某点火装置内燃烧性能超差研究

2022-12-25李便花潘会平闫鹏飞周文伟崔子欣

新技术新工艺 2022年11期

李便花，潘会平，闫鹏飞，郭健，周文伟，崔子欣

(1.山西北方晋东化工有限公司，山西阳泉 045000；2.陆军驻太原地区第三军代室，山西太原 030000)

随着世界新军事变革发展，科学技术的快速迭代更新，我国近年来启动装备了一系列智能化、灵巧化弹药。火工品是武器、弹药及其他燃爆装置的基本元器件，是它们的“心脏”，用于点燃、起爆火炸药或对装置完成启动和做功等程序，点火装置是火工品其中一类，其在常规武器弹药、战略导弹、核武器及航天航空等领域均有大量的应用。火工品既是做功的元件，也是装置作用过程的控制器件，因此，其可靠性将直接关系到武器、装置作用的精确性，产品可靠性如有任何偏离，都可能导致武器、装置作用失效或重大事故。而且随着大量高新武器的发展，对火工品的安全性和可靠性的要求越来越高[1]。

1 点火装置

点火装置为火工品之一，属电点火类，能量输入通过由小到大的能量释放，可靠点燃发动机。随着对发动机推力增大的要求不断提高，装填密度大、异形复合型药剂的发动机药柱使用也越来越普遍，这就要求点火装置点火压力低、冲击小、火焰长及对发动机主装药无损伤，即点火药燃烧产物平行于发动机装药内表面，只有端面轴向喷火孔喷出的火焰沿装药内孔表面传播，靠传导方式直接到整个装药表面着火，其本质是一个高温燃气射流对装药实施连续点火[2]。

2 点火装置内燃烧性能

点火装置的作用是可靠点燃发动机，其内燃烧性能也是影响点燃发动机的主要因素。一是发动机点火信号到点火装置压力上升至P1(单位为MPa)时所需要的时间(≤t1)，即为点火延迟时间；二是点火装置正常作用后，药柱燃烧，点火装置内点火压力在P2(单位为MPa)区间所持续时间((t2±50) ms)，即为药柱燃烧持续时间(也称为工作时间)。

3 内燃烧性能超差的影响

点火装置内燃烧性能影响发动机的正常工作，如果点火延迟时间出现超差，可能会使发动机无法正常点火或出现点火延时，易形成哑弹留膛中，点火不正常，埋下安全隐患；如果点火药燃烧持续时间出现时间短的现象，发动机燃烧过快，易产生爆炸，如点火药燃烧持续时间出现时间长的现象，点火焰已经传遍整个装药燃烧面时，点火药还在燃烧，会出现初始压力峰[3]。

4 现象及排查分析

4.1 故障现象

某点火装置在靶场进行内燃烧性能试验时，2发常温样品出现故障，一是点火压力未达到P1，无法读取点火延迟时间t1；二是点火压力在P2区间所持续时间分别为(t2+93)和(t2+77) ms，不符合产品技术要求。2发故障样品P-T曲线图分别如图1和图2所示。

图1 第1发故障样品P-T曲线图

图2 第2发故障样品P-T曲线图

4.2 产品结构及作用原理

该型点火装置主要由本体组件、导线、药柱Ⅰ、药柱Ⅱ、壳体等组成，其中药柱Ⅰ由(m1±0.2) g的A点火药压制而成，药柱Ⅱ由(m2±0.05) g的A点火药及(m3±0.1) g的B点火药混合均匀后压制而成，点火装置结构如图3所示。

图3 点火装置结构图

该型点火装置是某型弹药的首发元件。当给弹丸发火回路通以预定发火电流时，点火装置中本体组件点火作用点燃药柱Ⅰ、药柱Ⅱ，药柱Ⅰ、药柱Ⅱ燃烧产生的火焰和气体可靠点燃发动机，完成其使命。

4.3 故障原因分析及排查

根据故障现象，从产品试验原理及产品作用原理等方面对故障原因进行分析，形成故障树(见图4)。

图4 点火延时、工作时间超差故障树

对照上述故障树逐项对底事件进行排查及分析，具体如下。

4.3.1 喷火孔尺寸超差

药柱Ⅰ、药柱Ⅱ燃烧产生的火焰和气体从产品壳体喷火孔喷出，点燃发动机，壳体喷火孔如图5所示。若产品喷火孔尺寸超差，内径大于(D+0.1) mm规定时，其释放气体的面积增大，同时降低药柱Ⅰ、药柱Ⅱ燃烧在壳体内部的燃烧压力，导致产品药柱燃烧持续时间(也称为工作时间)增长而出现超差。对该批剩余12个壳体内喷火孔尺寸进行检测，结果尺寸范围为(D+0.02)～(D+0.08) mm，符合规定要求。因此，排除喷火孔尺寸超差造成产品点火延迟时间及工作时间超差因素。

a) 剖面图

4.3.2 高度超差、药量超差

药柱的高度及药量是直接影响产品内燃烧性能的关键因素，若药柱高度低或药量少，降低了药柱燃烧能量，影响点火压力及燃烧持续时间。随机抽取产品故障批用药柱Ⅰ32个、药柱Ⅱ80个，检测结果：药柱Ⅰ高度范围为(H1-0.1)～(H1+0.1) mm，药量范围为(m1-0.08)～(m1+0.01) g，符合产品高度为(H1±0.2) mm、药量为(m1±0.2) g的要求；药柱Ⅱ高度范围为(H2-0.06)～(H2+0.18) mm，药量范围为(m2+m3-0.08)～(m2+m3+0.05) g，符合产品高度为(H2±0.2) mm、药量为(m2+m3±0.15) g的要求。因此，可以排除药柱高度超差、药量超差造成产品点火延时、工作时间超差因素。

4.3.3 水分超差

水分含量控制是药剂性能控制的一个因素，水分含量的多少会影响药剂的燃烧性能，若药柱中药剂水分超差，即≥A%，将会使药柱性能下降，会直接导致产品压力降低，工作时间加长。对生产过程中的药柱Ⅰ和药柱Ⅱ水分控制与解剖故障批药柱Ⅰ和药柱Ⅱ进行水分检测，检测结果：生产过程中的药柱Ⅰ水分为(A-0.45)%～(A-0.41)%，药柱Ⅱ水分为(A-0.71)%～(A-0.66)%；解剖故障批药柱Ⅰ水分为(A-0.41)%～(A-0.38)%，药柱Ⅱ水分为(A-0.58)%～(A-0.54)%，符合水分≤A%的要求。因此，可以排除水分超差造成产品点火延时、工作时间超差因素。

4.3.4 密度超差

药柱密度直接影响药剂燃烧状态，影响产品内燃烧性能。对故障批产品进行解剖，随机抽取5发药柱Ⅰ和10发药柱Ⅱ进行密度检测，检测结果：药柱Ⅰ密度为(ρ1+0.01)～(ρ1+0.02) g/cm3，符合(ρ1±0.05) g/cm3的要求；药柱Ⅱ密度为(ρ2-0.02)～(ρ2+0.01) g/cm3，符合(ρ2±0.05) g/cm3的要求。因此，可以排除药柱密度超差造成产品点火延时、工作时间超差因素。

4.3.5 密封性差

如果产品密封性较差，点火装置在作用瞬间压力泄放过快，会导致压力降低，工作时间增长。对2发故障样品进行检查，除壳体喷火孔处有药剂烧蚀痕迹外，未发现其他烧蚀痕迹(见图6)。因此，可以排除产品密封性差造成产品点火延时、工作时间超差因素。

图6 故障样品作用后喷火孔状态

4.3.6 传感器失效

传感器是试验数据采集的重要器件，如果压力传感器试验过程出现失效，就会形成数据采集不真实，出现误判。对故障批试验用编号为7312的压力传感器进行检查，结果为故障批试验时7312号压力传感器在其检定有效期内，对其与7315号同时进行标定，对另一型合格产品进行压力测试数据对比，检测结果两者相差0.02 MPa，且数据与产品交验时检测基本相同。因此，可以排除传感器失效造成产品点火延时、工作时间超差因素。

4.3.7 药剂燃烧热超差

药剂的燃烧热值是药剂燃烧性能的评价指标之一，若药柱所用药剂的燃烧热达不到规定指标要求，将会降低药柱内燃烧性能，点火压力不足且燃烧时间增加。该点火装置使用A、B两种药剂，检查药剂交验检测数据：A药剂的燃烧热为(Q1+1 609) J/g，B药剂的燃烧热为(Q2+981) J/g，对故障批剩余药剂进行重新检测，结果为A药剂的燃烧热为(Q1+1 597) J/g，B药剂的燃烧热为(Q2+1 032) J/g；对前一批交验合格产品剩余药剂进行检测，结果为A药剂的燃烧热为(Q1+1 566) J/g，B药剂的燃烧热为(Q2+954) J/g，均符合A药剂的燃烧热≥Q1，B药剂的燃烧热≥Q2的技术要求，且2批产品用药剂燃烧热相差不大。因此，可以排除药剂燃烧热超差造成产品点火延时、工作时间超差因素。

4.3.8 药剂粒度超差

药剂粒度决定着药剂燃烧面积，如果药剂粒度偏大，同样药量下药剂燃烧面积降低，会影响燃烧时间及点火压力。对故障批用A、B药剂验收结果进行检查，并对剩余药剂进行检测，与前一批交验合格产品用药剂进行分析对比，结果见表1。

表1 A、B药剂粒度检测结果

分析结果中故障批药剂粒度符合技术要求，但2个批次药剂对比，故障批中A药剂在φ1筛上物占比明显较大，B药剂相当，是否因为A药剂中大粒药剂占比较多影响药剂的燃烧性，需进行下一步验证。

4.3.9 药剂组分超差

药剂的组分占比是药剂燃烧性能的决定因素。检查故障批用药剂验收结果，其理化性能中A、B药剂组分含量均符合A、B药剂规范规定；重新对剩余药剂进行分析，结果A、B药剂组分含量占比均在规定范围内，且药剂水分符合水分≤A%的要求，燃烧热分析结果：A药剂的燃烧热为(Q1+1 597) J/g，B药剂的燃烧热为(Q2+1 032) J/g，均符合A药剂的燃烧热≥Q1，B药剂的燃烧热≥Q2的技术要求。因此，可以排除药剂组分超差造成产品点火延时、工作时间超差因素。