王少衛(wèi),聶偉榮

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,南京 210094)

0 引言

引信是兵器戰(zhàn)斗部的重要組成部分,是激發(fā)彈藥產(chǎn)生毀傷作用的執(zhí)行裝置,其功能是把一個小的初始能量有控制的放大到適當(dāng)?shù)谋Z沖量以引爆武器的戰(zhàn)斗部,實現(xiàn)武器的毀傷作用[1],所以傳爆序列的設(shè)計直接影響引信的性能和機構(gòu)設(shè)計。

小口徑武器如小口徑速射火炮廣泛應(yīng)用于陸基、艦載和機載,是近程防空反導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分[2]。小口徑武器對于引信的小型化提出了更高的要求,引信體積縮小騰出的空間可以安裝探測和信號處理電路,引信的小型化必然要求傳爆序列的微小型化。

文中首先分析了典型傳爆序列的基本結(jié)構(gòu),一般由三級感度依次降低、輸出能量依次增強的火工品組成,最后引爆主裝藥。傳爆序列必須滿足適當(dāng)?shù)母卸?、?zhǔn)確的作用時間、足夠的爆轟輸出能量、良好的安全性。文中首先介紹了一種微小型傳爆序列的設(shè)計思路,借鑒這種設(shè)計思路設(shè)計了一種新型的微小型傳爆序列,進行了傳爆的理論計算和傳爆實驗,對這種

1 典型錯位隔斷式傳爆序列的分析

傳爆序列的種類很多,從引信隔爆安全要求和功能分類來說,傳爆序列分為非保險型傳爆序列和保險型傳爆序列,有隔離機構(gòu)的為保險型,無隔離機構(gòu)的為非保險型。錯位隔斷式傳爆序列是最常用的傳爆序列結(jié)構(gòu),其典型的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

擊針與雷管為第一級火工元件,導(dǎo)爆藥和傳爆藥分別為二三級火工元件,當(dāng)處于發(fā)火狀態(tài)時,各火工元件排列為一條直線,擊針刺入雷管發(fā)火,各火工元件將爆轟能量依次傳遞給主裝藥。雷管作為獨立的火工元件裝配在滑塊或轉(zhuǎn)子上,依靠后座力或離心力驅(qū)動滑塊和轉(zhuǎn)子運動與上下級火工元件對正。但是傳統(tǒng)的雷管尺寸較大,如美國M55式針刺雷管外形尺寸為 Φ3.73mm×3.64mm,而雷管直徑每減小1mm,將使隔爆機構(gòu)徑向縮小4～6mm[1],所以配有雷管的隔爆機構(gòu)的尺寸很大,小口徑武器如小口徑速射火炮口徑不超過37mm,不利于小口徑武器引信的設(shè)計。

圖1 典型的傳爆序列

2 微小型傳爆序列的設(shè)計

2.1 微小型傳爆序列的設(shè)計思想

這種微小型傳爆序列是為MEMS引信裝置而設(shè)計的傳爆序列,傳爆序列必須符合小尺寸和合適的輸出能量的要求。下面參考文獻[3]介紹了這種微小傳爆序列的主要設(shè)計思想。

圖2 微小型傳爆序列的結(jié)構(gòu)

圖2 是此種微小型傳爆序列的結(jié)構(gòu)。這種微小型傳爆序列中:包括一個發(fā)火薄片、一個發(fā)火觸點、一個輸入炸藥柱構(gòu)成第一級火工元件;一個橫向?qū)П幤瑸榈诙壔鸸ぴ?一個導(dǎo)爆藥柱、一個輸出炸藥柱構(gòu)成第三級火工元件。

如圖2所示此微小型傳爆序列與典型的傳爆序列的最大不同點在于導(dǎo)爆藥片4。導(dǎo)爆藥片4形狀為矩形薄片狀,被壓裝在可移動滑塊上的凹槽內(nèi)。可移動滑塊依靠彈簧能夠在引信裝置的空隙內(nèi)橫向運動,使導(dǎo)爆藥片4兩端與輸入炸藥柱3和導(dǎo)爆藥柱5同時接觸,均形成爆轟界面,等同于裝配在滑塊或轉(zhuǎn)子上的雷管,導(dǎo)爆藥片4的體積不超過4 mm3。

這種微小型傳爆序列的難點是:1)當(dāng)裝藥直徑小于臨界直徑時,無論起爆能量多強,都不能達到穩(wěn)定爆轟,導(dǎo)爆藥片4厚度不超過0.8mm,可能裝藥的臨界尺寸達不到要求,造成不能起爆;2)傳爆序列的爆轟能量傳遞要經(jīng)過兩處直角拐角的傳輸,有爆速虧損的;3)導(dǎo)爆藥片4的爆速方向是沿著長度方向,而且厚度很小,導(dǎo)爆藥柱5利用導(dǎo)爆藥片4的側(cè)向起爆,可能造成起爆能力不足。

2.2 微小型傳爆序列的具體設(shè)計

在具體設(shè)計中,微小型傳爆序列的核心部分是輸入炸藥柱3、導(dǎo)爆藥片4、導(dǎo)爆藥柱5。結(jié)合已有的MEMS引信裝置,設(shè)計出的微小型傳爆序列的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

結(jié)合已有的MEMS引信保險隔爆機構(gòu),輸入炸藥柱3可以選用已有的微小型雷管,尺寸為Φ1.6mm×4mm,裝藥高度是3.2mm,起爆藥疊氮化鉛為5mg,猛炸藥CL-20為5mg,起爆方式為電起爆,起爆能量要求小,輸出威力比較小。

在已有的MEMS引信保險隔爆機構(gòu)中的可移動滑塊的厚度僅有0.5mm,所以導(dǎo)爆藥片4的裝藥厚度會更

小,如2.1小節(jié)所述的臨界尺寸和側(cè)向起爆的難點更突出。本設(shè)計將可移動滑塊中的裝藥取消,讓微小型雷管直接起爆下一級火工元件,可移動滑塊只起到隔爆的作用。

小直徑鉛皮金屬導(dǎo)爆索己成功應(yīng)用于某型號串聯(lián)戰(zhàn)斗部的傳爆系統(tǒng)[4],所以導(dǎo)爆藥柱5可以直接采用直徑為3.2mm的鉛皮導(dǎo)爆索用于傳遞爆轟,內(nèi)徑約為2.0mm,藥芯為黑索今,爆速大約為7000m/s,裝藥密度為26～30g/m。

圖3 微小型傳爆序列具體結(jié)構(gòu)

2.3 微小型傳爆序列傳爆的理論計算

微小型傳爆序列的裝藥為小尺寸裝藥,為了解決小尺寸裝藥擊爆和傳爆的可靠性,采用超細(xì)化炸藥作為小型化火工品的裝藥。所以微小型傳爆序列傳爆的理論計算可以參照理想炸藥理論。

將微小型雷管和導(dǎo)爆索均簡化為藥柱,則微小型傳爆序列的傳爆模型如圖4所示。

微小型雷管的裝藥為起爆藥疊氮化鉛為5mg,猛炸藥CL-20為5mg。根據(jù)能量相似原理將裝藥轉(zhuǎn)化為黑索今藥量,轉(zhuǎn)化公式為[1]:

圖4 微小型傳爆序列的傳爆模型

式中:W i為起爆藥藥量;Q i為對應(yīng)的爆熱;W e為折合成黑索今藥量;Q e為黑索今的爆熱。

起爆藥疊氮化鉛的爆熱為1.52×103k J/kg,黑索今的爆熱為5.42×103kJ/kg。奧克托金與黑索今爆熱相似,所以We=6.402mg,根據(jù)圖4微小型雷管直徑為d1=1.6mm,估算雷管裝藥高度為h=2mm,裝藥密度為ρ1=1.592g/cm3。

導(dǎo)爆索的內(nèi)徑約為2.0mm,裝藥密度為26～30g/m,所以導(dǎo)爆索裝藥密度為ρ2=0.0892g/cm3。

雷管的爆轟參數(shù)作為設(shè)計計算可以采用如下簡化公式計算[5]:

爆速D和體密度ρ的關(guān)系:

爆壓P J與爆速D、體密度的關(guān)系:

臨界起爆壓強P C與爆壓P J的關(guān)系:

式中 A、B、C為常數(shù),不同炸藥有不同的 A、B、C值,黑索今(RXD)的A=5.408km/s,B=4.160×15-15km4/g·m,C=0.274。

將微小型雷管的裝藥密度代入式(2)～式(4)中得出微小型雷管爆轟參數(shù)為爆速D1=7.871km/s,爆壓P J1=24.657GPa,臨界起爆壓強P C1=6.779GPa。

將導(dǎo)爆索的裝藥密度和爆速代入式(3)～式(4)中得出,導(dǎo)爆索爆壓為PJ2=1.0927GPa,臨界起爆壓強P C2=0.3GPa。

雷管的軸向輸出沖擊波一般為衰減的壓力脈沖,壓力峰值由輸出裝藥的密度、爆轟成長距離、裝藥種類、約束及底殼等決定,沖擊波經(jīng)過長度為 x的小空氣隙后,壓力峰值衰減公式為[6]:

P o為沖擊波的峰值壓力,h為雷管裝藥折合高度。

由圖4中傳爆模型可得 x=0.7mm,h=2.3mm,將微小型雷管的爆壓PJ1=24.657GPa,即Po=23.93GPa代入式(5)中得P=10.61 GPa,即Φ1.6mm雷管的沖擊波輸出經(jīng)過0.7mm的空氣隙,沖擊波的壓力峰值為10.61GPa。下級火工品為 Φ3.2mm雷管,其臨界起爆壓強為PC2=0.3GPa。所以PC2≤P。

Φ1.6mm雷管的沖擊波可以近似看作球狀波,沖擊波的沖擊方向與端面成45°,所以其沖擊面積的直徑為dmx=3mm,所以下級火工品內(nèi)徑為 Φ2mm的導(dǎo)爆索能夠直接接受沖擊波的面積為圖中的兩圓相交陰影部分,其面積為S1=0.806mm2。內(nèi)徑為Φ2mm的導(dǎo)爆索的裝藥端面面積為S=3.14 mm2,比例為25.68%,起爆面積還是比較大的。

由以上可得P C2≤P,且起爆面積很大,所以此微小型傳爆序列理論上能可靠起爆。

2.4 微小型傳爆序列的起爆實驗及實驗結(jié)果

使整個微小型傳爆序列處于發(fā)火狀態(tài),首級火工品為電雷管,通電起爆。將導(dǎo)爆索固定在鋁塊上,觀察導(dǎo)爆索是否被起爆,實驗裝置如圖5。

實驗結(jié)果為微型雷管爆炸,而導(dǎo)爆索完好,說明此微小型傳爆序列的傳爆實驗失敗。實驗失敗的主要原因微型雷管的起爆能力不足起爆導(dǎo)爆索,而結(jié)果與理論計算不符的原因可能是理論計算只是用于穩(wěn)定爆轟,而此微小型傳爆序列的傳爆為非理想爆轟。解決的方法是采用起爆能力更強的雷管,或者重新使用導(dǎo)爆藥片來傳爆,但是需要解決的問題是找到臨界尺寸和爆轟成長長度更小的新型炸藥來滿足導(dǎo)爆藥片的傳爆。

圖5 起爆實驗裝置

3 結(jié)論

盡管此微小型傳爆序列的傳爆實驗失敗,但是對于引信隔爆機構(gòu)的小型化作了有益的嘗試,而且能夠明顯看出微小型傳爆序列的某些優(yōu)點,此微小型傳爆序列用厚度僅為0.5mm的可移動滑塊代替了原來的裝配雷管的滑塊或轉(zhuǎn)子,大大減小了隔爆機構(gòu)的體積,實現(xiàn)了引信的小型化,從而可以增加戰(zhàn)斗部的裝藥,也能夠增加引信探測和信號處理電路的安放空間,增強武器的智能化和精準(zhǔn)化。

此微小型傳爆序列在軍事方面對小口徑武器引信的發(fā)火和隔爆很有價值。而且應(yīng)用這種微小型傳爆序列的引信體積很小,可組成爆炸陣列,可以實現(xiàn)對多點起爆的高級控制,極大的提高了武器系統(tǒng)的精確度和殺傷性。在民用方面,應(yīng)用這種傳爆序列能用于比如輸出各種能量如震動、熱能、壓力、動能,化學(xué)能的小型化裝置如爆炸螺栓、起爆索,執(zhí)行器、自毀裝置,火箭發(fā)動機等等,具有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006:249,30,257.

[2] 朱森元.小口徑速射火炮武器系統(tǒng)發(fā)展展望[J].兵工自動化,2008,27(6):1-4.

[3] Charles H R.Micro-scale firetrain for ultra-miniature electro-mechanical safety and arming device:US,7055437 b1[P].2006.

[4] 黃寅生,金建峰,張春祥,等.小直徑鉛皮金屬導(dǎo)爆索異常情況下的傳爆[J].火工品,2002(2):9-11.

[5] 劉平谷,乃古.傳爆藥柱參數(shù)可靠性設(shè)計方法研究[J].火工品,2004(3):34-36.

[6] 王凱民,嚴(yán)楠,蔡瑞嬌,等.引信用雷管的沖擊波傳爆與隔爆機理研究[C]//中國兵工學(xué)會第十五屆引信學(xué)術(shù)年會論文集,2007.