某火工装置窜火原因分析及解决方法研究

胡松涛

（安徽红星机电科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

某子母战斗部火箭弹内装多枚子弹[1-2]，引信内的传火药盒作用后燃烧，产生的高压燃气及灼热的固体残渣依次点燃各子弹内的延期点火管和位于战斗部末端开舱药盒内的黑火药，将子弹抛出。随后，子弹内部的延期点火管按确定的燃烧速度燃烧，经过一段时间的延期后，点燃子弹抛撒药盒内的抛撒药，高压燃气做功，抛撒出装填于子弹内的毁伤单元。

在对战斗部进行地面静抛试验时，子弹火工装置出现窜火问题，表现为延期点火管燃烧过程中，未到规定时间抛撒药已提前作用，子弹在战斗部壳体内抛撒毁伤元件。本文在对火工装置结构和作用原理等方面进行综合分析之后，得到导致子弹抛撒药盒提前作用的根本原因，通过火工装置地面模拟试验，进行了故障再现，在采取了相应解决措施后，火工装置未再出现窜火现象，提高了产品的可靠性[3]。

1 火工装置结构及主要功能

子弹火工装置的结构如图1所示。

图1所示结构板的下端带有沉槽，沉槽内有一筋板，沿筋板的长度方向开一长槽，延期点火管安装在长槽内，用硅橡胶粘接固定，装有抛撒药的沉槽构成火工装置的抛撒药盒；中心管与结构板同轴，二者采用过盈配合，中心管上开有直径为2.5mm、与轴线呈60°夹角的传火孔，与延期点火管的输入端对正，延期点火管的输出端与抛撒药盒连通；盖板与结构板之间用硅橡胶填实，位置对正后采用螺钉紧固。

图1 火工装置结构示意图Fig.1 Structure schematic of pyrotechnics device

传火药盒产生的高压燃气沿中心管内孔做轴向运动，通过中心管上的传火孔引燃延期点火管，经过一定时间延期后，点火管输出火焰引燃抛撒药，再次产生高压燃气。由于结构板与子弹壳体已结合为一体固定不动，火药气体的推力使得盖板拉脱自身螺纹，撕裂与结构板之间填充的硅橡胶，并沿中心管轴向运动，实现抛撒。

2 故障原因分析及改进措施

2.1 原因分析

引信内的传火药盒作用后，生成大量气体，气体充满容器的整个空间。中心管内的高压气体通过传火孔进入由结构板、延期点火管、盖板围成的腔体（图1中A部位）内，点燃延期点火管，同时产生径向推力推动延期点火管沿长槽移动，以及轴向推力推动盖板沿轴向移动。其表达式为：

式（1）～（2）中：p为腔体内的气体压强，S径向为腔体的径向截面积，S轴向为腔体的轴向截面积。在延期点火管燃烧过程中，当F轴向超过某一极限值时，气体产生的压力使得盖板发生位移，造成结构板与盖板的结合面出现缝隙，火药气体沿缝隙进入抛撒药盒引燃抛撒药，发生窜火；当F径向大于延期点火管与长槽之间粘接力时，延期点火管及胶体发生位移，腔体体积增大，S轴向增大，F轴向随之增大，最终导致窜火发生；再者，中心管与结构板的结合部采用过盈配合，各自的配合面不可避免地存在圆柱度误差[4]，合装后，配合面可能出现缝隙，高压气体将沿缝隙进入结构板与盖板的结合面，如果密封不严，势必发生窜火。

通过以上分析得知：当中心管内点火压力高于结构承受能力时，易引发火工装置窜火。

2.2 改进措施

本子母战斗部火箭弹利用中心管传火，减小中心管内气体压力虽有利于解决火工装置窜火问题，但降低了延期点火管及开舱药盒的点火可靠性，故主要通过对火工装置的密封设计及生产工艺进行优化以解决其窜火问题。

2.2.1 结构改进

传火孔的大小和开孔方向直接影响火药气体从传火孔向火工装置内部的流动速度[5]。原设计传火孔直径为 2.5mm，与轴线呈 60°夹角，该设计有利于火药气体引燃延期点火管；改进后的设计适当减小了传火孔的尺寸，开孔方向与轴线垂直，增加结构板上的长槽深度，将延期点火管位置前移，贴近中心管外壁，并在中心管与结构板接缝处连续涂抹硅橡胶。

引信内的传火药盒作用后形成弱爆轰[6]，沿中心管内孔轴向前行，当爆轰波进入尺寸较小且存在拐角的传火孔内时，将产生拐角效应与延迟爆轰，出现爆速亏损[5]。将传火孔尺寸减小，且开孔方向与轴线垂直，则火药气体不易进入火工装置内部，气体流量减小，膛压建立慢，避开了中心管内气体的压力峰值，火药气体对腔体A内壁的作用力显著减小。

适当增加长槽深度，可以填充更多的硅橡胶，有利于阻隔火药气体进入抛撒药盒，增强密封性能；但同时增大了腔体的径向截面积S径向，造成火药气体的径向推力F径向增大，可能引起延期点火管及胶体产生位移，故长槽深度有一最佳值。

延期点火管位置前移后，腔体A的容积缩小，轴向截面积S轴向减小，由式（2）得出，火药气体产生的轴向推力F轴向减小。

在中心管与结构板接缝处连续涂抹硅橡胶，能够有效防止高压气体从过盈配合部位进入火工装置内部。火工装置结构优化后，结构板与盖板不易分离，中心管内的火药气体无法直接进入抛撒药盒内部，杜绝了窜火现象的出现。

2.2.2 工艺改进

延期点火管在结构板长槽内的固定以及盖板与结构板的粘接密封主要通过填充硅橡胶，硅橡胶固化后形成一定强度的粘接力，显然，选用综合性能好的硅橡胶有助于延期点火管的固定以及盖板与结构板的粘接密封。原设计中采用的密封胶为703硅橡胶，其与GD-414硅橡胶的性能对比如表1所示[7-8]。

表1 703硅橡胶与GD-414硅橡胶性能对比Tab.1 Comparison of properties of different type of silicon rubber

通过表1可以看出，GD-414硅橡胶的综合性能优于703硅橡胶，因此改用GD-414单组分室温硫化硅橡胶作为密封胶。

在采用GD-414硅橡胶的同时，严格规定该硅橡胶的涂敷工艺及固化时间。在涂胶前，用无水乙醇将粘接部位的灰尘、油污擦拭干净，待溶剂挥发后涂抹硅橡胶；涂抹完毕后，放置在20～35℃、湿度≥50%的环境下固化24h后方可移动；在火工装置装配时，先将延期点火管装入结构板涂胶固化后，再安装中心管和盖板，较好地减小了延期点火管与中心管之间的空隙。根据GD-414硅橡胶硫化的性能，严格规定了每一次涂胶后硫化的时间，确保硅橡胶能够达到最佳粘接与密封状态，从工艺上杜绝窜火现象的出现。

3 地面模拟试验研究

3.1 试件制备

在中心管小端压装堵头，装入一定量的黑火药，中心管大端塞入电点火药头并用环氧树脂粘接固定，制备后的试件如图2所示。

3.2 试验器材

试验器材包括高能脉冲起爆器（型号GM-100s）、光敏二级管、直流稳压电源（型号TPR3002-3C）、数字示波器（型号TDS2012B）、电阻（1kΩ）。

图2 地面模拟试验试件Fig.2 Sample of simulated ground test

3.3 试验原理及方法

为了验证改进措施的有效性，根据火工装置的使用状态，对其进行地面模拟试验，试件测时系统如图3 所示[9-10]。

图3 试件测时系统Fig.3 Time measurement system for sample

将试件及光敏二极管置于暗室，起爆电点火药头，中心管内的黑火药、火工装置内的抛撒药作用后产生强光，使光敏二极管电阻值下降，示波器的波形出现急剧变化。

火工装置正常作用时，黑火药、抛撒药有序作用，两次发光有一定的时间间隔，示波器的波形出现两次明显变化，两次波动的间隔时间即为火工装置的延期时间，图4为火工装置正常作用时的示波器波形。

图4 正常作用时示波器波形Fig.4 Oscilloscope wave of normal pyrotechnics device

发生窜火时，在黑火药作用的瞬间，抛撒药开始作用，其时间间隔极短，两次强光近乎重叠，示波器只显示一次较长时间的波动，如图5所示。

3.4 试验结果

首先，对5套原设计状态的火工装置进行了地面模拟试验，其中，2套火工装置正常作用，延期时间分别为0.76s、0.78s，其他3套均出现了窜火现象。

对改进后的火工装置进行了90余次地面模拟试验，试验结果显示火工装置均正常作用。通过对回收的结构板、盖板及中心管等零部件进行观察，延期点火管周围的硅橡胶密封完好，结构板与中心管结合部位无火药熏黑痕迹，说明改进措施有效地防止了窜火的发生。

图5 窜火时示波器波形Fig.5 Oscilloscope wave of fault pyrotechnics device

4 战斗部地面静抛试验及射击试验

图6（a）为原火工装置进行战斗部地面静抛试验出现窜火时的图片，试验时子弹提前抛撒出内部装填的结构件；图6（b）为改进后的火工装置进行战斗部地面静抛试验时的图片，试验时子弹抛撒正常，被抛出的子弹按照一定的序列成串飞行。

图6 战斗部地面静抛试验Fig.6 Photo of ground static ejection test

对改进后的火工装置进行全弹地面射击试验，同样未出现火工装置窜火现象。

综合战斗部地面静抛试验及全弹地面射击试验结果可以得出，改进后的火工装置在实际应用时能够有效防止窜火现象的发生，保证战斗部内的子弹能够按照初始设定的状态正常抛撒。

5 结论

通过分析子弹火工装置结构及作用原理，确定延期点火管在稳定燃烧的同时，腔体内的气体压力使得盖板发生位移，造成结构板与盖板的结合面出现缝隙，高压燃气通过缝隙进入抛撒药盒，提前引燃抛撒药。针对此种现象，对火工装置进行了优化设计，加强了延期点火管的固定和密封，并合理安排工艺，对火工装置进行了性能改进。通过火工装置地面模拟试验、战斗部地面静抛试验及实弹射击试验，结果显示改进后的火工装置能够有效地防止窜火现象发生。相关内容为该子母战斗部火箭弹的性能优化提供了技术支撑。

[1]王志军,尹建平.弹药学[M].北京:北京理工大出版社,2005.

[2]周长省,鞠玉涛,朱福亚,等.火箭弹设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[3]GJB376-1987火工品可靠性评估方法[S].国防科学技术工业委员会,1987．

[4]任嘉卉.公差与配合手册[M].北京:机械工业出版社,1994.

[5]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,1999.

[6]汪佩兰,李桂茗.火工与烟火安全技术[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[7]http://www.yuancailiao.net/trade/offerdetail-65722.aspx

[8]http://www.yuancailiao.net/trade/offerdetail-171456.

[9]王凯民,张学舜.火工品设计与试验[M].北京:国防工业出版社,2010.

[10]康华光,邹寿彬.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000.