装药结构优化对点火具点传火特性的提高

2013-10-11徐志强李晓波梁深根

火工品 2013年5期

刘斌，徐志强，李晓波，梁深根，叶涛

（湖北航天飞行器研究所，湖北武汉，430040）

中心装药径向膨胀式抛撒是子母战斗部中较为广泛使用的一种抛撒方式，它利用火药燃烧释放出来的高压气体作为动力，推动子弹抛离母弹，并使子弹获得要求的抛撒速度和抛撒姿态。点火具是中心装药径向膨胀式抛撒方式的重要组成部分，其利用自身装药燃烧速度快的特点，点燃抛撒装药，使得抛撒装药产生大量的高温、高压气体，为子弹的抛撒提供动力源。由于点火具是该抛撒方式工作的第1个环节，因此，其是否正常工作将直接影响到子弹能否正常抛撒，完成预定的作战任务。

本文对点火具的典型结构及工作过程进行简单介绍，针对传统的装药结构建立起试验测试系统，对其内部压力分布情况和传火时间进行了测试，分析其存在的问题。由此提出了一种新型装药结构，对比试验表明该装药结构能极大地改善点火具的点传火特性，可广泛用于对点火一致性有较高要求的场合。

1 点火具的典型结构及工作机理

点火具主要由点火药柱、点火管、基座和点火器等组成，典型结构如图1所示。点火药柱内装有火药，放置在点火具的中心；点火管为一端密封的管状结构，其壁上分布有若干个传火孔；点火管安装在点火药柱外部，非密封端固定在基座上，其可对点火药柱进行轴向和径向约束固定；点火器安装在基座上的点火孔内，作用后输出火焰，对点火药柱进行点火。

图1 点火具的典型结构示意图Fig.1 The typical structure of igniter

点火具的点传火过程是一个复杂的物理化学过程，也是影响抛撒性能的重要因素，其工作机理为：点火器作用输出火焰后，点火药柱靠近点火端首先燃烧，产生高温、高压的气体和炽热的固体颗粒，通过对流与辐射传热持续燃烧，并形成使气体向前运动的压力梯度。该压力梯度沿点火具轴向方向逐渐变小，它促使火药气体在点火药中高速渗透，并以对流及辐射传热的方式加热周围的药粒，当药粒表面温度达到着火温度时这些药粒就相继被点燃，从而形成火焰阵面的传播。火焰阵面产生的高温、高压的气体和炽热固体颗粒在点火管内的高压作用下从传火孔处喷出，点燃抛撒装药。从点火具的工作机理可以看出：点火药柱的燃烧是通过压力梯度来推进的，稳定的压力梯度确保了点火具能够正常、稳定、快速的燃烧。点火药柱的燃烧速度越快，传火时间就越短，从沿轴向方向上的传火孔处喷出的两相产物的一致性就越好，这样抛撒装药的点燃一致性就好。

由于点火具的点传火是依靠点火药柱自身的燃烧来实现的，因此，点火药柱的装药类型和结构形式就直接影响了点火管内的压力梯度，进而决定了点火具的点传火特性。但是，目前点火具的设计还没有形成切实可行的理论，评估点火具点火性能的优劣主要依赖点火管内的压力分布情况（即压力和压力梯度）和动态试验效果（即传火时间）。

2 传统装药结构的试验情况

2.1 传统装药结构

某点火具的传统装药结构如图2所示（以下简称“传统状态”）。

图2 传统状态点火药柱结构示意图Fig.2 The structure schematic of traditional ignition charge

2.2 试验方案

试验采取地面静态垂直点火方式，将试验产品垂直向上放置，下端使用点火器进行点火。在点火具的传火孔区域沿轴线方向均布安装3个压力传感器，对其内部压力进行测试，同时使用高速摄像对整个传火过程进行拍摄，获取传火时间（注：传火时间取高速摄像拍摄的从首排传火孔开始冒火到末排传火孔开始冒火的时间差），试验方案示意图见图3。

图3 试验方案示意图Fig.3 Diagram of test scheme

2.3 试验结果

传统状态的点火具进行了5发点传火试验，其传火情况如图4所示，测试结果如表1和图5所示。

图4 传统状态点火具的传火情况Fig.4 The fire scene of traditional igniter

表1 传统装药结构的试验结果Tab.1 Test result of traditional ignition charge

图5 传统装药结构的压力曲线Fig.5 Pressure curve of traditional ignition charge

2.4 结果分析

对试验情况进行分析，可以看出：

（1）点传火过程中，有时在点火管中部位置会出现传火中断，而后再继续传火的异常现象（图4中2ms时的景象）；由于传火中断的时间不可控，很大程度上影响了传火时间（如表1第1、4发试验），有时，甚至出现了传火中断不再继续传火的情况（如表1第5发试验，试验后发现较多未燃烧的残药）。以上现象说明点火药柱在传统点火管内燃烧不稳定，造成了传火异常；

（2）表1中第1、4发试验的点火管内压力分布差异大，无梯度规律，传火时间偏长且不稳定；第2、3发试验的管内压力分布有明显的压力梯度，即距离点火端越远，压力越小，且梯度较稳定，传火时间较短，说明稳定的压力梯度有利于缩短传火时间；

（3）在点火管内压力分布情况基本相同的条件下，第1发的点火管内压力高于第4发，传火时间也短于第4发；第3发的点火管内压力高于第2发，传火时间也短于第2发试验；说明在点火管内压力越大，传火时间越短；

（4）图5压力曲线中，点火管的下部和中部均达到压力峰值的时间间隔为0.94ms，中部和上部均达到压力峰值的时间间隔为 3.16ms，时间间隔相差较大；说明点火药柱从下部到中部的燃烧速度比从中部到上部的燃烧速度要快，点火药柱在点火管内的燃烧速度不稳定；

（5）5发试验产品的状态完全相同，但是测得的传火时间和压力分布差异较大，说明该装药结构的点传火性能不稳定。

通过上述分析，可以得到以下结论：

（1）随着距点火端距离的增加而减小的压力梯度分布可以缩短传火时间；

（2）在点火管内压力分布情况基本相同的条件下，点火管内压力越大，传火时间越短；

（3）传统状态点火具中的点火药是颗粒状的散装药，其在点火药柱中的堆积方式是随机不可控的，存在易发生传火异常、点传火性能不稳定等缺点。

3 装药结构分析

3.1 传统装药结构存在的问题

传统状态点火具中的点火药呈颗粒状，装填密度约为 1.1g/cm3，燃速约为 9mm/s，火药力为 250～300kJ/kg，固体产物约占 46%～68%。点火药柱在点火管内燃烧时，具备流散性好，易于点燃和火焰传播的特点，其燃烧产生高温、高压的气体和炽热的固体颗粒可以较快地从传火孔中喷射点燃抛撒装药，加速了抛撒装药的全面引燃。但是，这种装药结构存在以下缺点：

（1）点火药是密实堆积的装药结构，在点火药柱被点燃的瞬间，底端的点火药首先被引燃，火药气体通过点火药间隙的流动受到很大阻碍，因此易形成压力冲击使未引燃的点火药向中心管的顶端运动，使其发生堆积，顶端压力增大，造成点火管不同部位处输出压力值相差较大，影响点火药的正常燃烧，出现燃烧异常的现象；

（2）点火药在点火药柱的堆积方式是随机不可控的，导致相同状态的点火具测得的试验数据差异较大，说明点传火性能不稳定；

（3）点火药柱的刚性较差，在压力作用下容易发生弯曲将传火通道堵塞，导致传火不通畅。

3.2 改进装药结构设计

由于传统状态点火具的传火时间不稳定，且误差较大，将影响母弹的抛撒姿态，从而影响子母弹的最终作用效果。因此，有必要对传统状态点火具进行优化设计，提高其装药性能。通过查阅相关文献资料，发现了一种成型装药——奔奈药管可作为点火药的替代品。奔奈药管呈细长的圆管状，密度约为 1.6 g/cm3，燃速约为2cm/s，火药力约为520kJ/kg，固体产物少。奔奈药管的主要优点包括[2]：

（1）奔奈药管呈圆管状，有“天然”的传火通道，既有利于传火通畅，又增加了燃烧面积；

（2）奔奈药管为成型装药，药型排列规则有序、结构密实、燃烧层厚度一致，不存在装药结构随机性的问题，燃烧稳定有规律；

（3）奔奈药管具备一定强度和刚度，燃烧时不易发生堆积而堵塞传火通道，并且在运输和长期贮存环境不会破碎、吸潮和失效。

鉴于奔奈药管具备热量高、药条形状规整、燃烧层厚度一致、燃烧规律易控制，且在点火管中易于保持火焰传播等优点，将其安装在点火药柱的中央，正对点火通道。但是，由于抛撒装药的点燃是依靠从传火孔喷出来的点火药柱燃烧产生的炽热固体颗粒，而奔奈药管的点燃性能不如黑火药，燃烧产物中炽热固体颗粒较少，不利于抛撒装药的点燃。因此，使用时还需要在其外壁包覆一层黑火药，通过其将黑火药点燃，产生炽热固体颗粒，从传火孔喷出来点燃抛撒装药。这种黑火药与奔奈药管相结合的新型装药结构可互补两种点火药的不足，从而有效提高点火具的点传火特性。