某型延时起爆装置延期时间影响因素的研究.pdf
第4 9 卷第4 期 2 0 2 0 年8 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 .4 9N o .4 A u g .2 0 2 0 d o l 1 0 .3 9 6 9 /j .i s m .1 0 0 1 - 8 3 5 2 .2 0 2 0 ..0 0 6 某型延时起爆装置延期时间影响因素的研究素 时家俊 安徽红星机电科技股份有限公司 安徽合肥,2 3 0 0 1 2 [ 摘要]为实现某型延时起爆装置预定的延期时间,选用点火药H /硝酸钾作为毫秒级延期药,通过对延期药原 材料及装药结构的分析.尽可能地控制延期时间精度。主要针对延期药的原材料、装药密度、壳体材料、装药结构 以及装药条件等对延期时间影响的机理及试验对比进行分析。经研究发现,延期药的延期时间和延期精度受诸多 因素影响,一般来说药剂粒度适中且颗粒均匀,或提高装药压力,延期时间精度较高。其他因素 如装药壳体、装药 结构、环境条件等 在不同程度上对延期时间精度也有影响,减少这些因素的影响对提高延期时间精度是十分必要 的。 [ 关键词] 硼/硝酸钾点火药;延期药;延期时间;延期精度 [ 分类号] T J 4 5 5 S t u d yo nD e l a yT i m ea saK e yI n f l u e n c i n gF a c t o r f o raD e l a yD e t o n a t i n gD e v i c e S H IJ i a j u n A n h u iH o n g x i n gE l e c t r o m e c h a n i c a lT e c h n o l o g yC o .,L i d . A n h u iH e f e i ,2 3 0 0 1 2 [ A B S T R A C T ] A sam i l l i s e c o n dd e l a y a g e n tB /K N 0 3i g n i t i n gp o w d e rw a ss e l e c t e d ∞t h em i l i t a r ya l l o w a b l ei g n i t i o n a g e n tt oa c h i e v et h ed e l a yt i m ef o rad e l a y e dd e t o n a t i o nd e v i c e .T h ed e l a yt i m ea c c u r a c yw a sc o n t r o U e da sm u c h 够p o s s i b l e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e l a ym a t e r i a la n dc h a r g i n gs t r u c t u r e .R a wd e l a ym a t e r i a l s ,c h a r g ed e n s i t y ,s h e Um a t e r i a l , c h a r g es t r u c t u r e ,c h a r g ec o n d i t i o n sa n do t h e ri n f l u e n c i n gf a c t o r s ,a n dt h em e t h o do ft e s tc o m p a r i s o nw e r ea n a l y z e d .I ti s f o u n dt h a tt h ed e l a yt i m ea n di t sp r e c i s i o na r ea f f e c t e db ym a n yf a c t o r s .I ng e n e r a l ,t h ed e l a yt i m ea c c u r a c yi sh i g h e rw h e n t h ep a r t i c l es i z eo ft h ei g n i t i n gp o w d e ri sm o d e r a t ea n de v e n ,o rt h ec h a r g i n gp r e s s u r ei si n c r e a s e d .O t h e rf a c t o r s ,s u c ha s c h a r g i n gs h e l l ,c h a r g i n gs t r u c t u r e ,a n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ,w o u l dm a k es o m ec o n t r i b u t i o nt oa c c u r a c y .T h e r e f o r e ,i t i sn e c e s s a r yt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h e s ef a c t o r si ni m p r o v i n gt h ed e l a yt i m ea c c u r a c y . [ K E Y W O R D S ] B /K N 0 3i g n i t i n gp o w d e r ;d e l a yc o m p o s i t i o n ;d e l a yt i m e ;d e l a ya c c u r a c y 引言 延期类火工品通常用于武器系统中.以保证在 点火一定时间后准确完成分离或爆炸。现在使用的 延期类火工品可以采用电子线路 电子延时 或者 装填延期药 药剂式延时 来实现。清华大学将碳 纳米管作为改性添加物进行延时。研究有了新的突 破。不过目前技术最成熟、应用最广泛的还是药剂 式延时。 虽然延期药的延期时间不如电子延时准确。但 是其结构简单,经济性较好。特别适用于大量非电激 发类火工品。从具体应用角度分类。延期药在时间 上可分为毫秒级延期药 短延期药 、秒级延期药 长延期药 两类;从燃烧时是否有气体产生方面分 类,可分为有气体、微气体和无气体延期药。通常将 黑火药称为有气体延期药,而将以金属为主要可燃 物的延期药称为无气体或微气体延期药[ 1 1 从输入 种类角度,可分为针刺延期火工品、撞击延期火工 品、电延期火工品以及火焰延期体等;从火工药剂种 类角度,可分为硼系延期药[ 2 引、硅系延期药[ 4 割、钨 系延期药[ 9 d 3 】等。 我国目前在大力研究的弹药类产品很多需要安 装一些延期精度高、机械性能强的延期元件。在要 豢收稿日期2 0 2 0 - 0 1 .1 6 第一作者时家俊 1 9 8 1 一 ,男,硕士研究生,主要从事弹药装置技术应用研究。E - m a i l 4 5 1 9 1 0 5 5 2 q q .c o m 万方数据 3 4 爆破器材 第4 9 卷第4 期 求延期元件长储性能好、延期精度高的同时,还须具 有耐高过载的能力。但是,国内延期药研发以及应 用中面对着两个主要问题第一是延期时间精度不 高,第二是长储性能差。其中,硼系延期药主要作为 毫秒级延期药.其延期时效一般为2 5 。7 0 0m s 时 段,而我国毫秒级延期药正好是在这一阶段存在问 题,因此,对采用硼系延期药作为装药的延期装置的 延期时间进行研究是相当必要的。 作为硼系延期药,硼/硝酸钾点火药具有输出能 量高、可靠性高及感度适中等特性。近几年来,使用 该药剂装填的火工品已在多种型号的弹药装备中得 到大量应用。目前,硼/硝酸钾点火药已经过专业机 构相关安全性能检测,毫秒级延期药 如硼铅丹延 期药 摩擦感度较高,其余部分毫秒级延期药暂无 相关安全| 生测试,不作对比。 结合某型延时起爆装置产品的延期时间要求, 选用硼/硝酸钾点火药作为延期药。对硼/硝酸钾点 火药的粒度、装药壳体材料、消爆腔尺寸、延期装药 结构及压药压力等开展延期时间影响因素的研究。 延期时间影响因素的机理 1 .1 原材料的粒度和粉末度 可燃剂硼和氧化剂硝酸钾的粒度大小、粉末含 量会对延期药燃速及精度产生较大影响。原材料粒 度小时,表面积会增加,延期药燃速快,混药均匀性 好,药剂一致性也好。反之,粗粒度成分一致性差, 延期精度差。 延期药造粒后,会存在一定含量的粉末,对延期 精度影响显著。通常来讲,粉末含量低时,延期精度 高;粉末含量高时,流散性会变差,导致装配过程中 药量损失较大。另外,粉末含量高,在压力一定时压 药,就会出现一些缺点,比如延期药柱高度不一、流 散性差、混药不均匀、压药压力传递不好、压药密度 不一致等。延期精度差的主要原因是药柱高度及压 药密度的不一致,较低的粉末含量足以克服这些缺 点,延期精度就会有所提升[ 14 | 。 1 .2 压药压力 压药压力对延期时间的影响具有多重性。压药 压力的变化可改变药剂的导热、热容、孔隙率、反射 率等化学性能。一般情况下,延期药密度增加时,药 剂孔隙度会减小,对应的延期药燃速下降。当延期 药密度高于一定值时,孑L 隙度变化很小,此时具有平 行层燃烧的性质,燃速趋于稳定,延期精度也最高。 所以,通常要求延期药密度要尽可能地提高[ 15 】。在 一定过载条件下,采用小直径直填装药和装压铅延 期索的方式,在一定的装药密度条件下均能实现设 定的延期时间。 1 .3 延期装药壳体材料 延期药的燃烧实际是一个氧化还原过程。伴随 着反应的进行、热量的产生和传递、固体残渣和少量 气体产物的生成,燃烧过程可分成3 个阶段点火、 引燃和燃烧。对正在燃烧的延期药柱,在燃烧面附 近可分为预热区、反应区和燃烧产物区3 个区域。 延期药的预热时间长会对燃烧时间造成波动。 因此。选用导热系数大的金属材料能显著提高延期 装药的燃速。拟选取钢、铝及铜材料进行对比试验。 延期装药不同的壳体材料厚度使延期药燃烧过程中 的吸热能力在一定程度上表现不同。随着厚度增 加。管壁吸收的热量有增加的趋势,对未燃药剂产生 的预热作用变小。延期药燃速降低,延期时间增加。 1 .4 延期装药结构 某型延时起爆装置输入能量为爆轰输入,能量 过大,会损坏延期药装药结构。造成燃烧阵面不稳定 现象,极端条件下可能出现瞎火风险。 通过优化装药结构。在爆轰输入界面和延期装 药界面之间设置衰减装置.降低爆轰输入对延期装 药的破坏,以达到稳定燃烧的目的,并可提高点火一 致性,有利于稳定延期时间。 延期火工品设计中,通常使用异型衰减片,避开 中心部位的偏心小孑L 传火通道.衰减片厚度、传火孔 面积、形状和材料的差异都可能会导致延期时间的 变化。某型延时起爆装置主要设计消爆腔 输人爆 轰阵面与延期装药起始点火界面之间的一段容 腔 。通常情况下,消爆腔的消爆能力与容腔直径 和高度保持一定的联系,主要作用是使输入的爆轰 波在其中衰减,形成带有合适能量及温度的燃烧波 以点燃延期药,增加导爆索喷出的高温产物与延期 药的接触时间和接触面积,提高元件的点火可靠性, 为延期药的燃烧产物提供释放空间,减弱延期药燃 烧的脉冲作用.保证延期药稳定燃烧,最大限度地提 高装置的延期精度[ 16 | 。 2 延期药的制造工艺 原材料硼粉,粒径1 .5t x m ,保定中普拓科技有 限公司;硝酸钾,纯度大于9 9 %,分析纯,天津市恒 光化学试剂制造有限公司;氟橡胶,工业品级,上海 东氟化工科技有限公司。 仪器真空干燥器,常州燕加隆机械设备有限公 万方数据 2 0 2 0 年8 月某型延时起爆装置延期时间影响因素的研究时家俊 3 5 司;不锈钢标准筛网,河南新航巴山航空材料有限 公司。 延期药的制作工艺简要步骤为原材料处理_ 配料_ 湿混_ 药剂烘干斗筛分_ 装盒。 原材料处理硼粉过1 0 0 目筛,取筛下物;硝酸 钾过2 0 0 目筛,取筛下物。 配料 质量分数 硼粉2 0 %~3 0 %、硝酸钾 7 0 %~8 0 %、氟橡胶小于5 % 外加,使用氟橡胶、丙 酮溶液造粒,固、液质量比1 8 。 湿混按一定的配比称取硼粉、硝酸钾放人烧杯 中,加入溶解有氟橡胶的丙酮溶液,采用超声波混合 3h 。 烘干采用真空干燥器烘干。 筛分、装盒延期药分别过4 0 目筛和6 0 目筛, 将筛分后的延期药装人防静电橡胶盒并做好标签。 3 延时起爆装置的延期时间 某型延时起爆装置的延期时间主要由延期体部 件实现.其他次要的影响因素不作叙述。延期体主 要为装压铅延期索结构或直填装药结构,结构示意 图如图1 所示,试验装配如图2 所示。 延期时间主要通过示波仪进行测试读数。测试 原理通过靶线法进行测定,两路靶线均由两根绝缘 漆包线 单根直径0 .2m m 并联后拧花剪齐,一靶 靶线接在导爆索输入端,二靶靶线连接固定在延时 起爆装置输出端 装药为钝黑_ 5 炸药 ,两路分别先 后发火,间隔的发火时间即为延期时间。 3 .1 硼/硝酸钾点火药粒度对延期时间的影响 延期体为装压铅延期索 药芯直径2 .2m m 、高 1 一输入端;2 一延期体;3 一铅延期索;4 一输出端。 图1某型延时起爆装置结构示意图 F i g .1 S t r u c t u r ed i a g r a mo fad e l a yd e t o n a t i n gd e v i c e 1 一一靶靶线;2 8 号雷管;3 一银导爆索; 4 一延时起爆装置;5 一试验工装;6 一钢块;7 一二靶靶线。 图2 某型延时起爆装置试验装配示意图 F i g .2 T e s ta s s e m b l yd i a g r a mo fad e l a yd e t o n a t i n gd e v i c e 3 .5m m 结构.硼/硝酸钾点火药粒度作为单一因素 进行试验,每组各试验1 5 发,结果见表1 。 试验结果表明未经过筛的方案l8 延期时间标 准偏差和极差较大,精度较差;方案2 8 和方案4 8 延 期时间标准偏差和极差水平相当,药剂颗粒度较大 或粒度较细 粉末度比例高 均可能降低燃烧一致 性,不利于延期时间的控制,两种极限分布的药剂经 铅管装药拉制后的铅延期索单位长度装药量测算误 差约1 0 %方案3 ’药剂颗粒度相对均匀,标准偏差 和极差较好,延期时间精度可以满足设计要求。 3 .2 装药壳体对延期时间的影响 装药壳体的材料和厚度对延期时间可能产生一 定的影响,材料导热系数以及厚度的大小能够影响 延期时间的均值和偏差水平。表2 中列出了拟选择 的3 种材料导热系数。 分别进行了4 组试验壳体材料分别为钢 厚 2 .5m m 、铝 厚2 .5m m 、铜 厚2 .5m m 、铜 厚 3 .5m m 。装药直径3 .5m m ,压药采用两装两压, 总药量约5 0m g ,压药压力 6 0 5 M P a ,保压时间 每次不少于5S 。每组试验各做1 5 发,结果见表3 。 试验结果表明装药条件保持不变、壳体厚度6 均为2 .5m m 时,导热系数较低的钢制、铝制延期体 延期时间标准偏差和极差水平相当,精度较低;导热 表1点火药不同粒度时的延期时间 T a b .1 D e l a yt i m eo fi g n i t i o np o w d e rw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l e s i z e 万方数据 3 6 爆破器材 第4 9 卷第4 期 表23 种材料的导热系数 T a b .2T h e r m a lc o n d u c f i v i t ro ft h r e em a t e r i a l s 材料导热系缈 W m ~K 。1 纯铜 纯铝 含碳0 .5 % 质量分数 的钢 3 9 8 2 3 7 5 4 系数高的铜制延期体的对应的延期时间标准偏差和 极差较小,精度较高;铜质材料,壳体厚度6 分别为 2 .5 、3 .5m m 的条件下。6 为2 .5m m 的延期体对应 的延期时间精度略高。 3 .3 消爆腔尺寸对延期时间的影响 在设计延期结构消爆腔时.共进行了4 种方案 的对比试验。每组各做1 5 发,试验结果见表4 。 试验结果表明消爆腔孔径在0 .5 0 .9m m 范 围内,随着孔径减小,腔体体积变小,输入的能量衰 减明显。导致延期装药的点火一致性变差。标准偏差 和极差增加,延期时间精度降低;消爆腔孑L 径0 .9 m m 的条件下,传火通道由6 .0m m 增加到7 .0m m , 消爆腔体积增大。延期时间标准偏差和极差均有所 增加。精度有所降低。 3 .4 延期体装药结构对延期时间的影响 在某型延时起爆装置中。延期时间要求约2 0 0 m s ,延期体尺寸受到整个产品尺寸的限制,最大设 计装药直径约3 .5m m ,装药高度约3 .0m m 。点火 药在一定密度的条件下,燃烧需要一定的时间,因 此,装药结构采用直填装药 直接装压延期药 或装 压延期索 压药冲表面积与延期索外径相当 的方 式实现延期功能。两种结构压药压力相同,均为 6 0 5 M P a 。每组各做1 5 发,结果见表5 。 在某型延时起爆装置其余装配状态相同的条件 下。直填装药结构在经过2 3 齿 2 90 0 0g 锤击条件 后,药面容易掉药,延期时间偏差和极差较大,药剂 内部发生断层的现象,存在瞎火的风险;装压延期索 结构延期时间标准偏差和极差偏小。在相同的压力 及试验条件下,方案可以满足设计要求。 3 .5 压药压力对延期时间的影响 压药压力对延期时间的大小和精度有直接的影 响。增加压药压力,可以提高延期时间的均值水平; 压药压力偏小时。延期时间受环境力的改变,延期时 间的精度偏低压药压力的提高从一定程度上可以 提高延期时间的精度。随着压药压力的逐步提高, 延期时间趋于稳定。表6 为不同压药压力条件下, 直填装药和装压延期索两种方案的延期时间。 试验结果表明两种延期装药结构在4 0 M P a 压力时。延期时间标准偏差和极差较大,精度偏低; 表3 不同装药壳体条件下的延期时间 T a b .3 D e l a yt i m e sw i t hd i f f e r e n tc h a r g es h e l l s m 8 装药结构标准偏差平均值最大值最小值 极差 万方数据 2 0 2 0 年8 月某型延时起爆装置延期时间影响因素的研究时家俊 3 7 压力提高到1 0 0M P a 时。延期时间标准偏差和极差 均明显减小。精度得到提高。装压延期索结构压药 压力分别为7 0 、1 0 0M P a 时,延期时间标准偏差和极 差水平接近。精度大致相当。 从数据规律看.随着装药压力提高,直填装药和 装压延期索结构延期时间精度均有所增加,延期索 结构延期时间结果略优于直填装药结构压力提高 到一定程度时.延期索结构的延期时间精度水平趋 于一致。 4 结论 以点火药硼/硝酸钾作为毫秒级延期药,针对某 型延时起爆装置延期时间的影响因素进行了一系列 的研究,结果表明 1 药剂混制时,过4 0 ~6 0 目筛网,制成的延期 药延期精度较高。 2 装药壳体采用导热系数较高的铜制延期体, 壳体厚度为2 .5m m 时,延期时间精度较好。采用 精确的消爆腔设计。可满足可靠发火的要求,提高了 延期时间的精度。 3 采用装压铅延期索工艺时,压药压力在4 0 ~ 1 0 0M P a 时,压药压力越大,装压延期索燃烧一致性 较好,延期精度越高;在一定的过载条件下,装配工 艺性优于直填装药。 4 采用直填装药结构的延期药。密度均匀,延 时精度在一定的条件下可以满足延期时间要求。后 续研究中。可提高延时起爆装置结构的整体抗过载 性能,来满足延期时间抗过载设计。 硼/硝酸钾点火药为微气体点火药。后续研究时 要充分考虑其使用环境,以更好地控制延期装置延 期时间的范围和精度。 参考文献 [ I ] 王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[ M ] .北京国 防工业出版社。2 0 0 5 2 0 - 2 1 . 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Y A NN ,Z E N GYQ ,F UH .R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a s e r i g n i t i o nd e l a yt i m ea n dc h a r g ed e n s i t yo fZ r /K C l 0 4 [ J ] . C h i n e s eJ o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ,2 0 0 8 ,1 6 5 4 8 7 - 4 8 9 . 郑险光.环境温度对工业电雷管延期时间的影响 [ J ] .爆破器材,1 9 9 7 ,2 6 2 1 4 1 6 . Z H E N GXG .I n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo n t h ed e l a yt i m eo fe l e c t r i cd e t o n a t o r [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,1 9 9 7 ,2 6 2 1 4 一1 6 . .0 一一搴“e 一一搴一3 .毒一,毒一0 “ .搴“ .搴“,争o } o e 圮} O } o } o 虻} O e K o K H 争。喀K H 争o e o e 圮} o 幛o x H 争o K H 拿.o H 争o o } 3 e 双o 。E M H 窜o 双O o 专K 上接第3 2 页 Z H A N GKM ,N 10Q ,Y UZQ ,e ta 1 .S y n t h e s i so fa l k y l o la m i n ee m u l s i f i e r sa n dt h e i ra p p l i c a t i o ni ne m u l s i o n e x p l o s i v e [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 3 ,4 2 4 6 - 9 . [ 6 ]黄丽媛,张国虎,汤代红,等.乳化炸药稳定性测试方 法研究[ J ] .爆破器材,2 0 1 3 ,4 2 2 3 4 3 6 . H U A N GLY ,Z H A N GGH ,T A N GDH ,e ta 1 .T e s t i n g m e t h o ds t u d yo nt h es t a b i l i t yo fe m u l s i o ne x p l o s i v e s [ J ] . E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 3 ,4 2 2 3 4 - 3 6 . [ 7 ] 吴秋洁,谭柳,吴鹏,等.环境冲击对车载乳胶基质破 乳的影响[ J ] .爆破器材,2 0 1 7 ,4 6 1 1 7 - 2 3 . W UQJ ,T A NL ,W UP ,e ta 1 .I n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a l s h o c ko nt h ed e m u l s i f i c a t i o no fv e h i c l e m o u n t e de m u l s i o n [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 7 ,4 6 1 1 7 - 2 3 . [ 8 ] 黄铁飞,荣光富,杨曙光,等.乳化剂对混装乳化炸药 质量性能的影响及实践应用[ J ] .爆破器材,2 0 1 0 ,3 9 2 1 4 - 1 6 . H U A N GTF ,R O N GGF ,Y A N GSG ,e ta 1 .E f f e c to f e m u l s i f i e ro nt h eq u a l i t yp e r f o r m a n c eo fe m u l s i o ne x p l o s i v ea n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s , 2 0 1 0 ,3 9 2 1 4 1 6 . [ 9 ]张建州,刘大维.大孑L 径深孔含水爆破混装乳化炸药 性能研究[ J ] .爆破器材,2 0 1 7 ,4 6 3 3 6 - 3 9 ,4 4 . Z H A N GJZ ,L I UDW .P r o p e r t i e so fm i x e de m u l s i o ne x p l o s i v eu s e d i n l a r g e - - d i a m e t e rd e e p h o l ew a t e r - b e a r i n g b l a s t i n g [ J ] .E x p l o s i v eM a t e r i a l s ,2 0 1 7 ,4 6 3 3 6 3 9 , 4 4 . 万方数据