）所用藥劑和零部件應(yīng)滿足系統(tǒng)耐高溫要求；（2）選用成熟火工元件為輸入；（3）兩個輸出部件作用時不能相互影響，避免因此造成的輸出異常、留膛等問題；（4）輸出能量應(yīng)穩(wěn)定一致，避免因輸出能量過小或過大造成的留膛、塑料殼體破損等問題。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照以上設(shè)計要求，先后提出了兩種設(shè)計方案：一種是閉氣塞點傳火方案，見圖2；一種是隔板點火方案，見圖3。

圖2 閉氣塞點傳火方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the closed-air initiating

圖 3 隔板點火方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of the through-bulkhead initiating

兩種方案的結(jié)構(gòu)特點是：閉氣塞點傳火方案所用藥劑種類少，裝配工序少；隔板點火方案對機(jī)加件隔板部位要求高，藥劑種類相對較多、裝配工序較多，此方案滿足“兩個輸出部件作用時不能相互影響” 這一基本要求的可靠性較高。

兩種方案均由輸入火工元件、第1輸出部件、第2輸出部件這3個火工品及零部件組成。其輸入火工元件均選用技術(shù)成熟的某定型產(chǎn)品所用部件，所用藥劑也均為耐高溫藥劑。

2.2 作用原理

2.2.1 閉氣塞點傳火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發(fā)火，其輸出的火焰同時點燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時第1輸出部件通過閉氣塞上端藥劑將火焰?zhèn)鞯介]氣塞下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運動，將輸入傳火孔封住以達(dá)到閉氣效果，向下做功使活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內(nèi)物體飛離彈體。同時第2輸出部件通過閉氣塞上端藥劑延期一定時間后再將火焰?zhèn)鞯介]氣塞下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運動，將輸入傳火孔封住達(dá)到閉氣效果，向下做功使另一活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內(nèi)另一物體飛離彈體。

2.2.2 隔板點火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發(fā)火，其輸出的火焰同時點燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時第1輸出部件隔板上端藥劑作用時產(chǎn)生的爆轟波通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發(fā)火，進(jìn)而點燃下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時向下做功使活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內(nèi)物體飛離彈體。同時第2輸出部件隔板上端藥劑延期一定時間后產(chǎn)生爆轟波，通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發(fā)火，進(jìn)而點燃發(fā)射藥劑。發(fā)射藥劑作用時向下做功使另一活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內(nèi)另一物體飛離彈體。

2.3 輸出裝藥與輸出壓強(qiáng)

根據(jù)特征指標(biāo)，輸出裝藥設(shè)計要滿足火工裝置在22cm3容積內(nèi)輸出壓強(qiáng)峰值在0.75～2.50MPa范圍內(nèi)。為此，輸出裝藥初步選用了技術(shù)成熟的耐高溫發(fā)射藥，為進(jìn)一步評估該藥的輸出特性，進(jìn)行了輸出壓強(qiáng)計算。根據(jù)范德瓦爾高壓氣體最大壓強(qiáng)公式[2]：

式（1）中：Pm為最大壓強(qiáng)，kgf/cm2；f為火藥力，2.5×106kgf·cm·kg-1；α為余容，1.0×10-3m3·kg-1；△為裝填密度，為裝藥質(zhì)量，0.19×10-3kg；3V0為藥室容積，22 cm。

由最大壓強(qiáng)公式，有：

計算表明，所用耐高溫發(fā)射藥能夠滿足火工裝置輸出壓強(qiáng)要求，可以使用。

2.4 方案對比試驗

根據(jù)總體要求，火工裝置的基本功能是將彈殼內(nèi)物體推出，并使兩個物體以一定的速度先后飛離彈殼。因此，針對閉氣塞點傳火方案和隔板點火方案，首先進(jìn)行了輸出壓強(qiáng)試驗和彈體拋射試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，對這兩種方案進(jìn)行優(yōu)選，確定方案。

2.4.1 輸出壓強(qiáng)試驗

為驗證方案設(shè)計的可行性，首先對火工裝置的輸出壓強(qiáng)進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果見表1。表1數(shù)據(jù)表明，常溫下輸出壓強(qiáng)均能滿足指標(biāo)要求。

表1 兩種方案輸出壓強(qiáng)對比試驗Tab.1 The comparison of output pressure of two formulas

2.4.2 彈體拋射試驗

為驗證兩種方案對彈殼內(nèi)物體的拋射效果，進(jìn)行了彈體拋射對比試驗，結(jié)果見表2。表2結(jié)果表明，隔板點火方案彈體拋射試驗結(jié)果穩(wěn)定，滿足使用要求；閉氣塞點傳火方案彈體拋射試驗結(jié)果不穩(wěn)定，不能滿足使用要求。

對未正常作用的彈體進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)火工裝置兩個輸出端均正常作用，而閉氣塞位置情況不同：有的脫落，有的留在原位。

表2 彈體拋射對比試驗Tab.2 The comparison of ejection test result of two formulas

彈體未正常作用的現(xiàn)象有兩種：一種是彈殼內(nèi)的物體只拋出一個，另一個物體只移動 5～15mm；一種是彈殼內(nèi)的兩個物體均留在彈殼內(nèi)，物體同樣只移動5～13mm，這種現(xiàn)象很少，只有1發(fā)是這種情況。

根據(jù)彈體拋射試驗現(xiàn)象和結(jié)果，結(jié)合表1輸出壓強(qiáng)對比試驗，分析認(rèn)為：（1）閉氣塞點傳火方案由于受閉氣塞等因素影響而閉氣不嚴(yán)，使輸出裝藥作用時能量在此部位反向損失，導(dǎo)致輸出能量減少。當(dāng)閉氣嚴(yán)重不嚴(yán)、能量反向損失較大時將導(dǎo)致彈體內(nèi)物體留膛，出現(xiàn)彈體未正常作用的問題；（2）隔板點火方案從結(jié)構(gòu)上保證了輸出裝藥作用時輸出能量向輸出方向可靠輸出，并且均勻、一致。綜合上述試驗情況和分析結(jié)果，確定選用隔板點火方案。

2.5 方案確定與驗證試驗

2.5.1 方案確定

經(jīng)過輸出壓強(qiáng)試驗、彈體拋射等主要性能試驗，確定選用隔板點火方案。然而，在進(jìn)行高、低溫彈體拋射試驗時又出現(xiàn)了新的問題：塑料彈殼破裂、彈殼內(nèi)物體留膛，結(jié)果見表3。表3結(jié)果表明，塑料彈殼批次不同對試驗結(jié)果有影響，導(dǎo)致彈殼破裂、彈殼內(nèi)物體留膛。分析認(rèn)為：塑料材料批次及塑料制品制造批次對塑料制品的力學(xué)性能，特別是對低溫強(qiáng)度性能會產(chǎn)生一定影響，這種“影響”對于普通塑料制品不會影響使用，但對于塑料彈體將會影響使用。這是由于火工裝置作用時輸出部位的活塞和彈殼瞬間受力很大，因而可導(dǎo)致該部位的彈殼破裂。

表3 塑料彈殼批次、強(qiáng)度對彈體拋射性能的影響Tab.3 The influence of batch and intensity of plastic shells on the ejection performance

表3結(jié)果也表明：3個批次的塑料彈殼低溫強(qiáng)度相差不大，基本一致，低溫下基本都達(dá)到了強(qiáng)度極限。出現(xiàn)的彈殼破裂、物體留膛現(xiàn)象不能滿足總體使用要求。為解決這一問題，對彈體的受力進(jìn)行了分析，見圖4。

圖4 系統(tǒng)作用時受力示意圖Fig.4 The stress of the system

火工裝置作用后，活塞受到軸向作用力，彈殼受到徑向作用力。正常情況下活塞受力后向左移動、推動物體完成拋射；如果彈殼受力破裂、壓強(qiáng)卸載，活塞受力迅速減小，不能克服阻力移動，導(dǎo)致物體留膛。

根據(jù)試驗結(jié)果和分析，確定解決這一問題的3個方案：（1）將塑料彈殼改為金屬彈殼，提高彈殼強(qiáng)度；（2）對塑料活塞進(jìn)行改進(jìn)，向右增加尺寸并套在火工裝置輸出部位，以減少彈殼受力強(qiáng)度；（3）在火工裝置輸出部位增加一個金屬套管，減小彈殼受力強(qiáng)度。經(jīng)進(jìn)一步分析、論證，認(rèn)為：（1）塑料彈殼改為金屬彈殼方案可行，但成本提高太多，不能采用；（2）對于塑料活塞進(jìn)行改進(jìn)方案，由于活塞結(jié)構(gòu)不對稱，火工裝置輸出做功容積減少多倍，活塞受力較原方案增加多倍，活塞在最薄尺寸處極易破裂，活塞破裂后彈殼仍有破裂的可能性，故此方案可以試驗；（3）在火工裝置輸出部位增加金屬套管的方案簡單、可行。

考慮到“火工品的性能略有改進(jìn)，都會對武器系統(tǒng)的性能有極大的影響”，并結(jié)合以上分析、論證，最終確定增加金屬套管方案，改進(jìn)后的方案見圖5。

圖5 改進(jìn)后系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 The schematic of the improved system structure

2.5.2 驗證試驗

經(jīng)過以上試驗，確定的方案為：隔板點火加金屬套管方案。按照此方案，又進(jìn)行了系統(tǒng)的驗證與性能試驗，部分結(jié)果見表4。

表4 驗證試驗結(jié)果Tab.4 Test results of verification

表4結(jié)果表明，采用隔板點火方案再加金屬套管能有效解決因塑料彈殼批次不同而產(chǎn)生彈殼破裂的問題。

3 結(jié) 語

在耐高溫雙做功火工裝置的設(shè)計、研制中，通過采用隔板點火技術(shù)，有效解決了兩個輸出部件相互干擾、影響做功的問題，使火工裝置輸出做功均勻、一致；在塑料彈殼破裂、彈內(nèi)物體留膛問題上，通過采取增加金屬套管措施，解決了總體設(shè)計中彈體的強(qiáng)度低、彈殼破裂問題。所采用的技術(shù)、采取的改進(jìn)措施，提高了火工裝置的綜合性能和可靠性，滿足了系統(tǒng)的使用要求。本研究為耐高溫延時雙做功火工裝置的設(shè)計提供了一種方法。

[1]王凱民,張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計與試驗[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[2]王澤山,徐復(fù)銘,張豪俠.火藥裝藥設(shè)計原理[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.