理论教育 火工品的结构和作用原理

火工品的结构和作用原理

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:火工品的结构主要由外壳、发火件和火工药剂等组成。火工药剂是火工品的能源,一般包括起爆药、猛炸药、黑火药等。火工药剂对火工品的敏感性、输出威力、储存安定性、勤务处理安全性及作用可靠性等有很大影响。火帽中的击发药主要由可燃剂、氧化剂和起爆药混合而成,也可附加其他成分以改进其性能。枪弹底火的结构简单,过盈配合公差精度严格。

火工品的结构和作用原理

火工品的结构主要由外壳、发火件和火工药剂等组成。火工药剂是火工品的能源,一般包括起爆药、猛炸药、黑火药等。火工药剂对火工品的敏感性、输出威力、储存安定性、勤务处理安全性及作用可靠性等有很大影响。常用的火工品有:火帽、底火、雷管、索类、点火具、延期件、传爆药柱和启动器等。

(1)火帽

火帽指的是受外界能量(针刺、撞击、摩擦、电等)刺激而输出火焰冲能的火工品。典型火帽一般由火帽壳、击发药、盖片或加强帽等组成,如图2-42所示。火帽中的击发药主要由可燃剂、氧化剂和起爆药混合而成,也可附加其他成分以改进其性能。药剂的成分、配比、粒度和装药密度,都影响火帽的感度和引燃能力。

图2-42 火帽结构

(a)药筒火帽;(b)针刺火帽;(c)摩擦火帽

火帽通常按激发方式分为针刺火帽、撞击火帽、摩擦火帽、电火帽、压空火帽等。其中,针刺火帽用于引信,由击针刺入而发火,然后点燃后续火工品;撞击火帽用于底火,由枪或炮的圆头击针撞击发火,点燃发射药;摩擦火帽用于拉发手榴弹,由火帽中的摩擦子摩擦发火,引燃延期药,再引爆火焰雷管。火帽按使用对象分为引信火帽和底火火帽。火帽既有适当的感度,易被刺激而发火,又有足够的点火能力,易将下一级火工品引燃或起爆。常作为传火、传爆序列中的第一级火工品。火帽主要用于引信、枪弹和炮弹底火中,同时还可以利用火帽的热量来做热电池,用火帽的气体压力来使开关动作等。随着武器的发展、激发方式的多样化,又研制了激光火帽等新产品。

撞击火帽是目前使用最多的一种火帽,它是利用撞击机械能激发的火帽,用于枪弹、小口径炮弹的撞击火帽,称为枪弹底火。在中、大口径炮弹发射装药中,撞击火帽装在底火内,先点燃底火内的黑火药或点火药,然后再点燃药筒内的传火药或发射药,所以又称为底火火帽。

(2)底火

图2-43 电底火的基本结构

1—底火体;2—环电极;3—塑料;4—芯电板;5—绝缘垫片;6—电桥;7,8—药剂;9—纸垫。

底火指的是受机械能或电能刺激而输出火焰以点燃发射药或药包的火工品。它主要用于枪弹、信号弹、炮弹的发射药筒底部及迫击炮炮弹的底部,故称底火。按激发方式,底火分为撞击底火、电底火和电撞两用底火,其中电底火结构如图2-43所示;按与药筒配合的方式,底火分为压入式底火和旋入式(螺纹)底火。底火一般由底火体、底火火帽、火台、传火药以及盖片等组成。有的还根据输入能量的不同和使用安全的需要而增设零件,如电极、桥丝、绝缘片、闭气塞等。底火体多数采用钢制成。底火体的底部应有一定的硬度和厚度,以保证底火的发火感度和作用强度。

枪弹底火的结构简单,过盈配合公差精度严格。中、大口径炮弹用底火,随着最大膛压的增加,为保证底火有足够的安全性,因而结构比较复杂。小口径炮弹的药筒体积小,筒内一般不设附加药包,底火的点火能力对内弹道影响较大,有的甚至还可能影响外弹道,因此在设计时,应充分考虑到这一点。有的小口径炮弹不仅要求连发,而且还要求射速很高,这就要求底火本身的作用时间短(小于1ms)、可靠性高,所以越来越多的小口径炮弹,甚至枪弹都采用双桥电底火来代替撞击底火。为了加强点火能力,有时在底火上装有多孔的长传火管,插入发射药中间,如图2-44所示。管中装传火药,火焰从管壁孔喷出,点燃发射药。各种底火对安全性要求较高,不允许迟发火、二次发火、震动发火,也不许击偏、击穿、漏烟,以确保射手和火炮的安全。

(3)雷管

图2-44 装有传火管的底火

1—传火管;2—衬筒;3—传火药;4—底火体;5—压螺;6—火帽;7—发火砧。

雷管指的是受外界刺激能量(电、机械、热、光、冲击波等)激发而输出爆轰冲能的火工品。主要用于起爆炸药,也可使烟火药剂爆燃或使本身输出的能量直接做功。雷管一般由起爆药、猛炸药、雷管壳、加强帽或盖片等组成,如图2-45所示。但由于各种输入能量(针刺、火焰、电等)的不同、作用机理(灼热桥丝、放电火花、冲击波等)的不同、作用要求(瞬发、延期等)的不同、使用环境(深水中,有射频静电、盐雾等)的不同,雷管的结构有较大差异。另外,雷管药剂的选用不仅要考虑感度、威力,同时还应考虑它与其他零件之间的相容性是否良好。

图2-45 雷管的结构

(a)针刺雷管;(b)火焰雷管;(c)电雷管

雷管通常按激发形式分为电雷管和非电雷管两大类。电雷管又可分为灼热桥丝式电雷管、火花式电雷管、导电药式电雷管、薄膜式电雷管等;非电雷管又分为火焰雷管、针刺雷管、拉发雷管、导爆管雷管等,按作用时间分为瞬发雷管和延期雷管,按延期时间的长短又可分为微秒、毫秒、半秒和秒级延期雷管,按用途可分为引信雷管、工程爆破雷管,特殊用途(销毁密码等)雷管,按装药种类分为有起爆药雷管和无起爆药雷管,按使用部门分为军用雷管和民用雷管。随着科学技术的发展、输入能量的多样化,武器发展对雷管的安全性、作用可靠性提出了更高的要求,因此爆炸桥丝雷管、冲击片雷管、飞片雷管、三防(防静电、防射频、防杂散电流)雷管、半导体桥雷管、激光雷管等相继问世。

雷管既是爆炸序列中的第一级火工品,也可作为爆炸序列的中间火工品,是现在品种最多、使用最广的基本起爆火工品。一般雷管的装药有三层:第一层是发火药,有较高的感度,最先接受外界刺激而发火。火焰雷管和桥丝式电雷管的发火药多采用对火焰和热桥丝敏感的三硝基间苯二酚铅;针刺雷管多采用对撞击敏感的针刺药。延期雷管的发火药之后还有延期药,以保证规定的延期时间;第二层是中间装药或过渡装药,在接受第一层装药产生的爆燃能量后迅速转变为爆轰,多采用叠氮化铅等起爆药;第三层是底部装药或输出装药,用以增强爆轰输出能量,保证雷管的起爆能力,多采用RDX、HMX和PETN等猛炸药。在矿井中,为防止引起粉尘和沼气爆炸,在矿井用的雷管装药内还掺有盐、蜡和醋酸丁酯等消焰剂。有些起爆药雷管只装一层猛炸药,靠桥丝、桥膜或半导体桥爆炸汽化产生的热等离子体或飞片引爆。由于所有的雷管被激发后均输出爆轰能量,以引爆下一级爆炸元件或装药,所以衡量雷管的性能参数有雷管的感度、起爆能力等。

雷管的威力主要取决于底层猛炸药的种类、药量和装药密度,常用的猛炸药为黑索今、太安。雷管的感度取决于最上层的敏感药剂。雷管的中间层装起爆药,常用的是氮化铅,它能保证底层装药的起爆。工程火焰雷管和工程电雷管用于工程爆破。电雷管由火焰雷管加电发火件组成。一般电发火件的结构是:在穿过绝缘塞的两根导线端部焊上涂有发火药的细电阻丝(桥丝),桥丝电阻通常为l~2Ω,发火电流约为1 A,安全电流约为0.05 A。如果在电发火件和火焰雷管之间加装延期管,则组成延期雷管。

(4)索类火工品

索类火工品是外形呈索状,具有连续细长装药的起传火、传爆、切割或延时作用的火工品,包括导火索、导爆索、延期索、切割索、导爆管及小直径柔爆索类,如柔性导爆索、限制性导爆索、屏蔽式导爆索、柔性聚能爆炸索及精密延期索等。

索类火工品按用途不同,药芯可以采用黑火药、烟火药及猛炸药等。索类火工品的主要作用特点是可用于长距离传火、传爆或执行其他功能,也可组成网络实施大面积多点点火、起爆或切割,并且不受静电、射频及杂散电流影响。

1)导火索

导火索指的是利用黑火药、延期药等药剂作药芯,外缠数层棉、麻和纸,用于传递燃烧火焰,达到延期点火目的的索类火工品。防水导火索外皮有耐水涂料或采用塑料外皮。一般的导火索外径约6mm,每米燃烧时间为100~140 s,可点燃延期药、黑火药、发射药等,并可引爆火焰雷管。导火索用来传递火焰,主要用于露天工程爆破。黑火药芯的导火索是英国人W.比克福德于1831年发明的,故又称比克福德导火索。导火索可用香火、点火索、点火器具、拉火管或其他明火点燃,可在兵器航天器、导弹战斗部及引信、手榴弹中做延时传火元件,也可在无爆炸性气体和可燃性粉尘情况下引爆火焰雷管。

导火索按用途不同分为军用导火索及民用导火索。军用导火索中包括手榴弹导火索及金属管延期索。典型金属管延期索的包覆层为铅锑合金,外径在1.8~2.4mm,药芯为由钨粉、铬酸铅、高氯酸钾、硅藻土等混合而成的微气体延期药,这类导火索的燃烧时间精度要求高、可靠性高。民用导火索包括普通导火索、石炭导火索、塑料导火索、秒延期导火索、速燃导火索和缓燃导火索等,它由药芯、芯线、包缠层及防潮层构成。普通导火索以黑药为药芯,外缠数层棉、麻、纸,外径约为5.5mm,药芯直径不小于2.2mm,每米燃烧时间为100~125 s,如图2-46所示。石炭导火索用石炭(无烟煤)代替木炭的黑火药为药芯,燃烧速度较慢,每米燃烧时间为180~198 s。塑料导火索的包缠层(或包覆层)为聚氯乙烯或聚乙烯。

图2-46 普通导火索的结构

1—芯线;2—药芯;3—内线层;4—中线层;5—沥层;6—纸条层;7—外线层;8—涂料层。

2)导爆索

导爆索指的是用于传递爆轰波、传爆或引爆炸药装药的索类火工品。按包缠材料不同,它可分为棉线导爆索、塑料导爆索、橡胶导爆索和金属管导爆索四类。棉线导爆索与普通塑料导爆索的结构与导火索类似,药芯装药的主要成分是太安或黑索今,每米药量在11 g以上,爆速在6 500m/s以上,可满足一般条件下的爆破需要,如图2-47所示。

图2-47 棉线普通导爆索的结构

1—芯线;2—黑索今或太安;3—内线层;4—中线层;5—沥青;6—纸条层;7—外线层;8—涂料层或防潮层。

塑料导爆索的外包缠层为聚氯乙烯,内包缠层为聚丙乙烯扁丝、聚酯薄膜等,可提高抗水性能,以满足水下及油井的特殊要求。橡胶导爆索具有良好的密封性能及柔性,药芯用耐高温炸药,目前多用于石油深井中射孔。金属导爆索具有良好的柔性,可弯曲成各种形状而不影响其传爆功能。按外壳材料,它可分为铅皮导爆索和银皮导爆索。铅皮导爆索可以做成“V”形断面,爆轰时能形成线形金属射流,可用于切割金属板,称为切割索。(www.daowen.com)

早期的导爆索使用铅管,内装TNT。现在,一般导爆索药芯常用耐高温的高能炸药,如奥克托今、黑索今、六硝基芪等,装药量为10~13 g/m,外径一般为1~5mm,爆速可达5 000~8 000m/s,能在高低温、高低压条件下可靠传爆,同时引爆多个炸药装药,多用于飞机、导弹、航天器、引信中传爆序列等;也可用来直接做功。切割索一般装药量为l~32 g/m,有的可达106 g/m以上,用雷管或导爆索引爆,可切割金属板和电缆等。延期索装有延期药,通常外径为1.8~2.4mm,燃速取决于延期药的性能和制造工艺,国外延期药燃速一般为1.6~36 cm/s。

随着武器的发展,可将金属柔性导爆索组成爆炸网络,实施多点起爆及逻辑起爆,提高武器的性能及安全性。

3)塑料导爆管

图2-48 塑料导爆管的结构

1—塑料管;2—导爆药。

塑料导爆管简称导爆管,塑料导爆管是塑料管内壁附着一层高能混合炸药的塑料软管的索类火工品,内径为1.3~1.5mm,外径为2.8~3.5mm,装药量为14~18mg/m,如图2-48所示。导爆管按其抗拉性能分为普通导爆管和耐温高强度导爆管,用于装配瞬发雷管、毫秒雷管和秒延期雷管,装配成的导爆管雷管可与连接块、连接套等组成导爆管雷管起爆系统,可广泛用于露天、无煤尘、无瓦斯的井下或水下等爆破工程。

塑料导爆管是1972年由瑞典的诺贝尔公司发明的。它的作用与导爆索的作用相同,都是传递爆轰波,但塑料导爆管属于低能、低速传递爆轰波,一般爆速为1 600~2 000m/s,其输出能量较小,一般只能引爆雷管或引燃延期雷管中的延期药,无法实现直接起爆猛炸药的目的。导爆管和导爆索在产品结构、制造工艺、传爆机理等方面是各不相同的。在产品结构上两者的包覆层内均为高能猛炸药,但一个是实心的,另一个是空心的;在工艺上导爆索采用传统的制索工艺,导爆管则采用挤压拉管法;在传爆机理上导爆索属于药柱传爆,符合传统的爆轰传爆理论;导爆管则主要利用冲击波的管道效应,当前沿冲击波在导爆管内腔中产生湍流扰动时,使内壁的药粉分散并悬浮于管内空气中与空气均匀结合,经点火起爆而发生悬浮爆轰,此爆轰在管壁的屏蔽和反射作用下不断地传递下去,从而实现传爆。

塑料导爆管有极良好的抗电性能,在杂散电流、静电、感应电流作用下不发生意外起爆;在一般机械冲击作用和普通火焰作用下也能起爆,且具有不怕水、不怕潮湿等特点。另外,其造价低、尺寸小、质量轻、柔性好、使用安全简便。导爆管主要与延期雷管结合构成导爆管起爆系统,大量用于各种爆破工程。为防止塑料导爆管透火,近年来发展了双层塑料导爆管,使传爆安全性更高。

4)小直径柔性导爆索

小直径柔性导爆索是20世纪50年代后期迅速发展起来的新型索类火工品,在航天、导弹等尖端科技领域及深井石油开采等工业中得到广泛应用。其结构类型有多种,例如:柔性导爆索以挠性金属(铅锑合金、铝、银或铜等)为外壳,内装各种单质炸药;限制性导爆索是在柔性导爆索外,加一层尼龙或玻璃纤维编织物,以防止使用时金属外壳形成破片飞散,因而可在精密仪器近旁使用;屏蔽式导爆索由柔性导爆索、支承衬套不锈钢外套组成;柔性聚能爆炸索药芯为“V”形装药,护套为塑料或橡胶,它可弯曲成任何形状,爆炸时内层金属形成射流,以切割金属;精密金属延期索药芯为各种不同的延期药。此外,根据需要,柔性导爆索还可有其他结构,如双芯导爆索、平板导爆索和空心导爆索等。

(5)点火具

点火具又称点火器,指的是激发后输出火焰冲能,点燃火箭发动机装药及其他可燃物的火工品。一般由发火机构、点火药和输出药及管壳组成,具有延时功能的点火品,在点火药与输出药之间还有延期药。

点火具按初始激发冲能方式的不同可分为电点火具、惯性点火具、隔板点火具、酸点火具等;按用途不同分为发射点火具、增程点火具、转子点火具、全程点火具等。要求点火具除满足一定感度外,应有足够的点火能力,保证所输出的火焰能可靠地点燃主装药。对于利用电能激发的电点火具,还要求能防射频、防静电、防杂散电流,能安全、可靠地完成程序点火及传火序列中的点火等。

1)电点火具

电点火具是由发火头和点火药所组成,其作用过程为:电源电能转变为热能引燃电发火头,燃烧火焰引燃点火药,扩大了的火焰再引燃火箭的火药。电点火具多用于火箭弹和火焰喷射器的点火等。按照发火结构形式分,电点火具可以分为桥丝式、火花式和导电药式三种类型。其中,桥丝式点火具根据结构部件相对位置关系又可分为整体式和分装式两类,整体式桥丝式点火具结构如图2-49所示。

图2-49 整体式桥丝式点火具的结构

1—点火药盒;2—点火药;3—引火头;4—导线。

整体式桥丝式点火具是将发火头放在点火药盒内做成一个整体,将导线引出与弹体的电极部分相接,用于各种小型火箭弹上。为了保证点火的可靠性,一般都采用两个或两个以上并联的电发火头。这种点火具的优点是结构简单,点火延迟时间较短。分装式电点火具是指点火药与电发火头不做成一体而分别安装的点火装置。这种结构的优点有:

①发火头和点火药可以分别储存和运输,安全性好。

②便于更换其中个别零件,不需装拆整个装置,也不会使整个装置报废,所以使用方便、经济性好。

③便于使发火头生产标准化。但是,分装式的缺点就是结构复杂,零件数量多,还容易造成点火延迟时间较长等。

2)惯性点火具

惯性点火具在弹药中用于火箭的增程点火。火箭增程弹是靠火炮发射出去,借助点火具点燃发动机,使弹丸速度在原有基础上加快,最后达到增大兵器直射距离的目的,故称火箭增程弹。

惯性点火具在弹丸发射过程中起重要作用,其主要由惯性膛内发火机构、延期机构及点火扩燃机构等组成。发火机构由火帽、击针和击针簧组成;延期机构主要是延期药;点火扩燃机构主要是点火药盒。

惯性点火具的作用过程:当弹丸在发射筒内向前运动时,和火帽座一起产生一个直线惯性力,此力可以使火帽(连同火帽座一起)克服弹簧的最大抗力向击针冲去,火帽受针刺作用而发火,火帽的火焰通过击针上传火孔点燃延期药,经0.09~0.12 s燃烧后再点燃点火药,点火药燃烧形成一定的点火压力,并迅速地点燃弹丸的火箭火药,完成点火作用。点火具作用的可靠性和延迟时间的稳定性,直接影响弹药的作用可靠性和弹着点的散布精度。因此,惯性点火具除达到一般火工品的要求外,还要求在性能上延期时间准确、点火可靠;勤务处理时安全、抗震抗跌性能好。

(6)延期件

延期件是利用药剂的燃烧速度控制点火时间的火工品,如延期管、延期药盘、延期药柱、延期索、延期保险元件、时间药盘和保险药柱等。

延期件接受火帽给予的火焰冲能,并经过放大而引燃传火元件。在弹药引信中采用延期件是为了使弹药穿入目标后爆炸,增强破坏效应;也可用以控制某种特殊要求产品连续动作的时间。衡量延期件的性能指标有稳定的燃速、足够的热感度、良好的输出强度(温度和压力)。通常以黑火药或金属可燃剂与氧化剂的混合物作为装药,某些有机化合物如苦味酸钾等也可作为单质延期药。

(7)传爆药柱

传爆药柱是用来传递和扩大爆轰能量的火工品。常用于扩大雷管的能量,引爆较钝感的主装药。传爆药柱一般由较敏感的猛炸药压制而成,过去常用特屈儿,现在多用太安、黑索今,有时也用奥克托今。在主装药量过大,不易被一个传爆药柱完全起爆时,可加辅助传爆药柱。

(8)启动器

启动器是能把火炸药反应的能量转变为可控机械力的一种自持动力传递装置。它可以完成许多特定的动作,具有多种结构形式。有利用火药做功的机构与利用炸药做功的机构。前者以火药燃烧时产生的气体为动力,去推动活塞、闭合开关等;后者以炸药所产生的冲击波去破坏、分离或解脱某些连接部分等。

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