分步壓裝高能炸藥質(zhì)量控制研究

孫家利，王秋雨，焦 紅，孫 麗

(1.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046；2.中國(guó)兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100089)

為實(shí)現(xiàn)彈藥的高效毀傷和高安全性，持續(xù)推動(dòng)彈藥技術(shù)的不斷發(fā)展，要求炮彈尋求裝填高能量和高安全性的炸藥，以滿足武器裝備的高效毀傷效能。隨著我國(guó)第2代含能材料高能炸藥的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)地面壓制武器彈藥綜合毀傷威力的提高提供了良好的基礎(chǔ)。但采用新型高能炸藥提高武器裝備性能的同時(shí)，大批量生產(chǎn)時(shí)，常規(guī)裝藥方法裝填的炮彈已經(jīng)不能滿足未來戰(zhàn)場(chǎng)需求。之前常用的注裝藥法、螺旋裝藥法、壓裝法不能適應(yīng)含鋁的高能炸藥裝藥，已成為制約我軍武器裝備發(fā)展的短板，嚴(yán)重影響了地面壓制武器的整體水平[1]，分步壓裝藥是裝填高能炸藥的一種新的裝藥方法。為了發(fā)展我國(guó)的國(guó)防事業(yè)，提高彈藥在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，從烏克蘭引進(jìn)了分步壓裝機(jī)，以期解決現(xiàn)役彈藥毀傷效能嚴(yán)重不足的問題。雖然分步壓裝機(jī)是新引進(jìn)設(shè)備，但設(shè)備精度超差，并且二代含能材料高能炸藥在炮彈上是首次應(yīng)用，尚無成熟的工藝路線可以參考。用引進(jìn)設(shè)備在壓裝藥過程中出現(xiàn)了密度不均勻，有裂紋、斷層等缺陷，這些疵病的存在可使藥柱強(qiáng)度降低，是造成炮彈膛炸的原因之一[2]。因此，應(yīng)解決基于第2代高能炸藥應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型高能炸藥在炮彈上的應(yīng)用，以彌補(bǔ)現(xiàn)役彈藥毀傷威力的不足，促進(jìn)我國(guó)壓制武器高效毀傷實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展[3]。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)背景及發(fā)展情況

西方發(fā)達(dá)國(guó)家不斷將新型高能炸藥應(yīng)用在各類彈藥，完成了彈藥裝藥從TNT為主到以RDX、HMX為主的更新?lián)Q代，提高了彈藥毀傷效能[4]。俄羅斯采用分步壓裝工藝，在炮彈中主要裝填以RDX為主體的高能混合炸藥，使同類彈藥比裝填TNT時(shí)的威力提高50%以上，有效提高了發(fā)射安全性和彈藥的威力。為了提高彈藥的威力和毀傷效能，我國(guó)從烏克蘭引進(jìn)了自動(dòng)壓裝機(jī)，經(jīng)國(guó)產(chǎn)化同時(shí)研究分步壓裝高能炸藥技術(shù)，以滿足隨著作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)彈藥在射程、威力等方面提出的更高要求。

2 分步壓裝機(jī)的裝藥原理

分步壓裝藥機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)新型裝藥工藝全新的裝藥設(shè)備。針對(duì)分步壓裝藥工藝技術(shù)和裝藥方法，進(jìn)行了引進(jìn)壓裝機(jī)的國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)研究。分步壓裝藥工藝裝藥原理是通過每次對(duì)少量的炸藥進(jìn)行多次沖壓，在沖頭附近形成薄層密實(shí)區(qū)，散裝藥被沖頭不斷壓實(shí)，沖頭隨被壓實(shí)的裝藥面的升高而自動(dòng)上移，直至彈體口部，隨著沖頭不斷運(yùn)動(dòng)最終形成藥柱[5]。分步壓裝藥是在螺旋裝藥和壓裝藥的基礎(chǔ)上將二者合二為一的裝藥方法，是綜合了螺旋裝藥和壓裝藥優(yōu)點(diǎn)的一種裝藥方法[6]。裝藥過程是通過每次少劑量裝散藥劑，螺桿在一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)下，將炸藥逐份送入彈體內(nèi)腔，隨裝隨壓，“裝—壓—裝—壓”交替連續(xù)將炸藥逐份送入炮彈內(nèi)腔進(jìn)行搗壓，完成炮彈的炸藥裝填。當(dāng)密度達(dá)到一定值后，壓實(shí)的炸藥面對(duì)螺桿沖頭產(chǎn)生反壓力，當(dāng)反壓力大于主軸油缸的反壓溢流閥的設(shè)定值時(shí)，螺桿沖頭被提升，使炸藥在彈體內(nèi)由底部向上逐層被壓實(shí)，達(dá)到工藝要求的密度。

3 影響分步壓裝藥質(zhì)量的因素及控制方法

分步壓裝藥在威力、安定性、環(huán)境適應(yīng)性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)裝藥，具有良好的應(yīng)用前景，對(duì)彈藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級(jí)意義重大。分步壓裝藥密度分布的均勻性是裝藥質(zhì)量控制的關(guān)鍵，密度過高，起爆感度降低，易產(chǎn)生“壓死”現(xiàn)象，密度過低，不能有效殺傷敵人有生力量[7]。影響分步裝高能炸藥質(zhì)量的因素主要包括人員、設(shè)備、材料、環(huán)境、工藝過程控制等。

3.1 人員

分步壓裝藥法工藝是應(yīng)用于炮彈裝藥的新工藝，從事分步壓裝藥技術(shù)、質(zhì)量人員應(yīng)具有相關(guān)的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為確保產(chǎn)品裝藥質(zhì)量，提高裝藥效率，對(duì)操作人員、檢驗(yàn)人員應(yīng)進(jìn)行工藝、技術(shù)和安全的培訓(xùn)及考核。

3.2 高能炸藥性能

炸藥為各種武器彈藥提供毀傷的能源，不斷向提高能量和應(yīng)用更加安全的方向發(fā)展。目前用于常規(guī)彈藥分步壓裝的高能炸藥主要有鈍黑鋁炸藥、聚黑鋁炸藥，是能量較高的二代含能材料，炸藥的流散性好，機(jī)械感度低，成型后密度高，安全性高，為高過載常規(guī)彈藥應(yīng)用分步壓裝藥奠定了基礎(chǔ)。分步壓裝藥過程中，流入彈體內(nèi)的炸藥量主要取決于其流散性，流散性過大，流入藥量多，容易淹沒裝藥螺桿，進(jìn)而影響裝藥密度；炸藥流散性過小，每次藥量流入少，可能粘附螺桿，影響裝藥安全性，并且較少的藥量在裝藥螺桿作用下雖然密度提高，但增加了連續(xù)沖擊炸藥和摩擦次數(shù)，增加了危險(xiǎn)性[8]。為確保壓裝藥安全，炸藥不允許有目視可見的雜質(zhì)及金屬屑、碎玻璃、砂石。

3.3 工作環(huán)境

分步壓裝藥技術(shù)綜合了螺旋裝藥和普通壓裝藥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于炮彈、火箭彈等產(chǎn)品裝藥[9]，一般情況炸藥不需要加熱，為保證炸藥的可塑性以提高裝藥密度和減少藥柱裂紋，彈體和炸藥溫度不宜過低，因此要求裝藥工作環(huán)境溫度≥18 ℃，工房一般保持相對(duì)濕度在40%～75%范圍內(nèi)，以減小靜電，提高裝藥安全性。

3.4 壓裝藥機(jī)設(shè)備調(diào)試

壓裝藥機(jī)設(shè)備參數(shù)是否合理直接影響著壓機(jī)定位準(zhǔn)確度，導(dǎo)致出現(xiàn)密度不合格。為確保壓裝藥質(zhì)量，設(shè)備的使用應(yīng)處于完好狀態(tài)，儀器應(yīng)定期檢定合格，并且在有效使用期內(nèi)。針對(duì)烏克蘭引進(jìn)的分步壓裝機(jī)精度超差問題，對(duì)空車運(yùn)行的分步壓裝機(jī)的精度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定設(shè)備精度調(diào)整措施，如工作平臺(tái)的平面度≯0.05 mm/1 000 mm，滑塊平面對(duì)工作臺(tái)平面平行度調(diào)整為≤0.1 mm，滑塊運(yùn)動(dòng)軌對(duì)工作臺(tái)面的直線度≤0.2 mm/1 000 mm。裝藥前進(jìn)行設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)檢查，設(shè)備各部位應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，無卡滯現(xiàn)象；采用手動(dòng)操作方式調(diào)整設(shè)備，確保炸藥螺桿與保護(hù)套不刮蹭；檢測(cè)裝藥螺桿徑向跳動(dòng)應(yīng)≤0.25 mm。

3.5 分步壓裝藥工藝過程設(shè)計(jì)

根據(jù)分步壓裝技術(shù)原理和裝藥技術(shù)，確定分步壓裝藥主要工藝過程：彈體準(zhǔn)備→彈體檢驗(yàn)→炸藥準(zhǔn)備→炸藥檢驗(yàn)→分步壓裝模擬炸藥→分步壓裝藥→檢驗(yàn)→補(bǔ)裝藥→裝藥質(zhì)量檢驗(yàn)。

當(dāng)不同產(chǎn)品分步壓裝藥時(shí)，需調(diào)整裝藥螺桿與彈體底部距離，如中大口徑炮彈應(yīng)為18～25 mm，目的是螺桿下降到位后，保證螺桿距彈體底部有足夠的安全距離，以避免壓藥過程中螺桿與彈體底部摩擦發(fā)生危險(xiǎn)，引起工藝安全問題[10]。設(shè)備經(jīng)國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)后，利用某開合彈分步壓裝模擬炸藥，采用自動(dòng)控制程序檢測(cè)反向壓力、裝藥器開口轉(zhuǎn)變的位置、裝藥螺桿與彈體底部距離等工藝參數(shù)是否穩(wěn)定和符合工藝要求，直至調(diào)整到符合工藝要求后，方可進(jìn)入正式的分步壓裝藥生產(chǎn)。通過一定數(shù)量開合彈分步壓裝模擬藥，確定了工藝參數(shù)，對(duì)不同產(chǎn)品分步壓裝高能炸藥小批量工藝試制，優(yōu)化了分步壓裝藥工藝參數(shù)，最佳裝藥反壓力4～8 MPa，補(bǔ)裝藥壓力3～6 MPa。

3.6 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

某產(chǎn)品小批量分步壓裝藥試制，裝藥安全性高，連續(xù)性好，裝藥良品率達(dá)到97%以上，經(jīng)裝藥質(zhì)量檢測(cè)裝藥平均密度達(dá)到1.70 g/cm3以上，采用X射線機(jī)或工業(yè)CT照相對(duì)裝藥彈體進(jìn)行檢測(cè)，無疵病。為進(jìn)一步驗(yàn)證裝藥性能，進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)、射擊安定性等集成驗(yàn)證試驗(yàn)，均滿足設(shè)計(jì)要求，為高能炸藥在武器裝備上的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過引進(jìn)壓裝機(jī)經(jīng)國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)后，分步壓裝藥實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)化生產(chǎn)，滿足了我國(guó)炮彈裝藥生產(chǎn)低成本、高效率的要求，分步壓裝藥安全性更高，提高了裝藥密度和良品率，消除或減少裝藥缺陷，解決了基于二代含能材料高能炸藥分步壓裝藥工藝技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)地面壓制武器升級(jí)換代。