某型发烟装置发烟药的选择及装药结构的设计

2012-10-11高元科仵和平杨正才赵亮王喜田黄旭东李睿

火工品 2012年4期

高元科，仵和平，杨正才，赵亮，王喜田，黄旭东，李睿

（北方特种能源集团有限公司西安庆华公司，陕西西安，710025）

自从第一次世界大战期间系统地采用烟雾以来，发烟装置在军事领域中起到越来越重要的作用。总的说来发烟装置在军事领域中主要有以下两方面的作用：首先，发烟装置产生的烟幕用以隐蔽己方部队的行动和其他目标，妨碍敌人的观察和射击，并且对光学、电子技术器材的观测、瞄准等还能构成无源干扰；其次，发烟装置可用于部队军事训练和演习，指示弹道、预测落点，同时增强演习效果，提高训练质量。

某型发烟装置便是用于外弹道性能测试及部队训练。针对该发烟装置的用途及产品的可靠性，笔者对发烟药及装药结构进行了选择和设计。

1 发烟药的选择

1.1 发烟药的分类及特殊技术要求

已经应用于工程上的发烟药大体上可分为3类：吸湿性发烟药（如硫酸酐与发烟硫酸、金属四氯化物等）、磷烟（如黄磷、赤磷等）和燃烧型混合物发烟药，燃烧型混合物发烟药又可以分为受热升华发烟药和金属氯化物发烟药。

发烟药属于烟火药，除符合烟火药一般的技术要求外，良好的发烟药还应该尽量具备以下特殊要求：

（1）遮蔽能力应最大（该发烟装置对遮蔽能力无要求）；

（2）在空气中应有足够的稳定性和足够的持续时间。烟幕微粒在分散的介质（空气）中，因运动和气溶胶的凝结作用等，随着时间推移将消散或沉降，为保持一定时间内有较好的遮蔽能力或观测性，烟幕持续时间应尽量长。

（3）发烟药燃烧残渣应是疏松多孔的。发烟药的燃烧残渣产物只有疏松多孔状，才可能使下层燃烧反应的发烟生成物顺利通过，从而获得最佳的烟幕效果。

（4）烟幕形成时间应尽量短。鉴于现代战争的快速反应，无论是遮蔽还是训练、指示，都希望烟幕形成的时间越短越好。

（5）污染应尽量地小，减少对己方人员的身体伤害以及对环境的污染。

1.2 3种发烟药的发烟机理

1.2.1 橙色发烟药

该发烟药属于受热升华发烟药，主要成分有：分散红、氯酸钾、升华硫、碳酸钠和酚醛树脂。其发烟过程如下：

2KClO3+3S→3SO2+2KCl+△

氯酸钾和升华硫发生氧化还原反应，释放出热量使分散红升华从而形成了橙色烟幕。其中分散红为染料，氯酸钾为氧化剂，升华硫为还原剂，碳酸钠为消焰剂，酚醛树脂为黏合剂。

1.2.2 己二酸发烟药

该发烟药属于受热升华发烟药，主要成分有：己二酸、高氯酸钾、乳糖、草酸铵、酚醛树脂。其发烟过程如下：

氯酸钾和乳糖发生氧化还原反应，释放出热量使己二酸升华从而形成了白色烟幕。其中氯酸钾为氧化剂，乳糖为还原剂，草酸铵为消焰剂，酚醛树脂为黏合剂。

1.2.3 HC发烟药

该发烟药属于金属氯化物发烟药，主要成分有：六氯乙烷、氧化锌和铝粉。其发烟过程如下：

铝粉先将氧化锌还原成锌，而后锌与六氯乙烷发生反应生成 ZnC12蒸气，在空气中冷凝形成白色烟幕。其中氧化锌为氧化剂，铝粉为还原剂，六氯乙烷为氯化物（也是氧化剂）。

1.3 发烟药的试验方法及结果

该发烟装置发烟时间要求较长（超过3min），所以要求发烟药的装药量较大。试验均采用直径Φ 33mm、长度150mm的压药管壳，由于管壳较长，根据以往经验，要得到密度一致的药柱，一般采用分次压药的方法。具体装药结构见图1。

图1 试验用装药结构示意图Fig.1 The sketch of charge structure for test

作用过程如下：点火器发火，火焰通过传火通道点燃点火药，点火药再点燃过渡药（发烟药与点火药的混合药），最终点燃发烟药，产生烟雾颗粒通过发烟孔排出形成烟幕。

按以上的装药结构装配试验产品，装配方法、试验方案及结果见表1。

1.4 试验结果分析及发烟药的选择

橙色发烟药：优点是发烟稳定，时间适中，形成的橙色烟幕易观测，烟幕形成时间较短且在空气中有足够的稳定性和持续时间，燃烧完后形成的残渣较少，有利于烟幕的排放；缺点是分散红污染较大，而且药剂中含有强氧化剂氯酸钾和较强的还原剂升华硫，所以使药剂较为敏感。

己二酸发烟药：优点是发烟时间长，药剂污染小，烟幕在空气中有足够的稳定性和持续时间，燃烧完后形成的残渣较少；缺点是烟幕形成时间较慢，药剂的燃烧稳定性差（发烟时大时小且有2发产品燃烧1min左右断火）。

HC发烟药：优点是发烟稳定，烟幕形成时间快且在空气中有足够的稳定性和持续时间，缺点是燃烧完后形成的残渣较前两种发烟药多，发烟时间较短，药剂中的六氯乙烷污染较大。

表1 试验方案及结果Tab.1 Test schemes and result

根据以上分析，3种发烟药各有优缺点，需根据产品具体的性能要求来选择发烟药。己二酸发烟药最大的优点是污染小，但是它的燃烧稳定性差，直接影响了产品的可靠性，所以不选择该发烟药。橙色发烟药和HC发烟药虽然污染较己二酸发烟药大，但这两种药剂性能稳定。橙色发烟药较HC发烟药有发烟时间适中和烟幕易观测等特点，所以应该选用橙色发烟药。但是该发烟装置需要耐高过载（20 000g），而橙色发烟药较敏感，氯酸钾为强氧化剂而升华硫为较强的还原剂，这两种成分混合后很容易在高温高过载情况下发生反应；不但如此，氯酸钾是一种分解热较小的氧化剂，极易分解并放出大量热量，以其作为氧化剂虽然有利于烟火药的快速燃烧并放出大量的热量，但烟火药的机械感度也相应地提高。在高过载试验中采用橙色发烟药的发烟装置出现了1发早燃现象。鉴于橙色发烟药的敏感影响了产品的可靠性与安全性，所以该发烟装置最终选择HC发烟药。

虽然HC发烟药有着自身的缺点，但是HC发烟药自从1920年发明以来，经过多次改进其技术工艺逐步成熟，性能稳定。目前HC发烟药是很多国家装备的主要发烟药种类之一，如美国ABC-M5发烟罐、M226发烟榴弹、俄罗斯CX-15发烟弹、英国 HCF发烟榴弹、德国弗斯特76 mm发烟榴弹等均将HC作为主要成分。

2 装药结构的设计

由于试验中HC发烟药发烟时间较短以及燃烧后残渣较多，所以必须通过改进该发烟装置的装药结构来克服此两项缺点。

要延长发烟时间有两个途径：一是增加发烟药量；二是增大发烟药的压药密度，降低其燃速。而发烟装置的体积一定，增加发烟药量就必定增大压药密度。增大压药密度虽可以延长发烟时间，但燃烧产生的残渣会增多，会堵塞发烟生成物的排放通道，不利于发烟生成物的排放和烟幕的形成，严重时会造成药剂断火或燃烧不完全。

增加发烟药药量，按图1的装药结构进行试验，压药密度在2.10g/cm3左右，试验结果：发烟2min断火，停止发烟，解剖发现发烟药燃烧不完全。

发烟时间是该发烟装置的重要指标，所以一方面要增加发烟药药量，从而增加了压药密度。另一方面，为了使燃烧残渣不堵塞发烟生成物的排放通道，必须使产生的残渣及时排出去，这样便可以保证发烟生成物的顺利排放。因此改进设计发烟装置，装药结构如图2所示。

图2中，将发烟药分多次压装，如此可以保证发烟药的密度一致，在每次压发烟药前先加入少量的点火药，然后加入发烟药进行压药。作用过程如下：点火器发火，火焰通过传火通道点燃点火药，点火药再点燃过渡药（发烟药与点火药的混合药），过渡药燃烧点燃发烟药，产生发烟生成物，通过发烟孔排出形成烟幕；经过一段时间燃烧，发烟药再点燃点火药，点火药燃烧一方面产生高温高压气体将前面发烟药燃烧产生的残渣通过发烟孔喷出发烟装置，保证后面发烟药产生的发烟生成物顺利排放；另一方面点燃下一级发烟药。