某多功能電底火的設計研究

王科偉，趙文虎，李 寧，曾祥濤，馮軍民，付一鳴，李積珍

（特種能源集團西安慶華公司，陜西 西安，710025）

隨著炮射導彈武器系統(tǒng)的發(fā)展，對起始激發(fā)的底火功能提出了越來越高的要求。常規(guī)底火多數(shù)為瞬發(fā)型火工品，作用功能單一；多功能型底火作為導彈一極，具有控制導彈發(fā)射和將發(fā)射平臺電能通過底火傳遞、激活導彈控制電路的雙重功能。

本文以某炮射導彈用底火的研制為背景，該底火主要技術要求規(guī)定：產(chǎn)品在1.5A作用下應可靠發(fā)火，延期時間1.1～1.8s，在0.1～1.1s時間內(nèi)產(chǎn)品動態(tài)電阻不應小于100Ω。筆者通過對燃燒室、裝藥結(jié)構(gòu)和傳火機構(gòu)的設計以及點火藥篩選，提高了底火延期時間精度，解決了作用過程動態(tài)電阻不應小于100Ω的技術難題。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設計

按照使用要求，電底火的結(jié)構(gòu)設計分為兩大部分：傳遞電能機構(gòu)和延期點火器。傳遞電能機構(gòu)的作用是將武器平臺提供的電能可靠傳遞至導彈控制電路中的激活負載上，并為延期點火器中的橋絲提供電能，其結(jié)構(gòu)為并聯(lián)電路設計。電底火傳遞電能機構(gòu)原理見圖1。延期點火器的功能為延期和輸出火焰點燃導彈輔助裝藥，其延期藥選用鎢系延期藥劑，輸出裝藥采用KClO4點火藥，其輸出能量為高溫、高壓氣體和灼熱固體顆粒，易于點燃發(fā)射裝置中球扁類裝藥。

圖1 傳遞電能機構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of electric energy delivery mechanism

1.2 延期點火器設計

延期點火器主要由電點火管和延期管構(gòu)成，其總結(jié)構(gòu)為“點火管-氣室-延期管”。延期點火器采用獨腳發(fā)火方式，芯電極與殼體通過注塑的方式實現(xiàn)固定，橋絲選用Ni-Cr合金電阻絲并聯(lián)焊接在雙面覆銅層壓板制作的橋片上下表面，橋絲上涂覆起爆藥，通過壓帽與殼體尺寸緊配合的方式實現(xiàn)電發(fā)火件與芯極的緊密結(jié)合，從而保證電發(fā)火件橋絲回路的可靠接通。延期管采用獨立結(jié)構(gòu)，通過外螺紋與點火管殼體的內(nèi)螺紋進行連接。

1.2.1 內(nèi)部氣室設計

大多數(shù)延期火工品的點火管、延期管和氣室的結(jié)構(gòu)為直列式。本產(chǎn)品由于給定尺寸僅能滿足點火管和延期管的長度要求，氣室不能直列在點火管和延期管之間。在徑向尺寸尚有余量的情況下，在電點火管殼體內(nèi)部預先設置一定容腔的環(huán)形氣室，延期管輸入端小孔與環(huán)形氣室相連，見圖2。

圖2 延期點火器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of delay ignitor structure

工作時，延期裝藥依次經(jīng)過加熱、分解、燃燒、產(chǎn)物擴散4個歷程。產(chǎn)物擴散的方向與反應的前進方向相反，擴散產(chǎn)物中的氣體通過進氣孔進入環(huán)形氣室，固體殘渣貼在管壁上或堵在管殼口部。不同容積氣室條件下的延期時間試驗結(jié)果見表1，氣室體積對延期時間標準差的影響見圖3～4。

從圖3～4可以看出，在高溫和低溫條件下，隨著氣室體積的增加，延期時間標準差顯著減小，在氣室體積增加至一定范圍時延期時間標準差趨于穩(wěn)定。所以可以根據(jù)實際尺寸情況選擇合適的自由容腔來提高產(chǎn)品的延期精度。

表1 氣室體積對延期時間影響Tab.1 Effect of gas chamber volume on delay time

圖3 高溫條件下氣室體積與標準差的關系Fig.3 Relationship between gas chamber volume and standard deviation at high temperature

圖4 低溫條件下氣室體積與標準差的關系Fig.4 Relationship between gas chamber volume and standard deviation at low temperature

1.2.2 延期裝藥設計

延期管裝藥采用LTNR-點火藥-延期藥-輸出裝藥的點火方式實現(xiàn)延期點火功能，該火工品延期藥采用鎢系延期藥，點火藥選用燃速較慢的微氣體延期藥，以避免在延期藥劑燃燒過程中隨著空腔中的氣體壓力逐漸升高，導致延期時間出現(xiàn)穩(wěn)定性偏差的問題。不同一級點火藥條件下延期管的性能見表2。

表2 不同點火藥條件下延期管性能試驗結(jié)果Tab.2 Performance test results of delay elements with different ignition powders

從表2試驗結(jié)果可以看出，點火藥采用硼系點火藥的延期管作用后開路電阻小于100Ω，而采用硅系點火藥的延期管開路電阻全部大于1 278Ω。

硼系點火藥由硼粉、BaCrO4、Pb3O4在加入一定量的粘合劑后經(jīng)過一定的工藝條件混合造粒而成。其總反應方程式為：

從反應方程式（1）可以看出，硼系點火藥在生成產(chǎn)物中存在具有導電性能的金屬物質(zhì)Pb，其熔點為328℃[1]，而硼系點火藥的反應溫度大于800℃[2]，所以硼系點火藥中的反應產(chǎn)物Pb以流體狀態(tài)析出，在延期點火器中能夠通過點火空腔流入發(fā)火后斷裂的橋絲處導通橋絲，故燃燒過程中的開路電阻較小。而硅系點火藥由Si、Pb3O4、CaSi組成，其總反應方程式為：

由式（2）可見，Si系點火藥燃燒后在產(chǎn)物中雖然同樣存在具有導電性能的金屬物質(zhì)Pb，但其燃燒產(chǎn)物中有堅硬且孔隙度較高的固體殘渣SiO2，可以吸附點火藥燃燒產(chǎn)物中的導電金屬Pb，使其不能以流體狀態(tài)流入到橋絲處，從而提高了延期過程的開路電阻。

1.2.3 傳火方式設計

傳火方式的設計主要考慮點火管藥劑點燃延期管第一級點火藥的可靠性，盡量減小點火管藥劑作用后對延期管裝藥的破壞性，并隔斷延期管裝藥燃燒時高溫產(chǎn)物可能的反向擴散，提高開路電阻。所以，傳火方式為火焰通過中心小孔金屬隔片推動滑塊運動，然后點燃延期管一級點火藥，見圖5。

圖5 電點火管傳火方式原理圖Fig.5 Schematic diagram of flame propagation manner of electric igniter tube

采用該傳火方式共進行了500發(fā)產(chǎn)品的功能試驗，全部可靠作用，延期時間和開路電阻均滿足指標要求，可靠度為0.994（置信水平為0.95）。

2 性能試驗及結(jié)果

2.1 延期時間

進行了5批研制底火的延期時間驗收試驗，試驗結(jié)果見表3。由表3可知，在-50～+60℃條件下，電底火的延期精度較高。

表3 電底火延期時間驗收試驗結(jié)果Tab.3 Acceptance test results of electric primer delay time

2.2 開路電阻

進行了5批電底火的動態(tài)開路電阻驗收試驗，試驗200余發(fā)，開路電阻不小于1 278Ω（限于示波器采集精度，最大只能采集到此數(shù)據(jù)）。

2.3 長貯性能

抽取20發(fā)電底火按GJB 736.8-1990 火工品試驗方法 71℃試驗法[3]進行加速壽命試驗，試驗時間為42d，相當于15a。試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 長貯試驗結(jié)果Tab.4 Storage life test result

2.4 系統(tǒng)試驗

在導彈地面點火、飛行等各種聯(lián)合試驗中，電底火均可靠點燃發(fā)射機構(gòu)的輔助裝藥，滿足總體要求。

3 結(jié)論

環(huán)形氣室是一種新的設計思路，能夠提高延期精度，解決軸向尺寸長度不足所帶來的難題；硅系點火藥可以阻斷延期類火工品反應產(chǎn)物的電導通性能；發(fā)火件輸出火焰通過隔片推動滑塊運動點燃延期管的傳火方式具有較高的可靠性；該電底火能夠?qū)⑽淦髌脚_提供的電能可靠傳遞至導彈控制電路，具有延期精度高、動態(tài)開路電阻穩(wěn)定的特點。

[1]蔡瑞嬌.火工品設計原理[M].北京：北京理工大學出版社，1999.

[2]張致魁.硼系延期藥燃燒時間與配比的關系探討[J].火工品，2004(4)：38-41.

[3]GJB736.8-1990 火工品試驗方法 71℃試驗法[S].國防科學技術工業(yè)委員會，1990.