劉 斌，徐志強，李曉波，梁深根，葉 濤

（湖北航天飛行器研究所，湖北 武漢，430040）

中心裝藥徑向膨脹式拋撒是子母戰(zhàn)斗部中較為廣泛使用的一種拋撒方式，它利用火藥燃燒釋放出來的高壓氣體作為動力，推動子彈拋離母彈，并使子彈獲得要求的拋撒速度和拋撒姿態(tài)。點火具是中心裝藥徑向膨脹式拋撒方式的重要組成部分，其利用自身裝藥燃燒速度快的特點，點燃拋撒裝藥，使得拋撒裝藥產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，為子彈的拋撒提供動力源。由于點火具是該拋撒方式工作的第1個環(huán)節(jié)，因此，其是否正常工作將直接影響到子彈能否正常拋撒，完成預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。

本文對點火具的典型結(jié)構(gòu)及工作過程進行簡單介紹，針對傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)建立起試驗測試系統(tǒng)，對其內(nèi)部壓力分布情況和傳火時間進行了測試，分析其存在的問題。由此提出了一種新型裝藥結(jié)構(gòu)，對比試驗表明該裝藥結(jié)構(gòu)能極大地改善點火具的點傳火特性，可廣泛用于對點火一致性有較高要求的場合。

1 點火具的典型結(jié)構(gòu)及工作機理

點火具主要由點火藥柱、點火管、基座和點火器等組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。點火藥柱內(nèi)裝有火藥，放置在點火具的中心；點火管為一端密封的管狀結(jié)構(gòu)，其壁上分布有若干個傳火孔；點火管安裝在點火藥柱外部，非密封端固定在基座上，其可對點火藥柱進行軸向和徑向約束固定；點火器安裝在基座上的點火孔內(nèi)，作用后輸出火焰，對點火藥柱進行點火。

圖1 點火具的典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The typical structure of igniter

點火具的點傳火過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，也是影響拋撒性能的重要因素，其工作機理為：點火器作用輸出火焰后，點火藥柱靠近點火端首先燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的氣體和熾熱的固體顆粒，通過對流與輻射傳熱持續(xù)燃燒，并形成使氣體向前運動的壓力梯度。該壓力梯度沿點火具軸向方向逐漸變小，它促使火藥氣體在點火藥中高速滲透，并以對流及輻射傳熱的方式加熱周圍的藥粒，當藥粒表面溫度達到著火溫度時這些藥粒就相繼被點燃，從而形成火焰陣面的傳播?；鹧骊嚸娈a(chǎn)生的高溫、高壓的氣體和熾熱固體顆粒在點火管內(nèi)的高壓作用下從傳火孔處噴出，點燃拋撒裝藥。從點火具的工作機理可以看出：點火藥柱的燃燒是通過壓力梯度來推進的，穩(wěn)定的壓力梯度確保了點火具能夠正常、穩(wěn)定、快速的燃燒。點火藥柱的燃燒速度越快，傳火時間就越短，從沿軸向方向上的傳火孔處噴出的兩相產(chǎn)物的一致性就越好，這樣拋撒裝藥的點燃一致性就好。

由于點火具的點傳火是依靠點火藥柱自身的燃燒來實現(xiàn)的，因此，點火藥柱的裝藥類型和結(jié)構(gòu)形式就直接影響了點火管內(nèi)的壓力梯度，進而決定了點火具的點傳火特性。但是，目前點火具的設(shè)計還沒有形成切實可行的理論，評估點火具點火性能的優(yōu)劣主要依賴點火管內(nèi)的壓力分布情況（即壓力和壓力梯度）和動態(tài)試驗效果（即傳火時間）。

2 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗情況

2.1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)

某點火具的傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示（以下簡稱“傳統(tǒng)狀態(tài)”）。

圖2 傳統(tǒng)狀態(tài)點火藥柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure schematic of traditional ignition charge

2.2 試驗方案

試驗采取地面靜態(tài)垂直點火方式，將試驗產(chǎn)品垂直向上放置，下端使用點火器進行點火。在點火具的傳火孔區(qū)域沿軸線方向均布安裝3個壓力傳感器，對其內(nèi)部壓力進行測試，同時使用高速攝像對整個傳火過程進行拍攝，獲取傳火時間（注：傳火時間取高速攝像拍攝的從首排傳火孔開始冒火到末排傳火孔開始冒火的時間差），試驗方案示意圖見圖3。

圖3 試驗方案示意圖Fig.3 Diagram of test scheme

2.3 試驗結(jié)果

傳統(tǒng)狀態(tài)的點火具進行了5發(fā)點傳火試驗，其傳火情況如圖4所示，測試結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)狀態(tài)點火具的傳火情況Fig.4 The fire scene of traditional igniter

表1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果Tab.1 Test result of traditional ignition charge

圖5 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線Fig.5 Pressure curve of traditional ignition charge

2.4 結(jié)果分析

對試驗情況進行分析，可以看出：

（1）點傳火過程中，有時在點火管中部位置會出現(xiàn)傳火中斷，而后再繼續(xù)傳火的異?，F(xiàn)象（圖4中2ms時的景象）；由于傳火中斷的時間不可控，很大程度上影響了傳火時間（如表1第1、4發(fā)試驗），有時，甚至出現(xiàn)了傳火中斷不再繼續(xù)傳火的情況（如表1第5發(fā)試驗，試驗后發(fā)現(xiàn)較多未燃燒的殘藥）。以上現(xiàn)象說明點火藥柱在傳統(tǒng)點火管內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，造成了傳火異常；

（2）表1中第1、4發(fā)試驗的點火管內(nèi)壓力分布差異大，無梯度規(guī)律，傳火時間偏長且不穩(wěn)定；第2、3發(fā)試驗的管內(nèi)壓力分布有明顯的壓力梯度，即距離點火端越遠，壓力越小，且梯度較穩(wěn)定，傳火時間較短，說明穩(wěn)定的壓力梯度有利于縮短傳火時間；

（3）在點火管內(nèi)壓力分布情況基本相同的條件下，第1發(fā)的點火管內(nèi)壓力高于第4發(fā)，傳火時間也短于第4發(fā)；第3發(fā)的點火管內(nèi)壓力高于第2發(fā)，傳火時間也短于第2發(fā)試驗；說明在點火管內(nèi)壓力越大，傳火時間越短；

（4）圖5壓力曲線中，點火管的下部和中部均達到壓力峰值的時間間隔為0.94ms，中部和上部均達到壓力峰值的時間間隔為 3.16ms，時間間隔相差較大；說明點火藥柱從下部到中部的燃燒速度比從中部到上部的燃燒速度要快，點火藥柱在點火管內(nèi)的燃燒速度不穩(wěn)定；

（5）5發(fā)試驗產(chǎn)品的狀態(tài)完全相同，但是測得的傳火時間和壓力分布差異較大，說明該裝藥結(jié)構(gòu)的點傳火性能不穩(wěn)定。

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著距點火端距離的增加而減小的壓力梯度分布可以縮短傳火時間；

（2）在點火管內(nèi)壓力分布情況基本相同的條件下，點火管內(nèi)壓力越大，傳火時間越短；

（3）傳統(tǒng)狀態(tài)點火具中的點火藥是顆粒狀的散裝藥，其在點火藥柱中的堆積方式是隨機不可控的，存在易發(fā)生傳火異常、點傳火性能不穩(wěn)定等缺點。

3 裝藥結(jié)構(gòu)分析

3.1 傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)存在的問題

傳統(tǒng)狀態(tài)點火具中的點火藥呈顆粒狀，裝填密度約為 1.1g/cm3，燃速約為 9mm/s，火藥力為 250～300kJ/kg，固體產(chǎn)物約占 46%～68%。點火藥柱在點火管內(nèi)燃燒時，具備流散性好，易于點燃和火焰?zhèn)鞑サ奶攸c，其燃燒產(chǎn)生高溫、高壓的氣體和熾熱的固體顆?？梢暂^快地從傳火孔中噴射點燃拋撒裝藥，加速了拋撒裝藥的全面引燃。但是，這種裝藥結(jié)構(gòu)存在以下缺點：

（1）點火藥是密實堆積的裝藥結(jié)構(gòu)，在點火藥柱被點燃的瞬間，底端的點火藥首先被引燃，火藥氣體通過點火藥間隙的流動受到很大阻礙，因此易形成壓力沖擊使未引燃的點火藥向中心管的頂端運動，使其發(fā)生堆積，頂端壓力增大，造成點火管不同部位處輸出壓力值相差較大，影響點火藥的正常燃燒，出現(xiàn)燃燒異常的現(xiàn)象；

（2）點火藥在點火藥柱的堆積方式是隨機不可控的，導(dǎo)致相同狀態(tài)的點火具測得的試驗數(shù)據(jù)差異較大，說明點傳火性能不穩(wěn)定；

（3）點火藥柱的剛性較差，在壓力作用下容易發(fā)生彎曲將傳火通道堵塞，導(dǎo)致傳火不通暢。

3.2 改進裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于傳統(tǒng)狀態(tài)點火具的傳火時間不穩(wěn)定，且誤差較大，將影響母彈的拋撒姿態(tài)，從而影響子母彈的最終作用效果。因此，有必要對傳統(tǒng)狀態(tài)點火具進行優(yōu)化設(shè)計，提高其裝藥性能。通過查閱相關(guān)文獻資料，發(fā)現(xiàn)了一種成型裝藥——奔奈藥管可作為點火藥的替代品。奔奈藥管呈細長的圓管狀，密度約為 1.6 g/cm3，燃速約為2cm/s，火藥力約為520kJ/kg，固體產(chǎn)物少。奔奈藥管的主要優(yōu)點包括[2]：

（1）奔奈藥管呈圓管狀，有“天然”的傳火通道，既有利于傳火通暢，又增加了燃燒面積；

（2）奔奈藥管為成型裝藥，藥型排列規(guī)則有序、結(jié)構(gòu)密實、燃燒層厚度一致，不存在裝藥結(jié)構(gòu)隨機性的問題，燃燒穩(wěn)定有規(guī)律；

（3）奔奈藥管具備一定強度和剛度，燃燒時不易發(fā)生堆積而堵塞傳火通道，并且在運輸和長期貯存環(huán)境不會破碎、吸潮和失效。

鑒于奔奈藥管具備熱量高、藥條形狀規(guī)整、燃燒層厚度一致、燃燒規(guī)律易控制，且在點火管中易于保持火焰?zhèn)鞑サ葍?yōu)點，將其安裝在點火藥柱的中央，正對點火通道。但是，由于拋撒裝藥的點燃是依靠從傳火孔噴出來的點火藥柱燃燒產(chǎn)生的熾熱固體顆粒，而奔奈藥管的點燃性能不如黑火藥，燃燒產(chǎn)物中熾熱固體顆粒較少，不利于拋撒裝藥的點燃。因此，使用時還需要在其外壁包覆一層黑火藥，通過其將黑火藥點燃，產(chǎn)生熾熱固體顆粒，從傳火孔噴出來點燃拋撒裝藥。這種黑火藥與奔奈藥管相結(jié)合的新型裝藥結(jié)構(gòu)可互補兩種點火藥的不足，從而有效提高點火具的點傳火特性。

4 改進裝藥結(jié)構(gòu)的試驗情況

4.1 改進裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝藥質(zhì)量和火藥力計算，在保證總能量不變的條件下，對傳統(tǒng)狀態(tài)點火具的裝藥結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。改進狀態(tài)的裝藥結(jié)構(gòu)（以下簡稱“改進狀態(tài)”）如圖6所示。

圖6 改進狀態(tài)點火藥柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure schematic of improved ignition charge

4.2 試驗結(jié)果

改進狀態(tài)的點火具進行了5發(fā)試驗，其傳火情況如圖7所示，測試結(jié)果如表2和圖8所示。

圖7 改進狀態(tài)點火具的傳火景象Fig.7 The fire scene of improved igniter

表2 改進狀態(tài)裝藥結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果Tab.2 Test result of improved ignition charge

圖8 改進裝藥結(jié)構(gòu)的壓力曲線Fig.8 Pressure curve of improved ignition charge

4.3 結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可以看出：

（1）從圖7中可以明顯看出從點火具的底端傳遞至頂端的過程中未出現(xiàn)傳火中斷的異?，F(xiàn)象；

（2）改進狀態(tài)點火具的內(nèi)部壓力分布穩(wěn)定且壓力值明顯高于傳統(tǒng)狀態(tài)的點火具，并且形成了距點火端距離的增加而減小的壓力梯度，且梯度較穩(wěn)定；

（3）改進狀態(tài)點火具的傳火時間與傳統(tǒng)狀態(tài)相比極大地縮短，且時間穩(wěn)定，說明改進狀態(tài)點火具燃燒所形成的穩(wěn)定的壓力梯度有助于提高點傳火特性，大大地縮短了傳火時間，且時間穩(wěn)定；

（4）圖8壓力曲線中，點火管的下部和中部均達到壓力峰值的時間間隔與中部和上部均達到壓力峰值的時間間隔相同，均為0.2ms，與傳統(tǒng)始狀態(tài)相比，時間間隔一致且明顯縮短，說明了改進狀態(tài)點火具的燃燒穩(wěn)定且速度快；

（5）圖8中距離點火端越遠，壓力啟動時間越晚，達到峰值的時間也越晚，峰值也逐漸變小，但時間間隔是恒定的，均為0.2ms。由于測壓點位置在傳火孔區(qū)域沿軸線方向均勻分布，說明單位時間內(nèi)壓力傳遞的距離是恒定的，進而表明改進狀態(tài)點火具的壓力傳遞是穩(wěn)定的。

上述分析表明改進狀態(tài)點火具的燃燒穩(wěn)定且速度快，點火管內(nèi)壓力高且形成了穩(wěn)定的壓力梯度，大大改善了傳統(tǒng)狀態(tài)點火具的點傳火特性，同時也驗證了傳統(tǒng)狀態(tài)點火具試驗中得到的結(jié)論。

5 結(jié)語

本文針對子母彈拋撒技術(shù)中的中心膨脹式拋撒方式，對其點火具進行了介紹，并以某點火具為研究對象，通過驗證試驗，發(fā)現(xiàn)其存在的問題和不足。由此提出了一種奔奈藥管與黑火藥組合的新型裝藥結(jié)構(gòu)，并通過試驗進行對比，驗證了其在傳火方面的優(yōu)越性。

本文的試驗結(jié)果不僅能指導(dǎo)中心膨脹式拋撒方式中的點火具優(yōu)化設(shè)計，還適用于其它對點火一致性有較高要求的產(chǎn)品，具有廣泛的使用前景。

[1]任慧,喬小晶,等.提高點火管點火性能的一種方法[J].含能材料,2001,9(4):168-171.

[2]吳騰芳.爆炸物識別圖冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[3]李國新,程國元,焦清介.火工品實驗與測試技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.