某點火裝置內燃燒性能超差研究

李便花，潘會平，閆鵬飛，郭 健，周文偉，崔子欣

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；2.陸軍駐太原地區第三軍代室，山西 太原 030000)

隨著世界新軍事變革發展，科學技術的快速迭代更新，我國近年來啟動裝備了一系列智能化、靈巧化彈藥。火工品是武器、彈藥及其他燃爆裝置的基本元器件，是它們的“心臟”，用于點燃、起爆火炸藥或對裝置完成啟動和做功等程序，點火裝置是火工品其中一類，其在常規武器彈藥、戰略導彈、核武器及航天航空等領域均有大量的應用。火工品既是做功的元件，也是裝置作用過程的控制器件，因此，其可靠性將直接關系到武器、裝置作用的精確性，產品可靠性如有任何偏離，都可能導致武器、裝置作用失效或重大事故。而且隨著大量高新武器的發展，對火工品的安全性和可靠性的要求越來越高[1]。

1 點火裝置

點火裝置為火工品之一，屬電點火類，能量輸入通過由小到大的能量釋放，可靠點燃發動機。 隨著對發動機推力增大的要求不斷提高，裝填密度大、異形復合型藥劑的發動機藥柱使用也越來越普遍，這就要求點火裝置點火壓力低、沖擊小、火焰長及對發動機主裝藥無損傷，即點火藥燃燒產物平行于發動機裝藥內表面，只有端面軸向噴火孔噴出的火焰沿裝藥內孔表面傳播，靠傳導方式直接到整個裝藥表面著火，其本質是一個高溫燃氣射流對裝藥實施連續點火[2]。

2 點火裝置內燃燒性能

點火裝置的作用是可靠點燃發動機，其內燃燒性能也是影響點燃發動機的主要因素。一是發動機點火信號到點火裝置壓力上升至P1(單位為MPa)時所需要的時間(≤t1)，即為點火延遲時間；二是點火裝置正常作用后，藥柱燃燒，點火裝置內點火壓力在P2(單位為MPa)區間所持續時間((t2±50) ms)，即為藥柱燃燒持續時間(也稱為工作時間)。

3 內燃燒性能超差的影響

點火裝置內燃燒性能影響發動機的正常工作，如果點火延遲時間出現超差，可能會使發動機無法正常點火或出現點火延時，易形成啞彈留膛中，點火不正常，埋下安全隱患；如果點火藥燃燒持續時間出現時間短的現象，發動機燃燒過快，易產生爆炸，如點火藥燃燒持續時間出現時間長的現象，點火焰已經傳遍整個裝藥燃燒面時，點火藥還在燃燒，會出現初始壓力峰[3]。

4 現象及排查分析

4.1 故障現象

某點火裝置在靶場進行內燃燒性能試驗時，2發常溫樣品出現故障，一是點火壓力未達到P1，無法讀取點火延遲時間t1；二是點火壓力在P2區間所持續時間分別為(t2+93)和(t2+77) ms，不符合產品技術要求。2發故障樣品P-T曲線圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 第1發故障樣品P-T曲線圖

圖2 第2發故障樣品P-T曲線圖

4.2 產品結構及作用原理

該型點火裝置主要由本體組件、導線、藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ、殼體等組成，其中藥柱Ⅰ由(m1±0.2) g的A點火藥壓制而成，藥柱Ⅱ由(m2±0.05) g的A點火藥及(m3±0.1) g的B點火藥混合均勻后壓制而成，點火裝置結構如圖3所示。

圖3 點火裝置結構圖

該型點火裝置是某型彈藥的首發元件。當給彈丸發火回路通以預定發火電流時，點火裝置中本體組件點火作用點燃藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ，藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒產生的火焰和氣體可靠點燃發動機，完成其使命。

4.3 故障原因分析及排查

根據故障現象，從產品試驗原理及產品作用原理等方面對故障原因進行分析，形成故障樹(見圖4)。

圖4 點火延時、工作時間超差故障樹

對照上述故障樹逐項對底事件進行排查及分析，具體如下。

4.3.1 噴火孔尺寸超差

藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒產生的火焰和氣體從產品殼體噴火孔噴出，點燃發動機，殼體噴火孔如圖5所示。若產品噴火孔尺寸超差，內徑大于(D+0.1) mm規定時，其釋放氣體的面積增大，同時降低藥柱Ⅰ、藥柱Ⅱ燃燒在殼體內部的燃燒壓力，導致產品藥柱燃燒持續時間(也稱為工作時間)增長而出現超差。對該批剩余12個殼體內噴火孔尺寸進行檢測，結果尺寸范圍為(D+0.02)～(D+0.08) mm，符合規定要求。因此，排除噴火孔尺寸超差造成產品點火延遲時間及工作時間超差因素。

a) 剖面圖

4.3.2 高度超差、藥量超差

藥柱的高度及藥量是直接影響產品內燃燒性能的關鍵因素，若藥柱高度低或藥量少，降低了藥柱燃燒能量，影響點火壓力及燃燒持續時間。隨機抽取產品故障批用藥柱Ⅰ32個、藥柱Ⅱ80個，檢測結果：藥柱Ⅰ高度范圍為(H1-0.1)～(H1+0.1) mm，藥量范圍為(m1-0.08)～(m1+0.01) g，符合產品高度為(H1±0.2) mm、藥量為(m1±0.2) g的要求；藥柱Ⅱ高度范圍為(H2-0.06)～(H2+0.18) mm，藥量范圍為(m2+m3-0.08)～(m2+m3+0.05) g，符合產品高度為(H2±0.2) mm、藥量為(m2+m3±0.15) g的要求。因此，可以排除藥柱高度超差、藥量超差造成產品點火延時、工作時間超差因素。

4.3.3 水分超差

水分含量控制是藥劑性能控制的一個因素，水分含量的多少會影響藥劑的燃燒性能，若藥柱中藥劑水分超差，即≥A%，將會使藥柱性能下降，會直接導致產品壓力降低，工作時間加長。對生產過程中的藥柱Ⅰ和藥柱Ⅱ水分控制與解剖故障批藥柱Ⅰ和藥柱Ⅱ進行水分檢測，檢測結果：生產過程中的藥柱Ⅰ水分為(A-0.45)%～(A-0.41)%，藥柱Ⅱ水分為(A-0.71)%～(A-0.66)%；解剖故障批藥柱Ⅰ水分為(A-0.41)%～(A-0.38)%，藥柱Ⅱ水分為(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產品點火延時、工作時間超差因素。

4.3.4 密度超差

藥柱密度直接影響藥劑燃燒狀態，影響產品內燃燒性能。對故障批產品進行解剖，隨機抽取5發藥柱Ⅰ和10發藥柱Ⅱ進行密度檢測，檢測結果：藥柱Ⅰ密度為(ρ1+0.01)～(ρ1+0.02) g/cm3，符合(ρ1±0.05) g/cm3的要求；藥柱Ⅱ密度為(ρ2-0.02)～(ρ2+0.01) g/cm3，符合(ρ2±0.05) g/cm3的要求。因此，可以排除藥柱密度超差造成產品點火延時、工作時間超差因素。

4.3.5 密封性差

如果產品密封性較差，點火裝置在作用瞬間壓力泄放過快，會導致壓力降低，工作時間增長。對2發故障樣品進行檢查，除殼體噴火孔處有藥劑燒蝕痕跡外，未發現其他燒蝕痕跡(見圖6)。因此，可以排除產品密封性差造成產品點火延時、工作時間超差因素。

圖6 故障樣品作用后噴火孔狀態

4.3.6 傳感器失效

傳感器是試驗數據采集的重要器件，如果壓力傳感器試驗過程出現失效，就會形成數據采集不真實，出現誤判。對故障批試驗用編號為7312的壓力傳感器進行檢查，結果為故障批試驗時7312號壓力傳感器在其檢定有效期內，對其與7315號同時進行標定，對另一型合格產品進行壓力測試數據對比，檢測結果兩者相差0.02 MPa，且數據與產品交驗時檢測基本相同。因此，可以排除傳感器失效造成產品點火延時、工作時間超差因素。

4.3.7 藥劑燃燒熱超差

藥劑的燃燒熱值是藥劑燃燒性能的評價指標之一，若藥柱所用藥劑的燃燒熱達不到規定指標要求，將會降低藥柱內燃燒性能，點火壓力不足且燃燒時間增加。該點火裝置使用A、B兩種藥劑，檢查藥劑交驗檢測數據：A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 609) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+981) J/g，對故障批剩余藥劑進行重新檢測，結果為A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 597) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+1 032) J/g；對前一批交驗合格產品剩余藥劑進行檢測，結果為A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 566) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+954) J/g，均符合A藥劑的燃燒熱≥Q1，B藥劑的燃燒熱≥Q2的技術要求，且2批產品用藥劑燃燒熱相差不大。因此，可以排除藥劑燃燒熱超差造成產品點火延時、工作時間超差因素。

4.3.8 藥劑粒度超差

藥劑粒度決定著藥劑燃燒面積，如果藥劑粒度偏大，同樣藥量下藥劑燃燒面積降低，會影響燃燒時間及點火壓力。對故障批用A、B藥劑驗收結果進行檢查，并對剩余藥劑進行檢測，與前一批交驗合格產品用藥劑進行分析對比，結果見表1。

表1 A、B藥劑粒度檢測結果

分析結果中故障批藥劑粒度符合技術要求，但2個批次藥劑對比，故障批中A藥劑在φ1篩上物占比明顯較大，B藥劑相當，是否因為A藥劑中大粒藥劑占比較多影響藥劑的燃燒性，需進行下一步驗證。

4.3.9 藥劑組分超差

藥劑的組分占比是藥劑燃燒性能的決定因素。檢查故障批用藥劑驗收結果，其理化性能中A、B藥劑組分含量均符合A、B藥劑規范規定；重新對剩余藥劑進行分析，結果A、B藥劑組分含量占比均在規定范圍內，且藥劑水分符合水分≤A%的要求，燃燒熱分析結果：A藥劑的燃燒熱為(Q1+1 597) J/g，B藥劑的燃燒熱為(Q2+1 032) J/g，均符合A藥劑的燃燒熱≥Q1，B藥劑的燃燒熱≥Q2的技術要求。因此，可以排除藥劑組分超差造成產品點火延時、工作時間超差因素。

5 試驗驗證

5.1 藥劑粒度分布分析

根據4.3.8節的排查結果，對A藥劑粒度分布進行了細分檢測，檢測結果分別如圖7和圖8所示。從圖中可知，故障批中A藥劑粒度φ1篩上物雖符合≤3%的要求，但相比合格批φ1篩上物較多，故障批(φ1-0.3) mm～φ1之間的比例較大，(φ1-0.9)～(φ1-0.7) mm之間的比例較小。

圖7 故障批A藥劑粒度分布圖

圖8 合格批A藥劑粒度分布圖

5.2 性能試驗

將故障批用A藥劑中(φ1-0.3) mm以上的粒子剔除，進行產品內燃燒性能試驗，結果符合要求(見圖9和圖10)。從上述藥劑粒度分布及試驗驗證可知，A藥劑粒度較大的含量較多影響產品整體燃燒性能。

圖9 第1發驗證樣品P-T曲線圖

圖10 第2發驗證樣品P-T曲線圖

6 機理分析

產品中所用A藥劑是一種混合藥劑，藥劑燃燒時產生高熔點氧化物，生成的灼熱固體顆粒沖擊待燃燒物并將其點燃，藥劑粒度越大時，單位質量的比表面積會越小，燃燒壓力會越低，工作時間也會更長；反之，藥劑粒度越小時，單位質量的比表面積會越大，燃燒壓力會越高，工作時間也會越短。

7 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)形成該型點火裝置內燃燒性能超差的原因是：該產品所用A藥劑粒度雖滿足藥劑規范要求，但較大粒子占比較多，單位質量的比表面積小，點火裝置工作時瞬時壓力過低，進而導致產品內燃燒性能工作時間、點火延時超差。

2)藥劑在生產過程中質量控制非常重要，粒度的均勻性決定著藥劑本身的性能特性。

3)在產品研制過程中，應對產品所用藥劑進行燃燒熱裕度設計及試驗驗證，以適應批生產過程不同批次原材料及不同操作人員的生產，降低產品質量風險。