低氣壓長秒延期點火具研究

劉君閣，付艷柳,郭秋萍，趙變玲，李彤，張亮亮低氣壓長秒延期點火具研究劉君閣1，付艷柳1,郭秋萍2，趙變玲1，李彤1，張亮亮1（1.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧撫順，113003；2.陸軍駐撫順地區(qū)代表室，遼寧撫順，113003）針對延期點火具的低氣壓工作環(huán)境，探討并論證了敞開式延期點火具的總體設計。基于延期藥燃燒方程，進行了多層遞進點燃式的延期點火具結構設計，分析得到各級點火藥、延期藥的設計要求；經(jīng)大量藥劑配比試驗得出點火藥凝聚態(tài)產物含量占比、凝聚態(tài)產物是否流動是其工作穩(wěn)定的關鍵因素。本研究對低氣壓長秒延期點火具設計具有理論指導意義。延期點火具；低氣壓；點火藥；精度底排火箭復合增程彈是一種地面遠程多節(jié)復合增程炮彈，在炮彈發(fā)射途中由延期點火具控制火箭發(fā)動機增程動作的時機與動能，達到增程目的。延期點火具通常裝配在增程炮彈彈底，因此其工作環(huán)境主要為炮彈發(fā)射過載、高速自轉以及高速飛行所引發(fā)的彈尾低氣壓，而這正是影響延期點火具的延期精度和作用可靠性的主要因素。為避免彈尾低氣壓對延期精度的影響，延期點火具的總體設計通常采用密閉式，既用炮彈發(fā)射時的膛壓或火焰作為初始能量作用于撞擊或隔板部件上使延期點火具工作。為探討低氣壓對延期點火具的影響，項目組開展了敞開式延期點火具的設計與研究，力圖開拓新的科研路線與設計完善。1低氣壓工作環(huán)境下的延期點火具結構設計南京理工大學的張領科數(shù)值模擬了155底排彈噴口截面處燃氣壓力隨時間變化情況[1]，見圖1。從圖1可以看出，155底排彈噴口截面處燃氣壓力在炮彈發(fā)射瞬間略有增加，之后逐漸下降，第10s時壓力由發(fā)射前的0.1MPa下降到約0.05MPa，第20s時壓力下降到約0.025MPa，第24s時壓力下降到約0.02MPa?？梢?，底排減阻效果隨時間逐漸減弱。圖1噴口截面處燃氣壓力隨時間變化情況延期點火具結構設計的技術路線是敞開式燃燒。針對155底排彈發(fā)射過載高、膛壓高等特點，結構設計時主要考慮：（1）炮彈發(fā)射時點火具裝藥結構不能損壞，應可靠作用、不允許瞬發(fā)；（2）炮彈發(fā)射時延期點火具主要由厚壁裝藥殼體、藥劑和加強帽組成，如圖2所示。輸出端裝藥為鋯系點火藥，延期藥為鎢系延期藥，二級點火藥和一級點火藥均為硅系點火藥，組分、配比不同。其作用原理是炮彈發(fā)射時的火焰和壓力作用于點火部件，此時一級點火藥開始燃燒并點燃二級點火藥，二級點火藥再點燃鎢系延期藥，經(jīng)過一定時間后鋯系點火藥燃燒并輸出火焰。圖2延期點火具示意圖2裝藥設計在低氣壓長秒延期點火具裝藥設計中，主要考慮秒量精度和瞎火問題。對于長秒延期點火具，點火藥點燃延期藥的點火能力、點火持續(xù)時間、固體殘量、點火溫度等參數(shù)，直接影響點火具的秒量精度和作用可靠性。根據(jù)秒量要求，設計的長秒延期點火具采用鎢系延期藥，鎢系延期藥主要由鎢粉、鉻酸鋇、高氯酸鉀和粘合劑組成。該組分中的高氯酸鉀分解時是吸熱反應，并且比較難分解。二級、一級點火藥須有足夠的熱量供給鎢系延期藥才能使其穩(wěn)定燃燒，由延期藥燃燒方程[2]：式（1）中：為燃燒速度；為傳熱系數(shù)；T為燃燒溫度；T為藥柱發(fā)火點；D為擴散系數(shù)；1為藥劑比熱；為藥柱密度；T為室溫；0為藥粒半徑?？梢钥闯觯悠谒幦紵俣扰c藥劑燃燒溫度、傳熱系數(shù)、擴散系數(shù)成正比，與藥劑比熱、密度、藥粒半徑成反比。由于點火藥燃燒時產生氣體和凝聚態(tài)產物，特別是在低氣壓敞開式燃燒狀態(tài)下，凝聚態(tài)產物會隨氣體產物流動離開鎢系延期藥燃燒界面，此時延期藥燃燒界面的熱量會下降，點火藥藥柱燃燒后產物密度也會增加，延期藥的燃燒速度就會降低，導致延期精度下降，甚至瞎火。并且，延期藥中高氯酸鉀的分解為吸熱反應，如果延期藥因初始點火熱量不足導致燃燒過程中放出的熱量不足，同樣也會導致延期藥燃燒速度降低，延期精度下降，甚至瞎火。由此對二級點火藥設計要求為：（1）凝聚態(tài)產物多、密度大，氣體產物少；（2）燃燒溫度高、放出熱量大，火焰感度適度。一級點火藥設計要求為：（1）燃燒產物密度盡量大，即固體產物盡量多、氣體產物盡量少；（2）燃燒溫度高，足以點燃二級點火藥，火焰感度適度。2.1二級點火藥設計為初步確定二級點火藥的配方設計，根據(jù)上述分析，對硅粉、四氧化三鉛點火藥和硅粉、四氧化三鉛、硫化銻兩種常用點火藥，采用俄羅斯REAL維里狀態(tài)方程進行了不同壓力下產物熱力學計算。2.1.1硅粉、四氧化三鉛點火藥計算中假設點火藥在常壓0.1MPa、低氣壓0.01MPa環(huán)境下進行絕熱燃燒，焓變=0。通過數(shù)據(jù)庫檢索Si為穩(wěn)定單質，標準摩爾生成焓為0kJ/kg，Pb3O4的標準摩爾生成焓為-1069.9kJ/kg。計算藥劑在不同配比、不同壓力下的燃燒產物成分、燃燒溫度，如表1及圖3所示。計算結果表明，在1690K時Si(c)發(fā)生了相變，由凝聚態(tài)變?yōu)榱藲鈶B(tài)。由表1可以看出，壓力環(huán)境對凝聚態(tài)產物和燃燒溫度都有較大影響。常溫常壓下，硅粉含量由15%增加到30%時，凝聚態(tài)產物由35.9%增加到100%，燃燒溫度由2020K下降到1745K。而在常溫低氣壓（0.01MPa）下，硅粉含量由15%增加到50%時，凝聚態(tài)產物才由22.9%增加到100%，燃燒溫度由1765K下降1625K。因此，選用配比為Si:Pb3O4=50∶50點火藥作為二級點火藥更為合理，但該配比點火藥的火焰感度較低、很難點燃。經(jīng)綜合分析和系統(tǒng)火焰感度試驗，初步確定凝聚態(tài)產物多、密度大，氣體產物少、燃燒溫度高、火焰感度適度的Si:Pb3O4=40∶60點火藥作為二級點火藥。該點火藥在常溫低氣壓下凝聚態(tài)產物73.9%，燃燒溫度為1662K。圖3Si/Pb3O4燃燒溫度在不同環(huán)境壓力下隨配比的變化趨勢圖表1Si/Pb3O4不同配比不同壓力下燃燒產物占比計算結果Tab.1BurningproductionproportionatdifferentSi/Pb3O4ratiounderdifferentpressure2.1.2硅粉、四氧化三鉛、硫化銻點火藥計算中假設點火藥在常壓0.1MPa、低氣壓0.01MPa環(huán)境下進行絕熱燃燒，焓變=0。通過數(shù)據(jù)庫檢索Si為穩(wěn)定單質，標準摩爾生成焓為0kJ/kg，Pb3O4的標準摩爾生成焓為-1069.9kJ/kg，Sb2S3的標準摩爾生成焓為-433.6kJ/kg。計算藥劑在不同壓力下的燃燒產物成分、燃燒溫度，見表2。計算結果在1690K時Si(c)發(fā)生相變、由凝聚態(tài)變?yōu)榱藲鈶B(tài)。表2Si/Pb3O4/Sb2S3在不同壓力下燃燒產物占比計算結果Tab.2BurningproductionproportionofSi/Pb3O4/Sb2S3underdifferentpressure表2計算結果表明，常溫低氣壓下Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1點火藥的凝聚態(tài)產物、燃燒溫度比Si/Pb3O4（40/60）的低。分析認為Si:Pb3O4=40∶60點火藥更適合作為二級點火藥。2.2一級點火藥設計根據(jù)一級點火藥應滿足良好的火焰感度、凝聚態(tài)產物多、燃燒溫度高等設計要求，初步選用常用的Si/Pb3O4配方體系作為一級點火藥組分，并考慮該點火藥由火焰感度高的配比甲和凝聚態(tài)產物多的配比乙組成，其Si含量接近二級點火藥量Si的含量。通過對Si/Pb3O4不同配比不同壓力下產物熱力學參數(shù)的分析和二級點火藥的設計分析，配比甲確定為為Si:Pb3O4=20∶80；配比乙確定為Si:Pb3O4=40∶60。為使Si含量接近二級點火藥量Si的含量，甲乙比例確定為甲∶乙=1∶5，按此配比Si的含量為36.6%。3試驗與分析3.1不同點火藥對作用可靠性的影響為驗證點火藥凝聚態(tài)產物含量、燃燒溫度對作用可靠性的影響，進行了2組不同點火藥裝藥的對比試驗。試驗1主要裝配條件為：二級點火藥Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1，一級點火藥Si:Pb3O4=20∶80，加強帽長度5mm，試驗結果見表3。結果表明，Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4點火藥裝藥組合在低溫、低氣壓試驗時出現(xiàn)1發(fā)瞎火，作用可靠性較低。表3Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4點火藥作用結果Tab.3FunctionresultsofSi/Pb3O4/Sb2S3andSi/Pb3O4compounds試驗2主要裝配條件：二級點火藥組分，Si:Pb3O4=40∶60；一級點火藥甲∶乙=1∶5，甲乙組合點火藥甲配比為Si:Pb3O4=20∶80，乙配比為Si:Pb3O4=40∶60，上述裝藥組合構成新組合點火藥。5mm加強帽長度。試驗結果見表4。表4Si/Pb3O4新組合點火藥作用Tab.4FunctionresultofSi/Pb3O4compoundswithnewratio表4試驗結果表明點火具均可靠作用，但延期精度較低。試驗1和試驗2結果表明，試驗1點火藥裝藥組合作用可靠性較低，試驗2點火藥裝藥組合作用可靠性較高，但延期精度較低。試驗2組合裝藥的特點是凝聚態(tài)產物、燃燒溫度均較高。試驗結果也進一步驗證了點火藥的凝聚態(tài)產物含量、燃燒溫度對作用可靠性、延期精度影響較大。3.2點火藥凝聚態(tài)產物流動對延期精度的影響對試驗2發(fā)火后產品進行觀測，發(fā)現(xiàn)延期時間長（如30.9s）的產品其加強帽內無藥劑殘渣，延期時間穩(wěn)定（如22.5s）的產品其加強帽內及口部有殘渣。分析認為，點火瞬間一級點火藥出現(xiàn)兩種狀態(tài)：一種是點火藥凝聚態(tài)產物瞬間在低氣壓下產生固體流動，一種是點火藥凝聚態(tài)產物在低氣壓下基本沒有產生固體流動。前一種狀態(tài)下點火藥對下級相鄰藥劑只是瞬間點火，持續(xù)時間不足，點火藥的燃燒熱量沒有充分傳導給下一級相鄰藥劑，燃燒熱量傳導不穩(wěn)定，因此，出現(xiàn)長秒問題。而后一種狀態(tài)下，點火藥對下級相鄰藥劑能夠持續(xù)點火，點火藥的燃燒熱量能夠充分傳導給下一級，燃燒熱量傳導穩(wěn)定，因此，延期時間能夠穩(wěn)定。針對產品作用后加強帽內有藥劑殘渣和無藥劑殘渣現(xiàn)象，分析認為是加強帽內藥劑壓強較低。因而對上述點火藥進行了藥高測量，結果100mg點火藥、150MPa壓強，藥高均在1.5mm左右。將200mg點火藥裝在長度為5mm的加強帽內進行壓合，加強帽內藥劑所受壓強一是不穩(wěn)定，二是壓強不足。為使點火藥壓強均勻、提高延期精度，進行了試驗3。主要措施是將加強帽長度由5mm下調至1.8mm，其余裝配條件同試驗2，結果見表5。表5加強帽長度對延期精度的影響Tab.5Effectofreinforcementpluglengthondelaytimeaccuracy表5結果表明，加強帽高度由5mm下調至1.8mm后延期精度有所提高。在-55℃、2h，0.01MPa下環(huán)境下，極差由10s減小到6.3s，-55℃、2h，常壓下極差也由1.6s減小到0.4s。加強帽長度縮短后延期精度有所提高，但極差仍然很大。觀察秒量較長產品，其加強帽內凝聚態(tài)產物仍然較少。為進一步提高延期精度，減少點火藥凝聚態(tài)產物的固態(tài)流動，進行了試驗4。主要措施是在加強帽內加裝了40目金屬網(wǎng)，為防止加強帽位移，在加強帽部位加裝了反扣帽，試驗結果見表6。表6金屬網(wǎng)反扣帽對延期精度的影響Tab.6Effectofreversedmetalnetapplicationondelaytimeaccuracy表6結果表明，在延期體加強帽內加裝40目金屬網(wǎng)和反扣帽后，延期精度得到提高。在低溫、低氣壓下極差由6.3s減小到2.7s，標準差由2.09s降低至0.87s。觀察點火具發(fā)火后點火藥燃燒狀態(tài)，點火藥凝聚態(tài)產物的固體流動得到控制，加強帽內均有凝聚態(tài)產物。4結論通過低氣壓長秒延期點火具的研究，得到結論如下：（1）在藥劑作用過程中，燃燒反應區(qū)熱量傳遞是燃燒速度穩(wěn)定性的基本條件。（2）與常壓下相比，點火藥在低氣壓下燃燒時，其凝聚態(tài)產物含量明顯降低，燃燒溫度降低幅度也較大。（3）點火藥凝聚態(tài)產物的含量占比、凝聚態(tài)產物是否流動，直接影響燃燒反應區(qū)的熱量傳遞和點火具的燃燒速度。點火藥凝聚態(tài)產物含量占比越高、凝聚態(tài)產物基本不流動，熱量傳遞時間越長，燃燒速度越穩(wěn)定。（4）對加強帽采取擋藥和反扣帽定位措施，能有效減少點火藥凝聚態(tài)產物流動，保證溫度、熱量穩(wěn)定傳遞，提高延期精度。[1]張領科,周彥煌,陸欣,陸春義.某底排彈底排裝置工作期間內部流場的數(shù)值模擬[J].含能材料,2010,18(2):217-228.[2]蔡瑞嬌.火工品設計原理[M].北京：北京理工大學出版社，1999.StudyontheDelayIgnitorwithLongDelayTimeunderLowPressureConditionLIUJun-ge1，F(xiàn)UYan-liu1，GUOQiu-ping2，ZHAOBian-ling1，LITong1，ZHANGLiang-liang1(1.LiaoningNorthHuafengSpecialChemistryCop.,Fushun,113003；2.ArmyRepresentOfficeatFushun,Fushun,113003)Aimedatthelowpressureworkingconditionofthedelayignitor,theoveralldesignonthedelayignitorwithunclosedcasingaspectwasstudied.Basedondelaycompositi