感应制热式弹丸装药倒空技术安全性分析与设计*

2015-12-10向红军邢彦昌

弹箭与制导学报 2015年4期

向红军，雷彬，邢彦昌

(解放军军械工程学院，石家庄 050003)

0 引言

弹药是一种战时大量消耗的装备，平时必须进行大量的战略储备。超过储存期或质量显著下降的弹药将成为报废弹药，这些报废弹药如果不能得到及时有效处理，将给国家和人民生命财产安全带来严重影响，同时也会造成储运和维护成本增大，因此报废弹药处理是一项长期性和经常性工作，而对弹丸中的装药进行有效处理又是报废弹药处理的关键。

目前装药弹体的倒空方法主要有蒸汽加热倒药法、预热挖药法、高压水射流倒药等几种处理方法。蒸汽加热倒药法主要用于低熔点装药倒空，而且倒药时会产生冷凝废水，对环境造成二次污染;预热挖药法效率太低、工作强度大;高压水射流倒药法存在处理效率低、产生大量污染废水、倒药成本较高等不足［1-2］。文中针对弹丸装药倒空需要，提出了一种基于电磁感应制热原理的弹丸装药倒空方法，并结合弹丸装药的燃爆特性，重点对该方法使用过程中的安全性进行了分析。

1 电磁制热基本原理

根据电磁感应定律可知，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会有感应电动势产生，并产生感应电流Ic(即涡流)。因为金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡流。涡流流过导体，会产生R(R表示导体的等效电阻)的电功率热消耗，使导体温度上升，达到加热目的［3］。

2 系统总体方案设计

根据电磁感应制热的工作原理，给出感应制热式弹丸倒药装置的初步设计方案，其加热器结构如图1所示，主要由加热线圈、保护外壳以及外部电源等构成。

图1 感应制热器

系统的工作过程为:首先将待倒空的弹丸置于感应制热器的腔体内，然后利用电力电子变换系统将市电转换成直流电，并经过功率开关管IGBT后，提供给感应制热器。IGBT受驱动信号的控制而导通和关断，从而在感应制热器的加热线圈中产生高频电流，同时通过加热线圈激发产生高频磁场［4］。在高频磁场的作用下，置于感应制热器内部的铁质弹丸表面会产生涡流，弹丸表面的涡流损耗将以热能的形式对弹丸装药进行传导加热。在弹丸内壁，由于装药的温度较高，因而会率先熔化，使得装药在重力作用下整体脱落弹丸内壁，实现整体倒药。

为提高倒药效率，可将多个感应制热器并联到一起，形成加热倒药箱，同时对多发弹丸装药进行倒空。

3 系统安全性分析与设计

从系统的工作原理可以看出，其本质上和电磁炉相似，但由于弹丸装药是一种具有燃爆特性的特殊物质，因此对其加热过程中，必须要防止电磁制热装置失控或弹丸装药过热而导致安全事故，因此在系统研制过程中，首先要对基于该技术的安全性进行深入研究。

3.1 安全性分析

由于感应制热器对弹丸的加热过程并不是直接加热，而是一种传导加热，因此炸药的热积累需要一定的时间，弹丸装药的温度在加热过程中不会产生突变。同时，系统在工作时，并不是对整体装药进行加热，而是对弹丸内壁处的装药先进行加热，当弹丸内壁处的装药达到其熔点时，装药在重力作用下会整体掉出，因此一般不会出现过热的情况。

此外，对于不同炸药来说，炸药熔点和发火点之间一般存在较大的温度缓冲区间，因此在加热过程中，弹丸装药开始熔化时，即使有局部过热的情况，温度还没有上升到炸药发火条件时，弹丸装药已经整体掉出。同时，对于一些柱装药弹丸，只需要加热使粘结剂熔化就可实现倒药，而粘结剂的熔点通常远远低于炸药的熔点，所以炸药还未熔化就可能已经在重力作用下掉出［5］。

因此，从理论上分析，采用电磁感应制热式弹丸装药倒空技术，可以确保应用过程中的安全性。

3.2 安全性设计

为防止系统工作异常造成意外事故，需要对系统设计相应的安全防护装置。本系统采用多套独立的温度监控和安全报警装置，对系统的温度实行实时监控，防止加热过程出现失控。

首先在感应制热器的内表面设置多点温度传感器。由于热敏电阻具有较高的灵敏度，较大的测温范围，因此选择热敏电阻作为系统的温度传感器。通过热敏电阻实时测得弹丸壳体外表面的温度，并将温度值转换为电信号传递给测控系统的CPU，根据壳体传热模型，可以计算出弹丸内壁处的炸药温度，一旦温度达到倒药方案中设置的数值，即断开加热电源开关并发出报警信号，提示系统过热，需要切断电源停止加热。典型的基于热敏电阻的温控电路如图2所示。

图2 弹丸壳体外表面温度检测电路

热敏电阻TRLD与电阻R1分压，该点电压变化反映了热敏电阻阻值的变化，即弹丸壳体外表面的温度变化。该电压经AD转换处理后送入测控系统的CPU，由CPU监测该电压的变化，并具有以下功能［6］:

①当系统处于定温功能时，控制加热指令，令被加热物体温度恒定在指定范围内。

②当弹丸壳体外表面温度高于设定值时，加热立即停止，并报知信息。

③当感应制热器中没有放置弹丸时，加热一分钟并停止加热，并报知信息。

④当热敏电阻开路或短路时，发出不启动指令，并报知相关的信息。

此外，还可以在利用空气温度检测电路对感应加热倒药箱附近的空气进行间接测量，当测得的温度超过预定阈值时，给出相应的报警指令，其典型电路如图3所示。

图3 空气温度检测电路

图3中，空气温度通过负温度系数热敏电阻RT1与电阻R4阻值的变化间接反映空气温度的变化［6］。电压变化反映了热敏电阻阻值的变化，即空气温度的变化。该电压变化经AD转换器送入控制系统的CPU，由CPU根据空气温度判定系统的工作温度，并发出相应的控制指令。

除了利用温度传感器对系统工作过程中的温度进行实时监控以外，还可以利用计时器对加热时间进行控制。从前面对温度的分析可知，系统工作过程是一种传导加热，炸药温度的上升是热量积累的结果。在相同加热条件下，对同一种弹丸装药，要达到相同的温度所需要的加热时间基本一致，因此通过数值仿真和多次验证试验得到某种弹丸装药的加热时间后，可以将该时间的平均值作为该种型号弹丸装药倒空的时间基准，并以该时间作为控制感应制热倒药系统的工作时间。当加热时间达到设定值后，控制系统的CPU发出控制指令，使系统停止加热。

此外，为提高全系统的安全性，在加热出现失控情况下，还可利用自动喷淋装置，对弹丸装药进行强制物理降温。

根据上述分析，可给出由温度传感器阵列、加热时间计时器、自动喷淋装置等构成的安全保护系统设计方案，其基本原理如图4所示。

图4 安全保护系统

3.3 基本倒药流程

弹丸装药的种类很多，包括单质炸药、混合炸药，不同炸药具有不同的物理化学特性，因此对于不同的弹丸装药和弹丸类型，要根据其物化特性，通过数值仿真分析、原理验证试验给出标准化的加热方案，明确某类型弹丸装药倒空需要的系统加热时间、弹丸壳体表面温度等参数。

以某型弹的梯黑铝柱装药为例，给出其倒药过程。梯黑铝装药的主要成分为梯恩梯、黑索金和铝粉，其中TNT的熔点为80.9℃，发火温度为275℃，爆燃点为300℃;黑索金的熔点为204℃;铝粉的熔点660℃，由于该装药是柱装药，因此只需要将弹丸内壁温度加热到90℃ ～100℃左右，即可使混合炸药软化，并与弹丸的弹壁脱离，从而将梯黑铝炸药顺利从弹底口部倒出。在加热倒空过程中，黑索今和铝粉均不会受热分解。

其工作流程如图5所示，首先在控制系统中选择该型号的梯黑铝柱装药，系统自动设定温度阈值为100℃、总的加热时间为5 min(根据加热功率设定)，然后启动电源对其进行加热倒药。当弹丸内壁温度达到90℃ ～100℃时，混合装药倒出。系统工作过程中，当温度和时间任意一个条件达到阈值，系统都会停止加热并返回结束信息，从而实现安全冗余保护，确保加热倒药过程中的安全。