一种银导爆索的结构设计及去应力工艺研究

一种银导爆索的结构设计及去应力工艺研究

赵家其

安徽红星机电科技股份有限公司 、安徽省合肥市231135

摘要：随着我国航天事业和武器装备的发展，导爆索得到了广泛的应用，特别是柔性导爆索，能够实现可变路径的稳定传爆，使得传爆结构设计更为简单。但于航天器和武器装置的特殊使用环境，对导爆索的结构强度、使用温度及柔韧性提出了一定的要求，因此，本文对银导爆索的结构设计及制造工艺研究有着十分重要的意义。

关键字：银导爆索；结构设计；去应力工艺

中图分类号：TJ45文献标识码：A    文章标号：

引言

目前我国对航天器及武器装配的使用环境温度要求比较严格，航天火工装置和武器装备的使用环境温度通常在-45℃～+70℃，特别是航天火工装置的局部使用环境温度高达200℃左右，常规的的火工装置很难适应这种温度环境，同时，由于发射过载的原因，很多火工装置通常面临着10000g以上的高过载环境使用要求。通常航天器和武器装置为实现其特定功能，需要在较小的空间内装配数量较多的火工品，比如，美国早期的阿波罗飞船早已使用了各种用途的导爆索，数量总计达78种，柔性导爆索就有28种共53件，屏蔽式导爆索也有11种共18件，用于切割的导爆索有2种共7件。这对火工品的装配使用提出了更高的要求。

1  银导爆索的设计

银导爆索作为柔性导爆索的典型代表具有耐温性好，结构强度高，抗冲击和过载能力强，传爆可靠、延时精度高，柔韧性好等一系列优点。由于这些特点使其在航天器和武器装备中得到了广泛的应用。

1.1  银导爆索的结构设计

本文设计的银导爆索主要由外部的银管和内部的六硝基茋传爆药构成。其结构示意图见图1

图1 银导爆索结构示意图

a）外壳体设计

银导爆索外壳体采用了强度高，韧性和延展性较好的银。其主要物理性能和力学性能见表1

表1  银及银合金物理性能和力学性能（HB 5189-1996）

由于银及银合金特殊的物理性能和力学性能，使得设计的导爆索具有较好的强度和有韧性满足使用要求

b）银导爆索的装药设计

银导爆索的内部装药采用六硝基茋，该药剂是一种低感度单体猛炸药，最早由瑞士的希普(K.G.Shipp)在1964年合成成功。该炸药为黄色晶体，其耐热性非常好，熔点达317℃，对电火花也不敏感，是一种非常好的耐热炸药[1]。六硝基茋能在非常广的温度范围内（-193℃～225℃）可靠作用，对辐射不敏感，机械感度低，对静电火花不敏感。

由于六硝基茋的上述性能，使得设计导爆索能够广泛应用于航空航天的各种耐高温爆破器材以及火箭、宇航及导弹的分级分离设备中。

2  银导爆索的制造

要使一根外径较粗的银管变成一根外径较细的银导爆索，就必须采用特定的设备，按照一定的方法，通过一系列的工序才能完成。金属都具有一定的延展性，在外力的作用下都会发生相应的塑性变形，银导爆索正是利用银的延展性，通过对装有炸药的银管施加外力使其外径不断变细，最终变成一根直径较细且具有传爆功能的导爆索。通常使用的设备为LS-08型拉索机，如图2

图2  LS-08型拉索机

3 银导爆索的去应力方法

银导爆索由拉制工艺制得，拉制过程中要受到强制力。金属在强制力的作用下容易产生内部结构的变形，内应力由此产生。银导爆索在拉制过程中，拉索模的运动速度对其内应力的多少也会造成一定的影响。银导爆索在拉制过程中产生的内应力是不可避免的，但可通过一定的方法将其减少。

消除残余应力的方法有多种，但能使用在导爆索方面的不是很多。目前消除内应力的方法主要有锤击法、热处理法、振动法[2]。捶击法和振动法不适合用于导爆索的应力消除，主要因为导爆索内部含有炸药，捶击和振动均可能导致其发生爆炸。因此，银导爆索的去应力主要以热处理法为主。

采用热处理的方法消除工件内应力的具体步骤：先按照一定的速率对需要消除应力的工件进行升温，升高到一定的温度后，保温一段时间。保温结束后，再以一定的速率降温到常温条件。经过这样一个升温再降温的过程，工件内部晶体的缺陷将趋于均匀，从而达到消除应力的目的。热处理过程中，工件内部会有晶型的改变，如图3。

图3  热处理晶体转变图

常规的热处理方法最高温度达到了650℃[3]，而银导爆索中含有炸药，温度不能过高，对于银导爆索而言，升温速率和降温速率的控制也就没有必要，只需在一定温度下保温即可。

4  银导爆索的去应力工艺

3.1  银导爆索去应力效果的影响因素

影响银导爆索去应力效果的因素主要有：保温温度、保温时间及导爆索外径。

3.2  银导爆索内应力的检验方法

通常银导爆索内应力的检验方法采用弯曲试验法：导爆索弯曲实验的可以测量导爆索的柔性，而内应力与柔性的性质相近，只需对比弯曲前后导爆索爆速的差别，就能得出导爆索柔性的大小，即内应力的多少[4]。这是一个比较经济的做法，所用的仪器和设备也较简单。

3.3  去应力效果对比试验

为了探究保温温度、保温时间以及导爆索直径对银导爆索去应力效果的具体影响。设计了如下几组对比试验，分别对影响银导爆索去应力效果的三类因素进行分析。

针对银导爆索直径的不同，试验分两大类同步进行：

a）直径为0.95mm的银导爆索：保温温度和保温时间对去应力效果的对比试验；

b）直径为1.01mm的银导爆索：保温温度和保温时间对去应力效果的对比试验。

具体试验方案见表2。

表2  去应力效果对比试验方案

3.4  去应力效果对比试验结果

按照表2的试验方案，将银导爆索去应力效果对比试验的试验结果填入表3中。

表3  去应力效果对比试验结果

3.5去应力效果对比试验结果分析

首先，对每种条件下的弯曲试验数据进行方差分析，考查弯曲和不弯曲时的爆速波动。再通过方差分析中P(F)值的计算得出弯曲与不弯曲是否存在差距[45]。

表5  银导爆索去应力效果对比试验综合数据分析表

a）温度和时间对爆速的影响

对表5中未弯折的银导爆索爆速数据作图。导爆索爆速与保温温度关系图如图4所示，导爆索爆速与保温时间关系图如图5所示。

图4   导爆索爆速-保温温度关系图

图5   导爆索爆速-保温时间关系图

由图4和图5可看出，保温温度和时间对爆速基本无影响。因此，不同保温温度和时间下的弯曲试验结果具有可比性，爆速的不同仅仅是由于弯曲而造成的。不同直径的导爆索爆速存在明显差异，直径越大，爆速越高。因导爆索自身较细，内部炸药的爆轰速度没有达到极限值，因此，可以通过增大直径的方法来增加导爆索爆速，当爆速达到极限值时，再增加直径也无法增加爆速了。

b）温度和时间对应力的影响

试验结果应剔除不合格的数据，不合格的数据主要来自于系统误差和测试误差。系统误差主要是测试系统内部固有的误差，不可改变。测试误差主要是由于测试方法的错误或偶然的意外操作而造成的误差，这些误差主要体现在测试结果的异常，比如本试验的爆速差为负值等。再者，对某些导爆索的展开不彻底，将造成折叠，由于导爆索弯角过小，爆轰波直接起爆弯角另一端，造成实际靶距减小，爆速偏大。这种误差在导爆索直径大时更容易出现，因为直径越大，输出威力就越强。

去除不合格数据，将不同直径导爆索的爆速差与保温温度关系以及爆速差与保温时间关系分别绘制在图6和图7中。上面提到，爆速差反映了银导爆索内应力去除的多少。当内应力释放得比较好时，弯曲前后的爆速差就越大，而不是文献[5]所说，柔性越好爆速差越小。正好相反，柔性越好，弯曲前后爆速差就越大。柔性越好，弯曲时导爆索外壳对内部药剂的保护就越差，造成弯曲时外力对内部药剂的位置产生较大的影响。而柔性越差，即内应力去除的不好，则外壳对内部药剂的保护就越好，弯曲前后导爆索爆速的变化反而不大。

图6  导爆索爆速差-保温温度关系图

图7  导爆索爆速差-保温时间关系图

通过上文分析，银导爆索的应力去除得越好，则爆速差就越大。由图6，可看出无论是何种直径的银导爆索，在保温温度为70℃时，爆速差最大，即此保温温度下应力去除的较好，此温度就是银导爆索去应力工艺的最佳保温温度。由图7，可以看出保温时间为48h时，爆速差最大，即此保温温度下应力去除的较好，此时间就是银导爆索去应力工艺的最佳保温时间。

c）导爆索直径和弯曲状态对爆速的影响

将每组弯曲试验的标准差都列在表6中，以试验组号为横坐标，标准差为纵坐标，以直径为区分作图，如图8、9所示，分别对导爆索直径大小和弯曲状态对爆速的影响进行分析。

表6  导爆索直径和弯曲状态对爆速影响数据分析表

图8  爆速标准差-导爆索（Ф0.95mm）弯曲状态关系图

图9  爆速标准差-导爆索（Ф1.01mm）弯曲状态关系图

由图8和图9可以看出，未经弯曲的导爆索爆速标准差基本稳定在一个数值附近，弯曲的爆速标准差波动范围较大。由于不能保证每次弯曲的结果和拉直后的状态保持一致，变化的因素较多，特别是直径比较大的导爆索，弯曲后内部装药结构显著变化，爆速波动就更大。因此，实际使用导爆索时如果要求导爆索在弯曲状态下作用，则最好选择直径较小的导爆索，这样其爆速比较稳定，否则弯曲过程对爆速的波动影响较大，而且其波动的规律也难以确定。

3.6  银导爆索去应力工艺参数

通过保温温度、保温时间及导爆索直径对银导爆索去应力效果的对比试验，可以发现银导爆索的直径对导爆索的爆速有一定影响，同时，其弯曲状态也对爆速产生一定的影响，但对去应力工艺参数的选取无影响。进行弯曲试验时，可以发现经过弯曲的导爆索爆速降低。而且，应力去除得越好，弯曲前后银导爆索的爆速差就越大。通过不同保温温度和保温时间下的对比试验，最终确定了去应力的最佳工艺参数为：保温温度为70℃，保温时间为48h。

5 结语

银导爆索采用银管拉制，由于银的较好的强度和优良延展性能使其满足航天器及武器装备发射过载及有限空间内的装配使用要求。银导爆内装六硝基茋炸药，该炸药爆速较高，耐温性较好，满足了武器装备对传爆延时精度要求，同时，也满足了航天器对火工装置的耐温性要求。影响银导爆索去应力效果的因素主要有：保温温度、保温时间及导爆索外径。通过去应力效果对比试验，得出银导爆索的去应力工艺：保温温度为70℃，保温时间为48h。

参考文献：

[1]欧育翔. 炸药学[M]. 北京：北京理工大学出版社,2014：178.

[2]高飞，王尚文，杨宏俊．振动消除内应力综述[J]．振动测试与诊断，1982(03):18～24

[3]孙有平，张扬扬，涂耀耀，韩俊，李旺珍．去应力退火处理对310S钢焊接接头残余应力与力学性能的影响[J]．焊接技术，2015(02):34～37

[4]袁鸿志，冯晓宇．去应力退火工艺参数的研究[J]．热处理技术与装备，2014(02):48～50

[5]蒋德春．炸药网络及其在常规兵器中的应用[J]．爆轰波与冲击波，1996(3)

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