某耐高溫雙做功火工裝置的研究

房修義，李 彤，孫振興

（遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順，113003）

在航天技術中，火工裝置是指通過一種或數種小型火工元件及其他結構，完成釋放拋放、切割破碎、驅動開關等功能的系列復雜裝置的總稱[1]。其設計主要是利用成熟火工元件為輸入，通過改變輸出藥量，從而實現各類不同功能[1]。本研究根據某系統技術要求，對某耐高溫雙做功火工裝置進行了設計。

1 系統組成與要求

1.1 系統組成

某系統由彈殼、密封墊、活塞、火工裝置等組成，結構見圖1。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 The composition of the system

圖1中火工裝置裝配在彈殼端部，通過密封墊將兩個活塞通道相互可靠密封?；鸸ぱb置作用時先后做功，分別使兩個活塞及彈殼內物體先后按圖示方向運動，并以一定的速度飛離彈體。

1.2 系統要求

系統要求火工裝置在電流作用下應可靠發火，并在210℃高溫環境下可靠工作，同時滿足系統的力學、溫度、電磁環境等使用要求。特征指標和要求為：（1）火工裝置須先后做功；（2）火工裝置在22cm3容積內輸出壓強峰值應為 0.75～2.50MPa，殼體內物體飛離速度要求精度高；（3）火工裝置作用后塑料彈殼不能破損。

2 方案設計

根據系統組成和系統要求，該火工裝置在設計中除應考慮電性能、環境條件等要求，還應考慮如下要求：（1）所用藥劑和零部件應滿足系統耐高溫要求；（2）選用成熟火工元件為輸入；（3）兩個輸出部件作用時不能相互影響，避免因此造成的輸出異常、留膛等問題；（4）輸出能量應穩定一致，避免因輸出能量過小或過大造成的留膛、塑料殼體破損等問題。

2.1 結構設計

按照以上設計要求，先后提出了兩種設計方案：一種是閉氣塞點傳火方案，見圖2；一種是隔板點火方案，見圖3。

圖2 閉氣塞點傳火方案結構示意圖Fig.2 The structure of the closed-air initiating

圖 3 隔板點火方案結構示意圖Fig.3 The structure of the through-bulkhead initiating

兩種方案的結構特點是：閉氣塞點傳火方案所用藥劑種類少，裝配工序少；隔板點火方案對機加件隔板部位要求高，藥劑種類相對較多、裝配工序較多，此方案滿足“兩個輸出部件作用時不能相互影響” 這一基本要求的可靠性較高。

兩種方案均由輸入火工元件、第1輸出部件、第2輸出部件這3個火工品及零部件組成。其輸入火工元件均選用技術成熟的某定型產品所用部件，所用藥劑也均為耐高溫藥劑。

2.2 作用原理

2.2.1 閉氣塞點傳火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發火，其輸出的火焰同時點燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時第1輸出部件通過閉氣塞上端藥劑將火焰傳到閉氣塞下端發射藥劑，發射藥劑作用時向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運動，將輸入傳火孔封住以達到閉氣效果，向下做功使活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內物體飛離彈體。同時第2輸出部件通過閉氣塞上端藥劑延期一定時間后再將火焰傳到閉氣塞下端發射藥劑，發射藥劑作用時向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運動，將輸入傳火孔封住達到閉氣效果，向下做功使另一活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內另一物體飛離彈體。

2.2.2 隔板點火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發火，其輸出的火焰同時點燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時第1輸出部件隔板上端藥劑作用時產生的爆轟波通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發火，進而點燃下端發射藥劑，發射藥劑作用時向下做功使活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內物體飛離彈體。同時第2輸出部件隔板上端藥劑延期一定時間后產生爆轟波，通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發火，進而點燃發射藥劑。發射藥劑作用時向下做功使另一活塞向左運動（見圖1），推動彈殼內另一物體飛離彈體。

2.3 輸出裝藥與輸出壓強

根據特征指標，輸出裝藥設計要滿足火工裝置在22cm3容積內輸出壓強峰值在0.75～2.50MPa范圍內。為此，輸出裝藥初步選用了技術成熟的耐高溫發射藥，為進一步評估該藥的輸出特性，進行了輸出壓強計算。根據范德瓦爾高壓氣體最大壓強公式[2]：

式（1）中：Pm為最大壓強，kgf/cm2；f為火藥力，2.5×106kgf·cm·kg-1；α為余容，1.0×10-3m3·kg-1；△為裝填密度，為裝藥質量，0.19×10-3kg；3V0為藥室容積，22 cm。

由最大壓強公式，有：

計算表明，所用耐高溫發射藥能夠滿足火工裝置輸出壓強要求，可以使用。

2.4 方案對比試驗

根據總體要求，火工裝置的基本功能是將彈殼內物體推出，并使兩個物體以一定的速度先后飛離彈殼。因此，針對閉氣塞點傳火方案和隔板點火方案，首先進行了輸出壓強試驗和彈體拋射試驗，根據試驗結果，對這兩種方案進行優選，確定方案。

2.4.1 輸出壓強試驗

為驗證方案設計的可行性，首先對火工裝置的輸出壓強進行了試驗，試驗結果見表1。表1數據表明，常溫下輸出壓強均能滿足指標要求。

表1 兩種方案輸出壓強對比試驗Tab.1 The comparison of output pressure of two formulas

2.4.2 彈體拋射試驗

為驗證兩種方案對彈殼內物體的拋射效果，進行了彈體拋射對比試驗，結果見表2。表2結果表明，隔板點火方案彈體拋射試驗結果穩定，滿足使用要求；閉氣塞點傳火方案彈體拋射試驗結果不穩定，不能滿足使用要求。

對未正常作用的彈體進行解剖，發現火工裝置兩個輸出端均正常作用，而閉氣塞位置情況不同：有的脫落，有的留在原位。

表2 彈體拋射對比試驗Tab.2 The comparison of ejection test result of two formulas

彈體未正常作用的現象有兩種：一種是彈殼內的物體只拋出一個，另一個物體只移動 5～15mm；一種是彈殼內的兩個物體均留在彈殼內，物體同樣只移動5～13mm，這種現象很少，只有1發是這種情況。

根據彈體拋射試驗現象和結果，結合表1輸出壓強對比試驗，分析認為：（1）閉氣塞點傳火方案由于受閉氣塞等因素影響而閉氣不嚴，使輸出裝藥作用時能量在此部位反向損失，導致輸出能量減少。當閉氣嚴重不嚴、能量反向損失較大時將導致彈體內物體留膛，出現彈體未正常作用的問題；（2）隔板點火方案從結構上保證了輸出裝藥作用時輸出能量向輸出方向可靠輸出，并且均勻、一致。綜合上述試驗情況和分析結果，確定選用隔板點火方案。

2.5 方案確定與驗證試驗

2.5.1 方案確定

經過輸出壓強試驗、彈體拋射等主要性能試驗，確定選用隔板點火方案。然而，在進行高、低溫彈體拋射試驗時又出現了新的問題：塑料彈殼破裂、彈殼內物體留膛，結果見表3。表3結果表明，塑料彈殼批次不同對試驗結果有影響，導致彈殼破裂、彈殼內物體留膛。分析認為：塑料材料批次及塑料制品制造批次對塑料制品的力學性能，特別是對低溫強度性能會產生一定影響，這種“影響”對于普通塑料制品不會影響使用，但對于塑料彈體將會影響使用。這是由于火工裝置作用時輸出部位的活塞和彈殼瞬間受力很大，因而可導致該部位的彈殼破裂。

表3 塑料彈殼批次、強度對彈體拋射性能的影響Tab.3 The influence of batch and intensity of plastic shells on the ejection performance

表3結果也表明：3個批次的塑料彈殼低溫強度相差不大，基本一致，低溫下基本都達到了強度極限。出現的彈殼破裂、物體留膛現象不能滿足總體使用要求。為解決這一問題，對彈體的受力進行了分析，見圖4。

圖4 系統作用時受力示意圖Fig.4 The stress of the system

火工裝置作用后，活塞受到軸向作用力，彈殼受到徑向作用力。正常情況下活塞受力后向左移動、推動物體完成拋射；如果彈殼受力破裂、壓強卸載，活塞受力迅速減小，不能克服阻力移動，導致物體留膛。

根據試驗結果和分析，確定解決這一問題的3個方案：（1）將塑料彈殼改為金屬彈殼，提高彈殼強度；（2）對塑料活塞進行改進，向右增加尺寸并套在火工裝置輸出部位，以減少彈殼受力強度；（3）在火工裝置輸出部位增加一個金屬套管，減小彈殼受力強度。經進一步分析、論證，認為：（1）塑料彈殼改為金屬彈殼方案可行，但成本提高太多，不能采用；（2）對于塑料活塞進行改進方案，由于活塞結構不對稱，火工裝置輸出做功容積減少多倍，活塞受力較原方案增加多倍，活塞在最薄尺寸處極易破裂，活塞破裂后彈殼仍有破裂的可能性，故此方案可以試驗；（3）在火工裝置輸出部位增加金屬套管的方案簡單、可行。

考慮到“火工品的性能略有改進，都會對武器系統的性能有極大的影響”，并結合以上分析、論證，最終確定增加金屬套管方案，改進后的方案見圖5。

圖5 改進后系統組成示意圖Fig.5 The schematic of the improved system structure

2.5.2 驗證試驗

經過以上試驗，確定的方案為：隔板點火加金屬套管方案。按照此方案，又進行了系統的驗證與性能試驗，部分結果見表4。

表4 驗證試驗結果Tab.4 Test results of verification

表4結果表明，采用隔板點火方案再加金屬套管能有效解決因塑料彈殼批次不同而產生彈殼破裂的問題。

3 結 語

在耐高溫雙做功火工裝置的設計、研制中，通過采用隔板點火技術，有效解決了兩個輸出部件相互干擾、影響做功的問題，使火工裝置輸出做功均勻、一致；在塑料彈殼破裂、彈內物體留膛問題上，通過采取增加金屬套管措施，解決了總體設計中彈體的強度低、彈殼破裂問題。所采用的技術、采取的改進措施，提高了火工裝置的綜合性能和可靠性，滿足了系統的使用要求。本研究為耐高溫延時雙做功火工裝置的設計提供了一種方法。

[1]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.

[2]王澤山,徐復銘,張豪俠.火藥裝藥設計原理[M].北京:兵器工業出版社,1995.