抗过载长秒量延期电点火具结构设计与性能研究❋

2022-11-24沈林燕王佳茵王保国曾雅成赵文虎张彦亮康建成

爆破器材 2022年6期

关键词：管壳硝酸钾火药

沈林燕王佳茵王保国曾雅成赵文虎张彦亮康建成

①中北大学环境与安全工程学院(山西太原，030051)

②太原工业学院电子工程系(山西太原，030008)

③山西北方晋东化工有限公司(山西阳泉，045000)

④空军装备部驻太原地区军事代表室(山西太原，030006)

引言

电点火具多用于火箭弹和火焰喷射器等的点火，有桥丝式、火花式和导电药式等几种类型。弹丸侵彻目标时，在撞击目标的瞬间所承受的冲击过载加速度达1×105g以上。高过载下，同原理的桥丝电雷管受到塑性波的作用失效时，失效模式主要为结构失稳。由此可知，电点火具失效的主要原因是结构变形。

孙晓霞等[1]、蔺美君等[2]通过在点火具、雷管等火工品中添加衬垫来提高抗过载性能，双向过载时可在两端加入衬垫；试验与模拟结果表明，衬垫能有效隔离冲击应力波并缓冲火工品的质量惯性。虞跨海等[3]对不同类型的泡沫铝进行试验并仿真，发现泡沫铝前置可以有效降低引信在侵彻过程中承受的过载，使用复合夹层结构可以有效降低其被压实的程度。张文平[4]设计了一种延期元件，增加了消爆空腔，为延期药提供了一个更为稳定的燃烧环境，提高了延期精度。李便花等[5]将某型电点火具的绝缘套管材料改为聚四氟乙烯，该材料可承受电压36 kV，可抵抗脚-壳间电压击穿，试验验证改进后，消除了静电隐患。

以上文献从增加衬垫提高过载能力、增加消爆空腔提高延期精度、以及提高预防静电的能力等方面进行了研究，但关于抗过载长秒量结构的电点火具研究较少。本文中，在点火具抗过载的基础上，设计了长秒延期装药，通过结构和防静电设计，保证电点火具可靠作用。

1 设计方法与原理

该电点火具由发火元件、延期体、点火药等组成，结构如图1所示。

图1 抗过载长秒量延期电点火具的结构示意图Fig.1 Structure diagram of the anti-overload and long-second delay electric igniter

1.1 发火元件设计

发火元件为桥丝式。电点火具受到轴向加载，电极塞很可能发生内陷。采用高强度、高硬度的钛合金和玻璃封接设计的电极塞[1，6]。脚线为铜丝，间距4.8 mm。桥丝使用6J20镍铬丝，直径50 μm，电阻2.2~2.3 Ω，安全电流200 mA，全发火电流400 mA。桥丝上压装点火药，完成点火作用。在远离点火药的中间部位设计空气隙。同时，在桥丝与点火药接触的外部设置绝缘环，厚1.5 mm。

发火元件结构如图2所示。

图2 发火元件的结构示意图Fig.2 Structure diagram of the ignition element

1.2 药剂选择与结构设计

1.2.1 引燃药

根据秒量要求，选用慢速延期药。该类延期药一般较难点燃。为保证作用可靠性，引燃药选择高能点火药为宜。根据MIL—STD—1901A标准，选择燃烧时间短、燃烧热值较大的硼/硝酸钾[7-8]作为引燃药。

引燃药部分结构如图3所示。

图3 引燃药的结构示意图Fig.3 Structure diagram of the ignition powder

1.2.2 延期元件

延期元件主要由管壳和延期药两部分组成。

管壳的选择从两个方面考虑:一是对延期精度等有无影响；二是是否能承受高过载的冲击。拟使用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料作为延期体管壳。

在研究长延期点火具时，延期精度和瞎火是两大主要设计重点和难点。当延期时间为10~102s时，一般选用钨系慢速延期药。

反应方程式

为配合长秒量设计，对延期药组分配比进行相应的调整，减少钨粉含量，减小燃速[4]。电点火具受到冲击，会导致延期元件结构失稳，需承担较大的拉伸应力。添加硅藻土和聚硫密封胶黏结剂，降低燃烧温度效应[8]，增强抗过载能力，提高延期精度。延期药的组分质量比为m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)∶m(黏结剂)＝33∶10∶55∶2。

为提高延期元件抗过载能力，防止产生漏药和反向点火等不利于可靠点火的现象，增加传火可靠性，在延期元件上、下各放置一个边缘带缺口的纸垫片[9]。输入端面设计为凹面，可以收容燃烧产生的气体[10]，当遇到超高过载时，能防止针刺面直接受力，提高抗过载能力。

延期元件结构如图4所示。

图4 延期元件的结构示意图Fig.4 Structure diagram of the delay element

1.2.3 点火药

黑火药难以点燃一些钝感的火药或烟火剂，当延期药发火点比较高或者难以点燃时，通常选用高热效应混合药剂，减少点火药用量。

秒级延期药的火焰感度较低，一般需要装火焰感度高的点火药起引燃作用。聚四氟乙烯拥有良好的缓冲性能[1]，可提高整体抗过载能力，选用m(聚四氟乙烯)∶m(铝)∶m(镁)＝40∶30∶30的点火药，并在壳体内壁涂虫胶漆防潮。

1.3 抗过载设计

从整体结构强度和增加缓冲材料两方面考虑。

火工品整体采用收口结构，防止药剂的冲击窜动和蹿火问题。典型桥丝式电火工品的过载加速度约为1×105g[6]，电点火具整体质量不宜过重，在电点火具内部增设缓冲材料，并尽可能减小系统体积。电点火具壳体采用复式结构(内外双壳)，内管为厚0.2 mm的铝壳，外壳为2 mm厚的镍铜壳，有效提高了抗过载性能。结构失稳是过载的主要影响因素，电点火具轴向受力，因此主要考虑轴向过载引起的结构变形。开孔泡沫铝性能优异，缓冲效果好[11]，故在延期体输出端设计厚1.5 mm、内径2.0 mm、外径7.5 mm的环状泡沫铝减缓冲击过载，外包一层不锈钢薄板。

1.4 防静电设计

堵式和泄式是经常使用的预防静电的方法。堵式最常用的是在易击穿位置设置绝缘环；泄式则是在结构中设计出一条保护通道，脚-壳间静电能量早于危险通道泄放，从而起到保护作用。一般堵和泄结合使用[12]。

由于击穿不是瞬时完成的，而空气具有良好的击穿重复性，在发火件中部预留空气隙作为泄放通道。同时，在过渡药和壳体之间采用环氧树脂作为绝缘环，厚度为1.5 mm。

2 结果与讨论

2.1 计算、试验与仿真结果

2.1.1 发火安全性计算

当发火元件通入直流电流I且输入功率很低时，桥丝温度不变，发火元件构成稳态条件[8]，忽略药剂反应放热和桥丝热散失，存在

式中:Q1表示通电所产生的热量，J；Q2表示桥丝升温所吸收的热量，J；Q3表示药剂升温所吸收的热量，J；I表示通过桥丝的电流，A；R表示桥丝电阻，Ω；c1表示桥丝的比热容，J/(g·K)；m1表示桥丝质量，g；c2表示药剂的比热容，J/(g·K)；m2表示药剂的质量，g；T1表示常温，K；T2表示桥丝的最高温度，K。

已知桥丝电阻约为2.25 Ω、比热容为0.460 J/(g·K)、质量为0.08 mg，药剂的比热容为0.864 J/(g·K)、质量为120 mg，求得T2为568.15 K。硼/硝酸钾反应温度803 K左右。从计算结果上看，设计的电点火具满足安全性要求。

2.1.2 延期体长度计算

药芯直径3.50 mm，压药压力205 MPa，分次、定量、定压装药[4]。药剂密度约3.02 g/cm3，燃速约1.85 mm/s，延期体长度为27 mm，理论延期时间可满足设计要求。

2.1.4 静电泄放计算

保护通道长0.8 mm，空气隙介电强度为3.93 kV/mm，击穿电压为0.8×3.93＝3.144(kV)；危险通道长1 mm，聚四氟乙烯介电强度为25 kV/mm，击穿电压为1×25＝25(kV)。危险通道与保护通道的击穿电压之比大于4，能够可靠泄放静电。

2.1.5 引燃药的影响

为保证引燃药与长秒量延期药的能量相匹配，并可靠点火，选用纯度(95%)更高、粒度(0.5~1.0 μm)更小的硼原料，设计并制备了一种热敏感型硼/硝酸钾点火药，松装药量(0.060±0.005)g，装药密度2.7 g/cm3，硼粉和硝酸钾选用分析纯，纯度≥99.5%，粒度为300目，混药时间40 min。对该引燃药爆发点、感度等参数进行测试，并与许用硼/硝酸钾点火药进行对比，结果如表1所示。

表1 热敏感型硼/硝酸钾点火药和许用硼/硝酸钾点火药的性能对比Tab.1 Performance comparison of heat sensitive B/KNO3 ignition powder and allowable B/KNO3 ignition powder

2.1.6 延期体管壳材料和厚度的影响

选用钨系延期药，质量比m(W)∶m(KClO4)∶m(BaCrO4)＝42∶8∶50。选取黄铜、钢、胶木和有机玻璃4种材料进行横向对比分析，对比结果如表2所示。分别选择壁厚为2、4、12 mm的金属钢管壳进行试验[13]，结果如表3所示。

表2 管壳材料对延期药燃速的影响Tab.2 Influence of shell materials on burning rate of the delay composition

表3 管壳壁厚对延期药燃速的影响Tab.3 Influence of shell wall thickness on burning rate of the delay composition

2.1.7 泡沫铝仿真

为检验泡沫铝的缓冲性能，利用ANSYS/LSDYNA进行仿真[3]。泡沫铝使用Crushable本构模型，直径3 mm，厚度2 mm；上、下两端各有一块不锈钢板，直径3 mm，厚度0.2 mm。上侧刚体以1 mm/s的速度匀速向下移动，作用时间1 s。仿真模型如图5所示。

图5 仿真模型Fig.5 Simulation model

使用LS-PrePost软件进行后处理分析，在上端、下端钢板各取一测点A、B，分别代表缓冲前、缓冲后的受力大小，泡沫铝受压状态和A、B两点受力大小如图6、表4所示。

图6 泡沫铝受压示意图Fig.6 Compression diagram of foam aluminum

表4 测点随刚体移动的受压情况Tab.4 Compression of measuring points with rigid body movement

2.2 分析与讨论

对试验和仿真结果进行分析。

1)与许用硼/硝酸钾点火药(GJB 6217—2008)相比较，热敏感型硼/硝酸钾点火药中硼粉纯度提高、杂质减少、粒度减小，而使组分接触面积增大，导热性更好，外界的火焰冲击传递给药剂的能量被快速释放到环境中。因此，由表1可知，热敏感型硼/硝酸钾点火药的5 s延滞期爆发点、火焰感度均降低，燃烧热提高了0.575 kJ/g，约9.2%。使用该热敏感型点火药作引燃药，可以满足电点火具需求。

2)由表2和表3可知:延期药在胶木、有机玻璃等有机材料中的燃速比在金属材料中低，但延期精度远不如在金属材料中高；当管壳厚度增加时，管壁吸收更多热量，反应区温度降低，燃速减缓。

3)由表4可知，A、B两点所受压力先增大、后减小。刚体位移0.60~0.65 mm时，A点压力大小约为B点的5倍；位移0.70 mm时，A点受力达到最大值60 kPa；位移0.80~1.00 mm时，A点受力变化不大，B点受力不改变。在位移0~0.75 mm部分，B点压力梯度(单位路程长度上的压力变化)均远小于A点压力梯度，证明泡沫铝具有优异的缓冲性能，可以满足抗过载要求。