低氣壓長秒延期點(diǎn)火具研究

低氣壓長秒延期點(diǎn)火具研究

劉君閣，付艷柳,郭秋萍，趙變玲，李彤，張亮亮低氣壓長秒延期點(diǎn)火具研究劉君閣1，付艷柳1,郭秋萍2，趙變玲1，李彤1，張亮亮1（1.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧撫順，113003；2.陸軍駐撫順地區(qū)代表室，遼寧撫順，113003）針對延期點(diǎn)火具的低氣壓工作環(huán)境，探討并論證了敞開式延期點(diǎn)火具的總體設(shè)計(jì)。基于延期藥燃燒方程，進(jìn)行了多層遞進(jìn)點(diǎn)燃式的延期點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析得到各級點(diǎn)火藥、延期藥的設(shè)計(jì)要求；經(jīng)大量藥劑配比試驗(yàn)得出點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物含量占比、凝聚態(tài)產(chǎn)物是否流動是其工作穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。本研究對低氣壓長秒延期點(diǎn)火具設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義。延期點(diǎn)火具；低氣壓；點(diǎn)火藥；精度底排火箭復(fù)合增程彈是一種地面遠(yuǎn)程多節(jié)復(fù)合增程炮彈，在炮彈發(fā)射途中由延期點(diǎn)火具控制火箭發(fā)動機(jī)增程動作的時(shí)機(jī)與動能，達(dá)到增程目的。延期點(diǎn)火具通常裝配在增程炮彈彈底，因此其工作環(huán)境主要為炮彈發(fā)射過載、高速自轉(zhuǎn)以及高速飛行所引發(fā)的彈尾低氣壓，而這正是影響延期點(diǎn)火具的延期精度和作用可靠性的主要因素。為避免彈尾低氣壓對延期精度的影響，延期點(diǎn)火具的總體設(shè)計(jì)通常采用密閉式，既用炮彈發(fā)射時(shí)的膛壓或火焰作為初始能量作用于撞擊或隔板部件上使延期點(diǎn)火具工作。為探討低氣壓對延期點(diǎn)火具的影響，項(xiàng)目組開展了敞開式延期點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)與研究，力圖開拓新的科研路線與設(shè)計(jì)完善。1低氣壓工作環(huán)境下的延期點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)南京理工大學(xué)的張領(lǐng)科數(shù)值模擬了155底排彈噴口截面處燃?xì)鈮毫﹄S時(shí)間變化情況[1]，見圖1。從圖1可以看出，155底排彈噴口截面處燃?xì)鈮毫υ谂趶棸l(fā)射瞬間略有增加，之后逐漸下降，第10s時(shí)壓力由發(fā)射前的0.1MPa下降到約0.05MPa，第20s時(shí)壓力下降到約0.025MPa，第24s時(shí)壓力下降到約0.02MPa?？梢姡着艤p阻效果隨時(shí)間逐漸減弱。圖1噴口截面處燃?xì)鈮毫﹄S時(shí)間變化情況延期點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線是敞開式燃燒。針對155底排彈發(fā)射過載高、膛壓高等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：（1）炮彈發(fā)射時(shí)點(diǎn)火具裝藥結(jié)構(gòu)不能損壞，應(yīng)可靠作用、不允許瞬發(fā)；（2）炮彈發(fā)射時(shí)延期點(diǎn)火具主要由厚壁裝藥殼體、藥劑和加強(qiáng)帽組成，如圖2所示。輸出端裝藥為鋯系點(diǎn)火藥，延期藥為鎢系延期藥，二級點(diǎn)火藥和一級點(diǎn)火藥均為硅系點(diǎn)火藥，組分、配比不同。其作用原理是炮彈發(fā)射時(shí)的火焰和壓力作用于點(diǎn)火部件，此時(shí)一級點(diǎn)火藥開始燃燒并點(diǎn)燃二級點(diǎn)火藥，二級點(diǎn)火藥再點(diǎn)燃鎢系延期藥，經(jīng)過一定時(shí)間后鋯系點(diǎn)火藥燃燒并輸出火焰。圖2延期點(diǎn)火具示意圖2裝藥設(shè)計(jì)在低氣壓長秒延期點(diǎn)火具裝藥設(shè)計(jì)中，主要考慮秒量精度和瞎火問題。對于長秒延期點(diǎn)火具，點(diǎn)火藥點(diǎn)燃延期藥的點(diǎn)火能力、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間、固體殘量、點(diǎn)火溫度等參數(shù)，直接影響點(diǎn)火具的秒量精度和作用可靠性。根據(jù)秒量要求，設(shè)計(jì)的長秒延期點(diǎn)火具采用鎢系延期藥，鎢系延期藥主要由鎢粉、鉻酸鋇、高氯酸鉀和粘合劑組成。該組分中的高氯酸鉀分解時(shí)是吸熱反應(yīng)，并且比較難分解。二級、一級點(diǎn)火藥須有足夠的熱量供給鎢系延期藥才能使其穩(wěn)定燃燒，由延期藥燃燒方程[2]：式（1）中：為燃燒速度；為傳熱系數(shù)；T為燃燒溫度；T為藥柱發(fā)火點(diǎn)；D為擴(kuò)散系數(shù)；1為藥劑比熱；為藥柱密度；T為室溫；0為藥粒半徑?？梢钥闯?，延期藥燃燒速度與藥劑燃燒溫度、傳熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)成正比，與藥劑比熱、密度、藥粒半徑成反比。由于點(diǎn)火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生氣體和凝聚態(tài)產(chǎn)物，特別是在低氣壓敞開式燃燒狀態(tài)下，凝聚態(tài)產(chǎn)物會隨氣體產(chǎn)物流動離開鎢系延期藥燃燒界面，此時(shí)延期藥燃燒界面的熱量會下降，點(diǎn)火藥藥柱燃燒后產(chǎn)物密度也會增加，延期藥的燃燒速度就會降低，導(dǎo)致延期精度下降，甚至瞎火。并且，延期藥中高氯酸鉀的分解為吸熱反應(yīng)，如果延期藥因初始點(diǎn)火熱量不足導(dǎo)致燃燒過程中放出的熱量不足，同樣也會導(dǎo)致延期藥燃燒速度降低，延期精度下降，甚至瞎火。由此對二級點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)要求為：（1）凝聚態(tài)產(chǎn)物多、密度大，氣體產(chǎn)物少；（2）燃燒溫度高、放出熱量大，火焰感度適度。一級點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)要求為：（1）燃燒產(chǎn)物密度盡量大，即固體產(chǎn)物盡量多、氣體產(chǎn)物盡量少；（2）燃燒溫度高，足以點(diǎn)燃二級點(diǎn)火藥，火焰感度適度。2.1二級點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)為初步確定二級點(diǎn)火藥的配方設(shè)計(jì)，根據(jù)上述分析，對硅粉、四氧化三鉛點(diǎn)火藥和硅粉、四氧化三鉛、硫化銻兩種常用點(diǎn)火藥，采用俄羅斯REAL維里狀態(tài)方程進(jìn)行了不同壓力下產(chǎn)物熱力學(xué)計(jì)算。2.1.1硅粉、四氧化三鉛點(diǎn)火藥計(jì)算中假設(shè)點(diǎn)火藥在常壓0.1MPa、低氣壓0.01MPa環(huán)境下進(jìn)行絕熱燃燒，焓變=0。通過數(shù)據(jù)庫檢索Si為穩(wěn)定單質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為0kJ/kg，Pb3O4的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為-1069.9kJ/kg。計(jì)算藥劑在不同配比、不同壓力下的燃燒產(chǎn)物成分、燃燒溫度，如表1及圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明，在1690K時(shí)Si(c)發(fā)生了相變，由凝聚態(tài)變?yōu)榱藲鈶B(tài)。由表1可以看出，壓力環(huán)境對凝聚態(tài)產(chǎn)物和燃燒溫度都有較大影響。常溫常壓下，硅粉含量由15%增加到30%時(shí)，凝聚態(tài)產(chǎn)物由35.9%增加到100%，燃燒溫度由2020K下降到1745K。而在常溫低氣壓（0.01MPa）下，硅粉含量由15%增加到50%時(shí)，凝聚態(tài)產(chǎn)物才由22.9%增加到100%，燃燒溫度由1765K下降1625K。因此，選用配比為Si:Pb3O4=50∶50點(diǎn)火藥作為二級點(diǎn)火藥更為合理，但該配比點(diǎn)火藥的火焰感度較低、很難點(diǎn)燃。經(jīng)綜合分析和系統(tǒng)火焰感度試驗(yàn)，初步確定凝聚態(tài)產(chǎn)物多、密度大，氣體產(chǎn)物少、燃燒溫度高、火焰感度適度的Si:Pb3O4=40∶60點(diǎn)火藥作為二級點(diǎn)火藥。該點(diǎn)火藥在常溫低氣壓下凝聚態(tài)產(chǎn)物73.9%，燃燒溫度為1662K。圖3Si/Pb3O4燃燒溫度在不同環(huán)境壓力下隨配比的變化趨勢圖表1Si/Pb3O4不同配比不同壓力下燃燒產(chǎn)物占比計(jì)算結(jié)果Tab.1BurningproductionproportionatdifferentSi/Pb3O4ratiounderdifferentpressure2.1.2硅粉、四氧化三鉛、硫化銻點(diǎn)火藥計(jì)算中假設(shè)點(diǎn)火藥在常壓0.1MPa、低氣壓0.01MPa環(huán)境下進(jìn)行絕熱燃燒，焓變=0。通過數(shù)據(jù)庫檢索Si為穩(wěn)定單質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為0kJ/kg，Pb3O4的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為-1069.9kJ/kg，Sb2S3的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為-433.6kJ/kg。計(jì)算藥劑在不同壓力下的燃燒產(chǎn)物成分、燃燒溫度，見表2。計(jì)算結(jié)果在1690K時(shí)Si(c)發(fā)生相變、由凝聚態(tài)變?yōu)榱藲鈶B(tài)。表2Si/Pb3O4/Sb2S3在不同壓力下燃燒產(chǎn)物占比計(jì)算結(jié)果Tab.2BurningproductionproportionofSi/Pb3O4/Sb2S3underdifferentpressure表2計(jì)算結(jié)果表明，常溫低氣壓下Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1點(diǎn)火藥的凝聚態(tài)產(chǎn)物、燃燒溫度比Si/Pb3O4（40/60）的低。分析認(rèn)為Si:Pb3O4=40∶60點(diǎn)火藥更適合作為二級點(diǎn)火藥。2.2一級點(diǎn)火藥設(shè)計(jì)根據(jù)一級點(diǎn)火藥應(yīng)滿足良好的火焰感度、凝聚態(tài)產(chǎn)物多、燃燒溫度高等設(shè)計(jì)要求，初步選用常用的Si/Pb3O4配方體系作為一級點(diǎn)火藥組分，并考慮該點(diǎn)火藥由火焰感度高的配比甲和凝聚態(tài)產(chǎn)物多的配比乙組成，其Si含量接近二級點(diǎn)火藥量Si的含量。通過對Si/Pb3O4不同配比不同壓力下產(chǎn)物熱力學(xué)參數(shù)的分析和二級點(diǎn)火藥的設(shè)計(jì)分析，配比甲確定為為Si:Pb3O4=20∶80；配比乙確定為Si:Pb3O4=40∶60。為使Si含量接近二級點(diǎn)火藥量Si的含量，甲乙比例確定為甲∶乙=1∶5，按此配比Si的含量為36.6%。3試驗(yàn)與分析3.1不同點(diǎn)火藥對作用可靠性的影響為驗(yàn)證點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物含量、燃燒溫度對作用可靠性的影響，進(jìn)行了2組不同點(diǎn)火藥裝藥的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)1主要裝配條件為：二級點(diǎn)火藥Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1，一級點(diǎn)火藥Si:Pb3O4=20∶80，加強(qiáng)帽長度5mm，試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果表明，Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4點(diǎn)火藥裝藥組合在低溫、低氣壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)1發(fā)瞎火，作用可靠性較低。表3Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4點(diǎn)火藥作用結(jié)果Tab.3FunctionresultsofSi/Pb3O4/Sb2S3andSi/Pb3O4compounds試驗(yàn)2主要裝配條件：二級點(diǎn)火藥組分，Si:Pb3O4=40∶60；一級點(diǎn)火藥甲∶乙=1∶5，甲乙組合點(diǎn)火藥甲配比為Si:Pb3O4=20∶80，乙配比為Si:Pb3O4=40∶60，上述裝藥組合構(gòu)成新組合點(diǎn)火藥。5mm加強(qiáng)帽長度。試驗(yàn)結(jié)果見表4。表4Si/Pb3O4新組合點(diǎn)火藥作用Tab.4FunctionresultofSi/Pb3O4compoundswithnewratio表4試驗(yàn)結(jié)果表明點(diǎn)火具均可靠作用，但延期精度較低。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2結(jié)果表明，試驗(yàn)1點(diǎn)火藥裝藥組合作用可靠性較低，試驗(yàn)2點(diǎn)火藥裝藥組合作用可靠性較高，但延期精度較低。試驗(yàn)2組合裝藥的特點(diǎn)是凝聚態(tài)產(chǎn)物、燃燒溫度均較高。試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了點(diǎn)火藥的凝聚態(tài)產(chǎn)物含量、燃燒溫度對作用可靠性、延期精度影響較大。3.2點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物流動對延期精度的影響對試驗(yàn)2發(fā)火后產(chǎn)品進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)延期時(shí)間長（如30.9s）的產(chǎn)品其加強(qiáng)帽內(nèi)無藥劑殘?jiān)?，延期時(shí)間穩(wěn)定（如22.5s）的產(chǎn)品其加強(qiáng)帽內(nèi)及口部有殘?jiān)?。分析認(rèn)為，點(diǎn)火瞬間一級點(diǎn)火藥出現(xiàn)兩種狀態(tài)：一種是點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物瞬間在低氣壓下產(chǎn)生固體流動，一種是點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物在低氣壓下基本沒有產(chǎn)生固體流動。前一種狀態(tài)下點(diǎn)火藥對下級相鄰藥劑只是瞬間點(diǎn)火，持續(xù)時(shí)間不足，點(diǎn)火藥的燃燒熱量沒有充分傳導(dǎo)給下一級相鄰藥劑，燃燒熱量傳導(dǎo)不穩(wěn)定，因此，出現(xiàn)長秒問題。而后一種狀態(tài)下，點(diǎn)火藥對下級相鄰藥劑能夠持續(xù)點(diǎn)火，點(diǎn)火藥的燃燒熱量能夠充分傳導(dǎo)給下一級，燃燒熱量傳導(dǎo)穩(wěn)定，因此，延期時(shí)間能夠穩(wěn)定。針對產(chǎn)品作用后加強(qiáng)帽內(nèi)有藥劑殘?jiān)蜔o藥劑殘?jiān)F(xiàn)象，分析認(rèn)為是加強(qiáng)帽內(nèi)藥劑壓強(qiáng)較低。因而對上述點(diǎn)火藥進(jìn)行了藥高測量，結(jié)果100mg點(diǎn)火藥、150MPa壓強(qiáng)，藥高均在1.5mm左右。將200mg點(diǎn)火藥裝在長度為5mm的加強(qiáng)帽內(nèi)進(jìn)行壓合，加強(qiáng)帽內(nèi)藥劑所受壓強(qiáng)一是不穩(wěn)定，二是壓強(qiáng)不足。為使點(diǎn)火藥壓強(qiáng)均勻、提高延期精度，進(jìn)行了試驗(yàn)3。主要措施是將加強(qiáng)帽長度由5mm下調(diào)至1.8mm，其余裝配條件同試驗(yàn)2，結(jié)果見表5。表5加強(qiáng)帽長度對延期精度的影響Tab.5Effectofreinforcementpluglengthondelaytimeaccuracy表5結(jié)果表明，加強(qiáng)帽高度由5mm下調(diào)至1.8mm后延期精度有所提高。在-55℃、2h，0.01MPa下環(huán)境下，極差由10s減小到6.3s，-55℃、2h，常壓下極差也由1.6s減小到0.4s。加強(qiáng)帽長度縮短后延期精度有所提高，但極差仍然很大。觀察秒量較長產(chǎn)品，其加強(qiáng)帽內(nèi)凝聚態(tài)產(chǎn)物仍然較少。為進(jìn)一步提高延期精度，減少點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物的固態(tài)流動，進(jìn)行了試驗(yàn)4。主要措施是在加強(qiáng)帽內(nèi)加裝了40目金屬網(wǎng)，為防止加強(qiáng)帽位移，在加強(qiáng)帽部位加裝了反扣帽，試驗(yàn)結(jié)果見表6。表6金屬網(wǎng)反扣帽對延期精度的影響Tab.6Effectofreversedmetalnetapplicationondelaytimeaccuracy表6結(jié)果表明，在延期體加強(qiáng)帽內(nèi)加裝40目金屬網(wǎng)和反扣帽后，延期精度得到提高。在低溫、低氣壓下極差由6.3s減小到2.7s，標(biāo)準(zhǔn)差由2.09s降低至0.87s。觀察點(diǎn)火具發(fā)火后點(diǎn)火藥燃燒狀態(tài)，點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物的固體流動得到控制，加強(qiáng)帽內(nèi)均有凝聚態(tài)產(chǎn)物。4結(jié)論通過低氣壓長秒延期點(diǎn)火具的研究，得到結(jié)論如下：（1）在藥劑作用過程中，燃燒反應(yīng)區(qū)熱量傳遞是燃燒速度穩(wěn)定性的基本條件。（2）與常壓下相比，點(diǎn)火藥在低氣壓下燃燒時(shí)，其凝聚態(tài)產(chǎn)物含量明顯降低，燃燒溫度降低幅度也較大。（3）點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物的含量占比、凝聚態(tài)產(chǎn)物是否流動，直接影響燃燒反應(yīng)區(qū)的熱量傳遞和點(diǎn)火具的燃燒速度。點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物含量占比越高、凝聚態(tài)產(chǎn)物基本不流動，熱量傳遞時(shí)間越長，燃燒速度越穩(wěn)定。（4）對加強(qiáng)帽采取擋藥和反扣帽定位措施，能有效減少點(diǎn)火藥凝聚態(tài)產(chǎn)物流動，保證溫度、熱量穩(wěn)定傳遞，提高延期精度。[1]張領(lǐng)科,周彥煌,陸欣,陸春義.某底排彈底排裝置工作期間內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].含能材料,2010,18(2):217-228.[2]蔡瑞嬌.火工品設(shè)計(jì)原理[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1999.StudyontheDelayIgnitorwithLongDelayTimeunderLowPressureConditionLIUJun-ge1，F(xiàn)UYan-liu1，GUOQiu-ping2，ZHAOBian-ling1，LITong1，ZHANGLiang-liang1(1.LiaoningNorthHuafengSpecialChemistryCop.,Fushun,113003；2.ArmyRepresentOfficeatFushun,Fushun,113003)Aimedatthelowpressureworkingconditionofthedelayignitor,theoveralldesignonthedelayignitorwithunclosedcasingaspectwasstudied.Basedondelaycompositi