带双环境力安保机构非电起爆装置设计研究

叶淑琴，尚向荣，陈 锋，文 冲，任 伟

带双环境力安保机构非电起爆装置设计研究

叶淑琴1，2，尚向荣2，陈 锋2，文 冲2，任 伟2

（1. 南京理工大学，江苏 南京，210094； 2. 陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为解决传统起爆装置勤务处理和运输过程中的安全性问题，设计了一种小型化的具有双环境力安保机构的非电起爆装置，进行了保险机构受力分析及计算，并完成12m跌落试验、离心试验及实弹射击试验。结果表明该非电起爆装置具有良好的勤务处理能力，运输、使用安全可靠。

非电起爆装置；旋转滑动机构；惯性激发机构；安全；可靠

现代武器装备对勤务处理和使用过程中的安全性要求越来越高，产品既要满足使用性能要求，又要满足在运输和勤务处理过程中的安全性要求。传统的非电起爆装置采用单一的惯性击发机构作为安全保险机构，在正常情况下有良好的勤务处理能力，运输、使用安全可靠。但该类产品在吊装过程中的意外跌落可能造成意外发火现象，存在一定的勤务处理安全隐患。为了解决这个问题，笔者在带双环境力安保机构非电起爆装置中设计两个独立的保险机构（旋转滑动机构和惯性激发机构），只有获得启动这两个保险机构的不同环境力，才能解除两道保险，起爆装置才能安全可靠作用。

1 系统组成与设计原理

带双环境力安保机构非电起爆装置由旋转滑动机构、惯性激发机构、雷管组件、扩爆管组成，结构示意图见图1。带双环境力安保机构非电起爆装置应具有爆炸毁伤功能，整体采用非电起爆方案，其中的非电起爆采用惯性激发机构，惯性激发机构常用于惯性点火具、惯性热电池等，多用于火箭的增程点火等。该惯性激发机构由弹簧、击针体、固定壳体等组成，击针体和雷管组件两个元件中一个可以运动，一个固定不动，击针体和针刺雷管之间用弹簧保险器分开；为了确保惯性激发机构在战备状态时处于安全状态，设计了旋转滑动机构，用来在战备状态时固定击针体，只有在弹丸发射时产生的离心力才能解除旋转滑动机构，弹丸飞行碰撞到目标后惯性激发机构克服弹簧抗力，击针击发雷管作用，实现爆炸毁伤功能。

图1 带双环境力安保机构非电起爆装置示意图

由于两个保险机构采用的机理不同，两个独立的保险机构使非电起爆装置的安全性大大提高，如在勤务处理中发生意外跌落，此时没有能够满足两个保险机构同时解保的环境条件，则能够防止非电起爆装置因跌落等造成的意外发火。

2 双环境力安保机构作用原理

带双环境力安保机构非电起爆装置的作用是在火炮发射时弹丸旋转，离心力将旋转滑动机构打开，弹丸以一定速度飞行碰撞目标导弹，速度骤降，惯性激发机构获取环境能启动作用，实现爆炸毁伤功能。

2.1 旋转滑动机构原理

将击针尾部预留限位槽，限位槽伸入固定座，将滑块放入击针限位槽，再在滑块上面加放一个弹簧片对滑块定位，如图2所示。在日常勤务处理中滑块在击针限位槽内，击针不会因受到轴向冲击力而产生位移，击发雷管发生误发火现象，起到了轴向保险作用；当弹丸发射时，弹丸旋转产生径向离心力，滑块在离心力作用下脱离弹簧片限制从击针的限位槽中脱出，同时被弹簧片卡在固定座外端，这时击针处于解除旋转滑动机构自由状态。

2.2 惯性激发机构原理

惯性激发机构由击针体、弹簧、雷管组件组成，见图3。

图2 旋转滑动机构示意图

图3 惯性保险机构示意图

火炮发射时弹丸旋转使旋转滑动机构打开，弹丸以一定速度飞行，惯性激发机构由于弹簧保险器的缓冲作用，击针体产生一个同飞行方向的轴向直线惯性力，弹丸碰撞目标导弹，速度骤降，限制击针轴向位移的弹簧被压缩，击针激发雷管组件，雷管组件作用起爆扩爆管，完成爆炸毁伤功能。

3 双环境力保险机构设计计算

3.1 惯性激发机构抗力计算

图 4 惯性激发机构受力图

击针刺到雷管的距离为L（mm）：L=21-10-4.2 =6.8；弹簧在装配状态下的长度H（mm）：H=21-4.2 -3=13.8；弹簧在装配状态下的压缩长度0（mm）：0=4.2+3=7.2；弹簧从自由状态到击针尖抵雷管的压缩长度λ（mm）：λ=0+L=7.2+6.8=14；已知弹簧压缩到4.2mm时，其抗力为800g～1 000g。按800g计算弹簧在装配状态下的抗力0和击针尖抵雷管时弹簧的抗力R：

3.2 惯性激发机构安全落高计算

按安全条件公式[1]：

式（3）中：L为击针尖到火帽的距离，mm；0为弹簧在装配状态下的抗力；R为击针尖抵雷管时弹簧的抗力；′为击发体（击针）质量+1/3弹簧的质量，g；2为反跳系数（一般弹2=0.4）；为要求的安全落高3m；λ为击针尖抵雷管时弹簧的压缩长度，mm；0为弹簧在装配状态下的压缩长度，mm。

已知：击针的质量0.54g；弹簧的质量0.12g。

计算结果表明：装配状态下弹簧抗力满足3m落高安全要求。将点火具装入8.7kg的试验弹中，从3m高处自由落下，满足安全落高要求。

3.3 旋转滑动机构设计计算

3.3.1旋转滑动机构运动受力分析

滑块在离心力作用下，运动受力如图5所示。取单边滑块作为隔离体进行受力分析。滑块主要受1、2、3、4共4个力。

图5 旋转滑动机构受力图

图5中1为弹簧片对滑块的束缚力；2为固定座侧面对滑块的摩擦力；3为固定座地面对滑块的摩擦力；4为滑块在高速旋转下的离心力。取固定座为隔离体进行受力分析，对水平方向进行受力分析：

4≥1Sin45°+22+3（4）

只有满足式（4）滑块才能克服约束力（1、2、3）运动。

3.3.2滑块高速旋转下离心力（4）计算

滑块的质心离击针的中心距离为=3.5mm；滑块质量＝0.3g，弹丸发射时旋转角速度约为8 000～10 000r/min，在设计时为了保证有足够的裕度，按照＝8 000 r/min计算离心力。

＝8 000r/min＝8 000×2×3.14/3 600=14；

==14×3.5×10-3=0.049m/s；

3.3.3固定座底面对滑块的摩擦力（3）计算

钢与铜无润滑时摩擦因数＝0.19；只考虑滑块自身的重力，则3=g＝0.3×10×0.19×10-3＝0.57×10-3N。

3.3.4固定座侧面对滑块的摩擦力（2）分析

固定座与滑块为间隙配合，装配后理论上认为没有摩擦力，取2＝0。

3.3.5弹簧片对滑块的束缚力（1）分析

图6 弹簧片受力分析图

根据滑块移动极限位置图的几何关系，测量出滑块移动的极限位置为弹簧片转动9°（0.05π）。根据梁在均布荷载作用下的端部转角公式：

式（5）中：为截面对其中性轴的惯性矩；为截面宽度；为截面高度；θ为扭转角0.05π；为受力长度2.8×10-3m；为铜的弹性模量，128GPa。

1==40.2×2.8×10-3=0.112N；

1Sin45°+22+3=0.079；

4＞1Sin45°+22+3。按照以上理论计算：滑块在8 000r/min的高速旋转下产生的离心力能够克服约束使旋转滑动机构解除保险。

4 试验验证

按照起爆装置的使用要求，分别进行了12m跌落试验、离心试验、飞行试验。

4.1 12m跌落试验

12m跌落试验要求产品从12m高度跌落产品不发火。分别进行了双环境力安保机构（惯性激发机构和旋转滑动机构）和单环境力安保机构（仅安装惯性激发机构）12m跌落试验各5发。结果双环境力安保机构5发均未发火，单环境力安保机构4发发火1发未发火，说明所设计的带安保机构的起爆装置比安装惯性激发机构具有更高的安全可靠性。

4.2 离心试验

离心试验考核起爆装置在发射旋转角速度为8 000～10 000r/min时，旋转滑动机构能否可靠解保。起爆装置在离心机上进行8 000r/min、7 000r/min、6 000r/min各3发试验，试验后采用X光检测，所试验产品均可靠解保。

4.3 飞行实弹射击试验

飞行实弹射击考核产品发射、飞行、撞靶、爆炸威力的综合试验。试验3发，发射过程弹丸受力8×104g～10×104g，弹丸飞行末端速度800～900m/s。试验结果表明毁伤效果达到预期，具有双环境力安保机构的非电起爆装置能够满足毁伤功能要求及使用要求。

5 结论

弹丸发射产生径向离心力时，旋转滑动机构中的滑块在离心力作用下脱离弹簧片限制从击针的限位槽中脱出，同时被弹簧片卡在固定座外端，惯性激发机构处于解除击针限位状态。发射过程弹丸受力8×104g～10×104g的过载时，惯性激发机构中的击针体受到相反于发射方向的后坐力，在发射过程中惯性激发机构不能通过发射环境获得能量而作用。

弹丸飞行末端速度800～900m/s，碰撞目标，速度骤降，惯性激发机构由于弹簧的缓冲作用，击针体继续前行，刺激雷管作用实现爆炸功能。经试验验证双环境力安保机构非电起爆装置具有良好的勤务处理能力，运输、使用安全可靠。

[1] 引信设计手册[M].北京:国防工业出版社,1978.

[2] GJB 373A-1997 引信安全性设计准则[S].国防科学技术工业委员会,1997.

[3] GJB 4087-2000 引信安全性检验方法[S].中国人民解放军总装备部,2001.

[4] GJB/Z135-2002 引信工程设计手册[S].中国人民解放军总装备部,2003.

[5] 王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[6] GJB 6268-2008 舰炮弹药通用规范[S].中国人民解放军总装备部,2008.

[7] 王凯民.火工品工程设计与试验[M].北京:国防工业出版社,2010.

Study on the Design of Non-electric Initiation Device with Double Safety Mechanism

YE Shu-qin1，2，SHANG Xiang-rong2，CHEN Feng2，WEN Chong2，REN Wei2

(1.Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094；2. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

Aimed at the security of the traditional initiation device during service and transportation, a kind of small-sized non-electric initiation device with double safety mechanisms was designed. The endured force of safety mechanism was analyzed and calculated, as well as 12m drop test, centrifugal test and practice fire test were carried out. The test results showed that the design of double safety mechanism can effectively improve the safety and reliability of the initiation device during service and transportation.

Non-electric initiation device；Rotary sliding mechanism；Inertial excitation mechanism；Security；Reliability

TJ450.2

A

1003-1480（2014）04-0005-04

2014-04-03

叶淑琴（1970-），女，研究员级高级工程师，从事火工烟火专业方向研究。