楊三斌

(海裝重慶局，重慶 400071)

某產(chǎn)品采用SFM—1 配方的推進(jìn)劑，產(chǎn)品交驗(yàn)進(jìn)行12 發(fā)地面靜止發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。在技術(shù)要求中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱工作時(shí)間)要求為(0.20 ～0.34)s。在該產(chǎn)品批量生產(chǎn)前，進(jìn)行的小樣摸底試驗(yàn)中工作時(shí)間為0.28 s，在指標(biāo)要求的中限。但在2008年2月在進(jìn)行該產(chǎn)品靜止發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)工作時(shí)間偏短的現(xiàn)象。3 發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間分別為0.18 s、0.20 s、0.19 s，其中有兩發(fā)低于技術(shù)要求的最短時(shí)間0.2 s。為了驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)是否存在差異，從本批藥柱中隨機(jī)抽取了7 根藥柱配套，在使用方靶場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，工作時(shí)間為0.19 s，與驗(yàn)收試驗(yàn)的結(jié)果相近，不滿足技術(shù)指標(biāo)要求。2008年3月進(jìn)行的該產(chǎn)品又一批藥柱交付時(shí)，第一發(fā)工作時(shí)間為0.20 s，為要求技術(shù)指標(biāo)的下限，從而終止試驗(yàn)。通過對(duì)造成兩批藥柱工作時(shí)間偏短的故障原因的分析、討論，確定了造成故障的原因?yàn)樗幹x了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)。

1 故障定位

根據(jù)三次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果，分別從發(fā)動(dòng)機(jī)的加工和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的狀態(tài)，點(diǎn)火系統(tǒng)和火藥裝藥三方面進(jìn)行了分析。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)加工及裝配

發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件的加工為機(jī)械加工零件，其尺寸范圍都通過嚴(yán)格的檢測(cè)，足以保證加工精度，而且在三次試驗(yàn)中所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為兩個(gè)批次，發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配均為具有操作合格證的人員裝配，裝配過程中未發(fā)現(xiàn)異常，裝配后的氣密性檢查合格。而且三次裝配都由不同的操作人員進(jìn)行，排除了因人員裝配引起的偶然差異。裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)均經(jīng)過8 h 以上的恒溫。所以說發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)不會(huì)是造成工作時(shí)間偏短的主要原因。

1.2 點(diǎn)火系統(tǒng)的影響

幾次試驗(yàn)中使用的電爆管和點(diǎn)火藥盒，在其它火箭系統(tǒng)能夠正常使用。為了排出因黑火藥水分變化，引起點(diǎn)火壓力峰的異常，專門對(duì)抽取了一發(fā)進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，結(jié)果水分含量為0.8%，在正常的指標(biāo)要求范圍內(nèi)。應(yīng)該說點(diǎn)火系統(tǒng)工作正常。

1.3 火藥裝藥的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的長(zhǎng)短，除了受點(diǎn)火壓力的影響外，主要取決于火藥裝藥的燃燒時(shí)間。作為一種火藥配方，為了滿足不同武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)使用要求，其燃速都有一定的調(diào)節(jié)范圍，從這點(diǎn)上說就會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間有所影響。另外在雙基藥中起骨架作用的硝化棉為一種高分子材料，其纖維的長(zhǎng)短、聚合度的大小、分子量的分布范圍、硝化中硝基取代的均勻性都會(huì)對(duì)火藥的燃燒性能有所影響。

本藥柱使用的SFM—1 火藥配方雖然組分較少，但在制造加工過程中要求較高。其中催化劑氧化鎂因燒結(jié)過程的差異，不同批次的催化能力差異較大，在吸收藥制造過程中還需要對(duì)其進(jìn)行憎水化處理，確保在藥料吸收過程中不與水生成氫氧化鎂失去催化作用?；鹚幵诩庸こ尚偷倪^程中，對(duì)藥料內(nèi)部的密實(shí)性和均勻性有一定的影響，也會(huì)在火藥的燃速上有所體現(xiàn)。

綜上所述，藥柱加工過程、原材料及加工工藝均會(huì)對(duì)藥柱的最終燃速造成影響，基本可以判斷藥柱偏離了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，是造成工作時(shí)間偏短的直接原因。

2 原因分析

2.1 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)工作時(shí)間的要求為(0.2 ～0.34)s，其中限值為0.27 s，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃速大約為12 mm/s，根據(jù)雙芳鎂—1 配方的火藥在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃速的經(jīng)驗(yàn)公式r =計(jì)算，其平均工作壓力在14 MPa 左右。表1 為某產(chǎn)品的歷史處理數(shù)據(jù)。表2 為摸底樣和2008年兩批交驗(yàn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。

表1 某產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)處理

表2 彈道測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理

從表1、表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，工作時(shí)間合格的樣品，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃速接近，最大差值僅為0.39 mm/s。工作時(shí)間偏短的樣品，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算燃速則和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)際的工作燃速存在較大的差異，從表2 中反映最小為1.67 mm/s，最大為2.67 mm/s，說明藥柱的燃燒性能發(fā)生了比較明顯的偏移。這一方面驗(yàn)證了2.3 條的判斷，另一方面表明兩批工作時(shí)間偏短的藥柱在制造過程中出現(xiàn)了異常狀況，為此對(duì)藥柱的制造過程進(jìn)行了分析。

2.2 藥柱制造過程分析

首先分析了原材料方面的原因。第一批產(chǎn)品和摸底樣采用的是完全相同的原材料。從原材料上看不會(huì)存在差異，為了排除原材料的影響在制作第二批時(shí)更換了硝化棉和燃燒催化劑的批次。但從測(cè)試結(jié)果看兩批產(chǎn)品卻出現(xiàn)了同樣的問題，由此說明了造成兩批產(chǎn)品與摸底樣差異的原因不是原材料的問題。

為此又從吸收、成型制造工藝上查找原因，摸底樣吸收藥的制造在50kg 級(jí)吸收器內(nèi)進(jìn)行小批量吸收，兩批產(chǎn)品則是在500 kg 級(jí)的生產(chǎn)線吸收，但吸收的所有工藝操作條件都一致。吸收后的藥料在同一條生產(chǎn)線上，用同樣的成型加工工藝制造藥柱，從藥柱實(shí)際的制造過程上分析，可以排除吸收工藝條件和成型過程對(duì)藥柱造成的影響。造成摸底樣與兩批產(chǎn)品樣品差異的原因在于吸收藥的制造在不同的生產(chǎn)線上進(jìn)行。既然操作的工藝和程序完全相同，是否會(huì)是放大后造成的差異呢?但從該系列產(chǎn)品歷史的生產(chǎn)情況以及其它產(chǎn)品的情況表明，在50 kg 和500 kg 級(jí)生產(chǎn)線吸收出的藥料成型的藥柱，具有良好的對(duì)應(yīng)性和符合性，不會(huì)因?yàn)榉糯笈慷斐尚阅苌系妮^大差異。

既然如此，造成這種差異的直接原因就可能在于兩條生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)過程控制中存在的某種差異造成藥柱的性能差異。為此對(duì)用于生產(chǎn)兩批產(chǎn)品和摸底樣的吸收藥制造過程中進(jìn)行了分析。

用于制造兩批產(chǎn)品的吸收藥為1/08 批、2/08 批和3/08批吸收藥，在500 kg 級(jí)吸收器生產(chǎn)，用于摸底樣生產(chǎn)的吸收藥則是在50 kg 級(jí)吸收器生產(chǎn)。吸收藥配料、分析情況見表3。

表3 吸收藥配方、分析情況

從表3 中可以看出，摸底樣的配方和分析結(jié)果基本一致。幾個(gè)500 kg 級(jí)吸收器生產(chǎn)的吸收藥，其它成分配料和分析結(jié)果差距不大，其誤差在分析誤差可接受的范圍內(nèi)。而用于乳化液配制的DNT 配料和分析結(jié)果相比較下降比較明顯，最少為0.7%，最大為1.2%，通過對(duì)配制乳化液容器的檢查，發(fā)現(xiàn)容器底部有裂紋，導(dǎo)致部分的DNT 泄漏到熱水浴，使得含量降低;同樣作為乳化液配制時(shí)使用的DBP 的損失卻不大，原因?yàn)镈BP 的密度為1.04 g/cm3，而DNT 的密度為1.23 g/cm3，前者較后者輕，浮在乳化液的上層，所以基本上沒有什么損失。DNT 降低的幅度大小不同，主要是由于乳化液配制時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短不一所致。

2.3 機(jī)理分析

為了進(jìn)一步說明問題，先簡(jiǎn)單介紹一下乳化液配制過程。乳化液配制時(shí)先將DBP 和DNT 兩種油相物質(zhì)在熱水浴中升溫至90℃以上，然后再加入ZnR(硬脂酸鋅)充分?jǐn)嚢杈鶆?，再緩慢加入水化氧化鎂，在劇烈攪拌過程中與硬脂酸鋅一起形成乳化液，整個(gè)過程中嚴(yán)禁有水進(jìn)入。

乳化液的配制過程，實(shí)際上就是對(duì)氧化鎂進(jìn)行憎水化處理的過程。表面活性劑硬脂酸鋅與氧化鎂表面的氫氧化鎂反應(yīng)生成硬脂酸鎂，在顆粒表面形成一層單分子薄膜，膜的內(nèi)側(cè)是親水的酸性基團(tuán)，膜的外側(cè)是親油的硬脂酸鏈基團(tuán)［2］。所以進(jìn)行乳化處理后的氧化鎂有兩個(gè)特點(diǎn)其一是表現(xiàn)出了親油性和疏水性，避免了乳化液加入水中與藥料進(jìn)行吸收的過程中與介質(zhì)水反應(yīng)，保證了氧化鎂的含量。其二乳化液的比重較小，相應(yīng)的減小了氧化鎂顆粒的比重，減小了氧化鎂在水介質(zhì)中的分層的可能性，有利于更加均勻的分散到藥料內(nèi)部。

如果上述配制乳化液的過程中有水存在的情況下，由于水與硬脂酸鋅中的親水基團(tuán)的作用，使得部分氧化鎂表面不能有效的形成硬脂酸鋅的保護(hù)膜，或者形成的保護(hù)膜結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易破乳。水的存在還會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)不利因素，因?yàn)樗c氧化鎂乳化液的濕潤(rùn)性完全不同，相遇后形成的界面處的表面張力增大，所以會(huì)產(chǎn)生絮凝以減小系統(tǒng)的表面能，會(huì)導(dǎo)致氧化鎂結(jié)塊，不易分散。所以當(dāng)此種乳化液加入以水為介質(zhì)的吸收系統(tǒng)中，由于一部分氧化鎂表面的保護(hù)膜的穩(wěn)定性較差，破乳后與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鎂，減少了氧化鎂在藥料中的實(shí)際含量，從而削弱了對(duì)藥料燃速的調(diào)節(jié)作用;一部分因絮凝作用結(jié)塊的氧化鎂在吸收時(shí)會(huì)造成催化劑在藥料的分布不均勻。由于氧化鎂作為雙芳鎂火藥配方中唯一的燃速調(diào)節(jié)劑，它能提高火藥在低壓下的燃速，抑制火藥中、高壓下的燃速，所以其有效含量的減少和分布不均勻直接影響到藥料的燃燒性能。

通過以上的分析，我們認(rèn)為導(dǎo)致兩批產(chǎn)品和摸底樣差異的根本原因在于配制氧化鎂乳化液的容器底部的裂紋所導(dǎo)致，在配制時(shí)在熱水浴加熱保溫過程中有部分水進(jìn)入了容器，影響了氧化鎂乳化液的穩(wěn)定性，部分氧化鎂與水反應(yīng)生成氫氧化鎂，降低了氧化鎂的有效含量，從而影響了對(duì)藥料的催化作用;同時(shí)由于絮凝作用導(dǎo)致氧化鎂在藥料中分布不均勻。使得火藥燃燒性能產(chǎn)生較大的變化，削弱了中、高壓下對(duì)燃速的抑制作用，使得藥料的燃速增高，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間偏短。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述原因和機(jī)理分析，對(duì)配制氧化鎂乳化液容器的底部裂紋進(jìn)行了修復(fù)。隨后進(jìn)行了新一批產(chǎn)品的生產(chǎn)，通過交驗(yàn)試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間在(0.28 ～0.30)s 之間，產(chǎn)品的性能完全滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

1)氧化鎂乳化液的配制過程中水的進(jìn)入，會(huì)嚴(yán)重影響氧化鎂的催化活性，削弱中、高壓下對(duì)燃速的抑制作用;

2)配制氧化鎂乳化液的容器底部有裂紋，導(dǎo)致在乳化液配制過程中有水進(jìn)入，造成藥料燃速較高，是某產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間偏短的主要原因。

［1］火炸藥手冊(cè)［S］.204 研究所，1982.

［2］張續(xù)柱. 雙基火藥［M］. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1997.