一種帶有安全保險機構(gòu)的點火裝置設(shè)計

華 琦，趙 亮，葉淑琴，劉海旭，喬改霞

（北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

武器裝備技術(shù)的不斷發(fā)展對火工裝置的可靠性和安全性提出了更高要求，可靠性和安全性可通過整體結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)和保證。本點火裝置用于固體發(fā)動機推進劑點火，為滿足發(fā)動機工作條件（20MPa、12s、3 000℃）下的安全可靠、不漏氣要求和GJB 2865-97火箭和導彈固體發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設(shè)計準則中對使用藥劑的安全性要求，本研究設(shè)計了帶有安全保險機構(gòu)的無起爆藥隔板點火裝置。

1 點火裝置設(shè)計

1.1 點火裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

點火裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用雙路冗余設(shè)計，主要由安全保險機構(gòu)點火器和裝藥管等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 點火裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of ignition device structure

1.2 安全保險機構(gòu)點火器設(shè)計

安全保險機構(gòu)點火器主要由螺釘、分度盤、蓋帽、點火器組件、隔板裝藥本體、插頭、鉛封絲和鉛塊等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

1.2.1 隔板裝藥本體設(shè)計

隔板裝藥本體主要由本體、隔板裝藥和傳火管等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖2 安全保險機構(gòu)點火器簡圖Fig.2 Schematic of ignitor with safety &arm mechanism

圖3 隔板裝藥本體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic of through-bulkhead charge body

在借鑒火工品隔板起爆技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計了隔板本體，材料選用耐熱鋼棒1Cr11Ni2W2MoV，通過雙路隔板裝藥設(shè)計，提高了點火裝置作用可靠性；通過隔板本體強度設(shè)計滿足了發(fā)動機工作條件（20MPa、12s、3 000℃）下的安全可靠、不漏氣要求。由于采用隔板結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證高可靠性、高安全性的同時具有很高的耐壓性和密封性。

隔板裝藥是點火裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常采用疊氮化鉛起爆藥傳爆。20世紀80年代起，國外研制了無起爆藥隔板點火器，使用太安和黑索今作為隔板裝藥；我國于20世紀90年代中期，使用超細太安作為隔板裝藥。雖然太安、黑索今和超細太安在安全性能上高于起爆藥，但仍然不能滿足GJB 2865-97對使用藥劑的安全性要求。通過調(diào)研、設(shè)計與驗證，本設(shè)計的隔板裝藥選用超細A5傳爆藥，經(jīng)傳爆可靠性試驗及裕度試驗，確定了隔板厚度、受主端裝藥量及壓藥壓力、施主端裝藥量及壓藥壓力。

按此設(shè)計的隔板裝藥經(jīng)165發(fā)傳爆試驗，無1發(fā)失效，結(jié)果表明選用超細A5傳爆藥替代起爆藥作為隔板裝藥設(shè)計是合理可行的，此設(shè)計不僅滿足了GJB2865-97對使用藥劑的安全性要求，而且使安全保險機構(gòu)的隔爆效果更好、裕度更大。

1.2.2 點火器組件設(shè)計

點火器組件主要由隔爆件、點火器座、密封圈、線路板、2個鈍感電起爆器、2個傳爆管和2個濾波器等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。點火器組件設(shè)計了兩路獨立的鈍感電起爆器和傳爆管，與隔板裝藥本體對應，采用鈍感電起爆器與濾波器連接起爆方式，在具有高可靠性的同時提升了抗靜電、抗射頻、抗雜散電流、抗雷電等電磁環(huán)境能力。本文對鈍感電起爆器和傳爆管的設(shè)計在此不做詳述，主要介紹隔爆件、點火器座的設(shè)計。

（1）隔爆件設(shè)計。隔爆件外形為T形，示意圖見圖5。

圖4 點火器組件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic of igniting elements

圖5 隔爆件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic of interrupter structure

隔爆件柱體為圓柱形，柱體端為六方形并有內(nèi)螺紋，便于定位安裝分度盤；隔爆端面的設(shè)計帶有2個傳火孔，90°凹槽用于解除保險時的旋轉(zhuǎn)導向，突起的扇形用于隔爆件與點火器座解除保險前與解除保險后的定位。隔爆件的作用是當電起爆器意外發(fā)火引爆傳爆管后防止隔板裝藥起爆，所以設(shè)計上選用機械強度好的熱軋不銹鋼棒1Cr18Ni9Ti材料加工，隔爆端面厚度設(shè)計為2mm。

（2）點火器座設(shè)計。點火器座設(shè)計為帶有中心孔、2個鈍感電起爆器安裝孔和2個濾波器安裝孔的十字形多孔異形件，結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。點火器座的中心孔外部設(shè)計為方形，用于安裝線路板，內(nèi)部設(shè)計為圓形孔，用于隔爆件柱體的旋轉(zhuǎn)導向；設(shè)計的電起爆器孔安裝鈍感電起爆器和傳爆管；濾波器孔與電起爆器孔呈直角設(shè)計，在小空間下互不干擾形成2路并聯(lián)傳爆序列；底端面與隔爆件的隔爆端面貼合，底端面的定位槽與隔板裝藥本體的定位銷配合，保證傳爆管與隔板裝藥對正，同時對隔爆件解除保險前與解除保險后進行鎖定。

圖6 點火器座簡圖Fig.6 Schematic of ignitor holder

1.2.3 安全保險機構(gòu)設(shè)計

安全保險機構(gòu)一般有回轉(zhuǎn)式隔爆和滑移式隔爆兩種方式，回轉(zhuǎn)式隔爆主要是通過轉(zhuǎn)子機構(gòu)的轉(zhuǎn)動使起爆位置與被起爆位置偏移一定位置達到可靠隔爆之目的；滑移式隔爆主要是通過隔板的滑動堵塞起爆位置與被起爆位置的傳火通道，達到可靠隔爆之目的。不管采用那種方式隔爆，都要在回轉(zhuǎn)體或滑塊上設(shè)計安裝火工品的位置，在空間尺寸允許條件下，可采用上述方式設(shè)計。

本文所述的點火裝置因受尺寸和質(zhì)量條件限制，在安全保險機構(gòu)的設(shè)計中，借鑒了回轉(zhuǎn)式隔爆和滑移式隔爆的設(shè)計原理，并依據(jù)GJB 2034-94要求（對于回轉(zhuǎn)式隔爆，轉(zhuǎn)子位于安全保險位置50°或略大于50°處，應能安全隔爆；對于滑移式隔爆，隔板在位于保險位置和解除保險位置的中間時，應能安全隔爆；回轉(zhuǎn)式隔離裝置從保險位置至解除保險位置機械旋轉(zhuǎn)至少90°）設(shè)計了分度盤、隔爆件、點火器座，形成了回轉(zhuǎn)滑移式隔爆方式。分度盤中心六方孔為固定孔，與隔爆件的柱體六方配用，周邊36個小孔（φ 1.8mm）為刻度孔和連接孔，兩孔間角度為10°，箭頭用于位置指示。分度盤示意圖見圖7。

圖7 分度盤示意圖Fig.7 Schematic of index plate

分度盤在0（SAFE安全檔位）～50°時，依靠隔爆件自身強度和厚度將電起爆器意外起爆完全隔離，使點火裝置安全；分度盤旋轉(zhuǎn)至90°（ARM點火檔位）時，隔爆件上的傳火孔與傳爆管、隔板裝藥完全對正，使點火裝置可靠工作。分度盤帶動隔爆件轉(zhuǎn)動，在0°隔爆位置或90°起爆位置上，通過隔板裝藥本體與點火器座連接的定位銷將隔爆件鎖定，實現(xiàn)了隔爆安全、起爆可靠之目的。

1.3 裝藥管設(shè)計

裝藥管主要由藥管、定位環(huán)、支撐環(huán)、藥環(huán)、堵頭及固定銷等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

圖8 裝藥管結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Schematic of charge tube

裝藥藥管材料選用環(huán)氧玻璃布管，在管壁上均勻設(shè)計多個排氣孔，用于快速均勻地點燃固體發(fā)動機中的推進劑，本藥管設(shè)計了15個φ6mm孔。

按照GJB 2865-97要求，裝藥管裝藥選用硼/硝酸鉀藥劑。根據(jù)固體發(fā)動機要求，通過理論計算及試驗驗證，在滿足強度條件下，確定裝藥藥量、裝藥密度和裝藥尺寸；在堵頭與藥管螺紋處設(shè)計了2排24個孔鉚入固定銷，用以增強軸向輸出端強度。此外，為了防潮藥管外表面設(shè)計了密封膜，材料為滌綸薄膜或聚酯繪圖薄膜，用固化膠粘接；堵頭一端用固化膠粘接錫箔密封片，螺紋連接處涂膠密封。

1.4 點火裝置工作原理

使用前去除點火裝置鉛封絲，轉(zhuǎn)動分度盤（由點火裝置之外的控制系統(tǒng)操作），將隔爆件旋轉(zhuǎn)至發(fā)火檔位，使傳火孔與傳爆管、隔板裝藥對正。點火裝置通以發(fā)火電流，鈍感電起爆器起爆傳爆管，傳爆管起爆隔板裝藥本體施主端裝藥，施主端裝藥工作后起爆受主端裝藥，受主端裝藥點燃傳火管，由傳火管點燃裝藥管中藥環(huán)，藥環(huán)燃燒產(chǎn)生高溫氣體點燃固體發(fā)動機推進劑，完成點火功能。

2 安全保險機構(gòu)隔爆試驗情況

本文設(shè)計的鈍感電起爆器、傳爆管和隔板裝藥所進行的試驗在此不做詳述，主要介紹安全保險機構(gòu)隔爆試驗。圖9（a）為安全保險機構(gòu)在安全位置0°時示意圖，被起爆位置與傳火孔位置邊緣最小間距為7.2mm；圖9（b）為安全保險機構(gòu)在發(fā)火狀態(tài)時示意圖，被起爆位置與傳火孔位置完全重合；圖9（c）為安全保險機構(gòu)在距離安全位置50°時示意圖，被起爆位置與傳火孔位置邊緣最小間距為1.5mm。為驗證安全保險機構(gòu)隔爆與起爆的可靠性，分別在上述3個位置進行了試驗，結(jié)果見表1。

圖9 不同位置下的安全保險機構(gòu)Fig.9 Safety &arm mechanism under different situation

表1 安全保險機構(gòu)隔爆起爆試驗結(jié)果Tab.1 Test result of the safety &arm mechanism

試驗結(jié)果表明：設(shè)計的安全保險機構(gòu)滿足GJB 2034-94對于回轉(zhuǎn)式隔爆，轉(zhuǎn)子位于安全保險位置50°或略大于50°處應能安全隔爆，和回轉(zhuǎn)式隔離裝置從保險位置至解除保險位置機械旋轉(zhuǎn)至少90°可靠起爆的要求。

3 結(jié)論

（1）點火裝置在尺寸與質(zhì)量受限條件下，通過回轉(zhuǎn)滑移隔爆方式設(shè)計的安全保險機構(gòu)，使起爆位置和被起爆位置固定，借助分度盤旋轉(zhuǎn)角度控制隔爆件位置，實現(xiàn)了可靠隔爆與起爆功能，消除了轉(zhuǎn)子或滑塊因起爆位置的移動而造成的可靠性降低的影響。

（2）點火裝置具有安全檔位（SAFE）和點火檔位（ARM）的切換功能，所設(shè)計的安全保險機構(gòu)能保證安全檔位（SAFE）和點火檔位（ARM）反復切換500次以上結(jié)構(gòu)不損壞。

（3）點火裝置采用隔板起爆技術(shù)，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有很高的耐壓性和密封性，可滿足固體發(fā)動機工作條件下（20MPa、12s、3 000℃）的安全可靠、不漏氣要求。

（4）隔板裝藥采用超細A5傳爆藥替代常用起爆藥設(shè)計，滿足GJB 2865-97火箭和導彈固體發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設(shè)計準則中對使用藥劑的安全性要求。

（5）點火裝置采用獨立雙路傳爆序列設(shè)計，提高了點燃固體發(fā)動機推進劑可靠性；采用鈍感技術(shù)及增加濾波器設(shè)計，提高了產(chǎn)品抗惡劣電磁環(huán)境能力。

[1]GJB 344A-2005 鈍感電起爆器通用規(guī)范[S].國防科學技術(shù)委員會,2005.

[2]GJB 373A-1997 引信安全性設(shè)計準則[S].國防科學技術(shù)委員會,1997.

[3]GJB 1244-1991電引信和電子引信安全設(shè)計準則[S].國防科學技術(shù)委員會,1992.

[4]GJB 2034-1994 航天飛行器系統(tǒng)電爆分系統(tǒng)的安全要求和試驗方法[S].國防科學技術(shù)委員會,1995.

[5]GJB 2865-1997火箭和導彈固體發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設(shè)計準則[S].國防科學技術(shù)委員會,1997.

[6]王凱民,溫玉全,編著.軍用火工品設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[7]劉竹生,王小軍,朱學昌,等.航天火工裝置[M].北京:中國宇航出版社,2012.