爆轟快速點火實驗研究及機理分析*

張丁山，阮文俊，王 浩，郭錦炎，王珊珊

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆轟快速點火實驗研究及機理分析*

張丁山，阮文俊，王 浩，郭錦炎，王珊珊

（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了驗證采用爆轟可迅速引燃點火藥進而引燃主裝藥的可行性及掌握此種點火方式下的點火情況，建立了火藥裝藥系統(tǒng)下直列式起爆器爆轟點火實驗系統(tǒng)。在特定裝藥條件下，對點火后實驗裝置內(nèi)壓力變化情況進行了測量，得出采用爆轟點火方式可以實現(xiàn)點火延遲時間為0.3ms的目標(biāo)，以及得出此種點火方式下，火藥燃燒特點及實際應(yīng)用時的注意事項，如起爆點處裝置結(jié)構(gòu)強度、爆轟波衰減過程等。分析了爆轟快速點火機理，為爆轟點火實際應(yīng)用提供參考。

爆炸力學(xué)；點火機理；直列式起爆器；爆轟快速點火；爆轟

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，兵器發(fā)射所需能量仍主要來源于火藥的燃燒。在目前科學(xué)技術(shù)日新月異的情況下，兵器也在不斷地改進和完善，其發(fā)射與做功速度越來越快，要求火藥從點火到做功所需的時間越來越短，且對點火時間精度要求越來越高，進而對點火方式提出更高要求。

目前火藥裝藥點火方式主要有電底火點火、點火頭點火、激光點火［1］、沖擊波點火［2－3］等，其中電底火點火和點火頭點火技術(shù)已經(jīng)很成熟且應(yīng)用廣泛，但點火時間延時為幾毫秒到十幾毫秒［4］，較難滿足對點火延時更短的要求，且延時波動范圍較大；采用激光點火技術(shù)點火時需特定裝置，適用范圍有限；而沖擊波點火技術(shù)尚未完全成熟，且沖擊波多應(yīng)用于火炸藥的起爆，故各種點火方式均存在局限性。為了縮短點火時間，需在原有技術(shù)上進行改善或?qū)で笠环N更快更有效的點火方式［5］。

本文中所述點火方式就是采用電雷管起爆直接引燃點火藥，進而引燃主裝藥的快速點火方式，可以實現(xiàn)點火延時0.2～0.4ms的目標(biāo)。

1 實 驗

1.1 實驗器材

實驗裝置如圖1所示，包括8號電雷管若干、直列式起爆器（導(dǎo)爆索長度為680mm，爆速為4.8～5.0km／s）若干、電底火若干、黑火藥、4／1樟火藥、瞬態(tài)記錄儀、點火實驗裝置、壓電式壓力傳感器、導(dǎo)線、同步點火具、2節(jié)1.5V干電池等。

其中點火實驗裝置頂蓋可承壓60MPa，材料為45鋼，裝置外徑為92mm，內(nèi)徑為62mm，主裝藥體積為100 125mm3，黑火藥體積為5 541mm3，測壓孔高度（距內(nèi)腔底端）為10mm。

1.2 實驗測試及點火系統(tǒng)

為驗證采用爆轟直接引燃黑火藥進而達到點火效果的可行性，同時檢測此種點火方式的延遲時間，實驗中使用DEWE-4010型瞬態(tài)記錄儀。

采用的同步點火具共有相互對應(yīng)的2組通道，每組通道有5個輸出口，其中一組可同時輸出5個電壓為30V、持續(xù)時間為0.5s的點火脈沖信號，在輸出點火脈沖信號的同時，對應(yīng)的另一組輸出口輸出電壓為5V、持續(xù)時間為0.5s的脈沖信號，作為瞬態(tài)記錄儀的觸發(fā)信號，記錄點火時間。

1.3 實驗方法及過程

為了驗證和掌握爆轟點火的真實情況，同時為了與利用電底火點火時的響應(yīng)情況進行對比，進行了2項實驗：（1）用電雷管起爆直列式起爆器引燃黑火藥的實驗；（2）利用電底火引燃黑火藥的實驗。

圖1 點火實驗裝置示意圖Fig.1Schematic drawings of ignition experiment facilities

第1項實驗內(nèi)容主要包括：（1）在實驗裝置中只安裝直列式起爆器，當(dāng)電雷管將直列式起爆器起爆后，測試實驗裝置內(nèi)的壓力變化情況；（2）在實驗裝置中安裝直列式起爆器和裝填3g黑火藥，當(dāng)電雷管起爆直列式起爆器后，測試引燃黑火藥整個過程的延遲時間和壓力變化情況；（3）在實驗裝置中安裝直列式起爆器、裝填3g黑火藥并在底腔內(nèi)裝填5g 4／1樟火藥，測試整個點火過程的延遲時間和壓力的變化情況。實驗時，在雷管上安裝電離靶。測出用電雷管起爆直列式起爆器引燃黑火藥的延遲時間和火藥燃燒情況。實驗裝置裝配情況如圖1（a）所示。

第2項實驗中采用電底火引燃黑火藥這種點火方式，并測試點火延遲時間和實驗裝置內(nèi)壓力的變化情況。實驗裝置裝配情況如圖1（b）所示。為了能夠順利泄壓，在實驗裝置的剪切體上開有1個直徑為5mm的孔。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

圖2～5中圖（a）為壓力時間全過程曲線，圖（b）為相應(yīng)全過程曲線的部分壓力時間曲線。

圖2為實驗裝置內(nèi)只安裝直列式起爆器時，點火具輸出的點火脈沖、電雷管的響應(yīng)信號、以及直列式起爆器被起爆后實驗裝置內(nèi)的壓力曲線。從圖中可以得出：（1）實驗中所用電雷管的延遲時間為0.07ms；（2）電雷管起爆后，經(jīng)過0.2ms，直列式起爆器起爆后的沖擊波傳到壓力傳感器，其中包括長度為680mm的導(dǎo)爆索（爆速為4.8～5.0km／s）的爆轟時間和沖擊波從爆轟點傳到測試點的時間；（3）單獨直列式起爆器起爆后，在測試點產(chǎn)生的最大壓力為約9MPa，且壓力曲線波動幅度較大，這是由沖擊波的多次反射和不斷衰減造成的。

圖3為實驗裝置內(nèi)安裝直列式起爆器并裝填3g黑火藥時，點火后的壓力時間曲線。從中可以得出：（1）電雷管延遲時間以及沖擊波傳遞到測試點所需時間與圖2基本一致；（2）壓力曲線上只出現(xiàn)1個明顯的波峰突躍，沒有明顯的第2個波峰突躍，之后壓力曲線趨于平緩并逐步下降；（3）壓力峰值為約20MPa，這是由沖擊波造成的，第1次沖擊波過后，測試點處壓力為約4MPa。

通過計算可知，3g黑火藥燃燒后，在本實驗裝置密閉的情況下，可產(chǎn)生的氣體壓力為約9MPa。結(jié)合實驗結(jié)果可得此點火過程為：直列式起爆器起爆后產(chǎn)生的爆轟波作用于黑火藥，在爆轟波的直接作用下，極少黑火藥發(fā)生爆燃，但由于黑火藥可自由運動，難以轉(zhuǎn)為爆轟，所以在沖擊波通過黑火藥后，剩余黑火藥瞬間被引燃；而黑火藥瞬間燃燒產(chǎn)生的高壓氣體形成一與爆轟沖擊波傳播方向相同的沖擊波，進而爆轟沖擊波與燃燒沖擊波疊加一起向前傳播，故在壓力曲線上出現(xiàn)一明顯的波峰突躍，壓力峰值為約20MPa；在第1次沖擊波過后，由于緊跟其后火藥氣體的緣故，壓力值為約4MPa，當(dāng)沖擊波撞壁反射回來時，火藥氣體已基本充滿整個實驗裝置，故沒有出現(xiàn)明顯的第2個波峰突躍；之后壓力曲線為黑火藥燃燒產(chǎn)生氣體通過壓緊蓋頂端直徑為4mm通孔的泄壓曲線。

圖2 單獨直列式起爆器起爆后實驗裝置內(nèi)的壓力時間曲線Fig.2 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled only an in-line explosive initiator

圖3 裝填3g黑火藥后實驗裝置內(nèi)壓力時間曲線Fig.3 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled only an in-line explosive initiator and 3g black powder

圖4為實驗裝置內(nèi)安裝直列式起爆器并裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥時，點火后的壓力時間曲線。從圖中可以得出：（1）電雷管延遲時間以及沖擊波傳遞到測試點所需時間與圖2和圖3基本一致；（2）在主裝藥燃燒之前，即0.6ms前，壓力曲線與圖3中相應(yīng)時間段的壓力曲線基本一致，即黑火藥燃燒情況基本相同；（3）壓力峰值為約32MPa。

結(jié)合圖4及對圖3的分析可以得知：直列式起爆器起爆后，爆轟沖擊波對黑火藥的做功過程兩者相同。對圖4分析可得：5g 4／1樟火藥沒有發(fā)生爆燃以及爆轟，而是在黑火藥燃?xì)庖约皼_擊波的雙重作用下發(fā)生燃燒；主裝藥燃燒之前的壓力曲線為爆轟沖擊波、燃燒沖擊波等相互疊加而成，0.6ms后壓力曲線主要為火藥燃燒產(chǎn)生氣體的壓力曲線。在直列式起爆器的導(dǎo)爆索爆轟后，壓緊蓋頂端將留出直徑為4mm的通孔，火藥氣體將通過此處進行泄壓。

圖5為實驗裝置內(nèi)安裝電底火并裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥時的壓力時間曲線。從圖中可以看出：（1）實驗中所用電底火的延遲時間為1.1～1.3ms；（2）采用此種點火方式點火后，壓力曲線基本平滑，沒有大幅度波動，火藥順利燃燒。

圖4 裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥后實驗裝置內(nèi)壓力時間曲線Fig.4 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled an in-line explosive initiator，3g black powder and 5g 4／1powder

圖5 電底火點火時裝3g黑火藥和5g 4／1樟火藥的壓力時間曲線Fig.5 Pressure-time curves and ignition signals ignited by an electric primer in the expermental setup when assembled 3g black powder and 5g 4／1powder

通過圖4與圖5的對比分析可以得知：（1）點火初期，爆轟點火方式下壓力波動較大，且有一明顯峰值，這是由爆轟波的傳遞、反射及衰減引起的，電底火點火則較平滑；（2）爆轟點火方式下，主裝藥燃燒較電底火點火方式下迅速，壓力上升較快，這是由于爆轟點火方式下，主裝藥是在黑火藥燃?xì)夂捅Z沖擊波雙重作用下開始燃燒；（3）爆轟點火方式下，主裝藥燃燒后壓力峰值較電底火點火方式下較高，這是由于在爆轟點火方式下，主裝藥燃燒迅速，壓力上升較快，以及泄壓孔較小造成的。

綜上所述，采用爆轟點火方式可實現(xiàn)微秒級點火的目標(biāo)，并可滿足對時間精度較高的要求。最小點火延遲時間為電雷管的延遲時間。在實際使用中應(yīng)注意初始爆轟引起的壓力波動、沖擊波的衰減以及初始起爆點處器件的結(jié)構(gòu)強度，以免導(dǎo)致主裝藥的爆轟以及由初始起爆點處器件的破壞而引起點火過程失敗。采用電底火點火方式的點火延遲時間可實現(xiàn)毫秒級，且點火壓力曲線平滑，但目前較難縮短此種點火方式的點火延遲時間，并且點火延遲時間隨不同的電底火波動范圍較大，難以滿足對時間精度較高的要求。

2.2 爆轟快速點火機理分析

依據(jù)實驗?zāi)康募床捎帽Z方式引燃點火藥進而引燃主裝藥及實驗結(jié)果，可判斷出爆轟實現(xiàn)快速點火的原因主要包括以下2個方面。

2.2.1 火藥顆粒外部因素

（1）爆轟產(chǎn)物的高溫。一般起爆器起爆后爆轟產(chǎn)物的溫度為3kK左右，甚至更高，有利于加熱火藥，使火藥迅速達到燃燒反應(yīng)所需溫度進而燃燒。

（2）爆轟波所在位置處的超壓及壓縮當(dāng)?shù)乜諝舛a(chǎn)生的高溫。為火藥燃燒提供較大初始壓力，同時由于爆轟波壓縮當(dāng)?shù)乜諝馐蛊錅囟瓤蛇_到5kK，甚至更高，有利于火藥顆粒與外界環(huán)境間的能量傳遞。

（3）爆轟產(chǎn)物的高速運動，增加了炙熱顆粒與火藥顆粒碰撞的頻率與能量，加快了兩者間的能量傳遞。

（4）爆轟快速點火加熱火藥的傳熱方式以對流與輻射為主，爆轟波后氣體流動速度很大，增強了對流傳熱的效果，同時由于火藥藥量較少，爆轟波傳遞迅速，進而可近似認(rèn)為爆轟波瞬間穿過火藥。

（5）一般點火情況下，火藥燃燒時凝聚相加熱是通過氣相區(qū)的熱傳導(dǎo)進行傳熱，爆轟點火時，爆轟波和爆轟產(chǎn)物對火藥的高速沖擊，減薄甚至完全沖走了火藥燃燒時產(chǎn)生的氣相區(qū)，爆轟波后氣體直接以對流方式對火藥凝聚相進行傳熱，縮短了火藥燃燒所需的傳熱時間。

（6）爆轟波及爆轟產(chǎn)物的作用，可能造成部分火藥顆粒的破碎，進而加快火藥的燃燒。

2.2.2 火藥顆粒內(nèi)部因素

當(dāng)爆轟沖擊波傳遞到火藥顆粒表面時，將產(chǎn)生波的透射，即在火藥顆粒內(nèi)產(chǎn)生沖擊波。隨著沖擊波在火藥顆粒內(nèi)的傳遞，由于壓縮將引起火藥顆粒內(nèi)部溫度升高，同時沖擊波在火藥顆粒內(nèi)傳遞時將逐漸衰減，沖擊波衰減的能量被火藥顆粒吸收轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，加快了爆轟波與火藥顆粒間的能量傳遞，縮短了火藥燃燒前所需能量的積累時間，進而縮短了點火時間。

3 結(jié) 論

（1）采用爆轟點火方式可實現(xiàn)快速點火的目的，點火延遲時間為微秒級，且點火時間精度較高。本實驗中所用點火方式的延遲時間為0.3ms左右，波動范圍很小。

（2）爆轟點火方式下，爆轟點火件的延遲時間以及點火藥燃燒氣體傳遞到主裝藥界面所需時間在整個點火延時中占主要部分。

（3）黑火藥燃?xì)獾拇嬖?，既加速了爆轟沖擊波的衰減，有利于實驗裝置內(nèi)壓力較快的趨于平緩，又起到引燃主裝藥，使主裝藥迅速燃燒的作用。

（4）爆轟點火方式可以應(yīng)用在點火延遲時間為微秒級，同時對點火初始壓力波動要求較低的場合。

本實驗主要是為了驗證采用爆轟實現(xiàn)快速點火的可行性，以及探討采用實驗中所用點火方式時的點火情況，為工程應(yīng)用提供參考。實驗時，由于針對性較強，沒有對爆轟快速點火方式進行更深層次的研究，同時由于實驗裝置本身結(jié)構(gòu)的原因，沒有真實反映出主裝藥量較大時的燃燒情況，此實驗將在后續(xù)工作中進行。關(guān)于實驗中所用點火方式的理論研究可結(jié)合爆炸力學(xué)、燃燒學(xué)、爆轟氣體動力學(xué)等建立計算模型進行計算研究。

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Experimental investigation and mechanism analysis on high-speed ignition by detonation＊

ZHNAG Ding-shan，RUAN Wen-jun，WANG Hao，GUO Jin-yan，WANG Shan-shan
（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

To validate the feasibility of high-speed ignition by detonation and find out the ignition mechanism，an experimental system was developed for the investigation of detonation ignition with an in-line explosive initiator.The pressure changes in the test facilities after ignition at specific charges were measured by this system.The ignition delay time was achieved 0.3ms by the ignition method.The characteristics of powder burning and the attentions in practical applications were obtained by the way of ignition，such as the structure strength of the test facilities close to the explosion spot，the attenuation course of detonation wave and so on.The mechanism of the high-speed ignition by detonation was analyzed.The investigated results can provide help for applying the ignition by detonation to engineering.

mechanics of explosion；ignition mechanism；in-line initiator；high-speed ignition by detonation；detonation

22February 2010；Revised 24May 2010

RUAN Wen-jun，ruanwj＠188.com

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389；TJ55；V512 國標(biāo)學(xué)科代碼：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0185-06＊

2010-02-22；

2010-05-24

張丁山（1984— ），男，博士研究生。

book=0,ebook=309