某點(diǎn)火裝置內(nèi)燃燒性能超差研究

李便花，潘會(huì)平，閆鵬飛，郭 健，周文偉，崔子欣

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；2.陸軍駐太原地區(qū)第三軍代室，山西 太原 030000)

隨著世界新軍事變革發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的快速迭代更新，我國近年來啟動(dòng)裝備了一系列智能化、靈巧化彈藥?；鸸て肥俏淦?、彈藥及其他燃爆裝置的基本元器件，是它們的“心臟”，用于點(diǎn)燃、起爆火炸藥或?qū)ρb置完成啟動(dòng)和做功等程序，點(diǎn)火裝置是火工品其中一類，其在常規(guī)武器彈藥、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、核武器及航天航空等領(lǐng)域均有大量的應(yīng)用?；鸸て芳仁亲龉Φ脑?，也是裝置作用過程的控制器件，因此，其可靠性將直接關(guān)系到武器、裝置作用的精確性，產(chǎn)品可靠性如有任何偏離，都可能導(dǎo)致武器、裝置作用失效或重大事故。而且隨著大量高新武器的發(fā)展，對(duì)火工品的安全性和可靠性的要求越來越高[1]。

1 點(diǎn)火裝置

點(diǎn)火裝置為火工品之一，屬電點(diǎn)火類，能量輸入通過由小到大的能量釋放，可靠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。 隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大的要求不斷提高，裝填密度大、異形復(fù)合型藥劑的發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱使用也越來越普遍，這就要求點(diǎn)火裝置點(diǎn)火壓力低、沖擊小、火焰長及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥無損傷，即點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物平行于發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥內(nèi)表面，只有端面軸向噴火孔噴出的火焰沿裝藥內(nèi)孔表面?zhèn)鞑?，靠傳?dǎo)方式直接到整個(gè)裝藥表面著火，其本質(zhì)是一個(gè)高溫燃?xì)馍淞鲗?duì)裝藥實(shí)施連續(xù)點(diǎn)火[2]。

2 點(diǎn)火裝置內(nèi)燃燒性能

點(diǎn)火裝置的作用是可靠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其內(nèi)燃燒性能也是影響點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的主要因素。一是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)到點(diǎn)火裝置壓力上升至P1(單位為MPa)時(shí)所需要的時(shí)間(≤t1)，即為點(diǎn)火延遲時(shí)間；二是點(diǎn)火裝置正常作用后，藥柱燃燒，點(diǎn)火裝置內(nèi)點(diǎn)火壓力在P2(單位為MPa)區(qū)間所持續(xù)時(shí)間((t2±50) ms)，即為藥柱燃燒持續(xù)時(shí)間(也稱為工作時(shí)間)。

3 內(nèi)燃燒性能超差的影響

點(diǎn)火裝置內(nèi)燃燒性能影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，如果點(diǎn)火延遲時(shí)間出現(xiàn)超差，可能會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常點(diǎn)火或出現(xiàn)點(diǎn)火延時(shí)，易形成啞彈留膛中，點(diǎn)火不正常，埋下安全隱患；如果點(diǎn)火藥燃燒持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)時(shí)間短的現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過快，易產(chǎn)生爆炸，如點(diǎn)火藥燃燒持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)時(shí)間長的現(xiàn)象，點(diǎn)火焰已經(jīng)傳遍整個(gè)裝藥燃燒面時(shí)，點(diǎn)火藥還在燃燒，會(huì)出現(xiàn)初始?jí)毫Ψ錥3]。

4 現(xiàn)象及排查分析

4.1 故障現(xiàn)象

某點(diǎn)火裝置在靶場進(jìn)行內(nèi)燃燒性能試驗(yàn)時(shí)，2發(fā)常溫樣品出現(xiàn)故障，一是點(diǎn)火壓力未達(dá)到P1，無法讀取點(diǎn)火延遲時(shí)間t1；二是點(diǎn)火壓力在P2區(qū)間所持續(xù)時(shí)間分別為(t2+93)和(t2+77) ms，不符合產(chǎn)品技術(shù)要求。2發(fā)故障樣品P-T曲線圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 第1發(fā)故障樣品P-T曲線圖

圖2 第2發(fā)故障樣品P-T曲線圖

4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用原理

該型點(diǎn)火裝置主要由本體組件、導(dǎo)線、藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ、殼體等組成，其中藥柱Ⅰ由(m1±0.2) g的A點(diǎn)火藥壓制而成，藥柱Ⅱ由(m2±0.05) g的A點(diǎn)火藥及(m3±0.1) g的B點(diǎn)火藥混合均勻后壓制而成，點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)圖

該型點(diǎn)火裝置是某型彈藥的首發(fā)元件。當(dāng)給彈丸發(fā)火回路通以預(yù)定發(fā)火電流時(shí)，點(diǎn)火裝置中本體組件點(diǎn)火作用點(diǎn)燃藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ，藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒產(chǎn)生的火焰和氣體可靠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，完成其使命。

4.3 故障原因分析及排查

根據(jù)故障現(xiàn)象，從產(chǎn)品試驗(yàn)原理及產(chǎn)品作用原理等方面對(duì)故障原因進(jìn)行分析，形成故障樹(見圖4)。

圖4 點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差故障樹

對(duì)照上述故障樹逐項(xiàng)對(duì)底事件進(jìn)行排查及分析，具體如下。

4.3.1 噴火孔尺寸超差

藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒產(chǎn)生的火焰和氣體從產(chǎn)品殼體噴火孔噴出，點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，殼體噴火孔如圖5所示。若產(chǎn)品噴火孔尺寸超差，內(nèi)徑大于(D+0.1) mm規(guī)定時(shí)，其釋放氣體的面積增大，同時(shí)降低藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒在殼體內(nèi)部的燃燒壓力，導(dǎo)致產(chǎn)品藥柱燃燒持續(xù)時(shí)間(也稱為工作時(shí)間)增長而出現(xiàn)超差。對(duì)該批剩余12個(gè)殼體內(nèi)噴火孔尺寸進(jìn)行檢測，結(jié)果尺寸范圍為(D+0.02)～(D+0.08) mm，符合規(guī)定要求。因此，排除噴火孔尺寸超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延遲時(shí)間及工作時(shí)間超差因素。

a) 剖面圖

4.3.2 高度超差、藥量超差

藥柱的高度及藥量是直接影響產(chǎn)品內(nèi)燃燒性能的關(guān)鍵因素，若藥柱高度低或藥量少，降低了藥柱燃燒能量，影響點(diǎn)火壓力及燃燒持續(xù)時(shí)間。隨機(jī)抽取產(chǎn)品故障批用藥柱Ⅰ32個(gè)、藥柱Ⅱ80個(gè)，檢測結(jié)果：藥柱Ⅰ高度范圍為(H1-0.1)～(H1+0.1) mm，藥量范圍為(m1-0.08)～(m1+0.01) g，符合產(chǎn)品高度為(H1±0.2) mm、藥量為(m1±0.2) g的要求；藥柱Ⅱ高度范圍為(H2-0.06)～(H2+0.18) mm，藥量范圍為(m2+m3-0.08)～(m2+m3+0.05) g，符合產(chǎn)品高度為(H2±0.2) mm、藥量為(m2+m3±0.15) g的要求。因此，可以排除藥柱高度超差、藥量超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

4.3.3 水分超差

水分含量控制是藥劑性能控制的一個(gè)因素，水分含量的多少會(huì)影響藥劑的燃燒性能，若藥柱中藥劑水分超差，即≥A%，將會(huì)使藥柱性能下降，會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)品壓力降低，工作時(shí)間加長。對(duì)生產(chǎn)過程中的藥柱Ⅰ和藥柱Ⅱ水分控制與解剖故障批藥柱Ⅰ和藥柱Ⅱ進(jìn)行水分檢測，檢測結(jié)果：生產(chǎn)過程中的藥柱Ⅰ水分為(A-0.45)%～(A-0.41)%，藥柱Ⅱ水分為(A-0.71)%～(A-0.66)%；解剖故障批藥柱Ⅰ水分為(A-0.41)%～(A-0.38)%，藥柱Ⅱ水分為(A-0.58)%～(A-0.54)%，符合水分≤A%的要求。因此，可以排除水分超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

4.3.4 密度超差

藥柱密度直接影響藥劑燃燒狀態(tài)，影響產(chǎn)品內(nèi)燃燒性能。對(duì)故障批產(chǎn)品進(jìn)行解剖，隨機(jī)抽取5發(fā)藥柱Ⅰ和10發(fā)藥柱Ⅱ進(jìn)行密度檢測，檢測結(jié)果：藥柱Ⅰ密度為(ρ1+0.01)～(ρ1+0.02) g/cm3，符合(ρ1±0.05) g/cm3的要求；藥柱Ⅱ密度為(ρ2-0.02)～(ρ2+0.01) g/cm3，符合(ρ2±0.05) g/cm3的要求。因此，可以排除藥柱密度超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

4.3.5 密封性差

如果產(chǎn)品密封性較差，點(diǎn)火裝置在作用瞬間壓力泄放過快，會(huì)導(dǎo)致壓力降低，工作時(shí)間增長。對(duì)2發(fā)故障樣品進(jìn)行檢查，除殼體噴火孔處有藥劑燒蝕痕跡外，未發(fā)現(xiàn)其他燒蝕痕跡(見圖6)。因此，可以排除產(chǎn)品密封性差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

圖6 故障樣品作用后噴火孔狀態(tài)

4.3.6 傳感器失效

傳感器是試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的重要器件，如果壓力傳感器試驗(yàn)過程出現(xiàn)失效，就會(huì)形成數(shù)據(jù)采集不真實(shí)，出現(xiàn)誤判。對(duì)故障批試驗(yàn)用編號(hào)為7312的壓力傳感器進(jìn)行檢查，結(jié)果為故障批試驗(yàn)時(shí)7312號(hào)壓力傳感器在其檢定有效期內(nèi)，對(duì)其與7315號(hào)同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)另一型合格產(chǎn)品進(jìn)行壓力測試數(shù)據(jù)對(duì)比，檢測結(jié)果兩者相差0.02 MPa，且數(shù)據(jù)與產(chǎn)品交驗(yàn)時(shí)檢測基本相同。因此，可以排除傳感器失效造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

4.3.7 藥劑燃燒熱超差

藥劑的燃燒熱值是藥劑燃燒性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，若藥柱所用藥劑的燃燒熱達(dá)不到規(guī)定指標(biāo)要求，將會(huì)降低藥柱內(nèi)燃燒性能，點(diǎn)火壓力不足且燃燒時(shí)間增加。該點(diǎn)火裝置使用A、B兩種藥劑，檢查藥劑交驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)：A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 609) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+981) J/g，對(duì)故障批剩余藥劑進(jìn)行重新檢測，結(jié)果為A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 597) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+1 032) J/g；對(duì)前一批交驗(yàn)合格產(chǎn)品剩余藥劑進(jìn)行檢測，結(jié)果為A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 566) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+954) J/g，均符合A藥劑的燃燒熱≥Q1，B藥劑的燃燒熱≥Q2的技術(shù)要求，且2批產(chǎn)品用藥劑燃燒熱相差不大。因此，可以排除藥劑燃燒熱超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

4.3.8 藥劑粒度超差

藥劑粒度決定著藥劑燃燒面積，如果藥劑粒度偏大，同樣藥量下藥劑燃燒面積降低，會(huì)影響燃燒時(shí)間及點(diǎn)火壓力。對(duì)故障批用A、B藥劑驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行檢查，并對(duì)剩余藥劑進(jìn)行檢測，與前一批交驗(yàn)合格產(chǎn)品用藥劑進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 A、B藥劑粒度檢測結(jié)果

分析結(jié)果中故障批藥劑粒度符合技術(shù)要求，但2個(gè)批次藥劑對(duì)比，故障批中A藥劑在φ1篩上物占比明顯較大，B藥劑相當(dāng)，是否因?yàn)锳藥劑中大粒藥劑占比較多影響藥劑的燃燒性，需進(jìn)行下一步驗(yàn)證。

4.3.9 藥劑組分超差

藥劑的組分占比是藥劑燃燒性能的決定因素。檢查故障批用藥劑驗(yàn)收結(jié)果，其理化性能中A、B藥劑組分含量均符合A、B藥劑規(guī)范規(guī)定；重新對(duì)剩余藥劑進(jìn)行分析，結(jié)果A、B藥劑組分含量占比均在規(guī)定范圍內(nèi)，且藥劑水分符合水分≤A%的要求，燃燒熱分析結(jié)果：A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 597) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+1 032) J/g，均符合A藥劑的燃燒熱≥Q1，B藥劑的燃燒熱≥Q2的技術(shù)要求。因此，可以排除藥劑組分超差造成產(chǎn)品點(diǎn)火延時(shí)、工作時(shí)間超差因素。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 藥劑粒度分布分析

根據(jù)4.3.8節(jié)的排查結(jié)果，對(duì)A藥劑粒度分布進(jìn)行了細(xì)分檢測，檢測結(jié)果分別如圖7和圖8所示。從圖中可知，故障批中A藥劑粒度φ1篩上物雖符合≤3%的要求，但相比合格批φ1篩上物較多，故障批(φ1-0.3) mm～φ1之間的比例較大，(φ1-0.9)～(φ1-0.7) mm之間的比例較小。

圖7 故障批A藥劑粒度分布圖

圖8 合格批A藥劑粒度分布圖

5.2 性能試驗(yàn)

將故障批用A藥劑中(φ1-0.3) mm以上的粒子剔除，進(jìn)行產(chǎn)品內(nèi)燃燒性能試驗(yàn)，結(jié)果符合要求(見圖9和圖10)。從上述藥劑粒度分布及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，A藥劑粒度較大的含量較多影響產(chǎn)品整體燃燒性能。

圖9 第1發(fā)驗(yàn)證樣品P-T曲線圖

圖10 第2發(fā)驗(yàn)證樣品P-T曲線圖

6 機(jī)理分析

產(chǎn)品中所用A藥劑是一種混合藥劑，藥劑燃燒時(shí)產(chǎn)生高熔點(diǎn)氧化物，生成的灼熱固體顆粒沖擊待燃燒物并將其點(diǎn)燃，藥劑粒度越大時(shí)，單位質(zhì)量的比表面積會(huì)越小，燃燒壓力會(huì)越低，工作時(shí)間也會(huì)更長；反之，藥劑粒度越小時(shí)，單位質(zhì)量的比表面積會(huì)越大，燃燒壓力會(huì)越高，工作時(shí)間也會(huì)越短。

7 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)形成該型點(diǎn)火裝置內(nèi)燃燒性能超差的原因是：該產(chǎn)品所用A藥劑粒度雖滿足藥劑規(guī)范要求，但較大粒子占比較多，單位質(zhì)量的比表面積小，點(diǎn)火裝置工作時(shí)瞬時(shí)壓力過低，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)燃燒性能工作時(shí)間、點(diǎn)火延時(shí)超差。

2)藥劑在生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制非常重要，粒度的均勻性決定著藥劑本身的性能特性。

3)在產(chǎn)品研制過程中，應(yīng)對(duì)產(chǎn)品所用藥劑進(jìn)行燃燒熱裕度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，以適應(yīng)批生產(chǎn)過程不同批次原材料及不同操作人員的生產(chǎn)，降低產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。