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(shù)中，火工裝置是指通過一種或數(shù)種小型火工元件及其他結(jié)構(gòu)，完成釋放拋放、切割破碎、驅(qū)動(dòng)開關(guān)等功能的系列復(fù)雜裝置的總稱[1]。其設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各類不同功能[1]。本研究根據(jù)某系統(tǒng)技術(shù)要求，對(duì)某耐高溫雙做功火工裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)組成與要求

1.1 系統(tǒng)組成

某系統(tǒng)由彈殼、密封墊、活塞、火工裝置等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)活塞通道相互可靠密封?；鸸ぱb置作用時(shí)先后做功，分別使兩個(gè)活塞及彈殼內(nèi)物體先后按圖示方向運(yùn)動(dòng)，并以一定的速度飛離彈體。

1.2 系統(tǒng)要求

系統(tǒng)要求火工裝置在電流作用下應(yīng)可靠發(fā)火，并在210℃高溫環(huán)境下可靠工作，同時(shí)滿足系統(tǒng)的力學(xué)、溫度、電磁環(huán)境等使用要求。特征指標(biāo)和要求為：（1）火工裝置須先后做功；（2）火工裝置在22cm3容積內(nèi)輸出壓強(qiáng)峰值應(yīng)為 0.75～2.50MPa，殼體內(nèi)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(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)組成和系統(tǒng)要求，該火工裝置在設(shè)計(jì)中除應(yīng)考慮電性能、環(huán)境條件等要求，還應(yīng)考慮如下要求：（1）所用藥劑和零部件應(yīng)滿足系統(tǒng)耐高溫要求；（2）選用成熟火工元件為輸入；（3）兩個(gè)輸出部件作用時(shí)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(yīng)穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照以上設(shè)計(jì)要求，先后提出了兩種設(shè)計(jì)方案：一種是閉氣塞點(diǎn)傳火方案，見圖2；一種是隔板點(diǎn)火方案，見圖3。

圖2 閉氣塞點(diǎn)傳火方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the closed-air initiating

圖 3 隔板點(diǎn)火方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of the through-bulkhead initiating

兩種方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：閉氣塞點(diǎn)傳火方案所用藥劑種類少，裝配工序少；隔板點(diǎn)火方案對(duì)機(jī)加件隔板部位要求高，藥劑種類相對(duì)較多、裝配工序較多，此方案滿足“兩個(gè)輸出部件作用時(shí)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(gè)火工品及零部件組成。其輸入火工元件均選用技術(shù)成熟的某定型產(chǎn)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(diǎn)傳火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發(fā)火，其輸出的火焰同時(shí)點(diǎn)燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時(shí)第1輸出部件通過閉氣塞上端藥劑將火焰?zhèn)鞯介]氣塞下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時(shí)向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運(yùn)動(dòng)，將輸入傳火孔封住以達(dá)到閉氣效果，向下做功使活塞向左運(yùn)動(dòng)（見圖1），推動(dòng)彈殼內(nèi)物體飛離彈體。同時(shí)第2輸出部件通過閉氣塞上端藥劑延期一定時(shí)間后再將火焰?zhèn)鞯介]氣塞下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時(shí)向上下兩端做功，向上做功使閉氣塞向上運(yùn)動(dòng)，將輸入傳火孔封住達(dá)到閉氣效果，向下做功使另一活塞向左運(yùn)動(dòng)（見圖1），推動(dòng)彈殼內(nèi)另一物體飛離彈體。

2.2.2 隔板點(diǎn)火方案作用原理

輸入火工元件在電能作用下發(fā)火，其輸出的火焰同時(shí)點(diǎn)燃第1輸出部件和第2輸出部件。此時(shí)第1輸出部件隔板上端藥劑作用時(shí)產(chǎn)生的爆轟波通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發(fā)火，進(jìn)而點(diǎn)燃下端發(fā)射藥劑，發(fā)射藥劑作用時(shí)向下做功使活塞向左運(yùn)動(dòng)（見圖1），推動(dòng)彈殼內(nèi)物體飛離彈體。同時(shí)第2輸出部件隔板上端藥劑延期一定時(shí)間后產(chǎn)生爆轟波，通過隔板將能量傳給隔板下端藥劑并使其發(fā)火，進(jìn)而點(diǎn)燃發(fā)射藥劑。發(fā)射藥劑作用時(shí)向下做功使另一活塞向左運(yùn)動(dòng)（見圖1），推動(dòng)彈殼內(nèi)另一物體飛離彈體。

2.3 輸出裝藥與輸出壓強(qiáng)

根據(jù)特征指標(biāo)，輸出裝藥設(shè)計(jì)要滿足火工裝置在22cm3容積內(nèi)輸出壓強(qiáng)峰值在0.75～2.50MPa范圍內(nèi)。為此，輸出裝藥初步選用了技術(shù)成熟的耐高溫發(fā)射藥，為進(jìn)一步評(píng)估該藥的輸出特性，進(jìn)行了輸出壓強(qiáng)計(jì)算。根據(jù)范德瓦爾高壓氣體最大壓強(qiáng)公式[2]：

式（1）中：Pm為最大壓強(qiáng)，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(zhì)量，0.19×10-3kg；3V0為藥室容積，22 cm。

由最大壓強(qiáng)公式，有：

計(jì)算表明，所用耐高溫發(fā)射藥能夠滿足火工裝置輸出壓強(qiáng)要求，可以使用。

2.4 方案對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)總體要求，火工裝置的基本功能是將彈殼內(nèi)物體推出，并使兩個(gè)物體以一定的速度先后飛離彈殼。因此，針對(duì)閉氣塞點(diǎn)傳火方案和隔板點(diǎn)火方案，首先進(jìn)行了輸出壓強(qiáng)試驗(yàn)和彈體拋射試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)這兩種方案進(jìn)行優(yōu)選，確定方案。

2.4.1 輸出壓強(qiáng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的可行性，首先對(duì)火工裝置的輸出壓強(qiáng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1數(shù)據(jù)表明，常溫下輸出壓強(qiáng)均能滿足指標(biāo)要求。

表1 兩種方案輸出壓強(qiáng)對(duì)比試驗(yàn)Tab.1 The comparison of output pressure of two formulas

2.4.2 彈體拋射試驗(yàn)

為驗(yàn)證兩種方案對(duì)彈殼內(nèi)物體的拋射效果，進(jìn)行了彈體拋射對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表2。表2結(jié)果表明，隔板點(diǎn)火方案彈體拋射試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，滿足使用要求；閉氣塞點(diǎn)傳火方案彈體拋射試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定，不能滿足使用要求。

對(duì)未正常作用的彈體進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)火工裝置兩個(gè)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(duì)比試驗(yàn)Tab.2 The comparison of ejection test result of two formulas

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

根據(jù)彈體拋射試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，結(jié)合表1輸出壓強(qiáng)對(duì)比試驗(yàn)，分析認(rèn)為：（1）閉氣塞點(diǎn)傳火方案由于受閉氣塞等因素影響而閉氣不嚴(yán)，使輸出裝藥作用時(shí)能量在此部位反向損失，導(dǎo)致輸出能量減少。當(dāng)閉氣嚴(yán)重不嚴(yán)、能量反向損失較大時(shí)將導(dǎo)致彈體內(nèi)物體留膛，出現(xiàn)彈體未正常作用的問題；（2）隔板點(diǎn)火方案從結(jié)構(gòu)上保證了輸出裝藥作用時(shí)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(yàn)情況和分析結(jié)果，確定選用隔板點(diǎn)火方案。

2.5 方案確定與驗(yàn)證試驗(yàn)

2.5.1 方案確定

經(jīng)過輸出壓強(qiáng)試驗(yàn)、彈體拋射等主要性能試驗(yàn)，確定選用隔板點(diǎn)火方案。然而，在進(jìn)行高、低溫彈體拋射試驗(yàn)時(shí)又出現(xiàn)了新的問題：塑料彈殼破裂、彈殼內(nèi)物體留膛，結(jié)果見表3。表3結(jié)果表明，塑料彈殼批次不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，導(dǎo)致彈殼破裂、彈殼內(nèi)物體留膛。分析認(rèn)為：塑料材料批次及塑料制品制造批次對(duì)塑料制品的力學(xué)性能，特別是對(duì)低溫強(qiáng)度性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，這種“影響”對(duì)于普通塑料制品不會(huì)影響使用，但對(duì)于塑料彈體將會(huì)影響使用。這是由于火工裝置作用時(shí)輸出部位的活塞和彈殼瞬間受力很大，因而可導(dǎo)致該部位的彈殼破裂。

表3 塑料彈殼批次、強(qiáng)度對(duì)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(jié)果也表明：3個(gè)批次的塑料彈殼低溫強(qiáng)度相差不大，基本一致，低溫下基本都達(dá)到了強(qiáng)度極限。出現(xiàn)的彈殼破裂、物體留膛現(xiàn)象不能滿足總體使用要求。為解決這一問題，對(duì)彈體的受力進(jìn)行了分析，見圖4。

圖4 系統(tǒng)作用時(shí)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(dòng)、推動(dòng)物體完成拋射；如果彈殼受力破裂、壓強(qiáng)卸載，活塞受力迅速減小，不能克服阻力移動(dòng)，導(dǎo)致物體留膛。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析，確定解決這一問題的3個(gè)方案：（1）將塑料彈殼改為金屬彈殼，提高彈殼強(qiáng)度；（2）對(duì)塑料活塞進(jìn)行改進(jìn)，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(qiáng)度；（3）在火工裝置輸出部位增加一個(gè)金屬套管，減小彈殼受力強(qiáng)度。經(jīng)進(jìn)一步分析、論證，認(rèn)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(duì)于塑料活塞進(jìn)行改進(jìn)方案，由于活塞結(jié)構(gòu)不對(duì)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(yàn)；（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(jìn)，都會(huì)對(duì)武器系統(tǒng)的性能有極大的影響”，并結(jié)合以上分析、論證，最終確定增加金屬套管方案，改進(jìn)后的方案見圖5。

圖5 改進(jìn)后系統(tǒng)組成示意圖Fig.5 The schematic of the improved system structure

2.5.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過以上試驗(yàn)，確定的方案為：隔板點(diǎn)火加金屬套管方案。按照此方案，又進(jìn)行了系統(tǒng)的驗(yàn)證與性能試驗(yàn)，部分結(jié)果見表4。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of verification

表4結(jié)果表明，采用隔板點(diǎn)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(chǎn)生彈殼破裂的問題。

3 結(jié) 語

在耐高溫雙做功火工裝置的設(shè)計(jì)、研制中，通過采用隔板點(diǎn)火技術(shù)，有效解決了兩個(gè)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(nèi)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(shè)計(jì)中彈體的強(qiáng)度低、彈殼破裂問題。所采用的技術(shù)、采取的改進(jìn)措施，提高了火工裝置的綜合性能和可靠性，滿足了系統(tǒng)的使用要求。本研究為耐高溫延時(shí)雙做功火工裝置的設(shè)計(jì)提供了一種方法。

[1]王凱民,張學(xué)舜.火工品工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[2]王澤山,徐復(fù)銘,張豪俠.火藥裝藥設(shè)計(jì)原理[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.