延期藥延期時(shí)間的p-t曲線測試新方法?

劉慶安 李 燕 朱順官 袁 彬

南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

以延期藥為能源的延期器件具有簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠、抗干擾和體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于時(shí)間引信、自毀裝置、解脫機(jī)構(gòu)、毫秒級或秒級延期雷管、點(diǎn)火具和其他火工器件中[1]。

燃速是延期藥最重要的特性參數(shù)，目前已有數(shù)十種燃速測試方法，如靶線法、攝影法、光電法、熱電偶法、光導(dǎo)纖維法、自變電阻法、離子導(dǎo)電法、電容法、γ射線法等[2]。靶線法和光電法都用來測量延期藥的平均燃速，其原理是在燃燒開始時(shí)計(jì)時(shí)，燃燒結(jié)束時(shí)斷開記錄，從而算出延期藥的平均燃速。攝影法雖比靶線法好，但成本較高，實(shí)驗(yàn)周期長，且只能得到圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理較為繁瑣。熱電偶法是在被測藥柱中插入兩支或兩支以上熱電偶，記錄熱電偶溫度隨時(shí)間的變化；這種方法操作復(fù)雜，且會干擾延期藥燃燒溫度場，不能滿足實(shí)驗(yàn)要求。自變電阻法可用來測試瞬時(shí)燃速和燃燒的全過程，僅適用于含有金屬粉末的藥劑[2]。杜志明[3]將光電耦合器件(CCD)技術(shù)應(yīng)用于藥劑燃燒速度的測試，解決了以往無法測試延期藥、點(diǎn)火藥瞬時(shí)燃速的難題，得到了Ti-BaCrO4延期藥燃燒波面的位置-時(shí)間曲線、瞬時(shí)燃速曲線以及平均燃速隨壓力變化的曲線。馮西平[4]對目前比較成熟的探針法、光電法、靶線法和聲電法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出光電法是一種精確度較高的測時(shí)方法，其反應(yīng)速度很快，適合精確的火工品作用時(shí)間的測量，但是在測試過程中要注意其他光信號的干擾。光電法適用于各類延期藥的燃速測試，如硅系延期藥[5-6]、硼系延期藥[7-11]、鎢系延期藥[12-16]。在評價(jià)一批延期元件延期精度的一致性時(shí)，采用光電法比較方便[2]。光電法雖較為成熟，但難以做到在密閉燃燒條件下測試以模擬延期火工品內(nèi)部真實(shí)的燃燒環(huán)境，高低溫測試時(shí)延期體溫度不易維持，難以在測試延期時(shí)間的同時(shí)監(jiān)測內(nèi)部壓力的變化。顏事龍等[17]設(shè)計(jì)了一套雷管延期體延時(shí)測試新方法，由示波器顯示整個(gè)過程的壓力-時(shí)間曲線，由波形讀出從點(diǎn)火到每個(gè)藥芯的噴火時(shí)間，但仍采用引火藥頭、導(dǎo)爆管兩種點(diǎn)火方式。

在延期體燃速測試時(shí)，影響測試精度的因素有很多。其中，點(diǎn)火藥的藥量、壓藥密度等因素直接影響其對延期藥柱的點(diǎn)火能量，從而影響延期藥柱的穩(wěn)定燃燒，造成延期精度低的問題。因此，點(diǎn)火藥藥量的選擇應(yīng)考慮其自身的性質(zhì)和延期藥的性質(zhì)，從點(diǎn)火能量匹配的角度考慮[18]，使延期藥盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)燃燒。

此外，延期體從烘箱或低溫箱取出到點(diǎn)火測試有一定的的時(shí)間，若采用傳統(tǒng)的光電法測試時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)保溫塊用來維持延期體的溫度，這樣就使得實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，不便于實(shí)際測試。

本文中，設(shè)計(jì)了一種p-t曲線測壓組件，用示波器記錄燃燒過程中測壓組件內(nèi)部壓力變化曲線，通過適當(dāng)?shù)娜↑c(diǎn)，得到延期藥的燃燒時(shí)間。傳統(tǒng)測試方法采用導(dǎo)爆管、電引火藥頭點(diǎn)火，本文中，采用電弧點(diǎn)火，避免了電引火藥頭、導(dǎo)爆管等外加點(diǎn)火元件對燃速測試的影響。傳統(tǒng)光電法采用兩個(gè)光電二極管取兩個(gè)信號的時(shí)間差，本文中，采用一個(gè)壓力變送器，通過膠木測壓組件得到輸入端、輸出端點(diǎn)火藥燃燒壓力峰的時(shí)間，體現(xiàn)了軍用延期體的真實(shí)點(diǎn)火傳火狀態(tài)。另外，采用該法測試，延期體在密閉條件下燃燒，較為接近延期火工品的實(shí)際使用環(huán)境。這種方法方便易操作，有效地解決了高低溫測試時(shí)的保溫問題。

1 測試方法簡介

1.1 延期體p-t曲線測試系統(tǒng)

延期體p-t曲線測試系統(tǒng)包括測壓組件、高壓電弧點(diǎn)火器、壓力變送器、供電電源、示波器等。延期體p-t曲線測壓組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。測壓組件主體采用膠木材質(zhì)，左、右兩端為銅制螺栓。左端螺栓中間加工一凹槽，凹槽中插入一金屬針(直徑1 mm，長度13 mm)，測壓模具裝配后，金屬針與延期體鋁管殼間距為2 mm，兩端螺栓接上高壓電弧點(diǎn)火器后，即可在金屬針與延期體鋁管殼間產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，利用電弧放電的高溫特性點(diǎn)燃延期體。

圖1 延期體測壓組件Fig.1 Pressure measuring component for extension body

測壓組件上部螺紋為壓力變送器接口，采用FST800-211壓力變送器，其量程為1.6、2.0 MPa，信號輸出為0～10 V、0～5 V，精度為±0.5%FS。

圖2為某延期體的p-t曲線測試結(jié)果。延期藥為鎢系延期藥(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：W，38%；BaCrO4，52%；KClO4，10%；總藥量400 mg)，延期體的輸入端和輸出端均為60 mg的601點(diǎn)火藥。

圖2 鎢系延期藥p-t曲線測試圖譜Fig.2 p-t curve test chart of tungsten type delay composition

圖2中第一個(gè)壓力峰為輸入端601點(diǎn)火藥的燃燒壓力峰，第二個(gè)壓力峰為輸出端601點(diǎn)火藥的燃燒壓力峰。取第一個(gè)壓力峰最高點(diǎn)的時(shí)間-0.891 s及第二個(gè)壓力峰起點(diǎn)的時(shí)間0.871 s，可得延期藥的延期時(shí)間1.762 s。

該延期時(shí)間測試方法，第一個(gè)壓力峰最高點(diǎn)的時(shí)間及第二個(gè)壓力峰起點(diǎn)時(shí)間的讀取可以精確到1 ms，較好地滿足了實(shí)驗(yàn)精度要求。

1.2 樣品制備

鎢系延期體Ⅰ、硅系延期體Ⅰ均為自壓延期體，壓藥壓力為200 MPa，管殼材質(zhì)為2Al2鋁合金，內(nèi)徑為3.50 mm，外徑為6.16 mm，長度分別為16.40、10.40 mm；鎢系延期體Ⅱ、硅系延期體Ⅱ均為鉛芯延期體，由南京理工大學(xué)科技化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1)鎢系延期體Ⅰ。延期藥為W/BaCrO4/KClO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：W，38%；BaCrO4，52%；KClO4，10%)，采用篩網(wǎng)干混法制備，藥量為440 mg，分4次壓裝，每次壓藥110 mg，輸入端、輸出端均為60 mg的601點(diǎn)火藥，手動杠桿壓藥機(jī)壓藥。

2)鎢系延期體Ⅱ。結(jié)構(gòu)為大內(nèi)管壓裝點(diǎn)火索和延期索。為得到壓力信號，在輸出端壓入40 mg 601點(diǎn)火藥，壓藥壓力約20 MPa。

3)硅系延期體Ⅰ。延期藥為Si/Pb3O4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Si，37.2%；Pb3O4，62.8%)，采用篩網(wǎng)干混法制備，藥量為140 mg，分兩次壓裝，每次壓藥70 mg，輸入端、輸出端均為601點(diǎn)火藥，藥量分別為100 mg和60 mg，手動杠桿壓藥機(jī)壓藥。

4)硅系延期體Ⅱ。切長5.3 mm，油壓機(jī)壓藥。在延期體輸入端、輸出端各壓入601點(diǎn)火藥(手動點(diǎn)壓，藥量均為10 mg左右)。

2 測試結(jié)果及討論

2.1 秒級延期測試

鎢系延期體Ⅰ、鎢系延期體Ⅱ兩種延期元件結(jié)構(gòu)不同，裝藥直徑不同，同時(shí)考察了兩類鎢系延期體的測試精度。兩類鎢系延期體的p-t曲線測試圖譜與圖2類似，取點(diǎn)方式相同，故不再贅述。為了初步驗(yàn)證p-t曲線法測試秒級延期體的可行性，在室溫條件下用該法進(jìn)行了鎢系延期體Ⅰ的延期時(shí)間測試工作，測試結(jié)果見表1。該樣品為自壓延期體，非工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，故沒有與傳統(tǒng)光電法進(jìn)行對比。

表1中，鎢系延期體Ⅰ的延期精度為3.30%，精度較高，測試誤差主要是由藥劑本身、裝藥條件的差別造成的，測試系統(tǒng)本身對延期時(shí)間測試的誤差比較小。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該法測試的精度，取一批鎢系延期體Ⅱ(工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品)，分別采用p-t曲線法和光電法。在室溫條件下進(jìn)行延期時(shí)間的測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了對比，如表2所示。光電法采用100 MHz 10段智能爆速測量儀，南京理工大學(xué)民用爆破器材研究所研制，分辨率0.1 ms，測試裝置由兩個(gè)光靶獲取信號，一個(gè)獲取導(dǎo)爆管的光信號，一個(gè)獲取延期體末端的噴火信號。

表1 鎢系延期體Ⅰ測試結(jié)果Tab.1 Test results of tungsten type extension bodyⅠ

p-t曲線法測試去掉了點(diǎn)火端點(diǎn)火索的燃燒時(shí)間，整個(gè)燃燒過程在密閉條件下進(jìn)行，因此該法測試得到的延期時(shí)間比工廠采用傳統(tǒng)光電法所得的延期時(shí)間稍短。兩種測試方法精度差別不明顯，說明p-t曲線法測試延期時(shí)間可以滿足秒級延期測試要求。

表2 鎢系延期體Ⅱ的p-t曲線法與傳統(tǒng)光電法測試結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the results of p-t curve method and traditional photoelectric method for tungsten type extension bodyⅡ

表3 硅系延期體Ⅰ測試結(jié)果Tab.3 Test results of silicon type extension bodyⅠ

表4 硅系延期體Ⅱ的p-t曲線法與傳統(tǒng)光電法測試結(jié)果對比Tab.4 Comparison of the results of p-t curve method and traditional photoelectric method for silicon type extension bodyⅡ

2.2 毫秒級延期測試

硅系延期體Ⅰ、硅系延期體Ⅱ兩種延期元件結(jié)構(gòu)不同，裝藥直徑不同，同時(shí)考察了兩類硅系延期體的測試精度。同樣，兩類硅系延期體的p-t曲線測試圖譜與圖2類似，取點(diǎn)方式相同，故不再贅述。為了初步驗(yàn)證p-t曲線法測試毫秒級延期體的可行性，在室溫條件下用該法進(jìn)行了硅系延期體Ⅰ的延期時(shí)間測試工作，測試結(jié)果見表3。該樣品為自壓延期體，非工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，故沒有與傳統(tǒng)光電法進(jìn)行對比。

表3中硅系延期體Ⅰ的延期精度為11.24%，精度較高，測試誤差主要是由藥劑本身、裝藥條件的差別造成的，測試系統(tǒng)本身對延期時(shí)間測試的誤差比較小。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該法測試的精度，取一批硅系延期體Ⅱ(工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品)，分別采用p-t曲線法和光電法在室溫條件下進(jìn)行延期時(shí)間的測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了對比，如表4所示。

表4中，所有測試數(shù)據(jù)均在2段延期時(shí)間(25±10 ms)范圍內(nèi)，與光電法相比，p-t曲線法測試的延期時(shí)間較長，是因?yàn)檠悠隗w輸入端手動點(diǎn)壓的601點(diǎn)火藥的藥量過少(約10 mg)。硅系延期體Ⅱ采用p-t曲線法測試得到的延期時(shí)間精度較低，而硅系延期體Ⅰ采用p-t曲線法測試得到的精度較高(硅系延期體Ⅰ裝藥一致性較好)。硅系延期體Ⅱ生產(chǎn)時(shí)未壓入點(diǎn)火藥，測試時(shí)手動點(diǎn)壓了約10 mg點(diǎn)火藥(延期體點(diǎn)火端為弧形且套有金屬殼體，故無法用沖子壓點(diǎn)火藥，僅能點(diǎn)壓約10 mg點(diǎn)火藥，且無法控制點(diǎn)火藥藥量，裝藥一致性差)，點(diǎn)火藥藥量過少，且與延期藥接觸不緊密，則點(diǎn)火能量過小、兩個(gè)壓力信號的峰值也不夠明顯，故p-t曲線法測試得到的精度不夠理想。

輸入端點(diǎn)火藥燃燒壓力約為0.2 MPa，而采用同樣的測試條件測得的導(dǎo)爆管輸出壓力約為0.8 MPa(p-t曲線如圖3所示)。根據(jù)點(diǎn)火能量匹配理論，輸入端601點(diǎn)火藥點(diǎn)火能量過小，導(dǎo)致延期藥非穩(wěn)態(tài)燃燒段加長，延期精度較低。因此，只要改變延期體生產(chǎn)的工藝，壓入點(diǎn)火藥，p-t曲線法適用于2段或其他段別毫秒級延期體的測試。

2.3 p-t曲線測時(shí)裝置的保溫效果

將延期體、壓力變送器裝配到測壓組件中，點(diǎn)火端螺栓處插入水銀溫度計(jì)并用硅橡膠密封。放入烘箱中升溫到58.6℃，保溫4 h后拿出，溫度-時(shí)間測量結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，延期體在1 min內(nèi)溫度降低不超過1℃。p-t曲線法測試時(shí)，測壓組件從烘箱或低溫箱取出到測試約0.5 min。因此，p-t曲線測試系統(tǒng)保溫效果較好，適合于高低溫下的燃速測試。

圖3 輸入端601點(diǎn)火藥燃燒壓力和導(dǎo)爆管輸出壓力對比Fig.3 Comparison of the 601 ignition charge combustion pressure at input end and output pressure of detonating tube

圖4 延期體的溫度-時(shí)間曲線Fig.4 Temperature-time curve of extension body

2.4 高低溫下的延期時(shí)間測試

將18發(fā)鎢系延期體Ⅰ分別與18個(gè)測壓組件裝配后放入烘箱和低溫箱中保溫4 h后測試，p-t曲線法延期時(shí)間測試結(jié)果如表5所示。

表5 高低溫下鎢系延期體Ⅰ延期時(shí)間測試結(jié)果Tab.5 Test results of tungsten type extension bodyⅠat high and low temperatures

由表5可知，在高低溫下采用p-t曲線法測試延期時(shí)間，延期精度均較高。該法測試誤差較小，適合于高低溫下的燃速測試。

3 結(jié)論

采用電弧點(diǎn)火方式，設(shè)計(jì)了一種新型延期時(shí)間測試方法，避免了電引火藥頭、導(dǎo)爆管等外加點(diǎn)火元件對燃速測試的影響，體現(xiàn)了軍用延期體的真實(shí)點(diǎn)火傳火狀態(tài)，通過記錄測壓組件內(nèi)部p-t曲線得到延期藥的燃燒時(shí)間，分別用p-t曲線法和光電法測試了秒級及毫秒級延期體的延期時(shí)間，并對測壓組件的保溫效果進(jìn)行了測試，得到如下結(jié)論：

1)建立的p-t曲線測試系統(tǒng)應(yīng)用于秒級、毫秒級延期藥延期時(shí)間的測試是可行的。采用該法測試，方便易操作，可有效地解決高低溫測試時(shí)的保溫問題。采用電弧點(diǎn)火避免了藥頭藥劑質(zhì)量對燃速測試的影響。另外，延期體在密閉條件下燃燒，較為接近延期火工品的實(shí)際使用環(huán)境。

2)秒級延期體光電法測試后計(jì)算得到的延期精度為3.35%，p-t曲線法測試后計(jì)算得到的延期精度為3.43%。表明p-t曲線法測試延期時(shí)間可以滿足秒級延期測試要求。

3)毫秒級延期體光電法測試后計(jì)算得到的延期精度為12.21%，p-t曲線法測試后計(jì)算得到的延期精度為18.96%。根據(jù)點(diǎn)火能量匹配理論，通過調(diào)整輸入端點(diǎn)火藥藥量，p-t曲線法測試延期時(shí)間可以滿足毫秒級延期測試要求。