某多功能电底火的设计研究

王科伟，赵文虎，李 宁，曾祥涛，冯军民，付一鸣，李积珍

（特种能源集团西安庆华公司，陕西 西安，710025）

随着炮射导弹武器系统的发展，对起始激发的底火功能提出了越来越高的要求。常规底火多数为瞬发型火工品，作用功能单一；多功能型底火作为导弹一极，具有控制导弹发射和将发射平台电能通过底火传递、激活导弹控制电路的双重功能。

本文以某炮射导弹用底火的研制为背景，该底火主要技术要求规定：产品在1.5A作用下应可靠发火，延期时间1.1～1.8s，在0.1～1.1s时间内产品动态电阻不应小于100Ω。笔者通过对燃烧室、装药结构和传火机构的设计以及点火药筛选，提高了底火延期时间精度，解决了作用过程动态电阻不应小于100Ω的技术难题。

1 结构设计

1.1 总体结构设计

按照使用要求，电底火的结构设计分为两大部分：传递电能机构和延期点火器。传递电能机构的作用是将武器平台提供的电能可靠传递至导弹控制电路中的激活负载上，并为延期点火器中的桥丝提供电能，其结构为并联电路设计。电底火传递电能机构原理见图1。延期点火器的功能为延期和输出火焰点燃导弹辅助装药，其延期药选用钨系延期药剂，输出装药采用KClO4点火药，其输出能量为高温、高压气体和灼热固体颗粒，易于点燃发射装置中球扁类装药。

图1 传递电能机构原理图Fig.1 Schematic diagram of electric energy delivery mechanism

1.2 延期点火器设计

延期点火器主要由电点火管和延期管构成，其总结构为“点火管-气室-延期管”。延期点火器采用独脚发火方式，芯电极与壳体通过注塑的方式实现固定，桥丝选用Ni-Cr合金电阻丝并联焊接在双面覆铜层压板制作的桥片上下表面，桥丝上涂覆起爆药，通过压帽与壳体尺寸紧配合的方式实现电发火件与芯极的紧密结合，从而保证电发火件桥丝回路的可靠接通。延期管采用独立结构，通过外螺纹与点火管壳体的内螺纹进行连接。

1.2.1 内部气室设计

大多数延期火工品的点火管、延期管和气室的结构为直列式。本产品由于给定尺寸仅能满足点火管和延期管的长度要求，气室不能直列在点火管和延期管之间。在径向尺寸尚有余量的情况下，在电点火管壳体内部预先设置一定容腔的环形气室，延期管输入端小孔与环形气室相连，见图2。

图2 延期点火器结构示意图Fig.2 Diagram of delay ignitor structure

工作时，延期装药依次经过加热、分解、燃烧、产物扩散4个历程。产物扩散的方向与反应的前进方向相反，扩散产物中的气体通过进气孔进入环形气室，固体残渣贴在管壁上或堵在管壳口部。不同容积气室条件下的延期时间试验结果见表1，气室体积对延期时间标准差的影响见图3～4。

从图3～4可以看出，在高温和低温条件下，随着气室体积的增加，延期时间标准差显著减小，在气室体积增加至一定范围时延期时间标准差趋于稳定。所以可以根据实际尺寸情况选择合适的自由容腔来提高产品的延期精度。

表1 气室体积对延期时间影响Tab.1 Effect of gas chamber volume on delay time

图3 高温条件下气室体积与标准差的关系Fig.3 Relationship between gas chamber volume and standard deviation at high temperature

图4 低温条件下气室体积与标准差的关系Fig.4 Relationship between gas chamber volume and standard deviation at low temperature

1.2.2 延期装药设计

延期管装药采用LTNR-点火药-延期药-输出装药的点火方式实现延期点火功能，该火工品延期药采用钨系延期药，点火药选用燃速较慢的微气体延期药，以避免在延期药剂燃烧过程中随着空腔中的气体压力逐渐升高，导致延期时间出现稳定性偏差的问题。不同一级点火药条件下延期管的性能见表2。

表2 不同点火药条件下延期管性能试验结果Tab.2 Performance test results of delay elements with different ignition powders

从表2试验结果可以看出，点火药采用硼系点火药的延期管作用后开路电阻小于100Ω，而采用硅系点火药的延期管开路电阻全部大于1 278Ω。

硼系点火药由硼粉、BaCrO4、Pb3O4在加入一定量的粘合剂后经过一定的工艺条件混合造粒而成。其总反应方程式为：

从反应方程式（1）可以看出，硼系点火药在生成产物中存在具有导电性能的金属物质Pb，其熔点为328℃[1]，而硼系点火药的反应温度大于800℃[2]，所以硼系点火药中的反应产物Pb以流体状态析出，在延期点火器中能够通过点火空腔流入发火后断裂的桥丝处导通桥丝，故燃烧过程中的开路电阻较小。而硅系点火药由Si、Pb3O4、CaSi组成，其总反应方程式为：

由式（2）可见，Si系点火药燃烧后在产物中虽然同样存在具有导电性能的金属物质Pb，但其燃烧产物中有坚硬且孔隙度较高的固体残渣SiO2，可以吸附点火药燃烧产物中的导电金属Pb，使其不能以流体状态流入到桥丝处，从而提高了延期过程的开路电阻。

1.2.3 传火方式设计

传火方式的设计主要考虑点火管药剂点燃延期管第一级点火药的可靠性，尽量减小点火管药剂作用后对延期管装药的破坏性，并隔断延期管装药燃烧时高温产物可能的反向扩散，提高开路电阻。所以，传火方式为火焰通过中心小孔金属隔片推动滑块运动，然后点燃延期管一级点火药，见图5。

图5 电点火管传火方式原理图Fig.5 Schematic diagram of flame propagation manner of electric igniter tube

采用该传火方式共进行了500发产品的功能试验，全部可靠作用，延期时间和开路电阻均满足指标要求，可靠度为0.994（置信水平为0.95）。

2 性能试验及结果

2.1 延期时间

进行了5批研制底火的延期时间验收试验，试验结果见表3。由表3可知，在-50～+60℃条件下，电底火的延期精度较高。

表3 电底火延期时间验收试验结果Tab.3 Acceptance test results of electric primer delay time

2.2 开路电阻

进行了5批电底火的动态开路电阻验收试验，试验200余发，开路电阻不小于1 278Ω（限于示波器采集精度，最大只能采集到此数据）。

2.3 长贮性能

抽取20发电底火按GJB 736.8-1990 火工品试验方法 71℃试验法[3]进行加速寿命试验，试验时间为42d，相当于15a。试验数据见表4。

表4 长贮试验结果Tab.4 Storage life test result

2.4 系统试验

在导弹地面点火、飞行等各种联合试验中，电底火均可靠点燃发射机构的辅助装药，满足总体要求。

3 结论

环形气室是一种新的设计思路，能够提高延期精度，解决轴向尺寸长度不足所带来的难题；硅系点火药可以阻断延期类火工品反应产物的电导通性能；发火件输出火焰通过隔片推动滑块运动点燃延期管的传火方式具有较高的可靠性；该电底火能够将武器平台提供的电能可靠传递至导弹控制电路，具有延期精度高、动态开路电阻稳定的特点。

[1]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京：北京理工大学出版社，1999.

[2]张致魁.硼系延期药燃烧时间与配比的关系探讨[J].火工品，2004(4)：38-41.

[3]GJB736.8-1990 火工品试验方法 71℃试验法[S].国防科学技术工业委员会，1990.