火工品工程 不用蛮劲用巧劲:作功类火工品

弹药火工品系列专题稿件(四)——不用蛮劲用巧劲:作功类火工品

我们知道,作功是指能量以一种形式转化为另一种形式的过程,对于火工品来说,作功即为将含能材料的化学能,通过一定的方式激发,转换为机械能或者热能的过程。广义上,大部分的含能材料,其最终的用途都是以机械作功的形式表现的,如破甲弹将化学能转换为射流动能以完成对装甲钢的侵彻,火箭发动机将发射药的化学能转化为火箭高速飞行的动能等。

火工品在兵器、航空、航天等多个领域都有广泛的运用,单就元件分类来说,经过多年的发展,现已形成功能齐全、效果各异的作功类火工品的专项分类。在本文中,将简要介绍几种典型的作功火工品,带领读者一窥这一小巧却又精密的造物的奥妙。

1 气体发生器

对于非专业领域的读者来说,日常生活中接触到的最多的火工品就是气体发生器。气体发生器是安全气囊的核心执行机构,安全气囊之所以能在车辆碰撞后的几个毫秒(1s为1000毫秒)之内形成巨大的保护空间,全都依赖于此。典型的气体发生器如图1所示。

图1 安全气囊气体发生器示意图

气体发生器的原理和结构较为简单,主要由点火头、产气药(叠氮化钠)和外壳组成。点火头直接连接到汽车的中控系统,当车辆发生碰撞时,汽车外部的传感器将碰撞电信号传送至中控电脑,中控电脑分析信号特征,若超过安全极限,则向点火头发出点火能量,点火头被引燃后,进一步引燃产气药,并迅速产生大量的氮气等气体,气体冲破外壳薄膜,并快速的充满气囊袋,使气囊膨胀并顶开方向盘、车门等部位的限制板,最终形成一个较大的保护气垫,保证乘车人员的安全。

与高压储气瓶、普通产气药剂相比,气体发生器具有显著的体积小、重量轻、反应快且价格低廉的特点,尤其是在毫米级的使用环境下,至今,气体发生器仍是当之无愧的首选。

2 火工拔销器与推销器

在机械工程的许多场合,常用到销连接,在某些器件体或其运动路径上,可通过移动锁销的方式,达到强制位移、紧固、限位和定位的目的。一般情况下,采用电磁铁可达到这些效果,但电磁铁功率较大、成本较高,而且在复杂电磁环境和过载环境中表现欠佳。火工拔销器与推销器的出现,为上述环境提供了一种可替代的思路。

拔销器的外形如图2所示,拔销器由密封壳体、火工药剂、销钉、密封圈、脚线等组成。通过脚线将药剂激发后,产生的气体充满壳体,并沿壳体内部导向运动至销钉端面,最终将销钉向壳体内部推动。外在表现为销钉回退,解除了对关联机构的限制。

图2 典型火工拔销器外形图

推销器与拔销器组成相似,但功能不同。推销器的功能为将销钉快速推出,达到限位目的,在某些机构中,还可利用销钉推出时的动能完成局部切割。

拔销器与推销器在体积、重量、环境适应性、成本等方面均有较大的优势,广泛运用于舱盖切割、锁定释放机构等卫星、火箭等特殊场合,以小巧的身躯为航天事业做出了巨大的贡献。

3 特殊的作功火工品

在上世纪七八十年代,日本研发人员“脑洞大开”,发明了一种火工作功机理的肾结石体外冲击破碎装置,并在临床上成功运用。这种装置长约为240mm,置于患处附近,通过内含的数微克的炸药爆炸产生的瞬间冲击波,可将体内结石破碎,以便患者排出。

这一产品的问世可谓是“思路清奇,角度刁钻”,但在当时的条件下,确实达到了一定的治疗效果。随着科技的进步,超声波体外碎石技术逐渐成熟,这种“炸药贴片”也就逐渐退出了历史舞台。