哈海榮, 王團(tuán)盟, 魯忠寶, 黎 勤, 靳 冬

一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝

哈海榮1, 王團(tuán)盟1, 魯忠寶1, 黎 勤1, 靳 冬2

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 山西江淮重工有限責(zé)任公司, 山西 晉城, 048000)

為減少戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝藥補(bǔ)縮量不足導(dǎo)致的裝藥缺陷, 提高裝藥質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量,優(yōu)化炸藥的爆轟性能, 增強(qiáng)戰(zhàn)斗部的毀傷威力, 文中在常規(guī)熱塑態(tài)裝藥的工藝基礎(chǔ)上, 以DNAN基含鋁炸藥為對(duì)象, 提出了一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝。該改進(jìn)工藝采取保證保溫裝置溫度、減緩注藥速度、減少炸藥轉(zhuǎn)運(yùn)、減小降溫梯度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間以及重新設(shè)計(jì)裝藥補(bǔ)縮裝置等措施, 以提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 減少缺陷, 進(jìn)而提高戰(zhàn)斗部的安全性。改進(jìn)工藝前后的對(duì)比試驗(yàn)表明, 改進(jìn)后的戰(zhàn)斗部裝藥密度從1.70 g/cm3提高到1.78 g/cm3, 增加了4.71%; 戰(zhàn)斗部裝藥量和裝藥內(nèi)部質(zhì)量均得到提升, 彌補(bǔ)了裝藥缺陷, 抑制了縮孔和空隙的產(chǎn)生。熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝簡(jiǎn)單易行、實(shí)用可靠, 可為大、中型戰(zhàn)斗部熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量的提高提供參考。

戰(zhàn)斗部; DNAN基炸藥; 熱塑態(tài)裝藥; 改進(jìn)工藝; 裝藥密度; 裝藥質(zhì)量

0 引言

裝藥是彈藥生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。目前已知的裝藥方法較多, 熱塑態(tài)裝藥便是其中常用的一種。熱塑態(tài)裝藥所用的炸藥包中含有低熔點(diǎn)物質(zhì)和高熔點(diǎn)物質(zhì), 具有可塑性, 同時(shí)可根據(jù)不同的需要在藥包中加入鋁粉等助劑, 以提高炸藥的不同性能[1-2]。對(duì)于熱塑態(tài)裝藥工藝的已知研究較少。為提高裝藥質(zhì)量, 董素榮等[3]提出振動(dòng)、粒度級(jí)配及納米金屬粉等方法; 段愛梅[4]提出真空振動(dòng)裝藥法; 馮文武等[5]提出了真空塑化振動(dòng)、顆粒級(jí)配、精確稱量加壓成型及大真空室裝藥等裝藥方法。

2,4-二硝基苯甲醚(dinitroanisole, DNAN)作為低易損性炸藥, 因具有沖擊波和熱感度較低等優(yōu)點(diǎn), 成為混合炸藥的重要載體之一。對(duì)于DNAN基炸藥熔鑄裝藥工藝, 國(guó)內(nèi)外都展開了相應(yīng)研究。美國(guó)皮卡汀尼兵工廠研發(fā)了一系列采用DNAN基的低成本、低感度PAX(Picatinny Arsenal Explosive)系列炸藥[6]。在國(guó)內(nèi), 水中兵器戰(zhàn)斗部“兩高一低”DNAN基混合炸藥研究發(fā)展迅速[7]。同時(shí), 許多DNAN基炸藥的裝藥工藝和方法被提出, 如王春光等[8]提出一種以DNAN為介質(zhì)配制鈍感炸藥的方法; 牛國(guó)濤等[9]提出分區(qū)裝藥的方法; 羅一鳴等[10]和牛國(guó)濤等[11]通過加入助劑和改善工藝提高裝藥質(zhì)量; 金大勇等[12]提出預(yù)整形同步塊鑄技術(shù); 蒙君煚等[13]提出壓力澆鑄與真空澆鑄成型工藝。

某戰(zhàn)斗部以DNAN基炸藥為主裝藥, 采用熱塑態(tài)裝藥工藝進(jìn)行裝填。通過采用上述方法雖提高了DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 但仍不能滿足戰(zhàn)斗部對(duì)裝藥質(zhì)量的要求。DNAN基炸藥的常規(guī)熱塑態(tài)裝藥方法存在裝藥內(nèi)部質(zhì)量較差, 藥柱易出現(xiàn)粗結(jié)晶、氣孔、縮孔、裂紋等缺陷; 裝藥密度較小; 裝藥量較少及裝藥不均勻等問題, 難以滿足使用要求, 工藝技術(shù)有待提高。基于此, 文中在分析常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝存在的問題及原因的基礎(chǔ)上, 提出了一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝。與常規(guī)裝藥工藝相比, 改進(jìn)工藝的裝藥缺陷明顯減少, 裝藥的內(nèi)部質(zhì)量顯著改善, 裝藥密度和裝藥量明顯增加。

1 常規(guī)熱塑態(tài)裝藥

1.1 裝藥過程

熱塑態(tài)裝藥時(shí), 炸藥注入彈體中會(huì)發(fā)生結(jié)晶與凝固, 釋放一定的熱量。同時(shí), 在裝藥過程中如未控制好工藝條件, 炸藥冷卻會(huì)導(dǎo)致體積收縮, 從而造成粗結(jié)晶、氣孔、縮孔及裂紋等缺陷。

某戰(zhàn)斗部為提高DNAN基熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量, 炸藥采用真空混合塑化方法。裝藥過程中增強(qiáng)振動(dòng), 將氣泡及時(shí)排出。同時(shí), 在裝藥過程中注藥速度不能過快, 振動(dòng)也不能過于劇烈, 以避免重新卷入空氣。其裝藥流程如圖1所示。

圖1 熱塑態(tài)裝藥流程圖

由于對(duì)裝藥內(nèi)部質(zhì)量、藥面平整度、裝藥密度和裝藥量等要求較高, 因此加工裝藥補(bǔ)縮裝置, 通過增加炸藥的補(bǔ)縮量來滿足裝藥要求。補(bǔ)縮裝置有2個(gè)冒口和多個(gè)小孔, 用于加注炸藥和散熱排氣, 裝藥補(bǔ)縮裝置如圖2所示。

圖2 裝藥補(bǔ)縮裝置

為減少快速降溫帶來的裝藥缺陷, 常采用保溫裝置進(jìn)行冷卻。保溫裝置如圖3所示。圖中, 上部為保溫桶, 內(nèi)部通蒸汽; 下部為水箱, 內(nèi)部通熱水。將完成裝藥的戰(zhàn)斗部置于保溫裝置下部的熱水箱內(nèi), 緩慢向上提升, 通過保溫裝置。完全脫離保溫裝置后, 將戰(zhàn)斗部轉(zhuǎn)移至保溫烘箱內(nèi), 保溫一定時(shí)間后隨保溫烘箱一起冷卻。

圖3 保溫裝置示意圖

1.2 裝藥質(zhì)量分析

1) 裝藥密度

通過戰(zhàn)斗部容腔注水法獲得裝藥體積, 通過防爆電子秤獲得裝藥前、后的戰(zhàn)斗部質(zhì)量, 進(jìn)而得到裝藥質(zhì)量, 隨即求得裝藥密度。

在某戰(zhàn)斗部裝藥中, 采用常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝, 戰(zhàn)斗部裝藥密度為1.70 g/cm3, 裝藥密度和裝藥量均未達(dá)到技術(shù)要求。裝藥密度較小, 導(dǎo)致相同情況下炸藥的爆轟性能較差, 戰(zhàn)斗部毀傷威力較弱; 同時(shí), 較小的密度也會(huì)導(dǎo)致相同容積下的裝藥量變小。

2) 裝藥缺陷

在戰(zhàn)斗部裝藥的徑向取4個(gè)典型部位進(jìn)行工業(yè)電子計(jì)算機(jī)斷層(computed tomography, CT) 掃描, 結(jié)果如圖4所示。掃描發(fā)現(xiàn), 戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部存在較大的裝藥缺陷, 缺陷與2個(gè)冒口對(duì)應(yīng), 且主要集中于裝藥上端, 特別是接近2個(gè)冒口處, 有明顯的縮孔和空隙。藥柱內(nèi)部缺陷較多, 均勻性較差, 導(dǎo)致出現(xiàn)裝藥密度較小、裝藥量不足等問題。同時(shí), 缺陷降低了藥柱的力學(xué)強(qiáng)度, 直接影響彈藥的安全性能, 在外界刺激下易于形成熱點(diǎn), 導(dǎo)致戰(zhàn)斗部安全性較差。

1.3 原因分析

通過對(duì)常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝流程的梳理, 發(fā)現(xiàn)造成某戰(zhàn)斗部裝藥內(nèi)部缺陷較多、裝藥密度較小、裝藥量不足的原因主要如下:

1) 由于保溫裝置采取敞口形式, 上端無密封措施, 保溫裝置內(nèi)部的實(shí)際溫度未能達(dá)到規(guī)定的數(shù)值, 原定的藥液在熔融狀態(tài)下補(bǔ)縮的方案難以實(shí)現(xiàn), 導(dǎo)致裝藥內(nèi)部不能及時(shí)補(bǔ)縮, 產(chǎn)生缺陷;

圖4 常規(guī)熱塑態(tài)裝藥后徑向不同位置的CT掃描照片

2) 塑化鍋的出料口較大, 且炸藥完全塑化后流動(dòng)性較好, 難以控制藥漿的流速;

3) 炸藥出鍋后通過提藥筒轉(zhuǎn)運(yùn)注入彈體時(shí), 炸藥表面已發(fā)生結(jié)晶, 在裝藥過程中帶來內(nèi)部缺陷, 進(jìn)而導(dǎo)致密度較低;

4) 炸藥載體DNAN的熔點(diǎn)相對(duì)較高, 在保溫冷卻過程中由于與環(huán)境溫度相差較大, 裝藥口部位的炸藥先固化, 導(dǎo)致補(bǔ)縮量不足, 致使裝藥量較少, 不能滿足要求。

因此, 有必要改進(jìn)熱塑態(tài)裝藥工藝, 并重新設(shè)計(jì)補(bǔ)縮裝置, 以提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 減少缺陷, 進(jìn)而提高戰(zhàn)斗部的安全性; 同時(shí), 提高戰(zhàn)斗部裝藥密度以及裝藥量, 優(yōu)化炸藥的爆轟性能, 增強(qiáng)戰(zhàn)斗部的毀傷威力。

2 熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝

2.1 裝藥工藝改進(jìn)

將炸藥注入到彈體中, 由于二者之間存在一定的溫差, 會(huì)對(duì)靠近彈體的炸藥產(chǎn)生迅速冷卻作用, 使其凝固較快, 而遠(yuǎn)離彈體的炸藥凝固較慢。炸藥凝固之后體積縮小, 縮小的地方得不到后續(xù)補(bǔ)縮時(shí), 就非常容易形成分散的縮孔和疏松等內(nèi)部缺陷, 導(dǎo)致裝藥密度較低、裝藥質(zhì)量較差。為減少戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝藥補(bǔ)縮量不足導(dǎo)致的裝藥缺陷, 提高裝藥質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量, 在常規(guī)熱塑態(tài)裝藥的工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 優(yōu)化藥漿質(zhì)量, 排出藥漿內(nèi)部氣體, 并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)縮。主要改進(jìn)如下:

1) 保證保溫裝置溫度。炸藥隨著溫度的降低逐漸凝固, 保溫裝置溫度太低, 會(huì)導(dǎo)致炸藥凝固過快, 易于出現(xiàn)缺陷, 裝藥密度也會(huì)很差。因此, 須改變炸藥的保溫方式, 使保溫裝置的內(nèi)部溫度達(dá)到相應(yīng)數(shù)值, 同時(shí)在裝藥出料前、后及注藥過程中也進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整, 保證炸藥在裝藥過程中始終處于熔融態(tài), 使戰(zhàn)斗部能順利完成裝藥內(nèi)部補(bǔ)縮, 并在之后保溫冷卻。

2) 減緩注藥速度。減小塑化鍋出料口徑, 控制藥漿流速, 避免卷入更多的空氣, 造成缺陷。

3) 減少炸藥轉(zhuǎn)運(yùn)。炸藥出鍋時(shí)直接注入戰(zhàn)斗部, 避免因轉(zhuǎn)運(yùn)而發(fā)生結(jié)晶, 導(dǎo)致流動(dòng)性變差, 難以補(bǔ)縮。

4) 減小降溫梯度, 延長(zhǎng)保溫時(shí)間。保溫時(shí)間延長(zhǎng), 有利于炸藥補(bǔ)縮和釋放內(nèi)部應(yīng)力, 同時(shí)減少缺陷, 提高裝藥密度。

5) 重新設(shè)計(jì)補(bǔ)縮裝置。增加裝藥后的炸藥補(bǔ)縮量, 并將缺陷引至補(bǔ)縮裝置內(nèi)。

2.2 裝藥補(bǔ)縮裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.2.1 功能設(shè)計(jì)

新型裝藥補(bǔ)縮裝置的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾點(diǎn)。

1) 充足的補(bǔ)縮量。之前由于裝藥補(bǔ)縮量不足, 導(dǎo)致裝藥出現(xiàn)較大的缺陷, 同時(shí)也導(dǎo)致裝藥密度較小、裝藥量不足, 因此增加裝藥補(bǔ)縮量是提高裝藥質(zhì)量最直接的手段, 增大補(bǔ)縮裝置的高度則是行之有效的方法。

2) 較大的散熱面積。為了增大裝藥的散熱面積, 除保留必要的結(jié)構(gòu), 多余結(jié)構(gòu)全部去掉, 裝藥與外界充分接觸, 加速熱量傳遞, 有利于減小炸藥內(nèi)部的溫差, 同時(shí)也利于氣體排出。

3) 較好的材料。在保證裝藥內(nèi)部質(zhì)量、裝藥密度和裝藥量的前提下, 選擇物美價(jià)廉、廣泛易得、傳熱性更好的材料。

4) 兼顧戰(zhàn)斗部特殊結(jié)構(gòu)?？紤]到戰(zhàn)斗部軸向存在特殊構(gòu)件, 設(shè)計(jì)了“橫板”結(jié)構(gòu), 用以保護(hù)特殊構(gòu)件。

根據(jù)以上原則, 設(shè)計(jì)得到的新型裝藥補(bǔ)縮裝置如圖5所示, 裝置由殼體、底座和橫板組成, 各部分通過螺栓連接為一個(gè)整體。

圖5 新型裝藥補(bǔ)縮裝置設(shè)計(jì)圖

新型裝藥補(bǔ)縮裝置的作業(yè)過程為: 首先, 將新型裝藥補(bǔ)縮裝置與戰(zhàn)斗部殼體連接; 然后, 將已處理好的炸藥通過新型補(bǔ)縮裝置注入彈體, 連續(xù)加注, 直至充滿補(bǔ)縮裝置, 同時(shí)還伴有振動(dòng)等處理, 持續(xù)的振動(dòng)可以有效排出氣體; 之后, 轉(zhuǎn)入保溫固化階段, 較長(zhǎng)時(shí)間的保溫處理可以使后續(xù)藥漿補(bǔ)充到裝藥冷卻時(shí)出現(xiàn)的收縮處, 以此來消除縮孔、裂紋等缺陷; 最后, 轉(zhuǎn)入修整藥面等后續(xù)流程。

2.2.2 結(jié)構(gòu)尺寸及材料

新型裝藥補(bǔ)縮裝置各組件具體情況如下。

1) 殼體

為增大裝藥補(bǔ)縮量, 需增加補(bǔ)縮裝置的高度。但高度過高, 既浪費(fèi)炸藥, 也影響裝藥的散熱速度, 同時(shí)還會(huì)增加處理廢藥的成本。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 殼體的高與內(nèi)徑之比約2∶3為宜, 既能保證充足的補(bǔ)縮量, 也能保證較好的散熱速度。

2) 底座

底座起到連接補(bǔ)縮裝置和戰(zhàn)斗部殼體的作用, 其內(nèi)徑與殼體保持一致。

3) 橫板

橫板高度與殼體高度一致, 寬度與所保護(hù)的結(jié)構(gòu)件一致。

考慮到實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等因素, 新型裝藥補(bǔ)縮裝置所有構(gòu)件的材料均為5A06鋁。按照尺寸和材料生產(chǎn)得到的實(shí)物如圖6所示。

新型裝藥補(bǔ)縮裝置較之前增高很多, 炸藥補(bǔ)縮量明顯增多, 同時(shí)加注藥口和排氣口更大。補(bǔ)縮裝置內(nèi)的炸藥與戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)的炸藥凝固時(shí)為一體, 在炸藥固化過程中, 通過增加補(bǔ)縮裝置的高度, 使缺陷上移出現(xiàn)在補(bǔ)縮裝置內(nèi), 便可提高戰(zhàn)斗部裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 增加裝藥密度和裝藥量。

圖6 新型裝藥補(bǔ)縮裝置實(shí)物圖

2.3 改進(jìn)工藝質(zhì)量分析

1) 裝藥密度

通過測(cè)量, 某戰(zhàn)斗部的裝藥密度由之前的1.70 g/cm3提高到1.78 g/cm3, 增加了4.71%, 裝藥量也滿足技術(shù)要求。

2) 裝藥缺陷

為了分析使用改進(jìn)工藝之后的裝藥質(zhì)量, 在戰(zhàn)斗部裝藥徑向取4個(gè)典型部位進(jìn)行工業(yè)CT掃描, 結(jié)果如圖7所示。照片顯示, 改進(jìn)工藝的裝藥質(zhì)量明顯提高, 戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝藥無明顯缺陷, 縮孔、空隙等缺陷基本消除, 裝藥均勻性得到很大改善, 裝藥質(zhì)量滿足使用要求。檢測(cè)數(shù)據(jù)也進(jìn)一步證明了改進(jìn)工藝可以有效消除裝藥缺陷, 提高裝藥密度和裝藥量。

圖7 使用改進(jìn)工藝后的裝藥徑向不同位置CT掃描照片

3 結(jié)束語(yǔ)

文中在分析常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝的基礎(chǔ)上, 研究了一種熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝, 并重新設(shè)計(jì)了裝藥補(bǔ)縮裝置, 同時(shí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn), 對(duì)裝藥密度、裝藥量、內(nèi)部質(zhì)量及其均勻性等進(jìn)行了分析。分析結(jié)果可知, 使用普通補(bǔ)縮裝置的常規(guī)熱塑態(tài)裝藥工藝進(jìn)行DNAN基炸藥的裝藥, 戰(zhàn)斗部裝藥量不足, 裝藥密度僅1.70 g/cm3; 同時(shí), 裝藥內(nèi)部質(zhì)量較差, 存在較多缺陷。而采用熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝, 并重新設(shè)計(jì)補(bǔ)縮裝置后, 裝藥密度達(dá)到1.78 g/cm3, 與常規(guī)裝藥工藝相比, 提高了4.71%, 裝藥量也明顯增加; 同時(shí), 改進(jìn)工藝提高了裝藥內(nèi)部質(zhì)量, 減少了裝藥缺陷, 抑制了縮孔和空隙的產(chǎn)生, 并改善了裝藥均勻性。熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝簡(jiǎn)單易行、實(shí)用可靠, 可為大、中型戰(zhàn)斗部熱塑態(tài)裝藥質(zhì)量的提高提供參考。

文中所研究的熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝, 提高了裝藥的內(nèi)部質(zhì)量, 但機(jī)理研究偏少, 后續(xù)應(yīng)對(duì)其固化機(jī)理進(jìn)行更深入的研究, 從理論上進(jìn)一步研究并改進(jìn)裝藥工藝, 提高裝藥內(nèi)部質(zhì)量。

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Improved Thermoplastic Charge Technique of DNAN-Based Explosive for Warhead

HA Hai-rong1, WANG Tuan-meng1, LU Zhong-bao1, LI Qin1, JIN Dong2

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2. Shanxi Jianghuai Heavy Industry Co., Ltd., Jincheng 048000, China)

To solve the problem of insufficient explosive charge shrinkage compensation in the warhead, raise the charge density and charge quantity, and optimize the detonation performance of the explosive, an improved thermoplastic charge technique of DNAN-based aluminized explosive for the warhead was proposed on the basis of the conventional thermoplastic charge technique of DNAN-based explosive. In this improved technique, the measures of ensuring the temperature of thermal insulation device, slowing down the charging speed, reducing the transport of explosives and the temperature gradient, prolonging the heat preservation time and redesigning the charge shrinkage compensation device were taken in order to improve the internal quality of warhead charge, reduce the defects and improve the safety of warhead. Comparative test of the conventional and improved techniques showed that the improved charge density of the warhead increased from 1.70 g/cm3to 1.78 g/cm3, increasing by 4.71%. Both the charge quantity and the internal quality of charge were improved, which made up for the charge defects and restrained the generation of shrinkage cavities and voids. This improved thermoplastic charge technique is simple, practical and reliable.

warhead; DNAN-based explosive; thermoplastic charge; improved technique; charge density; charge quality

TJ630; TJ410.5

A

2096-3920(2020)02-0209-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.014

2019-03-16;

2019-07-22.

哈海榮(1990-), 男, 碩士, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計(jì).

哈海榮, 王團(tuán)盟, 魯忠寶, 等. 一種戰(zhàn)斗部用DNAN基炸藥熱塑態(tài)裝藥改進(jìn)工藝[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28 (2): 209-213.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)