某延期管耐高離心、高過載優化設計

劉 敏，李積珍，王科偉，李 寧，付一鳴

某延期管耐高離心、高過載優化設計

劉 敏1，李積珍2，王科偉2，李 寧2，付一鳴2

（1. 陸軍裝備部駐西安地區第一代表室，陜西 西安，710025；2.北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

針對某延期管在高離心、高過載條件下的斷火現象進行了原因分析，并對管殼材料、單向傳火閉氣機構、裝藥直徑等進行優化設計。驗證試驗結果表明：采用設計的單向傳火閉氣機構，裝藥直徑為φ4.8mm時，在240r/s高過載離心條件下延期管能夠滿足延期要求。

延期管；高過載離心；性能；結構設計

隨著武器系統的作用方式不同，延期產品在武器系統中的作用環境越來越苛刻。以往延期產品作用基本是在靜態條件下或是在徑向受較小過載條件下完成其功能，當延期產品軸向（過載方向與傳火方向相反）受到較大過載時，其性能和延期時間均會受到不同程度的影響[1]。影響較大時，會導致延期管斷火。為了使延期產品能夠滿足武器的使用環境，對某延期管在高過載條件下的結構進行了優化設計。

1 延期管試驗環境及條件

延期管裝配在某拋射導彈煙火激活裝置中，裝配結構見圖1。

圖1 延期管在煙火激活裝置中的裝配方式

延期管軸向承受過載加速度大于等于26 000g，發射時徑向承受過載加速度大于等于16 000g，拋射時徑向承受過載加速度大于等于5 000g，延期管安裝在直徑為145mm外圓的子彈體上，轉速在不大于240r/s時可靠工作，轉速在320r/s時延期管結構不允許損壞。延期管試驗條件：經軸向26 000g和徑向16 000g的錘擊試驗后，在轉速為240r/s條件下完成功能試驗。

2 延期管在高過載離心條件下斷火原因分析

延期管裝藥結構見圖2，其延期藥為鎢系延期藥，過渡藥為硅系引火藥，點火藥為硼系點火藥；延期管在靜態條件下均能滿足時間要求和輸出要求，即延期時間為1~5s；延期管在轉速60r/s時延期時間和輸出性能能夠滿足指標要求，在120r/s時延期管斷火。對60r/s條件下作用正常的延期管和120r/s高離心條件下斷火的延期管做工業CT透視，見圖3。

圖2 延期管裝藥結構

圖3 延期管CT透視圖

由圖3可知，在60r/s條件下正常作用的延期管，其過渡藥和點火藥位置均有藥劑燃燒后的殘渣，而在120r/s條件下斷火的延期管在過渡藥和點火藥位置均有較大的空位產生，由此說明空位是導致延期管在120r/s離心條件下斷火的主要原因。而引起空位的原因主要有以下兩點：首先，硼點火藥在反應初期由固態轉變為流體，且這一過程在高轉速狀態發生，高轉速形成的離心力使流體狀的硼點火藥通過傳火孔流向延期管外，從而導致容腔內出現空位，此空位隨著離心力的提高而增大；其次，硼點火藥燃燒后形成殘渣的密度遠大于燃燒前密度，硼點火藥燃燒前密度與壓藥壓力有關，壓力越大其密度越大，但由于硼點火藥為固體顆粒狀，理論上顆粒與顆粒之間存在間隙；硼點火藥燃燒過程中發生固體-流體-固體的變化，這種變化使燃燒前顆粒之間的空隙排除，增加了燃燒產物的密度，從而在裝藥容腔中形成空位。對60r/s條件下正常作用的延期管進行解剖，見圖4，發現在內管壁（管殼材料為黃銅）留有沒有燃燒的延期藥和過渡藥，且占總裝藥面積的30%，這使設計上延期藥的長徑比改變，藥劑燃燒面積的減少使反應放出的能量更少，當離心過載增大，延期管會出現斷火現象。

圖4 藥劑在銅管殼中燃燒效果

為解決延期管的斷火問題，對出現在內管壁沒燃燒藥劑的問題做了進一步分析，其主要原因是高速運動條件下管殼散熱引起的。延期管管殼材料為黃銅棒，散熱系數為109W·m-1·K-1；理論上延期管在作用過程中點火藥首先燃燒，其產生的熱量首先通過管殼對過渡藥進行預熱，延期藥燃燒時反應區的能量主要是通過熱傳導、熱輻射及燃燒氣體產物的擴散作用傳入未燃藥劑，藥劑的導熱系數遠低于金屬材料。因此，靜態條件下作用的延期管的金屬管壁會在藥劑傳遞的熱量達到未燃藥劑之前把熱量傳遞給未燃藥劑，從而通過管壁對未反應的藥劑進行預先加熱，進而縮短了藥劑從低溫升高到反應溫度所需的時間，且使未反應藥劑處于高溫狀態，因而加快了反應的進行。但延期管在高離心條件下作用時相對空氣高速運動，空氣的高速流動使延期管管殼溫度急劇下降，且管殼在空氣中釋放的熱量遠大于管殼對藥劑傳遞的熱量，使靠近內管壁的藥劑溫度達不到其反應溫度，從而在延期管內管壁出現沒有燃燒的藥劑。

3 產品的優化設計

依據總體規定的技術指標要求（外形結構及尺寸）對點火管進行了設計，前期采用傳統裝藥結構及傳火方式，延期藥高為5mm，管殼材料采用銅和不銹鋼，經試驗驗證，延期管在靜態條件下均能滿足性能要求，但在離心過載條件下出現大量的斷火現象。說明傳統的結構設計不能滿足高過載條件下延期管的性能要求。為滿足指標要求，對延期管在高過載條件下的受力進行了分析，見圖5，并借鑒前期試驗經驗和結果對延期管進行了優化設計，主要從材料選擇、裝藥直徑確定、點傳火方式的設計以及壓藥密度等4個方面進行設計。

圖5 延期管離心條件下受力圖

3.1 管殼材料

對銅和不銹鋼管殼在60r/s高離心過載條件下進行性能試驗對比（黃銅導熱系數：109W·m-1·K-1，不銹鋼導熱系數：49.8W·m-1·K-1），不銹鋼作為延期管管殼時，延期藥燃速穩定。對試驗后的延期管進行解剖，見圖6。

圖6 藥劑在不銹鋼管殼中燃燒效果

經解剖發現管殼內壁有少許殘渣，為完全燃燒后的產物，不影響藥劑后續燃燒。對比圖4、圖6可知選用不銹鋼作為殼體材料時，熱損失相對較小，有利于延期藥充分燃燒，同時選用不銹鋼還可以更好地承受延期管內部藥劑燃燒產生的內壓。

3.2 裝藥直徑

高離心過載條件下裝藥直徑對延期管的性能有直接的影響，當裝藥直徑小時，高過載離心作用下形成的空氣流動導致管殼的熱損失加快，進而使靠近管壁的藥劑無法燃燒，導致延期管斷火。當轉速為60r/s、管殼裝藥直徑為φ3mm時，斷火延期管藥劑燃燒情況如圖7所示。

由圖7可知在離心速度為60r/s、裝藥直徑為φ3mm時，參與燃燒的延期藥藥高約在2.5～3.0mm，即在上述條件下延期管可靠作用時其內部延期藥藥高必須小于2.5mm。由此對部分不同裝藥直徑的延期管所能滿足的最大轉速進行了試驗，試驗結果見表1。

圖7 裝藥直徑φ3mm時作用效果圖

表1 離心過載條件下對應的裝藥直徑

Tab.1 The corresponding charge diameter under high centrifugal overload

3.3 傳火方式及閉氣機構

由于受高過載離心的影響，延期管點、傳火方式不能參照普通延期類產品進行設計，延期管必須設計為單向傳火，且點火藥被點燃后還要形成單向閉氣機構，能夠阻擋藥劑燃燒時形成的高溫殘渣向后移動（離心過載產生的離心力與延期管的能量傳遞方向相反）。為使延期管正常作用，其內部設計了由支撐環、傳火墊片、加強帽和火焰感度高的點火藥組合形成的單向傳火、閉氣結構，見圖8。

圖8 單向傳火、閉氣結構示意圖

單向傳火、閉氣機構作用原理：延期管受上級針刺火帽輸出的火焰后，火焰先通過三孔支撐環點燃高感度點火藥，點火藥燃燒的火焰在經過傳火墊片的傳火孔和加強帽底部的傳火孔后點燃加強帽中的小威力點火藥，進而點燃過渡藥和延期藥，形成單向傳火機構；同時在高過載離心力作用下傳火墊片向后移動，使支撐環的3個孔完全覆蓋，而小威力點火藥燃燒后形成的殘渣流入傳火墊片和加強帽的傳火孔，最終組成單向閉氣機構。

3.4 壓藥密度

在高過載離心條件下，提高延期管藥劑（延期藥分別為鎢系延期藥、硼系延期藥和硅系引燃藥）的壓藥密度有利于能量傳遞，延期藥密度增加時，藥劑的空隙度將減小，對應延期藥的燃速將下降。當密度達到一定值時藥劑間的空隙度很小，此時具有平行層燃燒的性質，燃速區域穩定，延期精度也很高[2]。

4 試驗驗證

驗證試驗選擇延期管裝藥直徑為φ3.0mm和φ4.8mm，延期藥為鎢系延期藥和硼系延期藥，過渡藥選用硅系引燃藥，點火藥選用瀝青鈍化三硝基間苯二酚鉛，壓藥壓力為210MPa，對應的延期藥藥高約為2mm、5mm，點、傳火方式采用上述單向傳火、閉氣機構。確定裝配參數后進行了高過載離心試驗，試驗結果見表2~3。

表2 裝藥直徑為φ3 mm高離心過載下延期管試驗結果

Tab.2 The test results of the delay element with 3mm charge diameter under high centrifugal overload

表3 裝藥直徑為φ4.8mm高離心過載下延期管試驗結果

Tab.3 The test results of the delay element with 4.8mm charge diameter under high centrifugal overload

分析表2~3試驗結果，可知采用設計的單向傳火、閉氣機構，裝藥直徑為φ4.8mm時，在240r/s的高過載條件下，延期管未出現斷火現象，延期時間滿足設計要求。

5 結論

針對某延期管在高離心過載下出現斷火現象，分析其原因并進行結構優化設計，得到以下結論：（1）高離心過載下，能量損失過大是導致延期管斷火的主要原因；（2）高離心過載條件下傳統延期產品的設計不能滿足要求，通過對管殼材料、裝藥直徑、傳火方式及閉氣機構，以及壓藥密度進行優化設計，可以解決點火具性能不穩定的問題；（3）采用設計的單向傳火、閉氣機構，當裝藥直徑為φ4.8mm時，在240r/s以內的高離心過載條件下，延期管均能可靠作用。

[1] 吳艷霞,沈瑞琪,葉迎華.高加速度過載對硼延期藥延期性能的影響 [J].火工品,2005(03):20-23.

[2] 王凱民,張學舜.火工品工程設計與試驗[M].北京:國防工業出版社,2010.

[3] 蔡吉生,沈瑞琪,葉迎華. 延期體抗高加速度過載的結構加固性能研究[J].火工品, 2007(2):53-55.

The Optimum Design of High Centrifugal Overload Resistance for Some Delay Element

LIU Min1，LI Ji-zhen2，WANG Ke-wei2，LI Ning2，FU Yi-ming2

(1.The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an, Xi’an, 710025；2. Xi’an Qinghua Company, North Special Energy Group Co.Ltd., Xi’an, 710025)

The causes of the fire failure of some delay element in high centrifugal and high overload conditions were analyzed, and optimum designs on shell material, unidirection flame propagation obturator and charge diameter were carried out. The verification test results show that by use of the designed unidirection flame propagation obturator, as the charge diameter of φ4.8mm, the delay tube can meet the delay requirement under high centrifugal overload condition of 240r/s.

Delay element；High centrifugal overload；Performance；Structure design

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.005

1003-1480（2020）01-0018-04

2019-11-20

劉敏（1985 -），男，工程師，主要從事火工品質量控制工作。