李 明，袁玉紅，葛瑞榮，趙金成，高佳佳

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高氯酸鉀含量百分比對延期點火具延時精度的影響

李 明，袁玉紅，葛瑞榮，趙金成，高佳佳

（國營九三七四廠，安徽合肥，231135）

制式鎢延期藥高氯酸鉀含量百分比為9%～11%，針對其無法滿足18～21s長秒量延期點火具延期時間精度要求的問題，提出一種調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法。制備了高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥，裝填延期點火具，在常溫下進行試驗，試驗結(jié)果滿足延期點火具的延期時間精度要求。同時對新型鎢延期藥反應(yīng)機理進行了理論分析，并通過試驗驗證了含13%~15%高氯酸鉀的鎢延期藥可應(yīng)用于最長延期時間22~25s（±1.5s）的延期點火具。

點火具；延期藥；高氯酸鉀；含量；延時精度

配用于某型火箭干擾彈的延期點火具的延期時間為其主要戰(zhàn)技指標之一，延期時間精度決定干擾劑的播撒密集度，是高效作戰(zhàn)的有力保證[1]。該延期點火具延期時間為18～21s，且火箭發(fā)動機尾部點火壓力較大，需采用多次裝、壓鎢延期藥方法制造，但此方法制造的延期點火具延期時間精度難以保證。本文介紹一種調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)對延期點火具下達的延期時間18～21s戰(zhàn)技指標要求，同時對該方法作用機理進行了理論分析與試驗驗證。

1 作用原理

在某型火箭干擾彈中，延期點火具內(nèi)裝引燃藥在密閉空間內(nèi)被火箭發(fā)動機作用后輸出火焰點燃，引燃藥點燃鎢延期藥，經(jīng)歷18～21s延期后，輸出火焰點燃點火具內(nèi)裝輸出藥劑，輸出藥劑輸出火焰點燃下級藥盒，完成延期點火功能。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 某延期點火具結(jié)構(gòu)圖

2 高氯酸鉀含量對延期點火具延期時間精度的影響

2.1 制式鎢延期藥

某高氯酸鉀含量百分比為9%～11%制式鎢延期藥廣泛應(yīng)用于不同延期時間的延期點火具，但研究發(fā)現(xiàn)，該鎢延期藥僅適用于延期時間小于12s（精度±0.6可有效保證）的延期點火具，隨著延期時間的增加，其裝配的延期點火具延期時間散差加大。在=50mm，=15mm，=2mm，室溫25℃、相對濕度55%的條件下裝配的延期點火具試驗結(jié)果見表1。

表1 制式鎢延期藥裝配延期點火具靜態(tài)試驗結(jié)果

Tab.1 Static test results of delay ignitors with standard tungsten type delay composition

注：延期時間要求為18~21s。

該延期點火具采用多次裝藥壓藥方法制造，裝配過程中受裝藥次數(shù)、壓藥設(shè)備、裝藥誤差、壓力傳遞等多因素影響[2]，延期時間越長，裝藥壓藥次數(shù)越多，累計誤差越大。從表1可以看出：當延期時間指標為18～21s時，該制式鎢延期藥裝配的延期點火具在高溫、低溫及常溫條件下延期時間超上限出現(xiàn)概率分別為5%、10%及8%，超下限出現(xiàn)的概率分別為6%、5%及5%。

2.2 調(diào)整高氯酸鉀后的鎢延期藥

對此，本文提出調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，制備成新型鎢延期藥，并裝配延期點火具。表2為高氯酸鉀含量百分比為12%及14%時新型鎢延期藥裝配的延期點火具試驗結(jié)果。

表2 新型鎢延期藥裝配延期點火具靜態(tài)試驗結(jié)果

Tab.2 Static test results of delay igniter with improved delay composition

從表2可以看出，高氯酸鉀含量百分比為12%時，新型鎢延期藥裝配的延期點火具在常溫及低溫試驗時分別出現(xiàn)2發(fā)延期時間超上限，其余均滿足指標要求；高氯酸鉀含量百分比為14%時，新型鎢延期藥裝配的延期點火具高溫、低溫及常溫條件下延期時間均滿足指標要求。

同時，筆者對不同高氯酸鉀含量百分比時鎢延期藥裝配的延期點火具，在常溫條件下進行了相關(guān)試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同高氯酸鉀含量百分比的延期點火具靜態(tài)試驗結(jié)果

Tab.3 Static test results of delay ignitors with different percentage of KClO4 content

從表3可以看出，對于=50mm、=15mm、=2mm的延期點火具，其延期時間精度隨著鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的升高而提高；當高氯酸鉀含量百分比處于13%～15%時延期點火具可滿足18～21s指標要求；當鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比超過15%時，出現(xiàn)點火困難和斷火現(xiàn)象。

3 高氯酸鉀含量百分比對延期時間影響的機理分析

本文使用的長秒延期藥為鎢系延期藥劑，屬于微氣體延期藥，其配方為鎢粉、高氯酸鉀、鉻酸鋇體系。為了調(diào)整燃速，加入硅藻土作為惰性填料（質(zhì)量分數(shù)為5%）。其化學反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)物配比可以由氧平衡來確定。

反應(yīng)機理為：

KClO4→KCl+2O2↑ （1）

4BaCrO4→4BaO+2Cr2O3+3O2↑ （2）

2W+3O2→2WO3（3）

BaO+ WO3→BaWO4（4）

在零氧平衡時，氧化劑供給氧正好完全氧化金屬可燃劑。如果多余，氧化劑與可燃劑只能作為惰性物考慮，它們將在反應(yīng)中起“熱沉”作用，吸收反應(yīng)放出的熱量，使溫度和燃速下降。

零氧平衡三元混合物反應(yīng)方程為：

3KClO4+8BaCrO4+8W→3KCl+8BaWO4+4Cr2O3（5）

++=95 （6）

式（6）~（7）中：()為KClO4的相對分子質(zhì)量，138.55g/mol；()為BaCrO4的相對分子質(zhì)量，253.32g/mol；()為W的相對分子質(zhì)量，183.84 g/mol；--為氧化劑KClO4的質(zhì)量組成，%；為氧化劑BaCrO4的質(zhì)量組成，%；為可燃劑W的質(zhì)量組成，%；經(jīng)過計算可得零氧平衡時三元混合物的配比為∶∶等于10.1∶49.2∶35.7。

氧差計算公式為：

式（8）中：為藥劑中可燃劑完全氧化所需氧量和藥劑所含氧量之差；為1g氧需要消耗KClO4的量，2.17g；為1g氧需要消耗BaCrO4的量，10.55g；為1g氧能氧化W的量，3.83g。

根據(jù)式（8）計算藥劑氧差，氧差隨著氧化劑KClO4的百分比含量的變化曲線如圖2所示，從圖2中可取零氧平衡時高氯酸鉀的含量百分比為10.5，這與理論計算結(jié)果比較吻合。

圖2 高氯酸鉀含量百分比與藥劑氧差關(guān)系曲線圖

綜上所述，當高氯酸鉀含量百分比小于10.5%時，藥劑配方屬于負氧平衡，可燃劑不能完全燃燒，且燃燒過程中產(chǎn)生的高溫高壓氣體較少，內(nèi)部環(huán)境壓力較小，燃燒產(chǎn)生氣體不能及時排出，燃燒環(huán)境壓力不穩(wěn)，燃速處于波動狀態(tài)，故延期時間散差較大；當高氯酸鉀含量百分比大于10.5%小于13%時，藥劑配方由負氧平衡變?yōu)檎跗胶?，藥劑燃燒產(chǎn)生氣體較多，內(nèi)部環(huán)境壓力變大，氣體排出量增大，燃燒環(huán)境漸趨穩(wěn)定，燃速波動較小，故延期時間散差減??；當高氯酸鉀含量百分比增加到13%～15%時，藥劑延期精度達到技術(shù)要求，這是因為正氧平衡時藥劑燃燒過程產(chǎn)生的高溫高壓氣體增多，壓力增大且燃燒產(chǎn)生氣體可有效排出，燃燒環(huán)境壓力穩(wěn)定，藥劑均勻燃燒，燃速穩(wěn)定，延期時間精度較高；而當高氯酸鉀含量百分比大于15%時，因高氯酸鉀開始反應(yīng)時的分解反應(yīng)屬于吸熱過程，故出現(xiàn)點火困難和斷火現(xiàn)象[3]。因此，延期點火具延期時間精度主要決定于其內(nèi)裝鎢延期燃燒所處壓力環(huán)境是否穩(wěn)定。

4 驗證試驗

在其它尺寸一致的條件下，設(shè)計4種不同長度的延期點火具殼體，即=15mm、=2mm，分別選取1=35mm、2=50mm、3=70mm、4=80mm，在室溫25℃、相對濕度55%的環(huán)境下分別用高氯酸鉀含量百分比為9%～11%制式鎢延期藥，以及高氯酸鉀含量百分比為13%～15%新型鎢延期藥，裝配延期時間分別為10.4～11.6s、18～21s、22～25s及26～29s延期點火具，綜合試驗結(jié)果見表4。

表4 不同延期時間段延期點火具靜態(tài)試驗對比結(jié)果

Tab.4 Static test results of delay ignitors and new ones

從表4可以看出，用高氯酸鉀含量為9%～11%制式鎢延期藥裝填延期點火具，可有效滿足設(shè)計技術(shù)指標為10.4～11.6s的延期時間精度要求，無法保證設(shè)計技術(shù)指標為18～21s、22～25s及26～29s延期時間精度要求；用高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥裝填延期點火具，可有效滿足設(shè)計技術(shù)指標為10.4～11.6s、18～21s 及22～25s延期時間精度要求，對于設(shè)計技術(shù)指標為26～29s的延期點火具，試驗結(jié)果出現(xiàn)1發(fā)延期時間超上限現(xiàn)象；同時，同一延期時間設(shè)計技術(shù)指標下，對比兩種不同鎢延期藥裝填的延期點火具延期時間標準偏差，發(fā)現(xiàn)含13%~ 15%高氯酸鉀的延期藥明顯小于含9%~11%高氯酸鉀的延期藥。

分析試驗結(jié)果可見：隨著延期時間設(shè)計技術(shù)指標的增加，高氯酸鉀含量百分比較低（9%～11%）的制式鎢延期藥無法滿足長秒量延期點火具延期時間精度要求。這是由于延期時間要求越長，其燃燒時內(nèi)部壓力越不穩(wěn)定，故試驗結(jié)果散差越大；而高氯酸鉀含量百分比較高（13%～15%）的新型鎢延期藥可有效滿足設(shè)計技術(shù)指標22～25s以下秒段的延期時間精度要求（精度±1.5可有效保證），且隨著延期時間指標的增大，試驗數(shù)據(jù)散差存在增大趨勢。當延期點火具設(shè)計技術(shù)指標為26～29s時，延期點火具燃燒時產(chǎn)生高溫高壓氣體不能及時排出，燃燒環(huán)境壓力不穩(wěn)定，出現(xiàn)延期時間超上限現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）針對制式鎢延期藥無法滿足設(shè)計技術(shù)指標為18～21s長秒量延期點火具延期時間精度的問題，提出一種通過調(diào)整鎢延期藥中高氯酸鉀含量百分比的方法，制備高氯酸鉀含量百分比為13%～15%的新型鎢延期藥，裝填延期點火具，實現(xiàn)了長秒量延期點火具延期時間精度要求。

（2）對新型鎢延期藥實現(xiàn)長秒量延期點火具延期時間精度的機理進行了理論分析與試驗驗證，同時得出該新型鎢延期藥可應(yīng)用于最長延期時間為22～25s（精度±1.5可有效保證）的延期點火具，對于延期時間設(shè)計指標為26～29s及以上（精度±1.5s）的延期點火具其應(yīng)用具有一定的局限性。

[1] 蔡瑞嬌.火工品原理與設(shè)計[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2004.

[2] 袁玉紅,葛瑞榮,等.鉛延期索在某型人雨彈中的應(yīng)用[J].火工品,2014(6):20-22.

[3] 王凱民.火工品工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

Effect of Percentage of Potassium Perchlorate Content on Delay Precision of Delay Ignitor

LI Ming, YUAN Yu-hong, GE Rui-rong, ZHAO Jin-cheng, GAO Jia-jia

(State-run 9374 Factory, Hefei, 231135)

Aimed at the problem that the standard tungsten type delay composition, which contains 9% to 11% potassium perchlorate(KClO4), can’t meet the requirement of 18~21s delay time for some igniter, a method of adjusting the content of potassium perchlorate was proposed. The new delay composition containing 13%~15% potassium perchlorate was prepared and charged to delay igniter, and tested under ordinary temperature. The test results met with the needs of delay accuracy. Meanwhile, the reaction mechanism of new delay composition was analyzed, and the verification test indicated that the new delay composition containing 13%~15% potassium perchlorate can be applied to delay igniter with long delay time of 22~25s(±1.5s).

Igniter; Delay composition；KClO4；Content；Delay precision

1003-1480（2017）03-0034-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.009

2017-03-10

李明（1968 -），男，工程師，主要從事火工品質(zhì)量技術(shù)管理工作。