Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị nhồi đúc thuốc nổ nhiệt áp vào đầu đạn ĐNA-7V - Trần Quang Phát

Hóa học – Sinh học – Môi trường T. Q. Phát, , H. V. Quyên, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo áp vào đầu đạn ĐNA-7V.” 302 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHỒI ĐÚC THUỐC NỔ NHIỆT ÁP VÀO ĐẦU ĐẠN ĐNA-7V Trần Quang Phát1*, Ngô Văn Giao2, Ninh Đức Hà3, Nguyễn Mậu Vương1, Hoàng Văn Quyên1 Tóm tắt: Vũ khí nhiệt áp có nhiều tính năng vượt trội khi so sánh với vũ khí thông thường. Ở Việt Nam, thuốc nổ nhiệt áp gần đây đã được bắt đầu nghiên cứu để sử dụng cho một số loại vũ khí hiện đại. Các tác giả đã trình bày một số kết quả nghiên cứu ban đầu về thuốc nổ nhiệt áp, việc lựa chọn thành phần của thuốc nổ nhiệt áp dùng cho phương pháp nhồi đúc [1]. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị và kết quả nhồi đúc thuốc nổ nhiệt áp vào đầu đạn nhiệt áp ĐNA-7V. Từ khóa: Đạn nhiệt áp ĐNA-7V; Thuốc nổ hỗn hợp; Thuốc nổ nhiệt áp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thành phần của thuốc nổ nhiệt áp (TNNA) thường gồm có thuốc nổ phá, chất cháy, chất oxi hóa, chất kết dính và phụ gia. Thực tế, TNNA là 1 loại thuốc nổ PBX (Plastic Bonded eXplosives) nhiệt rắn. Thuốc nổ này được chuẩn bị bằng công nghệ đúc trực tiếp vào các loại vũ khí, sau đó được đóng rắn ở nhiệt độ cao, chúng trở thành khối thuốc nổ dạng rắn với các đặc trưng của cao su đàn hồi [3], [4]. Tuy nhiên, các công trình này không công bố thông tin chi tiết về công nghệ cũng như thiết bị và phương pháp nhồi đúc TNNA. Ở trong nước, TNNA nói chung và TNNA dùng cho đạn nhiệt áp ĐNA-7V mới bắt đầu được nghiên cứu, chế tạo. Đạn nhiệt áp ĐAN-7V có hình dạng vỏ đầu đạn phức tạp, 2 đầu có đường kính nhỏ hơn phần giữa (hình 1) nên phương pháp nhồi đúc thuốc nổ là phương pháp phù hợp nhất. Hình 1. Đầu đạn nhiệt áp ĐNA-7V. Yêu cầu quan trọng nhất của trạng thái TNNA đúc là mật độ cao (không nhỏ hơn 1,89 g/cm3) và hiện nay trong nước cũng chưa có sản phẩm nào đạt được mật độ này. Một khó khăn cần giải quyết là xác định công nghệ chế tạo và nhồi đúc vào thân đạn. Qua phân tích, đánh giá, phương án công nghệ đúc có áp suất kết hợp hút chân không trong lòng thân đạn được lựa chọn để đảm bảo chất lượng khối thuốc. Về mặt nguyên lý, có 2 phương án nhồi đúc là nhồi xuôi chiều và nhồi ngược chiều thuốc nổ vào trong lòng thân đạn. - Đối với phương án nhồi đúc xuôi chiều (hình 2a): Trong lòng thân đạn được hút chân không sẽ tạo áp suất âm. Xi lanh thủy lực hoạt động đẩy piston đi xuống và đẩy thuốc nổ từ bầu đúc rơi xuống thân đạn. Thuốc nổ sẽ điền đầy vào trong lòng thân đạn bắt đầu từ phía dưới, bịt kín cửa hút chân không. Do đó tác dụng hút chân không sẽ bị hạn chế, đặc biệt khi trong lòng khối thuốc nổ còn có bọt khí thì sẽ không thể hút hết làm khối thuốc còn có khuyết tật, mật độ không cao. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 303 a. Nhồi đúc xuôi chiều b. Nhồi đúc ngược chiều Hình 2. Nguyên lý nhồi đúc. 1. Xi lanh thủy lực 2. Bầu đúc 3. Piston 4. Thuốc nổ nhiệt áp 5. Thân đạn 6. Thiết bị hút chân không - Đối với phương pháp nhồi đúc ngược chiều (hình 2b): Trong lòng thân đạn được hút chân không sẽ tạo áp suất âm. Xi lanh thủy lực hoạt động đẩy piston đi lên và đẩy thuốc nổ từ bầu đúc đi lên vào trong lòng thân đạn. Thuốc nổ sẽ điền đầy vào trong lòng thân đạn bắt đầu từ phía dưới, trong quá trình đó độ chân không trong lòng thân đạn vẫn được duy trì, chỉ đến khi thuốc nổ điền đầy lòng thân đạn thì cửa hút chân không mới bị bịt kín, lúc này tác dụng hút chân không mới bị suy giảm. Nhờ áp lực của xilanh thủy lực sẽ tiếp đúc đẩy thuốc vào trong lòng thân đạn để đến mật độ cần thiết. Do đó, phương án nhồi đúc ngược chiều bảo đảm yếu tố công nghệ hơn được lựa chọn làm nguyên lý hoạt động cho thiết bị nhồi đúc thuốc nổ nhiệt áp. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, KỸ THUẬT SỬ DỤNG 2.1. Hóa chất, vật tư 2.1.1. Hóa chất - Thuốc nổ RDX cấp 1: Theo TCVN/QS 1274:2017; - Thuốc nổ A-IX-1 cấp 1: Theo TCVN/QS 1921:2017; - Bột nhôm: Kích thước hạt < 6 m, hàm lượng Al tinh khiết  99,5 %; - Amonipeclorat (AP): Hàm lượng AP  98,5 %; - Cao su polyacrylic: Độ nhớt động học ở 30oC  40 cSt; - Dinitrat dietylenglycol (DNDEG): Khối lượng riêng: 1,37  1,40 g/cm3; - Dinitrat trietylenglycol (DNTEG): Khối lượng riêng: 1,33  1,37 g/cm3; - Toluen diizoxianat (TDI): Tỷ trọng 1,22  1,25; - Diphenylamin (DPA): Điểm đông đặc  52,6oC; - Lecithin: Hàm lượng photphatit  77 %. Đơn thành phần TNNA cho trong bảng 1. Bảng 1. Thành phần của thuốc nổ nhiệt áp. TT Thành phần Hàm lượng (%) 1 Thuốc nổ RDX 25 ± 0,5 Hóa học – Sinh học – Môi trường T. Q. Phát, , H. V. Quyên, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo áp vào đầu đạn ĐNA-7V.” 304 2 Bột Al cỡ hạt < 6 m 29,0 ± 0,5 3 Amonipeclorat 28,5 ± 0,5 4 Cao su polyacrylic + hỗn hợp HD-70 16,0 ± 0,3 5 Lecithin 0,15 ± 0,01 6 TDI 0,75 ± 0,03 7 DPA 0,4 ± 0,02 2.1.2. Vật tư - Thép C45 TCVN 1766-75 - Thép CT3; - Thép SUS 304; - Đồng vàng; - Nhôm 6061; 2.2. Tiến trình công nghệ nhồi đúc TNNA vào đạn nhiệt áp ĐNA-7V Công nghệ nhồi đúc TNNA vào đạn nhiệt áp ĐNA-7V gồm các nguyên công chủ yếu sau đây: 1. Sấy RDX đạt hàm lượng ẩm; 2. Sấy AP đạt hàm lượng ẩm; 3. Cân định lượng các thành phần rắn; 4. Trộn đều thành phần lỏng trên máy trộn hành tinh; 5. Cho bột Al vào hỗn hợp chất lỏng, trộn đều trên máy trộn hành tinh có cơ cấu hút chân không; 6. Cho thuốc nổ RDX vào hỗn hợp, trộn đều trên máy trộn hành tinh có cơ cấu hút chân không; 7. Cho AP vào hỗn hợp, trộn đều trên máy trộn hành tinh có cơ cấu hút chân không; 8. Đúc thuốc nổ: - Chuẩn bị thân đạn; - Chuẩn bị thiết bị đúc thuốc nổ; - Đúc thuốc nổ; - Đóng rắn sơ bộ; - Tháo thân đạn, lắp ống chứa ngòi; 9. Sấy, đóng rắn; 10. Sửa bề mặt thuốc; 11. Bảo quản sản phẩm. 2.3. Phương pháp thiết kế thiết bị nhồi đúc TNNA - Nghiên cứu lựa chọn nguyên lý nhồi đúc TNNA; - Nghiên cứu tính toán thiết kế thiết bị nhồi đúc: Về nguyên lý, thiết bị hoạt động theo cơ cấu piston-xilanh. Thiết bị nhồi đúc gồm nhiều chi tiết, trong đó chi tiết quan trọng nhất là bầu đúc. Bầu đúc đóng vai trò đóng vai trò như 1 xi lanh và hoạt động trong môi trường áp suất cao (đến 130 atm), là nơi chứa các thành phần của hỗn hợp thuốc nổ nhiệt áp. Bầu đúc dạng trình trụ tròn. Do đó, có thể coi hệ piston-xilanh như một bình chịu áp lực cao. Sử dụng phương pháp tính toán bền bình chịu áp lực để tính toán chiều dày của bầu đúc. Công thức đưa vào tính toán chiều dày nhỏ nhất dựa theo ứng suất chu vi là [2]: . 2. P D T f P   (1) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 305 Trong đó: - T: Chiều dày của bầu đúc, mm; - P là áp suất thiết kế, MPa; - D là đường kính trong, mm; - f là độ bền kéo ở nhiệt độ thiết kế, MPa; 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu tính toán thiết kế thiết bị nhồi đúc TNNA Thiết bị nhồi đúc gồm nhiều chi tiết, trong đó chi tiết quan trọng nhất là bầu đúc. Bầu đúc đóng vai trò quan trọng trong quá trình đúc thuốc nổ, nó là nơi chứa các thành phần của hỗn hợp thuốc nổ nhiệt áp. Bầu đúc dạng trình trụ tròn. Quá trình tính toán thiết kế bầu đúc: 3.1.1. Tính toán thể tích bầu đúc Lượng TNNA đưa vào trong bầu đúc khoảng 2800 g. Mật độ đong của hỗn hợp là khoảng 1,70 g/cm3, tức là thể tích tối đa của khối lượng hỗn hợp đưa vào là khoảng 1450 cm3. Để có thể đúc được thì piston phải di chuyển trong bầu đúc, do đó cần phải có không gian để dẫn hướng cho piston, lấy thể tích khoảng không gian này bằng ½ thể tích của thuốc nổ chiếm chỗ. Như vậy tổng thể tích của bầu đúc vào khoảng 1450 × 1,5 = 2175 cm3. Chọn kích thước trong của bầu đúc như sau:  130 mm × 165 mm, thể tích trong là: V = 2190 cm3. 3.1.2. Tính toán chiều dày của bầu đúc Lựa chọn vật liệu làm bầu đúc là thép SUS 304 để tránh phát sinh tia lửa do va chạm giữa các chi tiết khi làm việc. Giả sử khi đúc, áp suất trong bầu lên cao tối đa là 120 atm (ngưỡng an toàn cho thiết bị). Theo công thức (1) ta có: P = 120 atm = 11,76 Mpa; D = 130 mm; Trong [2], tra bảng 3.3.1 ta có f = 110 MPa; tra bảng 3.5.1.7 ta có  = 0,9; Vậy 11,76.130 8,2 2.110.0,9 11,76 T mm   Do đó với chiều dày là 9 mm thì thiết bị đảm bảo độ bền khi chịu áp suất làm việc cao. 3.2. Đặc tính kỹ thuật của thiết bị Hình 3. Bầu đúc. Hóa học – Sinh học – Môi trường T. Q. Phát, , H. V. Quyên, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo áp vào đầu đạn ĐNA-7V.” 306 Hình vẽ bầu đúc được đưa ra trong hình 3, hình vẽ thiết bị nhồi đúc TNNA vào đầu đạn nhiệt áp ĐNA-7V được đưa ra trong hình 4 và hình 5. Thiết bị được chế tạo gồm 27 chi tiết. Đặc tính kỹ thuật chính: - Kích thước bầu đúc:  × H = (130 × 165) mm - Công suất làm việc tối đa: 3,0 kg/mẻ - Áp suất đúc (35  45) atm - Hành trình tối đa của xi lanh: 120 mm - Áp suất chân không trong quá trình đúc: -450 mmHg - Khối lượng máy: 120 kg. Hình 4. Thiết bị nhồi đúc TNNA. Hình 5. Bản vẽ lắp thiết bị nhồi đúc TNNA vào đầu đạn nhiệt áp ĐNA-7V. 3.3. Kết quả nhồi đúc TNNA vào đầu đạn nhiệt áp ĐNA-7V Áp dụng tiến trình công nghệ trong 2.3 với thiết bị đúc TNNA, đầu đạn nhiệt áp ĐNA- 7V đã được đúc thành công. Hình 6 cho thấy rõ điều này. (a) (b) Hình 6. Đầu đạn chưa nhồi TNNA (a) và đã nhồi, tổng lắp hoàn chỉnh (b). - Kết quả kiểm tra khối lượng TNNA và mật độ thuốc nổ của 10 quả đạn được cho trong bảng 2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 307 Bảng 2. Kết quả tính toán mật độ thuốc nổ nhiệt áp trong đạn. TT Ký hiệu đạn Khối lượng TNNA (g) Mật độ (g/cm3) 1 Đầu đạn số 1 2359,4 1,90 2 Đầu đạn số 2 2346,2 1,90 3 Đầu đạn số 3 2324,4 1,89 4 Đầu đạn số 4 2346,2 1,90 5 Đầu đạn số 5 2357,2 1,90 6 Đầu đạn số 6 2328,2 1,89 7 Đầu đạn số 7 2359,4 1,90 8 Đầu đạn số 8 2326,3 1,89 9 Đầu đạn số 9 2343,1 1,89 10 Đầu đạn số 10 2357,5 1,90 - Kiểm tra độ đồng đều mật độ của TNNA trong từng đầu đạn bằng cách đo mật độ ở 3 vị trí đầu, giữa và cuối đầu đạn của 3 đầu đạn số 1, 2, 3 (ví trí đầu lắp ống chứa ngòi, là nơi thuốc bắt đầu vào trong quả đạn khi đúc). Kết quả đo được cho trong bảng 3. Bảng 3. Kết quả đo mật độ tại các vị trí khác nhau trong đầu đạn. TT Ký hiệu đạn Mật độ (g/cm3) Ở đầu quả đạn Ở giữa quả đạn Ở cuối quả đạn 1 Đầu đạn số 1 1,90 1,90 1,89 2 Đầu đạn số 2 1,91 1,89 1,89 3 Đầu đạn số 3 1,90 1,89 1,89 Nhận xét: - Từ hình 6b nhận thấy khối thuốc có chất lượng tốt, không có khoang rỗng, bọt khí. - Từ kết quả của bảng 2 nhận thấy mặc dù khối lượng thuốc nổ của các quả đạn khác nhau (do khối lượng vỏ các quả đạn khác nhau), mật độ của thuốc nổ trong các quả đạn đồng đều và đều đạt yêu cầu (không nhỏ hơn 1,89 g/cm2). - Từ kết quả của bảng 3 nhận thấy có sự khác nhau về mật độ tại vị trí đầu và cuối quả đạn. Nguyên nhân là do áp suất nén lên các lớp thuốc ở cuối quả đạn bị nhỏ hơn so với ở đầu quả đạn trong quá trình đúc. 4. KẾT LUẬN 1. Đã lựa chọn nguyên lý đúc phù hợp; tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị đúc TNNA vào đầu đạn nhiệt áp. 2. Đã xây dựng quy trình công nghệ đúc TNNA vào đầu đạn nhiệt áp. 3. Đã lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo các chi tiết của thiết bị. 4. Đã thực hiện đúc thuốc nổ vào trong đầu đạn, kết quả kiểm tra cho thấy mật độ của thuốc nổ trong các quả đạn đồng đều và đều đạt yêu cầu (không nhỏ hơn 1,89 g/cm2). Những kết quả đạt được trên đây là tiền đề cho việc nghiên cứu các thông số của TNNA và của đạn nhiệt áp ĐNA-7V. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tran Quang Phat, Ngo Van Giao, Ninh Duc Ha, and Nguyen Khac Phuong Hoa, “Several initial results of research into thermobaric explosives in Vietnam,” The 5th academic conference on natural science for young scientict, master & Ph.D. students from Asian countries, Da Lat city, Vietnam. 4-7 October 2017, ISBN: 978-604-913- 088-5. pp 219-225. Hóa học – Sinh học – Môi trường T. Q. Phát, , H. V. Quyên, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo áp vào đầu đạn ĐNA-7V.” 308 [2]. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 8366:2010, Bình chịu áp lực - Yêu cầu về thiết kế và chế tạo, (2010). [3]. Danica Simić, Radoslav Sirovatka, Uroš Anđelić, Milorad Popović, "Influence of cast composite thermobaric explosive composition on air shock wave parametres," ), Scientific technical review (2013), Vol.63, No.2, pp 63-69. [4]. Uroš ANDJELIĆ, Dragan KNEŽEVIĆ, Katarina SAVIĆ, Vladimir DRAGANIĆ, Radoslav SIROVATKA, Ljubiša TOMIĆ Danica SIMIĆ, "Thermobaric effects of cast composite explosives of different charge masses and dimentions", Central European Journal of Energetic material (2016), pp 161-182. ABSTRACT RESEARCH ON DESIGN, MANUFACTURING EQUIPMENT FOR CASTING THERMOBARIC EXPLOSIVE OF WARHEAD ĐNA-7V Thermobaric weapons have spectacular features compared to conventional weapons. In Vietnam, thermobaric explosive recently are researched for modern weapons. Authors discusses some initial results of choosing composition of thermobaric explosive for casting. This paper presents results of designing, manufacturing equipments and casting technology on warhead ĐNA-7V. Keywords: Warhead ĐNA-7V; Explosive composition; Thermobaric explosive. Nhận bài ngày 30 tháng 5 năm 2018 Hoàn thiện ngày 17 tháng 8 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 Địa chỉ: 1 Viện Thuốc phóng Thuốc nổ; 2 Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 3 Viện Hóa học vật liệu. * Email: quangphat17@gmail.com.