Nghiên cứu thiết kế và chế tạo rơ le hỏa thuật

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 231 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO RƠ LE HỎA THUẬT Hoàng Khắc Hoằng1, Nguyễn Như Chu1*, Vũ Việt Anh1, Bùi Hiếu Trung2 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo rơ le hỏa thuật lắp trong hệ thống bảo hiểm kích nổ 3B45.01-01 thuộc hệ thống điều khiển nổ KBY- 78. Sản phẩm nghiên cứu, thiết kế chế tạo có thể áp dụng phục vụ chế tạo hệ thống bảo hiểm kích nổ cho các loại tên lửa. Từ khóa: Tên lửa, Ngòi nổ, Hệ thống bảo hiểm kích nổ, Rơ le hỏa thuật. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Rơle hỏa thuật (RLHT) là một trong những cụm chi tiết nằm trong tổng thể kết cấu của ngòi nổ nói riêng và trong tên lửa nói chung. Trong sơ đồ nguyên lý- kết cấu của ngòi nổ, RLHT có chức năng bảo đảm an toàn trong bảo quản, vận chuyển. Tùy theo yêu cầu của mạch hỏa thuật trong ngòi nổ mà nó có thể phân ra hai loại: chuyển mạch đơn dụng và đa dụng. Trong tên lửa Kh-35E, RLHT là loại RLHT chuyển mạch đa dụng, được lắp đồng bộ trong cụm bảo hiểm kích nổ 3B45.01-01 [1]. Do tính chất đặc thù, hiện nay ở Việt Nam chưa được chuyển giao tài liệu thiết kế cũng như việc tiếp cận công nghệ chế tạo sản phẩm, nên việc chế tạo sản phẩm còn gặp khó khăn nhất định. Để chế tạo RLHT trong hệ thống bảo hiểm kích nổ nổ 3B45.01-01, nhóm tác giả thực hiện giải pháp: Thiết kế, chế tạo trên cơ sở khảo sát mẫu hiện có, kết hợp với tính toán lý thuyết, áp dụng kinh nghiệm và công nghệ truyền thống của các nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng tiến hành chế thử và thử nghiệm để đưa ra mẫu RLHT có tính năng tương tự như mẫu do nước ngoài sản xuất. 2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Cấu tạo cơ bản của RLHT gồm: Cụm cơ cấu hỏa thuật điện và cụm công tắc (rơ le). Trên hình 1 là một trong những loại rơ le hỏa thuật điển hình mà hiện nay đang được trang bị đồng bộ trong hệ thống bảo hiểm kích nổ nổ 3B45.01-01 [1]. Nguyên lý hoạt động: Khi nguồn điện được cấp vào rơ le hỏa thuật, sau một khoảng thời gian nhất định, cầu trở được đốt nóng và kích hoạt thuốc hỏa thuật bên trong cụm hỏa thuật (2). Khi thuốc hỏa thuật cháy sinh khí, tạo lực đẩy để nắp chụp (3) đẩy piston (4) chuyển động về phía không gian tự do phía trước. Khi piston (4) chuyển động đến cuối hành trình sẽ cắt đứt dây nối Hình 1. Rơ le hỏa thuật. 1- vỏ; 2- cụm cơ cấu hỏa thuật; 3- nắp chụp; 4- piston; 5- vỏ cách điện; 6- cụm cọc tiếp điểm; 7- dây nối ngắn mạch; 8- cọc tiếp điểm. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. K. Hoằng, N. N. Chu, , “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo rơle hỏa thuật.” 232 ngắn mạch (7), đồng thời nối mạch giữa hai cọc tiếp điểm (8). Tại vị trí cuối hành trình, dưới tác động của sản phẩm cháy nó được giữ ở một vị trí cố định nhằm duy trì quá trình đóng mạch điện để tăng khả năng làm việc tin cậy của hệ thống. 3. KHẢO SÁT, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO RƠ LE HỎA THUẬT Qua thực tế khảo sát RLHT trong tên lửa Kh-35E, một số chi tiết, cụm chi tiết cơ khí đã xác định được kết cấu và thành phần vật liệu. Tuy nhiên còn một số chi tiết, cụm thuốc hỏa thuật không thể xác định chính xác được thành phần cũng như vật liệu do khối lượng của các chi tiết, cụm chi tiết này quá nhỏ, không đủ khối lượng tới hạn để phân tích. Vì vậy, giải pháp nhóm tác giả đưa ra là: Thiết kế theo mẫu những cụm chi tiết, chi tiết xác định được thành phần và kết cấu, số còn lại trên cơ sở vận dụng những kết quả đã được nghiên cứu và áp dụng kinh nghiệm, công nghệ truyền thống của các nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, bao gồm: Tính toán xác định đơn thuốc hỏa thuật và cầu trở trong cụm hỏa thuật của RLHT, kết hợp với thực nghiệm để hoàn thiện thiết kế sản phẩm. 3.1. Xác định đơn thuốc và khối lượng thuốc hỏa thuật Theo [2], [3], [4], thuốc hỏa thuật sử dụng cho mồi lửa điện, bộ lửa điện hiện đang chế tạo, dùng trang bị cho các tên lửa hiện đại như: Tên lửa “Igla”; tên lửa П15-У; П28,... và áp dụng kinh nghiệm thực tế hiện nay vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo liều thuốc hỏa thuật là styphnat chì kết tinh C6H(NO2)3PbO2 với các tham số đặc trưng trong bảng 1. Bảng 1. Các đặc trưng của thuốc hỏa thuật C6H(NO2)3PbO2 [4]. Hỗn hợp thuốc Nhiệt lượng cháy, kJ/kg Nhiệt độ lớn nhất của sản phẩm cháy, K Nhiệt độ bắt đầu cháy, K Mật độ nén ép lớn nhất, kg/m3 C6H(NO2)3PbO2 853,5 5092 ≥ 527 2,9.10 3 Dưới tác động nhiệt do cầu trở được cấp dòng điện tạo ra, phản ứng cháy của styphnat chì kết tinh C6H(NO2)3PbO2 được viết dưới dạng [4]: 2.C6H(NO2)3PbO2 = 3.CO2+9.CO+3.N2+2.Pb+H2O (1) Khối lượng của lớp thuốc hỏa thuật xác định qua biểu thức [2], [5]:    -1 f. p (2) Trong đó: p- áp suất lớn nhất do khối lượng thuốc ω tạo ra, kN/m2; f- lực thuốc phóng, kN.m/kg; α- lượng cộng tích khí thuốc, m3/kg; Δ- mật độ thuốc hỏa thuật (khối lượng riêng sau nén ép), kg/m3. Công thức (2) có thể viết dưới dạng:   . . pf Vp   (3) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 233 Lực thuốc hỏa thuật được xác định thông qua biểu thức [5]: f=n.R.T (4) Trong đó: n- số mol sinh ra khi 1 kg thuốc bị đốt cháy; R- hằng số khí; T- nhiệt độ cháy, K. Số phân tử khí sinh ra khi 1 kg thuốc bị đốt cháy được xác định theo công thức [4]:   5 1 1 3 . .10 ii MN n n (5) Trong đó: Ni, Mi - số phân tử và khối lượng phân tử khí tạo thành sau phản ứng cháy; n1 - số mol chất cháy. Giả thiết rằng, với thời gian cháy tạo khí ngắn, thành phần Pb trong hỗn hợp sản phẩm cháy không bị hóa hơi, khi đó, thay các giá trị từ phản ứng cháy (1) và thay giá trị n xác định được qua công thức (5) vào biểu thức (4) nhận được f = 1028.10-3 kN.m/kg. Lượng cộng tích α được xác định theo công thức [4]: α=0,001.γ0 (6) Thể tích riêng của liều bắt lửa γ0 xác định theo biểu thức [3]:   5 1 1 3 0 . .10.4,22 ii MN n  (7) Thay các giá trị vào (7) và (6) nhận được α= 0,551.10-6 m3/kg. Theo [2], để làm việc tin cậy, áp suất lớn nhất do khí thuốc tạo ra nằm trong khoảng p= (200÷ 300) kN/m2. Với kích thước khoang chứa thuốc hỏa thuật (ФxL) = (3,8x0,7).10-3 m, thay các giá trị xác định qua các công thức (4) và (6) vào (3) nhận được ω= 2,005.10-5 kg (≈ 20 mg). 3.2. Xác định đặc tính cầu trở Cầu trở là một trong những chi tiết quan trọng trong hỏa cụ điện nói chung và RLHT nói riêng, khi có nguồn điện đi qua nó có chức năng chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng để đốt cháy liều thuốc hỏa thuật, do vậy tùy theo đặc điểm nguồn điện của tên lửa mà lựa chọn các tham số về điện áp, dòng an toàn và dòng làm việc tin cậy. Mối quan hệ giữa dòng làm việc tin cậy và đường kính cầu trở được xác định theo biểu thức [3]:          d B l A t ToTcdI 1 . 4 2   (8) Trong đó: I- dòng điện tin cậy, A; c- nhiệt dung riêng của vật liệu cầu trở, J/(kg.K); δ- khối lượng riêng của vật liệu cầu trở, kg/m3; Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. K. Hoằng, N. N. Chu, , “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo rơle hỏa thuật.” 234 ρ- điện trở suất của cầu trở, Ω.m2/m; To- nhiệt độ môi trường, K; T- nhiệt độ cầu trở bị nung nóng sau đơn vị thời gian t giây, K; A, B- Các hệ số thức nghiệm. Thời gian nung nóng cầu trở thông thường nằm trong khoảng từ 8.10-4 s đến 15.10-4 s, khi đó nhiệt độ cầu trở nằm trong khoảng từ 458 K đến 598 K, hệ số thực nghiệm A = 8,535, B = 0,013 [3]. Với dòng tin cậy yêu cầu I = 0,6 A, T = 573 K, thời gian cấp điện cho cầu trở là 10-4 s, chiều dài cầu trở l = 1,5.10-3 m và với các vật liệu khác nhau như trong bảng 2, áp dụng công thức (8), xác định được đường kính cầu trở d. Bảng 2. Đường kính cầu trở ứng với các loại vật liệu khác nhau. TT Loại vật liệu Đặc tính vật liệu [3] Đường kính cầu trở, m Nhiệt dung riêng, J/(kg.K) Khối lượng riêng, kg/m3 Điện trở suất, Ω.m2/m 1 Platinum-Iridium (Pt+15%Ir) 133,89 21,5.103 0,44.10-6 11,1.10-6 2 Hợp kim Ni-Cu (60%Cu+ 40%Ni) 410,03 8,8.103 0,47.10-6 10,7.10-6 3 Hợp kim Ni-Cr (60%Ni+26%Fe+12%Cr) 393,30 8,4.103 1,0.10-6 13,2.10-6 4 Hợp kim Ni-Cr (80%Ni+20% Cr) 397,48 8,4.103 1,0.10-6 13,2. 10-6 Để phù hợp với tính kinh tế, công nghệ chế tạo hiện nay ở trong nước, chọn loại vật liệu hợp kim Ni-Cr (80%Ni+20% Cr) để làm cầu trở với đường kính dây là 15.10-6 m, khi đó, điện trở của cầu trở Rct ≈ 8,5 Ω. 3.3. Kết quả chế thử và thử nghiệm Trên cơ sở tính toán khối lượng thuốc hỏa thuật, nhóm tác giả đã tiến hành chế thử và thử nghiệm các mẫu RLHT với khối lượng thuốc khác nhau. Kết quả chế thử và thử nghiệm cho thấy: Với khối lượng thuốc hỏa thuật ω = (2 ±0,2).10-4 kg RLHT hoạt động tốt và không làm biến dạng vỏ ngoài (hình 2) và đảm bảo đạt yêu cầu kỹ thuật. a. b. Hình 2. RLHT trước (a) và sau (b) thử nghiệm. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 235 Bảng 3. Kết quả thử nghiệm RLHT. TT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giá trị/Trạng thái 1 Điện áp làm việc V 272,7 2 Điện trở cầu đốt  5 ÷ 8 3 Dòng điện an toàn, thời gian 5 phút A 0,02+0,002 4 Dòng diện làm việc (kích hoạt) tin cậy A 0,60 +0,1 5 Điện trở cách điện: tiếp điểm và vỏ, không nhỏ hơn Điều kiện thử nghiệm: - Điện áp đo: 100 đến 125 - Môi trường: 298 K đến 398 K độ ẩm không lớn hơn 70% M 20 6 Thử chức năng hoạt động - Cắt đứt mạch ”SUN” - Nối mạch hỏa thuật - Đảm bảo chức năng trong kết cấu 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở kết hợp giữa kết quả khảo sát mẫu đã có với tính toán lý thuyết, thực nghiệm, nhóm tác giả đã chế tạo được RLHT bằng nguyên vật liệu và công nghệ trong nước. Qua thử nghiệm chức năng, sản phẩm đã đạt được các yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu không chỉ sử dụng đồng bộ cho bộ bảo hiểm kích nổ 3B45.01-01 của tên lửa hành trình đối hải Kh-35E mà còn có thể ứng dụng trang bị đồng bộ cho các bộ bảo hiểm kích nổ khác có tính năng tương tự. Tuy nhiên, RLHT là loại hỏa cụ đặc thù, lần đầu tiên được khảo sát, nghiên cứu, chế thử và thử nghiệm ở nước ta nên để khẳng định tính ổn định công nghệ sản phẩm cần thiết phải chế thử và thử nghiệm với số lượng lớn hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ракета 3М-24Э. “Техническое описание”. Часть 1, 2. 78.0000.0000 ТО1, 1996. [2]. Г.В. Барбашов. “Конструирование электромеханических систем управления. Конспект лекций”. Часть II. Санкт - Бетербург, 1999. [3]. П.Ф Бунов и И.П. Сухов. “Средства инициирования”. Москва 1945. [4]. А.Г. Горст. “Пороха и взрывчатые вещества”. Из. «Машиностроение». Москва 1972. [5]. М.Е Серебряков. “Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет”. Государственное научно-техническое издательство оборонгиз. Москва 1962. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay H. K. Hoằng, N. N. Chu, , “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo rơle hỏa thuật.” 236 ABSTRACT A STUDY ON DESIGNING AND MANUFACTURING SAFETY AND ARMING RELAYS In this paper, the results of designing and manufacturing safety and multi- effect detonators installed in the 3B45.01-01 system on KBY-78 are presented. Research results and prototypes could be applied to build safety and arming mechanisms for different types of rockets and missiles. Keywords: Missile, Fuze, Safety and arming relays. Nhận bài ngày 16 tháng 07 năm 2016 Hoàn thiện ngày 04 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Tên lửa/Viện KHCNQS 2 Nhà máy Z121/Tổng cục CNQP * Email: nguyennhuchu@gmail.com