某复杂发射环境用延期点火装置设计研究

付一鸣，王科伟，蔺美君，高元科，吴宏杰，曹建强



某复杂发射环境用延期点火装置设计研究

付一鸣，王科伟，蔺美君，高元科，吴宏杰，曹建强

（北方特种能源集团有限公司西安庆华公司，陕西西安，710025）

为满足高膛压、高过载等复杂发射条件下的延期点火，对某延期点火装置内部结构、传火通道、转换通道进行了设计，并对点火药进行了筛选。研究结果表明，所设计的延期装置满足平原和高原两种发射环境，且在高膛压、高过载条件下具有较高的延期精度。

延期点火装置；高膛压；高过载；转换通道；点火药

随着炮射导弹武器系统的发展，为满足导弹在不同区域的作战需求，对导弹增程发动机用火工品的功能提出了更高的要求。电延期火工品虽然可以设计成全密封结构来消除高膛压对产品性能的影响，但需要电能源的激发，增加了系统电源负载；火焰延期点火器直接利用炮射导弹发射时膛内火焰点燃，结构简单，然而传统的火焰延期火工品结构在耐高膛压和过载方面能力有限，不能满足导弹发射时的环境要求。本文设计了一种全新的火焰式双通道延期点火装置，来满足某炮射导弹在高原区域与平原区域的使用要求，其能承受发射时最大215MPa的膛压和1.1×104g的过载。

1 双通道延期装置结构及工作原理

该延期装置主要部件包括闭气机构、长延期部件、短延期部件、转换机构、固定卡盘、点火药盒。其中闭气机构和长、短延期部件是承受炮射导弹在发射时膛内高压燃气和高过载冲击的关键部件，能承受持续10～20ms、230MPa、29 000g的高膛压高过载冲击，并起延期点火的功能；点火药盒用于点燃发动机装药。其结构见图1。

点火装置工作原理为：炮射导弹在平原发射时，膛内燃气直接作用在长延期部件输入端，经过6.5～8.5s延迟后点燃点火药盒，从而点燃助推发动机装药，达到增程的目的；炮射导弹在高原发射时，打开转换机构，短延期部件较长延期部件先完成工作，经0.8～1.2s延迟后点燃点火药盒使助推发动机工作，实现高原使用的目的。

2 方案设计

2.1 耐高膛压高过载设计

2.1.1延期部件结构设计

长、短延期部件结构一致，主要由外管壳、点火管和延期管构成。点火管口部带有翻边，装入外管壳后与外管壳翻边压合，以有效防止炮膛内高压燃气进入通道内直接点燃点火药盒出现瞬发。

（a）点火管设计 根据点火装置装配于导弹的位置以及结合高膛压高过载条件下的受力分析，确定点火管为该点火装置耐高膛压高过载的关键部件，而点火管传火孔的大小是能否承受高膛压冲击的核心之一。由于某炮射导弹较国内其他炮射导弹发射时的膛压高、持续时间长、过载大，因此设计了不同直径的传火孔进行验证，试验结果见表1，点火管传火孔示意图见图2。火工品模拟膛内的发射过载一般采用马歇特锤击试验法代替[1]，地面点火试验采用已定型的某电点火器来模拟发射时的膛压。

表1 不同直径的传火孔模拟试验结果

Tab.1 Simulation experiment result for vent holes with various diameters

图2 延期部件结构示意图

从表1试验结果看出，经23齿锤击(击锤打击加速度29 000g)[2]后进行的高、低温测时，设计传火孔直径为3.0mm出现了6发瞬发的现象，直径为0.9mm时出现了2发瞎火的现象，因此传火孔直径过大可能造成点火管被膛压击穿，传火孔直径过小则可能造成点传火不可靠而瞎火。传火孔直径为2.1mm时点传火可靠、延期时间稳定，且系统空气炮试验和飞行试验表明，延期时间满足指标要求和系统使用要求。

（b）防瞬发设计对炮射导弹用延期类火工品而言，高膛压高过载环境是引起产品瞬发的主要因素。为保证该点火装置在导弹发射时稳定工作，在延期管输出端增加一个非金属膜片，以降低延期管输出装药与管壳底部之间的冲击作用，达到缓冲的效果，避免了外管壳凸起底部受高膛压高过载冲击时挤压输出装药而导致瞬发；此外，有效阻挡了燃气通过金属管壳之间空隙直接点燃输出装药，从而实现防瞬发的目的，并且该非金属膜片在延期管正常作用后能被输出药可靠点燃，见图2。增加非金属膜片后试验结果见表2。

表2 非金属膜片防瞬发试验结果

Tab.2 Experiment results of non-metallic membrane for anti-instantaneous ignition

从表2结果可以看出，装有非金属膜片的产品试验时无瞬发现象，系统空气炮试验和飞行试验300余发仍无瞬发出现。

2.1.2装药设计

加氢裂化装置有大量氢气及烃、非烃类等危险生产介质，泄漏的可燃性、爆炸性物料可能发生火灾和爆炸危险。由于加氢裂化装置反应部分在高压下操作，其爆炸、火灾事故的危害后果尤其严重；同时加氢裂化装置的静设备和动设备及催化剂等造价高，在操作过程中有被损坏的可能，会造成企业资产的严重损失。因此，加氢裂化装置生产过程出现异常时，必须采取可靠的措施，将异常工况控制在可控范围内，甚至停止生产以规避生产异常导致的人员、装备的重大损失。

该点火装置的延期部件采用LTNR-点火药-延期药-输出药的装药序列实现延期点火功能，常规的延期类火工品一般选用硼系点火药或耐水点火药[3]作为点燃延期药的点火药，硼系点火药和耐水点火药燃烧后的产物为单一氧化物和金属物质Pb，有易分散性的特点。该产品延期药采用钨系延期药，点火药选用结渣性能好的硅系点火药。在高膛压高过载冲击下不产生裂纹，使延期药与膛内高压燃气物理隔绝，从而达到延期药稳定燃烧的目的。

硅系点火药由硅粉Si、CaSi、Pb3O4组成，其反应方程式为：Si+2Pb3O4+2CaSi→3SiO2+2CaO+6Pb

硅系点火药燃烧产物为SiO2和CaO的混合物，SiO2俗称硅石，固体块状形态，有较高的机械强度，而混制硅系点火药时加入的硅藻土和产物CaO吸附性强，能吸收空气中的少量水分。因此硅系点火药燃烧后的最终物质为一种高密度残渣，与金属管壳紧密接合，具有很好的密封性。采用压力容器（油压）对燃烧后的延期部件残留物进行耐压强度测试，测试结果见表3。

表3 燃烧后的延期部件耐压强度测试结果

Tab.3 Compression strength testing results of the delay components after burning

表3试验结果表明，硅系点火药燃烧后形成具有一定强度和承压能力的固态残渣，能承受高膛压高过载冲击。

2.2 转换机构设计

转换机构的设计主要考虑部队使用的便利性，在进行高原发射时，需打开转换机构使短延期部件工作。转换机构设计中，在与闭气机构的传火孔贴合部位设计闭气锥，选用紫铜作为转换机构加工材料，利用其易变形的特点，安装后能与传火孔紧密贴合，起到密封的作用，以保证导弹在平原发射时的安全性；同时，设计一字形扳手孔，工作人员使用常用的工具即可在短时间内拆卸。转换机构示意图见图3。在采用该转换机构进行的模拟试验和飞行试验中，短延期端密封良好，没有出现因窜火点燃短延期部件的现象。

图3 转换机构示意图

3 性能试验及结果

3.1 延期时间

工程研制阶段，进行了4批延期点火装置验收试验，试验结果见表4。由表4可知，在-50～+50℃条件下，延期时间稳定。

表4 延期点火装置验收试验结果

Tab.4 Acceptance test results of delay ignition device

3.2 系统试验

在导弹发动机地面点火和炮射导弹平原区域、高原区域飞行等各种联合试验中，延期点火装置均可靠点燃发动机装药，满足总体使用要求。

4 结论

通过点火管设计和利用硅系点火药燃烧产物的物理特性，使点火装置具有耐高膛压高过载冲击的特点，解决了延期时间不稳定的难题；非金属膜片设计杜绝了高膛压高过载发射条件下存在瞬发的可能；转换机构设计使长、短延期部件分别在平原、高原工作，从而实现双通道点火功能，使炮射导弹满足不同区域的作战需求。

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

[2] 刘伟钦.火工品制造[M].北京:国防工业出版社,1988.

[3] 成一.火工药剂学[M].南京:南京理工大学出版社,2004.

Research on the Design of Delay Ignition Device Applied in Complicated Launch Environment

FU Yi-ming,WANG Ke-wei，LIN Mei-jun，GAO Yuan-ke，WU Hong-jie，CAO Jian-qiang

(North Special Energy Group Co.,Ltd.,Xi’an,710025)

In order to meet with the delay ignition requirement under the complicated launch environment, such as high boring pressure, high overload,, the research conducted special design for the internal structure, flash channel and the switching channel of the delay ignition device, and performed screening for ignition powders .The research results demonstrated that the designed delay device can satisfy the launch environment on the plateau and on the plain, and has high delay precision under the conditions of high boring pressure and high overload.

Delay ignition device；High boring pressure；High overload；Switching channel；Ignition powder

1003-1480（2015）05-0006-03

TJ45+5

A

2015-06-10

付一鸣（1981-），男，工程师，从事火工品产品设计与研究。