快速同步爆炸点火分离装置应用研究

张新华，韦宗玖，赵家其， 李贺楠

(1.安徽红星机电科技股份有限公司, 合肥 231135; 2.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻合肥地区军事代表室, 合肥 231135; 3.南京理工大学， 南京 210094)

1 引言

传统分离机构的点火方式有点火头点火、电底火点火、爆轰点火等，其中如黑火药点燃3/1樟单基发射药，开舱时间约为6～9 ms，电底火点火技术也十分成熟，但是其较长的点火时间很难满足现代战场对快速分离的要求。张丁山等采用爆轰点火方式，这种方法将点火延迟时间缩短到0.3 ms,但并没有减少燃烧发射过程的延时时间；李海元采用等离子体点火的密闭爆发器实验系统，实现将有效点火的电能的阈值降低的同时显著增加火药的燃速；薛奡炜等发现等离子体点火可以明显缩短火药的点火延迟时间，且对于不同发射药均能产生显著效果，但其点火时需要特定装置；姬龙等基于爆炸点火设计的分离装置理论上可以达到200 m/s的分离速度；王刚等发现在导爆索爆炸点火点燃发射时，发射药燃烧产生的压力明显增加，最大压力出现的时间却明显缩短；郭晨冰和李枫均设计了一种爆炸活塞式分离装置，但是其装药量小、能量低，而且采用的活塞结构，体积较大，难以满足战场条件对快速分离的需求;周煜韬采用火药力辅助金属熔断，大大降低了对电流要求，但军事适用面较窄;夏冬星等设计的螺栓分离机构可以满足对分离装置大承载的要求，但是25 m/s分离速度显然是偏低的;邢星星设计了一种利用火药燃烧产生的气体推动撞杆，然后撞杆撞击分离体的分离装置，得到了撞杆底部压力和整体速度对时间的关系以及分离体速度和相应曲线。

爆炸点火是利用炸药爆炸产生的高温产物及气体点燃发射药，炸药是以爆轰的速度点火，点火速度快。炸药爆炸点火几乎不受外界温度等环境因素影响，点火能量稳定，点火一致性好，7 000～8 000 m/s。爆炸点火具有点火速度快、形成压力高等特点。爆炸点火使用的炸药和燃烧点火使用的点火药相比，安全性好。

本文设计了一种基于爆炸点火和“一入四出”式的铝导爆索传爆方式的快速分离实验装置。铝导爆索快速点燃发射药，靠发射药急速燃烧产生的大量气体的推力剪断剪切环，实现前后两级的快速分离。

图1 分离机构作用原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the operation of the separation mechanism

2 结构设计

分离机构的性能与点传火装药结构、分离药室容积、分离装药的弧厚、分离装药的装药量等参数相关。

针对分离药室的为扁平圆柱形的特点，为了解决点火同步性问题，设计了“一入四出”式导爆索传爆结构，均布于分离药室内，实现均匀点火。

2.1 “一入四出”式爆炸点火设计

分离装置主要由法兰盘、本体、传爆组件、传爆药柱、铝导爆索、发射药包、堵头等组成，结构示意图见图2。发射药包内装有3/1樟单基发射药。

图2 分离装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of the separation device

装置从引信能量输入到发射药开始作用需要经过72 mm的传火通道，为使点火能量快速到达发射药，设计传爆组件-传爆药柱-铝导爆索作为点火能量的传递机构。通过剪裁导爆索长度使其总长度为47 mm；传爆药柱直径15 mm，高度8 mm，药剂为JH-14炸药，药量3 g，密度为1.65 g/cm；铝导爆索直径7 mm，长度25 mm。传爆组件、传爆药柱、铝导爆索均采用爆轰进行能量传递，平均爆速高达7 000 m/s，能量传递速度快。同时爆轰波传递过程中产生的高能热量能够实现发射药包的快速点火。通过传爆组件-传药柱-铝导爆索的快速传点火机构设计，引信输入的爆轰能量可以通过冲击波的形式快速到达发射药包表面，进而实现发射药包的快速点火功能。

点火同步性设计的主要目的是让发射药包能够在很短的时间内实现各部分的均匀点火，从而实现发射药包快速燃烧释放气体压力的功能。为实现发射药包快速点火均匀燃烧的功能，装置采用药柱径向圆周均布的4根长度相同的铝导爆索作为快速点火机构。试验数据表明一路四出点火燃烧时间差为410 ns。当药柱爆炸后，四根铝导爆索在爆轰冲击的作用下同时起爆，由于4根铝导爆索的爆速和长度相同，其爆轰能量传递到发射药包的时间也基本一致。发射药包在四路爆轰冲击同时作用下，其药包均布的4个点火部位被快速均匀点火，进而实现点火同步性要求。

2.2 隔爆和爆炸点火药量设计

堵头用于消爆，消除导爆索爆炸产生的爆轰波的不利影响。如果导爆索离发射药距离太近，爆轰波会将发射药药粒炸成碎粒，造成发射药燃烧异常。

快速分离发射主要是利用发射药迅速燃烧产生大量的高温高压气体,当分离机构的药室内的气体压力达到剪切螺纹破坏极限时，就可以实现前级分离体的分离发射。

所以可以将分离过程分为2个阶段，第一阶段为火药燃烧开始至药室内的火药燃气的气体压力达到剪切环的破坏极限。第二阶段为剪切环破坏至前级分离体迅速加速到最大速度

1) 第一阶段

在此阶段可看作密闭容器下的火药燃烧，结合几何燃烧条件下定容燃烧可以得到：

(1)

(2)

=1+2+3

(3)

(4)

式中,为该装置的初始点火压力；为该火药的火药力；为前级分离体的质量；为已燃百分数；为药室横截面积；剪切压力；为达到时对应的值;为相对燃烧面积；为该火药的燃速系数；、和为该火药形状特征量；为燃速指数；为已燃相对厚度；为此装置发射药燃气余容；为发射药密度；为剪断剪切环所需最大剪切力

2) 第二阶段

当分离机构内药室的发射药气体压力达到剪切环破坏极限时﹐剪切环发生瞬间剪切,前级分离体开始加速运动,可得到如下内弹道方程组:

(5)

=++

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

=-

(11)

(12)

式中，为压力全冲量；为次要功计算系数；为前级分离体质量；=-1，为绝热指数；、、为达到剪切环破坏极限时各参数的取值。由此解出发射过程中前级分离体速度、行程、膛内压力之间的关系。

设计了两种规格的铝导爆索，铝导爆索具有强度好，抗过载性能好，易于加工等特点。炸药选用JH-14炸药，主要成分为黑索今，属于负氧平衡炸药，生成的气体产物主要是CO、HO、CO、N和H等。其爆轰反应式为：

CHON=CO+CO+HO+N+H+Q

如果炸药能量与弹体强度，剪切强度有匹配关系。能量过大可能对发射药药粒产生破坏，使药粒破碎，影响发射药稳定燃烧，可能会导致压力异常升高。

发射药包袋内部装药选用弧厚较薄的3/1樟单基发射药，该发射药可提高发射药的燃烧一致性，使推进压力和作用时间保持相对稳定。取发射药的1/2火药起始厚度为0.8 mm、火药力1 180 kJ/kg、压药密度为1.65 g/cm、发射药包内的总药量为70 g、7A04材料的剪切环最大剪切力为150 MPa时经计算发射药点燃0.2 ms时膛内压力达到300 MPa，其产生的气压推力可实现串联战斗部级间的快速剪切分离，满足相对分离速度不小于100 m/s的技术要求。

3 试验

主要进行了分离装置静态传爆可靠性试验及系统匹配性试验。

3.1 静态传爆可靠性试验

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the test apparatus

图4 试验装置实物图Fig.4 Physical drawing of the test apparatus

试验结果表明，5发分离装置全部可靠起爆，装置内传爆组件、传爆药柱、铝导爆索及发射药均可靠作用如图5所示。

图5 试验后的传爆药柱和铝导爆索Fig.5 Reliable action of the explosive column and the aluminum detonator cable

3.2 战斗部静态分离试验

为验证串联战斗部在分离装置作用分离时间和相对分离速度，系统进行了战斗部静态分离试验，试验数量4发，通过高速摄像确定前后级的相对分离速度和分离时间，试验结果见表1。

表1 战斗部静态分离试验结果Table 1 Warhead static separation test results

试验结果表明，4发战斗部均发生可靠分离，战斗部相对分离速度为125.6～143.6 m/s，分离最大时间为1.1～1.5 ms，试验结果满足要求。

3.3 战斗部炮射分离试验

为验证炮击发射环境中串联战斗部在分离装置作用分离时间，系统进行了战斗部炮射分离试验，通过测速靶测定炮弹出膛口速度，然后用高速摄像记录炮弹的分离运动过程。试验后通过高速摄影画面，判断战斗部的分离时间对否满足指标要求，试验数量2发，试验现场布置见图6。

图6 炮射试验现场布置示意图Fig.6 Layout of the artillery firing test site

试验后，2发战斗部飞行稳定并可靠分离，符合试验预期，试验结果满足技术指标要求。

4 结论

1) 分离装置利用导爆索爆轰波传递速度高等特点，可以对分离装置内发射药包可靠点火。

2) 通过分离装置中的“一入四出”的传爆设计，调整炸药量，实现发射药包均匀点火，提高点火和燃烧同步性。

3) 选用弧厚较薄的3/1樟单基发射药可提高发射药燃烧的一致性，实现快速产生高压，满足战斗部快速分离和加速要求。

4)分离装置采用爆炸点火方式，可实现战斗部在2 ms内快速分离和加速。