一種高精度的延期點火器設計方法研究

王軍學，夏冬星，馬 駿，程 濤

(陜西應用物理化學研究所，陜西 西安 710061)

0 引言

在某型產品研制過程中，保護罩分離采用了反推燃氣發生器分離方案。反推燃氣發生器包括兩種：一種是正向燃氣發生器，一種是側向燃氣發生器。為了保證保護罩分離時不破壞彈體其他部分結構，側向燃氣發生器采用了火工延時點火技術。延期點火器在接收到信號后，既要完成點火功能，又要完成延時功能。尤為重要的是，延期點火器的延期時間必須達到一定的精度，延期時間過短或者過長，都會損壞彈體其他結構，導致發射任務失敗。根據保護罩分離時的分離速度和分離姿態，確定本產品的延期時間指標為(190±20)ms。

1 延期點火器結構及工作原理

延期點火器結構見圖1，主要由兩部分組成：一部分用來完成延時點火功能，稱為延期組件；一部分用來完成隔爆功能，稱為隔板組件。兩種組件均采用了不銹鋼結構，并進行了熱處理，有效地提高了延期點火器的力學性能。隔板組件裝有羧甲基纖維素疊氮化鉛、斯蒂芬酸鉛和耐水藥。羧甲基纖維素疊氮化鉛起爆能力強，斯蒂芬酸鉛是一種火焰感度很高的起爆藥。延期組件中裝有耐水藥、延期藥和點火藥。當隔板組件和延期組件分別完成裝藥后，將延期組件旋入隔板組件中，擰入的時候放入一個密封墊圈并在延期組件的外螺紋上涂抹環氧樹脂固化膠。

圖1 延期點火器結構

其工作原理為：當隔板組件接收到上一級的火焰信號后，點燃隔板組件輸入端火焰感度高的斯蒂芬酸鉛，再點燃起爆能力強的羧甲基纖維素疊氮化鉛，其產生的爆轟波通過厚度1.5 mm的隔板迅速起爆隔板組件輸出端的羧甲基纖維素疊氮化鉛，進一步后點燃耐水藥，這種由爆轟轉為燃燒的現象，稱為“消爆效應”[1]。耐水藥發火后，點燃延期組件中的耐水藥和延期藥，延期藥經過一定的延期時間后，點燃耐水藥和點火藥，點火藥點燃點火藥盒，進一步點燃燃氣發生器。

2 延期藥選用和密封結構設計

2.1 延期藥選用

本產品的技術指標中規定的延期時間為190 ms，公差為±20 ms，屬于短延期產品，應選擇燃速較快的毫秒級延期藥，以滿足本產品的延期時間技術指標要求。

目前毫秒級延期藥主要有硅鐵系、硅系、鎂系和硼系。硅鐵系延期藥有較好的延期范圍，在保存良好的環境中，毫秒級短延期可靠性、安定性良好，但是硅鐵粉碎較難達到數微米的粒度，耗能較大，并且硅鐵中硅和鐵的含量不易控制。硅系延期藥是目前國內使用較為廣泛的毫秒級延期藥，但是由于硅粉活性較高，長期貯存后容易發生表面氧化現象，導致延期時間超差。鎂系延期藥主要針對煤炭系統，因為其可以防止引爆瓦斯氣體和粉塵，但是鎂系延期藥容易吸濕導致延期時間超差。硼系延期藥在國外得到了廣泛的應用。近年來，國內展開了硼/鉻酸鋇延期藥預點火反應機理[2]、硼系延期藥在線性升溫條件下反應特性[3]、硼系延期藥燃速及反應動力學[4]等多項關于硼系延期藥的研究工作。硼系延期藥具有延期時間精度高、產氣量少、點火能量足等優點，并已得到了廣泛的應用。

綜上所述，本產品選擇硼系延期藥，壓藥壓力設計為365 MPa，保壓時間設計為10 s。

2.2 密封結構的設計

隔板組件與延期組件之間選擇銅質密封圈進行密封，具體設計見圖2。

圖2 延期點火器密封結構

本產品在密封結構上進行了以下設計：

(1)在延期組件螺紋前端設計了臺階結構，以增大銅質密封圈的接觸面積。

(2)將隔板組件內螺紋設計為收尾結構，對銅質密封圈的變形進行徑向限位。

2.3 螺紋強度校核

延期點火器工作時的薄弱環節主要是輸出端與燃氣發生器的連接螺紋，燃氣發生器工作時內部壓強最大值為Pmax=40 MPa，在強度校核時內部壓力Pm′按1.5倍最大壓力計算，Pm′=1.5Pmax=60 MPa。設F1為M10螺紋實際承受的最大載荷，F2為M10螺紋能承受的最大載荷，S21為延期點火器螺紋牙強度安全系數，則有：

F1=Pm′×πD12/4.

(1)

F2=0.58πd2npτb.

(2)

S21=F2/F1.

(3)

其中：D1為螺紋公稱直徑，D1=10 mm；d2為M10外螺紋底徑，為8.917 mm；n為螺紋連接扣數，設計值為4扣，取有效連接扣數3；p為螺距，設計值為1 mm；τb為剪切強度，13Cr11Ni2W2MoV 熱處理強度τb≥575 MPa。

將以上數據代入式(1)～式(3)得：F1=3 140 N,F2≥28 013 N，S21≥8.92。

強度校核結果表明，延期點火器螺紋牙強度有較高的安全系數，可以滿足要求。

3 延期時間測試方法

按如圖3所示的發火線路使產品發火，用通-斷靶線法測試產品發火時間。

圖3 發火試驗線路

在試樣輸出端位置設置靶線，產品作用前靶線處于通路狀態，產品作用后將靶線炸斷，靶線處于斷路狀態。示波器采集產品通電時刻記為t1，靶線炸斷時刻記為t2，延期點火器的延期時間t=t2-t1。

4 環境試驗

4.1 濕熱試驗

將延期點火器放置到濕熱箱中，一個循環為24 h，進行10個循環后，取出進行延期時間測試，其結果見表1。

表1 濕熱環境對點火器延期時間的影響

試驗結果表明，延期點火器密封性能良好，密封設計措施有效，在濕熱環境中放置10天后，延期時間滿足要求。

4.2 高溫試驗

將延期點火器放置在+60 ℃的高溫箱內，4 h后，取出進行延期時間測試，其結果見表2。

表2 高溫環境對點火器延期時間的影響

試驗結果表明，延期點火器在+60 ℃經4 h后，其延期時間都在規定時間范圍內，與濕熱試驗比較，其延期時間縮短了5.74%。

4.3 低溫試驗

將延期點火器放置在-40 ℃的低溫箱內，4 h后，取出進行延期時間測試，其結果見表3。

表3 低溫環境對點火器延期時間的影響

試驗結果表明，延期點火器在-40 ℃經4 h后，其延期時間都在規定時間范圍內，與濕熱試驗比較，其延期時間延長了4.22%。

5 結論

本文介紹了一種高延期精度的延期點火器的設計方法，選擇了性能優良的硼系延期藥，采取了有效的密封措施，采用通-斷靶線法對延期點火器進行了發火時間測試，試驗表明：經過濕熱試驗、高溫試驗和低溫試驗后，該型延期點火器的延期精度誤差≤±6%，相比較同類產品精度有了較大程度的提高。