某延期管耐高离心、高过载优化设计

刘 敏，李积珍，王科伟，李 宁，付一鸣

某延期管耐高离心、高过载优化设计

刘 敏1，李积珍2，王科伟2，李 宁2，付一鸣2

（1. 陆军装备部驻西安地区第一代表室，陕西 西安，710025；2.北方特种能源集团有限公司西安庆华公司，陕西 西安，710025）

针对某延期管在高离心、高过载条件下的断火现象进行了原因分析，并对管壳材料、单向传火闭气机构、装药直径等进行优化设计。验证试验结果表明：采用设计的单向传火闭气机构，装药直径为φ4.8mm时，在240r/s高过载离心条件下延期管能够满足延期要求。

延期管；高过载离心；性能；结构设计

随着武器系统的作用方式不同，延期产品在武器系统中的作用环境越来越苛刻。以往延期产品作用基本是在静态条件下或是在径向受较小过载条件下完成其功能，当延期产品轴向（过载方向与传火方向相反）受到较大过载时，其性能和延期时间均会受到不同程度的影响[1]。影响较大时，会导致延期管断火。为了使延期产品能够满足武器的使用环境，对某延期管在高过载条件下的结构进行了优化设计。

1 延期管试验环境及条件

延期管装配在某抛射导弹烟火激活装置中，装配结构见图1。

图1 延期管在烟火激活装置中的装配方式

延期管轴向承受过载加速度大于等于26 000g，发射时径向承受过载加速度大于等于16 000g，抛射时径向承受过载加速度大于等于5 000g，延期管安装在直径为145mm外圆的子弹体上，转速在不大于240r/s时可靠工作，转速在320r/s时延期管结构不允许损坏。延期管试验条件：经轴向26 000g和径向16 000g的锤击试验后，在转速为240r/s条件下完成功能试验。

2 延期管在高过载离心条件下断火原因分析

延期管装药结构见图2，其延期药为钨系延期药，过渡药为硅系引火药，点火药为硼系点火药；延期管在静态条件下均能满足时间要求和输出要求，即延期时间为1~5s；延期管在转速60r/s时延期时间和输出性能能够满足指标要求，在120r/s时延期管断火。对60r/s条件下作用正常的延期管和120r/s高离心条件下断火的延期管做工业CT透视，见图3。

图2 延期管装药结构

图3 延期管CT透视图

由图3可知，在60r/s条件下正常作用的延期管，其过渡药和点火药位置均有药剂燃烧后的残渣，而在120r/s条件下断火的延期管在过渡药和点火药位置均有较大的空位产生，由此说明空位是导致延期管在120r/s离心条件下断火的主要原因。而引起空位的原因主要有以下两点：首先，硼点火药在反应初期由固态转变为流体，且这一过程在高转速状态发生，高转速形成的离心力使流体状的硼点火药通过传火孔流向延期管外，从而导致容腔内出现空位，此空位随着离心力的提高而增大；其次，硼点火药燃烧后形成残渣的密度远大于燃烧前密度，硼点火药燃烧前密度与压药压力有关，压力越大其密度越大，但由于硼点火药为固体颗粒状，理论上颗粒与颗粒之间存在间隙；硼点火药燃烧过程中发生固体-流体-固体的变化，这种变化使燃烧前颗粒之间的空隙排除，增加了燃烧产物的密度，从而在装药容腔中形成空位。对60r/s条件下正常作用的延期管进行解剖，见图4，发现在内管壁（管壳材料为黄铜）留有没有燃烧的延期药和过渡药，且占总装药面积的30%，这使设计上延期药的长径比改变，药剂燃烧面积的减少使反应放出的能量更少，当离心过载增大，延期管会出现断火现象。

图4 药剂在铜管壳中燃烧效果

为解决延期管的断火问题，对出现在内管壁没燃烧药剂的问题做了进一步分析，其主要原因是高速运动条件下管壳散热引起的。延期管管壳材料为黄铜棒，散热系数为109W·m-1·K-1；理论上延期管在作用过程中点火药首先燃烧，其产生的热量首先通过管壳对过渡药进行预热，延期药燃烧时反应区的能量主要是通过热传导、热辐射及燃烧气体产物的扩散作用传入未燃药剂，药剂的导热系数远低于金属材料。因此，静态条件下作用的延期管的金属管壁会在药剂传递的热量达到未燃药剂之前把热量传递给未燃药剂，从而通过管壁对未反应的药剂进行预先加热，进而缩短了药剂从低温升高到反应温度所需的时间，且使未反应药剂处于高温状态，因而加快了反应的进行。但延期管在高离心条件下作用时相对空气高速运动，空气的高速流动使延期管管壳温度急剧下降，且管壳在空气中释放的热量远大于管壳对药剂传递的热量，使靠近内管壁的药剂温度达不到其反应温度，从而在延期管内管壁出现没有燃烧的药剂。

3 产品的优化设计

依据总体规定的技术指标要求（外形结构及尺寸）对点火管进行了设计，前期采用传统装药结构及传火方式，延期药高为5mm，管壳材料采用铜和不锈钢，经试验验证，延期管在静态条件下均能满足性能要求，但在离心过载条件下出现大量的断火现象。说明传统的结构设计不能满足高过载条件下延期管的性能要求。为满足指标要求，对延期管在高过载条件下的受力进行了分析，见图5，并借鉴前期试验经验和结果对延期管进行了优化设计，主要从材料选择、装药直径确定、点传火方式的设计以及压药密度等4个方面进行设计。

图5 延期管离心条件下受力图

3.1 管壳材料

对铜和不锈钢管壳在60r/s高离心过载条件下进行性能试验对比（黄铜导热系数：109W·m-1·K-1，不锈钢导热系数：49.8W·m-1·K-1），不锈钢作为延期管管壳时，延期药燃速稳定。对试验后的延期管进行解剖，见图6。

图6 药剂在不锈钢管壳中燃烧效果

经解剖发现管壳内壁有少许残渣，为完全燃烧后的产物，不影响药剂后续燃烧。对比图4、图6可知选用不锈钢作为壳体材料时，热损失相对较小，有利于延期药充分燃烧，同时选用不锈钢还可以更好地承受延期管内部药剂燃烧产生的内压。

3.2 装药直径

高离心过载条件下装药直径对延期管的性能有直接的影响，当装药直径小时，高过载离心作用下形成的空气流动导致管壳的热损失加快，进而使靠近管壁的药剂无法燃烧，导致延期管断火。当转速为60r/s、管壳装药直径为φ3mm时，断火延期管药剂燃烧情况如图7所示。

由图7可知在离心速度为60r/s、装药直径为φ3mm时，参与燃烧的延期药药高约在2.5～3.0mm，即在上述条件下延期管可靠作用时其内部延期药药高必须小于2.5mm。由此对部分不同装药直径的延期管所能满足的最大转速进行了试验，试验结果见表1。

图7 装药直径φ3mm时作用效果图

表1 离心过载条件下对应的装药直径

Tab.1 The corresponding charge diameter under high centrifugal overload

3.3 传火方式及闭气机构

由于受高过载离心的影响，延期管点、传火方式不能参照普通延期类产品进行设计，延期管必须设计为单向传火，且点火药被点燃后还要形成单向闭气机构，能够阻挡药剂燃烧时形成的高温残渣向后移动（离心过载产生的离心力与延期管的能量传递方向相反）。为使延期管正常作用，其内部设计了由支撑环、传火垫片、加强帽和火焰感度高的点火药组合形成的单向传火、闭气结构，见图8。

图8 单向传火、闭气结构示意图

单向传火、闭气机构作用原理：延期管受上级针刺火帽输出的火焰后，火焰先通过三孔支撑环点燃高感度点火药，点火药燃烧的火焰在经过传火垫片的传火孔和加强帽底部的传火孔后点燃加强帽中的小威力点火药，进而点燃过渡药和延期药，形成单向传火机构；同时在高过载离心力作用下传火垫片向后移动，使支撑环的3个孔完全覆盖，而小威力点火药燃烧后形成的残渣流入传火垫片和加强帽的传火孔，最终组成单向闭气机构。

3.4 压药密度

在高过载离心条件下，提高延期管药剂（延期药分别为钨系延期药、硼系延期药和硅系引燃药）的压药密度有利于能量传递，延期药密度增加时，药剂的空隙度将减小，对应延期药的燃速将下降。当密度达到一定值时药剂间的空隙度很小，此时具有平行层燃烧的性质，燃速区域稳定，延期精度也很高[2]。

4 试验验证

验证试验选择延期管装药直径为φ3.0mm和φ4.8mm，延期药为钨系延期药和硼系延期药，过渡药选用硅系引燃药，点火药选用沥青钝化三硝基间苯二酚铅，压药压力为210MPa，对应的延期药药高约为2mm、5mm，点、传火方式采用上述单向传火、闭气机构。确定装配参数后进行了高过载离心试验，试验结果见表2~3。

表2 装药直径为φ3 mm高离心过载下延期管试验结果

Tab.2 The test results of the delay element with 3mm charge diameter under high centrifugal overload

表3 装药直径为φ4.8mm高离心过载下延期管试验结果

Tab.3 The test results of the delay element with 4.8mm charge diameter under high centrifugal overload

分析表2~3试验结果，可知采用设计的单向传火、闭气机构，装药直径为φ4.8mm时，在240r/s的高过载条件下，延期管未出现断火现象，延期时间满足设计要求。

5 结论

针对某延期管在高离心过载下出现断火现象，分析其原因并进行结构优化设计，得到以下结论：（1）高离心过载下，能量损失过大是导致延期管断火的主要原因；（2）高离心过载条件下传统延期产品的设计不能满足要求，通过对管壳材料、装药直径、传火方式及闭气机构，以及压药密度进行优化设计，可以解决点火具性能不稳定的问题；（3）采用设计的单向传火、闭气机构，当装药直径为φ4.8mm时，在240r/s以内的高离心过载条件下，延期管均能可靠作用。

[1] 吴艳霞,沈瑞琪,叶迎华.高加速度过载对硼延期药延期性能的影响 [J].火工品,2005(03):20-23.

[2] 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.

[3] 蔡吉生,沈瑞琪,叶迎华. 延期体抗高加速度过载的结构加固性能研究[J].火工品, 2007(2):53-55.

The Optimum Design of High Centrifugal Overload Resistance for Some Delay Element

LIU Min1，LI Ji-zhen2，WANG Ke-wei2，LI Ning2，FU Yi-ming2

(1.The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an, Xi’an, 710025；2. Xi’an Qinghua Company, North Special Energy Group Co.Ltd., Xi’an, 710025)

The causes of the fire failure of some delay element in high centrifugal and high overload conditions were analyzed, and optimum designs on shell material, unidirection flame propagation obturator and charge diameter were carried out. The verification test results show that by use of the designed unidirection flame propagation obturator, as the charge diameter of φ4.8mm, the delay tube can meet the delay requirement under high centrifugal overload condition of 240r/s.

Delay element；High centrifugal overload；Performance；Structure design

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.005

1003-1480（2020）01-0018-04

2019-11-20

刘敏（1985 -），男，工程师，主要从事火工品质量控制工作。