一種平板式微小型爆炸序列的傳爆性能研究

趙象潤, 孫延臣, 閆利偉, 郝永平, 金世鑫

(1. 沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110159; 2. 遼寧北方華豐特種化工有限公司, 遼寧 撫順 113003)

1 引 言

爆炸序列是一系列激發(fā)感度由高到低而輸出能量由低到高的火工品組成的有序排列,其作用是把一個(gè)相當(dāng)小的初始能量有控制地適當(dāng)放大,起爆彈藥主裝藥[1]。爆炸序列是引信設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一,也是彈藥發(fā)揮作用的重要組成部分。由于需求的推動和技術(shù)的發(fā)展,引信向著微型化、小型化、靈巧化、高安全性、高可靠性、低成本發(fā)展已成為趨勢,設(shè)計(jì)微小型爆炸序列也因此變得十分必要。

傳統(tǒng)的爆炸序列由以下爆炸元件組成: 轉(zhuǎn)換能量的爆炸元件(包括火帽和雷管)、控制時(shí)間的爆炸元件(包括延期管和時(shí)間藥盤)、放大能量的爆炸元件(包括導(dǎo)爆管和傳爆管)[2]。其中瞬發(fā)型爆炸序列是傳統(tǒng)爆炸序列中最基本的結(jié)構(gòu)形式,其余諸如延期型、自毀型及組合型爆炸序列均可看作是在此基礎(chǔ)上增加了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。瞬發(fā)爆炸序列的一般構(gòu)成是: 雷管→導(dǎo)爆藥柱→傳爆管。導(dǎo)爆藥柱通常安裝在安保機(jī)構(gòu)運(yùn)動單元(滑塊或轉(zhuǎn)子)里,因此運(yùn)動單元高度不能低于藥柱總高,且為集中能量,其側(cè)向尺寸不能過小,導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)體積較大,很難應(yīng)用在微小型爆炸序列上。針對這個(gè)問題,Charles H. Robinson等[3]提出基于平行基板式爆炸序列的設(shè)計(jì)思路,該設(shè)計(jì)將混有粘合劑的六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)直接裝在薄板預(yù)制溝槽里作為導(dǎo)爆藥,通過移動薄板起到類似于滑塊的作用,再使用微型輸入藥柱和受主藥柱組成爆炸序列,三者裝藥體積和小于0.002 cm3; 國內(nèi)王殿湘等[4]研究了不同許用傳爆藥在微小型爆炸序列中的起爆感度等性能,認(rèn)為超細(xì)化的JO-9C比較適合微小型爆炸序列的裝藥; 吳凱等[5]研究了直線微通道傳爆藥裝藥工藝及直線傳爆的臨界尺寸問題,認(rèn)為擠注工藝可用于小尺寸傳爆溝槽裝藥,直線傳爆的臨界直徑是0.5 mm。上述研究中,文獻(xiàn)[4]的爆炸序列結(jié)構(gòu)采用“T”型導(dǎo)爆管和溝槽型傳爆板,裝藥結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜; 文獻(xiàn)[5]研究目的在于直線微通道傳爆,未考察微通道傳爆藥被起爆后的輸出特性。

為對微小型爆炸序列產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考,本研究在借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上,考慮到不同裝藥條件和溫度條件對爆炸序列逐級傳爆可靠性有重要影響,借用性能固化的某微小型火工元件系列,設(shè)計(jì)了模擬完整結(jié)構(gòu)形態(tài)的平板式微小型爆炸序列(下稱樣件)。其主要結(jié)構(gòu)是在薄金屬平板上加工長條形空腔并壓裝超細(xì)化的HMX基導(dǎo)爆藥JO-9C(Ⅲ型),形成近似扁平長方體狀的條形導(dǎo)爆藥代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中的柱形導(dǎo)爆藥來傳遞爆轟,并將某微小型電雷管和傳爆管分別置于藥條兩端的上下表面作為導(dǎo)爆藥的施主雷管和受主裝藥,組成一個(gè)形狀為“└┐”的雙直角傳爆路徑。為提高逐級傳爆可靠性,將條形導(dǎo)爆藥設(shè)計(jì)成兩端略大于中間寬度的圓弧,并使裝藥部分的高度低于平板總高度,以留置空氣間隙。導(dǎo)爆藥采用高度為0.8 mm和1.8 mm兩種尺寸進(jìn)行裝壓,將樣件控制在高溫、低溫及常溫條件下進(jìn)行傳爆試驗(yàn)以考察逐級傳爆性能。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

圖1為所設(shè)計(jì)的爆炸序列原理模型,試驗(yàn)壓藥模具如圖2所示,壓好導(dǎo)爆藥的藥板如圖3所示,試驗(yàn)發(fā)火電路如圖4所示。由圖3可見,壓裝的導(dǎo)爆藥藥面平整密實(shí),成型符合要求,條形裝藥工藝性良好。

圖1爆炸序列模型

1—電雷管, 2—導(dǎo)爆藥, 3—藥板, 4—傳爆管

Fig.1Explosive train model

1—electric detonator, 2—lead explosive, 3—flat-sheet for charge, 4—booster

圖2壓藥模具

1—底座, 2—中模, 3—壓藥沖, 4—定位套, 5—墊塊

Fig.2Loading charge mould

1—pedestal, 2—mid-mould, 3—punch of press charge, 4—orientation sleeve, 5—support cushion

圖3導(dǎo)爆藥板

Fig.3Flat-sheet with lead explosive

圖4發(fā)火電路

K1—安全開關(guān), K2—水銀點(diǎn)火開關(guān), K3—電阻測量開關(guān)， R1—調(diào)流電阻， R2—等效電阻， D—電雷管

Fig.4Fire circuit

K1—safe switch, K2—mercuric switch for igniting, K3—switch for measuring resistance, R1—resistance of adjusting current, R2 —equivalent resistance， D—electric detonator

2.2 試驗(yàn)條件

導(dǎo)爆藥: JO-9C(Ⅲ型),裝藥密度1.65 g·cm-3。導(dǎo)爆藥壓藥壓力: (120±10) MPa。輸入元件: 某微小型電雷管,尺寸Φ2.5 mm×4 mm,輸出主裝藥為CL-20,藥量10 mg。輸出元件: 某微小型傳爆管,尺寸Φ2.5 mm×6.5 mm,主裝藥JO-9C(Ⅲ型),藥量30 mg。零件材質(zhì): 上殼體(安裝藥板與電雷管,二者均間隙配合裝入)和下殼體(安裝傳爆管,間隙配合裝入)均使用超硬鋁7A04加工,藥板使用高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼1Cr11Ni2W2MoV加工。

安裝狀態(tài): 試驗(yàn)時(shí)電雷管和傳爆管軸向均垂直于水平面,且輸出端向下。電雷管在徑向限位,軸向不限位,電雷管與導(dǎo)爆藥在重力作用下自由接觸(雷管底部有內(nèi)凹的聚能窩); 導(dǎo)爆藥與傳爆管輸入端面空氣間隙0.7 mm,傳爆管徑向限位,軸向下行限位,上行不限位。雷管→藥板→傳爆管三者通過殼體上的定位臺階對正。上下殼體使用4支M3螺釘連接緊固。

發(fā)火電流: DC 500 mA。

2.3 試驗(yàn)方法

火工品的高、低溫性能試驗(yàn)通常在50 ℃和-40 ℃條件下保溫4 h后發(fā)火測試[6],故高、低溫條件下的傳爆性能試驗(yàn)也采用此方法。在原理驗(yàn)證試驗(yàn)階段,為使試驗(yàn)結(jié)果更加可靠,采取比上述條件更為嚴(yán)格的內(nèi)控指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),具體方法如下:

(1)高溫試驗(yàn): 將樣件放入已恒溫在(60±2) ℃的高溫箱中保持4 h后取出,使用保溫箱轉(zhuǎn)運(yùn)至測試間,接入已準(zhǔn)備好的發(fā)火線路完成調(diào)試并發(fā)火。樣件從取出高溫箱至發(fā)火用時(shí)不超過5 min(實(shí)際用時(shí)<1 min)。

(2)低溫試驗(yàn): 將樣件放入已恒溫在(-50±2) ℃的低溫箱中保持4 h后取出,使用保溫箱轉(zhuǎn)運(yùn)至測試間,接入已準(zhǔn)備好的發(fā)火線路完成調(diào)試并發(fā)火。樣件從取出低溫箱至發(fā)火用時(shí)不超過5 min(實(shí)際用時(shí)<1 min)。

(3)常溫試驗(yàn): 將裝配好的樣件置于符合火工品儲存要求的試驗(yàn)間,不再進(jìn)行人為溫度環(huán)境干預(yù),在室溫條件下直接接入線路進(jìn)行試驗(yàn)(試驗(yàn)時(shí)室溫約為20 ℃)。

3 結(jié)果與討論

為研究設(shè)計(jì)的可行性,對導(dǎo)爆藥藥高分別為0.8 mm、1.8 mm的兩種裝藥條件爆炸序列分別進(jìn)行了模擬極端熱環(huán)境和一般熱環(huán)境條件下的逐級傳爆性能試驗(yàn)。

導(dǎo)爆藥藥高為0.8 mm時(shí)傳爆性能試驗(yàn)結(jié)果見表1,樣件殘?bào)w狀態(tài)如圖5所示。由表1和圖5可見,三種溫度條件下爆炸序列均可靠傳爆,上殼體產(chǎn)生隨溫度變化而長度明顯不同的裂紋,且呈現(xiàn)出規(guī)律性變化趨勢,導(dǎo)爆藥輸出威力較為適中。殘?bào)w其余特征未見因溫度不同而有區(qū)別: 藥板裝藥空腔寬度由1.8 mm擴(kuò)大為約2.7 mm,長度由13 mm擴(kuò)大為約13.4 mm,藥板外緣寬度方向較原尺寸擴(kuò)大約0.2 mm,外緣長度方向無明顯變化; 原Φ2.5mm電雷管安裝孔脹大為約Φ3.8 mm,上殼體上產(chǎn)生始于電雷管安裝孔沿著藥條長度方向的裂紋,且隨著溫度升高而裂紋由短變長,上殼體其余部位的材料完整; 上、下殼體與藥條接觸部位產(chǎn)生深度約為0.4～0.5 mm的類藥條形的凹槽,下殼體內(nèi)原Φ2.5 mm的傳爆管安裝孔脹大為約Φ4 mm,且安裝孔底部限位臺階受沖擊破碎。

導(dǎo)爆藥藥高為1.8 mm時(shí)傳爆性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,樣件殘?bào)w狀態(tài)如圖6所示。由表2、圖6可見,三種溫度條件下爆炸序列均可靠傳爆,樣件殘?bào)w一致性較好,不同溫度時(shí)的殘?bào)w特征沒有明顯區(qū)別,導(dǎo)爆藥威力偏大。作用后藥板裝藥空腔寬度由1.8 mm擴(kuò)大為約3 mm,長度由13 mm擴(kuò)大為約13.8 mm,藥板由于受壓膨脹嵌入上殼體無法取出; 上殼體與藥板表面接觸部分被完全擊穿分離,分離面與藥板表面近似垂直,分離出的碎片高度(亦即分離面高度)4 mm,碎片及下殼體與導(dǎo)爆藥接觸部位均產(chǎn)生約0.8～0.9 mm深度的類似藥條狀凹槽; 下殼體傳爆管安裝孔作用后特征同0.8 mm藥高時(shí)作用后狀態(tài)相似。

由表1、表2及圖5、圖6可以看出,試驗(yàn)中使用的某微小型電雷管將長度方向與電雷管軸向垂直的條形導(dǎo)爆藥全部可靠起爆,相同條件下多次試驗(yàn)結(jié)果基本相同,重復(fù)性較好,說明裝有10 mg CL-20主裝藥的施主雷管通過垂直起爆的方式起爆條形導(dǎo)爆藥合適,該電雷管可以垂直起爆0.8 mm高的JO-9C(Ⅲ型)條形導(dǎo)爆藥。被起爆的兩種裝藥條件的條形導(dǎo)爆藥亦將軸向垂直于其長度方向的受主裝藥(傳爆管)全部起爆,說明0.8 mm高的條形導(dǎo)爆藥輸出能量已能夠垂直起爆傳爆管。綜合試驗(yàn)結(jié)果,表明某Φ2.5 mm系列的微小型火工元件與尺寸為1.8 mm(W)×0.8 mm(H)×13 mm(L)條形導(dǎo)爆藥組成形狀為“└┐”形雙直角傳爆路徑的爆炸序列能夠可靠逐級傳爆。

表10.8 mm藥高導(dǎo)爆藥傳爆性能試驗(yàn)結(jié)果

Table1Test results of transfer performance for lead explosive with the thickness of 0.8 mm

sampletemperature/℃numberleadexplosivemass/mgresultsofdetonatingleadexplosiveboostersamplesphenomenonflawlength1)/mm50±21030±2detonateddetonatedintegrated5～7normaltemperature1230±2detonateddetonatedintegrated7～960±21030±2detonateddetonatedintegrated10～12

Note: 1) macroscopic linear length from origination to end of the flaw only.

表21.8 mm藥高導(dǎo)爆藥傳爆性能試驗(yàn)結(jié)果

Table2Test results of transfer performance for lead explosive with the thickness of 1.8 mm

sampletemperature/℃numberleadexplosivemass/mgresultsofdetonatingleadexplosiveboostersamplesphenomenon-50±21070±3detonateddetonatedbroken1)normaltemperature1270±3detonateddetonatedbroken60±21070±3detonateddetonatedbroken

Note: 1) the up-crust is disintegrated,but the under-crust is integrated.

a. outside of the samples

b. inside of the samples

圖50.8 mm藥高導(dǎo)爆藥傳爆性能試驗(yàn)樣件殘?bào)w

Fig.5Residues photos of samples for transfer performance test of lead explosive with the thickness of 0.8 mm

a. outside of the samples

b. inside of the samples

圖61.8 mm藥高導(dǎo)爆藥傳爆性能試驗(yàn)樣件殘?bào)w

Fig.6Residues photos of samples for transfer performance test of lead explosive with the thickness of 1.8 mm

0.8 mm藥高導(dǎo)爆藥作用后,上殼體狀態(tài)表明: 30 mg導(dǎo)爆藥被起爆后釋放的能量使上殼體對藥劑的約束面產(chǎn)生裂紋但不足以完全擊穿分離(見圖5a)。裂紋平均長度分別為: 低溫時(shí)約6 mm、常溫時(shí)約8 mm、高溫時(shí)約11 mm(見表1),明顯具有裂紋長度隨溫度單調(diào)增加的趨勢。這可能是因?yàn)橐韵码p重作用所致: 1)金屬材料在溫度升高時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服極限單調(diào)降低(低碳鋼除外)[7],故受爆炸沖擊作用時(shí)溫度高的材料較之溫度低時(shí)更容易屈服斷裂; 2)溫度升高時(shí),炸藥組分分解加速,使化學(xué)反應(yīng)區(qū)反應(yīng)速率增大,這樣化學(xué)反應(yīng)區(qū)內(nèi)完成反應(yīng)所經(jīng)歷的時(shí)間越短,反應(yīng)區(qū)寬度變窄,能量損失相對減少,因而爆轟較低溫時(shí)成長更加完全、釋放能量更大,導(dǎo)致對零件的破壞性更大。與導(dǎo)爆藥藥高為0.8 mm時(shí)不同,1.8 mm藥高的導(dǎo)爆藥作用后對上殼體形成的破壞未見因溫度不同而明顯有別。這是因?yàn)樵诩s束狀態(tài)和起爆條件相同時(shí),假設(shè)爆轟成長完全、不考慮邊界效應(yīng)等因素,則藥劑釋能與藥量近似成正比,而后者的藥量約是前者的2.3倍,因此即使在低溫條件下導(dǎo)爆藥釋能較之高溫時(shí)略小,但也足以將上殼體導(dǎo)爆藥約束面徹底擊穿碎裂(見圖6),故溫度的影響未能在殘?bào)w特征上宏觀體現(xiàn)。綜合傳爆試驗(yàn)后上殼體狀態(tài),也反映出本設(shè)計(jì)方案的不足: 藥劑約束面強(qiáng)度卻最薄弱,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予避免。

4 結(jié) 論

(1)10 mg CL-20主裝藥的施主雷管可以垂直起爆0.8 mm厚度的JO-9C(Ⅲ型)條形導(dǎo)爆藥。

(2)利用微小型火工元件與條形導(dǎo)爆藥組成 “└┐”形狀的雙直角傳爆路徑的爆炸序列能夠可靠傳爆,其中JO-9C(Ⅲ型)條形導(dǎo)爆藥形狀為1.8 mm(W)×0.8 mm(H)×13 mm(L)。

(3)爆炸序列溫度越高,作用后對藥劑約束零件造成的破壞越大。

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