低气压长秒延期点火具研究

低气压长秒延期点火具研究

刘君阁，付艳柳,郭秋萍，赵变玲，李彤，张亮亮低气压长秒延期点火具研究刘君阁1，付艳柳1,郭秋萍2，赵变玲1，李彤1，张亮亮1（1.辽宁北方华丰特种化工有限公司，辽宁抚顺，113003；2.陆军驻抚顺地区代表室，辽宁抚顺，113003）针对延期点火具的低气压工作环境，探讨并论证了敞开式延期点火具的总体设计。基于延期药燃烧方程，进行了多层递进点燃式的延期点火具结构设计，分析得到各级点火药、延期药的设计要求；经大量药剂配比试验得出点火药凝聚态产物含量占比、凝聚态产物是否流动是其工作稳定的关键因素。本研究对低气压长秒延期点火具设计具有理论指导意义。延期点火具；低气压；点火药；精度底排火箭复合增程弹是一种地面远程多节复合增程炮弹，在炮弹发射途中由延期点火具控制火箭发动机增程动作的时机与动能，达到增程目的。延期点火具通常装配在增程炮弹弹底，因此其工作环境主要为炮弹发射过载、高速自转以及高速飞行所引发的弹尾低气压，而这正是影响延期点火具的延期精度和作用可靠性的主要因素。为避免弹尾低气压对延期精度的影响，延期点火具的总体设计通常采用密闭式，既用炮弹发射时的膛压或火焰作为初始能量作用于撞击或隔板部件上使延期点火具工作。为探讨低气压对延期点火具的影响，项目组开展了敞开式延期点火具的设计与研究，力图开拓新的科研路线与设计完善。1低气压工作环境下的延期点火具结构设计南京理工大学的张领科数值模拟了155底排弹喷口截面处燃气压力随时间变化情况[1]，见图1。从图1可以看出，155底排弹喷口截面处燃气压力在炮弹发射瞬间略有增加，之后逐渐下降，第10s时压力由发射前的0.1MPa下降到约0.05MPa，第20s时压力下降到约0.025MPa，第24s时压力下降到约0.02MPa。可见，底排减阻效果随时间逐渐减弱。图1喷口截面处燃气压力随时间变化情况延期点火具结构设计的技术路线是敞开式燃烧。针对155底排弹发射过载高、膛压高等特点，结构设计时主要考虑：（1）炮弹发射时点火具装药结构不能损坏，应可靠作用、不允许瞬发；（2）炮弹发射时延期点火具主要由厚壁装药壳体、药剂和加强帽组成，如图2所示。输出端装药为锆系点火药，延期药为钨系延期药，二级点火药和一级点火药均为硅系点火药，组分、配比不同。其作用原理是炮弹发射时的火焰和压力作用于点火部件，此时一级点火药开始燃烧并点燃二级点火药，二级点火药再点燃钨系延期药，经过一定时间后锆系点火药燃烧并输出火焰。图2延期点火具示意图2装药设计在低气压长秒延期点火具装药设计中，主要考虑秒量精度和瞎火问题。对于长秒延期点火具，点火药点燃延期药的点火能力、点火持续时间、固体残量、点火温度等参数，直接影响点火具的秒量精度和作用可靠性。根据秒量要求，设计的长秒延期点火具采用钨系延期药，钨系延期药主要由钨粉、铬酸钡、高氯酸钾和粘合剂组成。该组分中的高氯酸钾分解时是吸热反应，并且比较难分解。二级、一级点火药须有足够的热量供给钨系延期药才能使其稳定燃烧，由延期药燃烧方程[2]：式（1）中：为燃烧速度；为传热系数；T为燃烧温度；T为药柱发火点；D为扩散系数；1为药剂比热；为药柱密度；T为室温；0为药粒半径。可以看出，延期药燃烧速度与药剂燃烧温度、传热系数、扩散系数成正比，与药剂比热、密度、药粒半径成反比。由于点火药燃烧时产生气体和凝聚态产物，特别是在低气压敞开式燃烧状态下，凝聚态产物会随气体产物流动离开钨系延期药燃烧界面，此时延期药燃烧界面的热量会下降，点火药药柱燃烧后产物密度也会增加，延期药的燃烧速度就会降低，导致延期精度下降，甚至瞎火。并且，延期药中高氯酸钾的分解为吸热反应，如果延期药因初始点火热量不足导致燃烧过程中放出的热量不足，同样也会导致延期药燃烧速度降低，延期精度下降，甚至瞎火。由此对二级点火药设计要求为：（1）凝聚态产物多、密度大，气体产物少；（2）燃烧温度高、放出热量大，火焰感度适度。一级点火药设计要求为：（1）燃烧产物密度尽量大，即固体产物尽量多、气体产物尽量少；（2）燃烧温度高，足以点燃二级点火药，火焰感度适度。2.1二级点火药设计为初步确定二级点火药的配方设计，根据上述分析，对硅粉、四氧化三铅点火药和硅粉、四氧化三铅、硫化锑两种常用点火药，采用俄罗斯REAL维里状态方程进行了不同压力下产物热力学计算。2.1.1硅粉、四氧化三铅点火药计算中假设点火药在常压0.1MPa、低气压0.01MPa环境下进行绝热燃烧，焓变=0。通过数据库检索Si为稳定单质，标准摩尔生成焓为0kJ/kg，Pb3O4的标准摩尔生成焓为-1069.9kJ/kg。计算药剂在不同配比、不同压力下的燃烧产物成分、燃烧温度，如表1及图3所示。计算结果表明，在1690K时Si(c)发生了相变，由凝聚态变为了气态。由表1可以看出，压力环境对凝聚态产物和燃烧温度都有较大影响。常温常压下，硅粉含量由15%增加到30%时，凝聚态产物由35.9%增加到100%，燃烧温度由2020K下降到1745K。而在常温低气压（0.01MPa）下，硅粉含量由15%增加到50%时，凝聚态产物才由22.9%增加到100%，燃烧温度由1765K下降1625K。因此，选用配比为Si:Pb3O4=50∶50点火药作为二级点火药更为合理，但该配比点火药的火焰感度较低、很难点燃。经综合分析和系统火焰感度试验，初步确定凝聚态产物多、密度大，气体产物少、燃烧温度高、火焰感度适度的Si:Pb3O4=40∶60点火药作为二级点火药。该点火药在常温低气压下凝聚态产物73.9%，燃烧温度为1662K。图3Si/Pb3O4燃烧温度在不同环境压力下随配比的变化趋势图表1Si/Pb3O4不同配比不同压力下燃烧产物占比计算结果Tab.1BurningproductionproportionatdifferentSi/Pb3O4ratiounderdifferentpressure2.1.2硅粉、四氧化三铅、硫化锑点火药计算中假设点火药在常压0.1MPa、低气压0.01MPa环境下进行绝热燃烧，焓变=0。通过数据库检索Si为稳定单质，标准摩尔生成焓为0kJ/kg，Pb3O4的标准摩尔生成焓为-1069.9kJ/kg，Sb2S3的标准摩尔生成焓为-433.6kJ/kg。计算药剂在不同压力下的燃烧产物成分、燃烧温度，见表2。计算结果在1690K时Si(c)发生相变、由凝聚态变为了气态。表2Si/Pb3O4/Sb2S3在不同压力下燃烧产物占比计算结果Tab.2BurningproductionproportionofSi/Pb3O4/Sb2S3underdifferentpressure表2计算结果表明，常温低气压下Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1点火药的凝聚态产物、燃烧温度比Si/Pb3O4（40/60）的低。分析认为Si:Pb3O4=40∶60点火药更适合作为二级点火药。2.2一级点火药设计根据一级点火药应满足良好的火焰感度、凝聚态产物多、燃烧温度高等设计要求，初步选用常用的Si/Pb3O4配方体系作为一级点火药组分，并考虑该点火药由火焰感度高的配比甲和凝聚态产物多的配比乙组成，其Si含量接近二级点火药量Si的含量。通过对Si/Pb3O4不同配比不同压力下产物热力学参数的分析和二级点火药的设计分析，配比甲确定为为Si:Pb3O4=20∶80；配比乙确定为Si:Pb3O4=40∶60。为使Si含量接近二级点火药量Si的含量，甲乙比例确定为甲∶乙=1∶5，按此配比Si的含量为36.6%。3试验与分析3.1不同点火药对作用可靠性的影响为验证点火药凝聚态产物含量、燃烧温度对作用可靠性的影响，进行了2组不同点火药装药的对比试验。试验1主要装配条件为：二级点火药Pb3O4:Si:Sb2S3=66.5∶13.4∶20.1，一级点火药Si:Pb3O4=20∶80，加强帽长度5mm，试验结果见表3。结果表明，Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4点火药装药组合在低温、低气压试验时出现1发瞎火，作用可靠性较低。表3Si/Pb3O4/Sb2S3和Si/Pb3O4点火药作用结果Tab.3FunctionresultsofSi/Pb3O4/Sb2S3andSi/Pb3O4compounds试验2主要装配条件：二级点火药组分，Si:Pb3O4=40∶60；一级点火药甲∶乙=1∶5，甲乙组合点火药甲配比为Si:Pb3O4=20∶80，乙配比为Si:Pb3O4=40∶60，上述装药组合构成新组合点火药。5mm加强帽长度。试验结果见表4。表4Si/Pb3O4新组合点火药作用Tab.4FunctionresultofSi/Pb3O4compoundswithnewratio表4试验结果表明点火具均可靠作用，但延期精度较低。试验1和试验2结果表明，试验1点火药装药组合作用可靠性较低，试验2点火药装药组合作用可靠性较高，但延期精度较低。试验2组合装药的特点是凝聚态产物、燃烧温度均较高。试验结果也进一步验证了点火药的凝聚态产物含量、燃烧温度对作用可靠性、延期精度影响较大。3.2点火药凝聚态产物流动对延期精度的影响对试验2发火后产品进行观测，发现延期时间长（如30.9s）的产品其加强帽内无药剂残渣，延期时间稳定（如22.5s）的产品其加强帽内及口部有残渣。分析认为，点火瞬间一级点火药出现两种状态：一种是点火药凝聚态产物瞬间在低气压下产生固体流动，一种是点火药凝聚态产物在低气压下基本没有产生固体流动。前一种状态下点火药对下级相邻药剂只是瞬间点火，持续时间不足，点火药的燃烧热量没有充分传导给下一级相邻药剂，燃烧热量传导不稳定，因此，出现长秒问题。而后一种状态下，点火药对下级相邻药剂能够持续点火，点火药的燃烧热量能够充分传导给下一级，燃烧热量传导稳定，因此，延期时间能够稳定。针对产品作用后加强帽内有药剂残渣和无药剂残渣现象，分析认为是加强帽内药剂压强较低。因而对上述点火药进行了药高测量，结果100mg点火药、150MPa压强，药高均在1.5mm左右。将200mg点火药装在长度为5mm的加强帽内进行压合，加强帽内药剂所受压强一是不稳定，二是压强不足。为使点火药压强均匀、提高延期精度，进行了试验3。主要措施是将加强帽长度由5mm下调至1.8mm，其余装配条件同试验2，结果见表5。表5加强帽长度对延期精度的影响Tab.5Effectofreinforcementpluglengthondelaytimeaccuracy表5结果表明，加强帽高度由5mm下调至1.8mm后延期精度有所提高。在-55℃、2h，0.01MPa下环境下，极差由10s减小到6.3s，-55℃、2h，常压下极差也由1.6s减小到0.4s。加强帽长度缩短后延期精度有所提高，但极差仍然很大。观察秒量较长产品，其加强帽内凝聚态产物仍然较少。为进一步提高延期精度，减少点火药凝聚态产物的固态流动，进行了试验4。主要措施是在加强帽内加装了40目金属网，为防止加强帽位移，在加强帽部位加装了反扣帽，试验结果见表6。表6金属网反扣帽对延期精度的影响Tab.6Effectofreversedmetalnetapplicationondelaytimeaccuracy表6结果表明，在延期体加强帽内加装40目金属网和反扣帽后，延期精度得到提高。在低温、低气压下极差由6.3s减小到2.7s，标准差由2.09s降低至0.87s。观察点火具发火后点火药燃烧状态，点火药凝聚态产物的固体流动得到控制，加强帽内均有凝聚态产物。4结论通过低气压长秒延期点火具的研究，得到结论如下：（1）在药剂作用过程中，燃烧反应区热量传递是燃烧速度稳定性的基本条件。（2）与常压下相比，点火药在低气压下燃烧时，其凝聚态产物含量明显降低，燃烧温度降低幅度也较大。（3）点火药凝聚态产物的含量占比、凝聚态产物是否流动，直接影响燃烧反应区的热量传递和点火具的燃烧速度。点火药凝聚态产物含量占比越高、凝聚态产物基本不流动，热量传递时间越长，燃烧速度越稳定。（4）对加强帽采取挡药和反扣帽定位措施，能有效减少点火药凝聚态产物流动，保证温度、热量稳定传递，提高延期精度。[1]张领科,周彦煌,陆欣,陆春义.某底排弹底排装置工作期间内部流场的数值模拟[J].含能材料,2010,18(2):217-228.[2]蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京：北京理工大学出版社，1999.StudyontheDelayIgnitorwithLongDelayTimeunderLowPressureConditionLIUJun-ge1，FUYan-liu1，GUOQiu-ping2，ZHAOBian-ling1，LITong1，ZHANGLiang-liang1(1.LiaoningNorthHuafengSpecialChemistryCop.,Fushun,113003；2.ArmyRepresentOfficeatFushun,Fushun,113003)Aimedatthelowpressureworkingconditionofthedelayignitor,theoveralldesignonthedelayignitorwithunclosedcasingaspectwasstudied.Basedondelaycompositi