火药延期弹延期时间超标故障分析.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 29 火药延期弹延期时间超标故障分析 刘永强1 王 军2 姚 刚1 1.航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003 2.空装驻襄阳地区军事代表室，湖北 襄阳 441003 摘要：摘要：航空救生座椅上所用的延期弹为火药延期弹，在某次延期弹试验时出现延期时间超标故障，针对此次延期时间超标故障，从延期弹的结构进行解剖分析，通过对比试验定位故障点，并从材料导热系数、试验环境和试验方法等影响因素出发进行分析，通过不同试验手段使故障复现，最终确定延期时间超标故障出现机理是延期药受温度的影响巨大所致，为后续研制更高精度且受温度影响较小的延期产品提供有力的试验和验证方法。关键词：关键词：延期时间；导热系数；故障分析 中图分类号：中图分类号：TJ5 火药延期弹或延期装置在民用或军用中的运用都非常广泛，民用的延期弹最具代表性的有雷管爆破和鞭炮等，军用的延期弹中最具代表性的有手榴弹等武器装备，也有用于航空救生系统为了延时控制或延时开启某些独立系统，目前航空救生系统所用的延期弹或延期装置普遍采用火药延期技术。火药延期弹的实现主要依靠延期药在一定速度的燃烧，再通过控制装填延期药的多少用以控制整个延期弹的延期工作时间，为了满足不同延期时间的需求，延期药的种类也非常多，通常按秒段的方法定义延期药的型号，为了确定延期药的型号和延期药的装填量，一般需要进行大量的试验，使测试得到的结果和需求指标进行比对，然后确定最终装药方案。1 故障现象 某型火药延期弹的延期时间指标为 0.40.6s。试验时共进行了 4 发高低温工作试验（保温时间大于2h）1，测得的延期时间结果见表 1 所示。表 1 延期弹延期时间测试结果 序号 1 2 3 4 试验温度（）70 70-55-55 延期时间（s）0.411 0.395 0.592 0.589 从试验结果可以看出，第 2 发高温 70试验结果不满足性能指标要求，其余三发试验结果虽然满足指标要求，但均离指标要求的区间很近，可靠余度太小。2 故障定位及原因分析 2.1 延期弹工作原理 由于此次出现故障的延期弹为某双座飞机新研的产品，并且采用的一体化设计（延期弹本身包含击发启爆装置），其原理图见图 1 所示，延期弹内部结构包含撞针、剪切铜丝、延期管、点火药和主装药等主要零组件。其原理为外部输入高压燃气（4Mpa）剪切固定撞针的剪切铜丝后，撞针高速运动撞击延期管的火帽，延期管火帽产生火花点燃延期管内部的延期药，延期药缓慢燃烧至末端后发火点燃延期弹的点火药，最后点火药产生的能量引燃主装药后产生高压燃气输出至燃气管路中。图 1 延期弹原理图 2.2 延期管延期时间测试方法 如图 2 所示，在击发体和击针上各引出一根电缆线（击发体未接触击针之前处于断路状态），当击发体撞击击针后，两组电缆线接通，此时高精度测时仪启动记时，延期管火帽发火点燃延期药，延期药经过一段时间延期燃烧后发火，此时，延期管发火的火花触发光敏二极管，高精度测时仪结束记时，此测时仪记录的数字则为此发延期管的延期时间。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 30 图 2 延期管延期时间试验台示意图 2.3 延期弹延期时间测试方法 分别在延期弹的燃气输入接口处和燃气输出接口处各安装一只压力传感器，通过数据采集系统将延期弹工作过程的这两处压力传感器的压力-时间曲线采集出来，再通过后处理得到输入接口处压力达到 4Mpa（此时延期弹中撞针的剪切铜丝被剪断）至输出接口处压力抬头点的时间差，此时间差即为延期弹的延期时间。2.4 延期时间超标故障定位 通过调取此批次延期弹所用延期管的抽检测试数据（见表 2 所示）。表 2 延期管延期时间测试结果 序号 1 2 3 4 5 试验温度（）70 70 70 70 70 延期时间（s）0.492 0.498 0.489 0.493 0.503 序号 6 7 8 9 10 试验温度（）70 70 70 70 70 延期时间（s）0.497 0.487 0.506 0.492 0.491 序号 11 12 13 14 15 试验温度（）-55-55-55-55-55 延期时间（s）0.511 0.506 0.498 0.501 0.492 序号 16 17 18 19 20 试验温度（）-55-55-55-55-55 延期时间（s）0.503 0.495 0.515 0.493 0.504 可以看出，延期管高温时延期时间为 0.487s0.506s，低温时的延期时间 0.492s0.511s，离延期弹的指标较远（基本在指标中线附近波动），并且延期管的延期时间高低温试验数据存在交集；虽然延期弹的试验发数较少，但明显可以看出延期弹高低温的延期时间试验数据存在明显差异（高温时延期时间接近指标下限，低温时延期时间接近指标上限），并且为了提高火药延期弹的击发可靠性，每发延期弹中均装有 2发延期管，由同一撞针同时撞击启爆，而每发延期弹的延期时间为它所装配的 2 发延期管中发火较快的延期管得到（发火较晚的延期管工作时延期弹已工作）。因此延期弹的延期时间普遍应更小于延期管的延期时间，按延期管抽检试验数据分布规律，延期弹不易出现超过或接近指标上限的情况。从延期弹的结构可以看出，除延期管会直接对延期时间参数影响外，撞针的运动和延期弹的点火药点燃主装药的过程均有可能对延期时间造成一定的影响。为了更精准定位延期弹的延期时间超标故障的根本原因，除原有的延期弹入口和延期弹出口进行压力测试外，通过改装后，在延期弹中部也进行压力测试，并制定了 2 套试验方案，两套方案均将延期弹保温至-55后并从保温箱中取出在环境温度为 25条件下进行试验（从保温箱取出至点火击发时间控制在1分钟左右），具体验证方案见表 3 所示。表 3 延期时间超标故障定位试验方案 延期弹状态 测压点 验证目的 方案一 和故障时状态一致 弹入口、弹点火药处和弹出口 验证延期弹点火药点火是否正常 方案二 将延期管内延期药用黑火药代替，其余和故障时一致 弹入口、弹点火药处和弹出口 验证延期弹撞针工作是否正常 方案一试验后曲线见图 3 所示，方案二试验后曲线见图 4 所示，从方案一试验结果可以看出，延期弹的点火药工作和主装药工作几乎同时进行，延时时间仅为 0.001s，但延期弹的延期时间（弹入口压力达到4MPa 至弹出口压力抬头的时间间隔）为 0.585s，离上限指标只相差 0.015s；从方案二试验结果可以看出，延期弹入口压力达到撞针剪切铜丝的剪切压力（4Mpa）至延期管火帽工作的时间仅为 0.002s，与延期弹的延期时间相比，几乎可以忽略不计。由此可以看出，此次延期弹的延期时间超标故障与延期管击发点火、延期弹点火药点火以及延期弹主装药燃烧均无本质关系，故障原因只能从新定位至延期弹中的延期管中。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 31 图 3 方案一试验压力-时间曲线 图 4 方案二试验压力-时间曲线 2.5 延期弹延期时间超标故障原因分析 延期管的延期时间主要依靠延期药的定速燃烧保证，而延期药的燃烧速度受温度的影响很大2，但装配延期弹之前进行的延期管试验结果又趋于正常，且延期管试验时高低温极限温度下试验数据差别并不大,高温时延期时间范围 0.487s0.506s，低温时延期时间范围 0.492s0.515s。试验时环境温度为 25，从保温箱至延期管试验台的距离大约为 50m，单发延期管从保温箱中取出至试验完成大致时间为 1 分钟左右，观察发现低温-55的延期管刚从保温箱中取出时表面有薄薄一层霜，点火试验时延期管表面的霜基本全部融化，可能低温试验时温度已经接近 0。为了验证延期管试验时延期管的温度变化情况，特采用红外测温系统进行了高低温极限温度保温后在环境温度为 25下静置时的温度变化情况，试验结果见图 5、和图 6。图 5 -55保温后 25静置温度变化情况 图 6 70保温后 25静置温度变化情况 通过温度测试后发现，由于延期管的壁厚较小，且外形直径小，由不锈钢材料加工而成，当延期管从保温箱中取出后，极短时间内已经和大气环境进行了热量交换，致使低温-55的延期管从保温箱取出瞬间表面温度已上升至-8左右，经过 1 分钟后温度已接近-2；高温 70的延期管从保温箱取出瞬间温度已下降至 39左右，经过 1 分钟后温度已接近 37，并且整个延期管试验台始终处于环境温度为 25下，延期管装入装弹壳体（环境温度）后也会与延期管接触进行热量交换，致使延期管点火时其内部的延期药温度已经发生了巨大变化，所以延期管试验时的温度并非极限温度-5570；通过大量温度变化试验统计，在环境温度为 25下进行延期管性能试验时，低温-55的延期管温度大致为-1左右，高温 70的延期管温度大致为 37左右。此条件下测试得到的延期时间均满足指标要求且离极限指标较远。此延期弹壳体的材质为钛合金，由于钛 20时的导热系数=22W/(M.K)3,约为铁的 1/5，铝的 1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降 50%，并且每个延期管都被四周的钛合金壳体包裹（壳体壁厚最薄处为 3mm，最厚处 6mm），因为钛合金的导热性差，致使延期管的热量与外界环境不会快速进行传递。经过红外测温系统反复测量，低温-55的延期弹在进行点火试验时（弹从保温箱中取出大约 1 分钟左右后击发）壳体表面温度大约为-45左右，高温 70的延期弹点火试验时（弹从保温箱中取出大约 1 分钟左右后击发）壳体表面温度大约为 62左右，并且延期管在延期弹内部，延期管的温度变化更小，所以，在延期弹进行点火试验时延期管几乎接近保温箱内的温度，更能准确反映出延期管中的延期药在极限温度下燃烧速度的差异，最终导致延期弹低温-55时的延期时间接近指标上限，高温 70时的延期时间接近指标下限。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 32 3 故障复现及验证 为了验证延期管受高低温极限温度的影响，将延期管测试装置的装弹壳体改用和延期弹同样材质的钛合金，并且壁厚也和延期弹安装延期管部位基本相当，将延期管装入装弹壳体中整体进行保温（模拟延期管装入延期弹中的保温状态），当达到温度平衡后将装有延期管的装弹壳体从保温箱中取出进行试验，并且将从保温箱取出至击发点火之间的时间控制在 1 分钟以内，试验结果见表 4 所示。表 4 延期时间故障复现验证试验结果 序号 1 2 3 4 试验温度（）70 70-55-55 延期时间（s）0.389 0.391 0.598 0.606 从试验结果可以看出，延期管的延期时间分布趋势完全和延期弹试验时得到的延期时间基本一致，低温-55时的延期时间接近指标上限（其中一发已超标），高温 70时的延期时间接近指标下限（两发均已超标），故障机理得到定位并以另一种方式将故障复现。4 结论 通过分析和试验验证，产生此次延期弹延期时间故障的根本原因是延期管在高低温极限温度下延期时间超标造成的，而延期管的延期时间由延期药燃烧得到，归根结底还是因为延期药在高低温极限温度下的燃速差异太大造成的。所以，要克服这种因温度的变化而产生的燃速差别，需在延期药中加入少量特定物质，使其在不同温度环境下差异减小；同时，还需通过提高延期药纯度、减小粒度4和增加密度等方法提高延期精度2。随着科技的发展，也应从电子延期或程序延期等方面寻找新的突破口，提高延期时间的控制精度。.参考文献 1王凯民.火工品工程M.北京:国防工业出版社,2014.2张芳,刘媛媛.浅析延期药延期精度的影响因素J.广东化工,2014(16).3杨世铭.陶文铨.传热学第四版M.北京:高校出版社,2006.4王瑛,王正明,等.CL-20 粒度对 GAP/AP/AL 高能推进 剂 燃 烧 性 能 的 影 响 J.固 体 火 箭 技术,2017,40(6):720-724.