基于燃燒轉(zhuǎn)爆轟原理的高壓電火花起爆裝置設(shè)計(jì)

季冉?徐全軍?廖瑜?姜楠

摘 要：針對傳統(tǒng)雷管中起爆藥感度高易發(fā)生事故且生產(chǎn)過程中的廢棄物對環(huán)境污染大的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一類新的起爆方法，依據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的原理，借助高壓電火花起爆裝置產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，進(jìn)而利用其產(chǎn)生的爆轟起爆炸藥。文中用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一起爆方法的可行性，同時(shí)探究了高壓點(diǎn)火中起爆裝藥的合適配比。

關(guān)鍵詞：雷管；起爆藥；高壓電火花；燃燒轉(zhuǎn)爆轟

傳統(tǒng)起爆方法中，主要選用雷管作為點(diǎn)火器材。但雷管中所用的起爆藥（如疊氮化鉛等），其生產(chǎn)和使用過程均會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染；雷管在生產(chǎn)、存放、運(yùn)輸過程中，易發(fā)生爆炸事故；且雷管的使用具有一次性的特點(diǎn)，若用于大規(guī)模工程中，價(jià)格較為昂貴。前人為解決這些問題，依據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟原理，設(shè)計(jì)了飛片式無起爆藥雷管。[1]該雷管解決了傳統(tǒng)雷管的起爆藥污染問題及安全性問題，但其生產(chǎn)價(jià)格昂貴，同時(shí)仍然只能一次性使用。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的起爆方法，依據(jù)交直流變換原理和電路升壓原理，設(shè)計(jì)了一種高壓電火花起爆裝置，并根據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的原理，用電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，產(chǎn)生爆轟，進(jìn)而起爆炸藥。與飛片雷管相比，該方法增加了起爆裝置的重復(fù)利用性，成本大大降低。

一、燃燒轉(zhuǎn)爆轟原理

燃燒和爆轟是兩個(gè)本質(zhì)不同的過程。燃燒過程的傳播是以熱傳導(dǎo)、輻射和燃燒氣體擴(kuò)散方式來實(shí)現(xiàn)的，而爆轟過程是借助沿裝藥傳播的爆轟波對未爆炸藥的沖擊壓縮過程來實(shí)現(xiàn)的。[2]Andrej Macek認(rèn)為，由燃燒轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)爆轟必須在爆轟發(fā)生之前形成沖擊波，這種沖擊波是爆轟形成的直接原因。依據(jù)這種看法，如圖1所示，轉(zhuǎn)變過程可以分為三個(gè)階段：[3]①隨著燃燒波陣面后壓力的急劇增大，發(fā)送出壓縮波，它穿過燃燒波陣面進(jìn)入未燃燒的炸藥中；②壓縮波在火焰陣面前頭的未燃燒炸藥中匯合形成沖擊波；③沖擊波誘發(fā)爆轟反應(yīng)。

在燃燒的固體炸藥中，形成沖擊波必須有以下兩個(gè)條件：[4]①燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物必須受到足夠的壓制。正因如此，作用在固體裝藥上的壓力必然要增加。然后，在火焰?zhèn)鞑サ姆较虬l(fā)起一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)的波陣面按“活塞”機(jī)理即發(fā)展成增大強(qiáng)度的沖擊波；②在產(chǎn)物氣體中，壓力的上升必須是迅速的。如果壓縮波能匯合成沖擊波的話，那么壓力從低的初始值上升到起始沖擊波值所需的時(shí)間t必須是L0/C0的數(shù)量級，式中L0為裝藥的長度，音速C0=（dp/dρ）S1/2，在固體炸藥中C0通常是2～3毫米/微秒。

由沖擊波形成的條件可以看出，密閉空間是燃燒轉(zhuǎn)爆轟的必要條件。

二、裝置設(shè)計(jì)

1.高壓電火花起爆裝置

根據(jù)微觀物理學(xué)理論及電學(xué)基本原理，當(dāng)兩電極間加以高電壓時(shí)，空氣中原子的外層電子運(yùn)動(dòng)速率迅速增大，大量電子擺脫原子核的束縛逸出軌道，與其他中性原子結(jié)合，形成大量正負(fù)離子。同時(shí)，在電場力左右下，正負(fù)離子高速向兩極運(yùn)動(dòng)，相互之間發(fā)生摩擦碰撞，形成高溫炙熱并伴隨有亮光發(fā)出的電離通道，這便產(chǎn)生了電火花。

為了便于使用和攜帶，高壓電火花起爆裝置的電源選用6VDC蓄電池。空氣擊穿電壓與電極距離、空氣濕度、空氣密度有很大關(guān)系，一般情況下，一毫米的距離大約要3kV。本文中起爆裝置輸出電極的拉弧距離小于2cm，所以控制輸出電壓在60000V以上即可保證產(chǎn)生穩(wěn)定的電火花。

高壓電火花起爆裝置總體設(shè)計(jì)思路：先通過交直流變換電路將直流電轉(zhuǎn)為交流電，再利用變壓器將電壓升到所需數(shù)值，裝置的電路圖如圖2。

電路原理及制作：BG1、BG2構(gòu)成交、直流變換器，B1升壓后經(jīng)D1—D4構(gòu)成的QL橋式整流向C2充電。電容C2經(jīng)可控硅MCR100及B2、B3、B4的初級放電。變壓器B1用中波磁棒截取20mm和30mm長各兩段，繞上線圈后用環(huán)氧樹脂膠合成口字形磁環(huán)，L1、L2為50匝，線圈直徑為0.7mm；L3為550匝，線圈直徑為0.2mm。B2、B3、B4用市售XD型380V/6.3V指示燈變壓器，初次級倒過來使用，原6.3V次級并聯(lián)起來作初級，原380V初級串聯(lián)起來作次級。每個(gè)初級上所加電壓為400V左右，經(jīng)升壓后次級可得到24000V左右電壓，三個(gè)次級串聯(lián)后最終在輸出端得到70000V左右高壓，高壓電火花起爆裝置實(shí)物圖如圖3。

2.爆轟容器

由原理分析可知，密閉空間是燃燒轉(zhuǎn)爆轟的必要條件。為了證明高壓電火花起爆的可行性，受傳統(tǒng)方法中用雷管起爆導(dǎo)爆管，再利用導(dǎo)爆管中產(chǎn)生的爆轟波起爆裝藥的方法的啟示，本文進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，利用其產(chǎn)生的爆轟波起爆8701藥柱。最終期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是密閉容器破碎。若達(dá)到實(shí)驗(yàn)期望，則說明8701藥柱已成功起爆，進(jìn)而證明了高壓電火花起爆的可行性。

本試驗(yàn)密閉容器材料選用45#鋼， 頂部小孔用來插入高壓電火花起爆裝置的兩個(gè)輸出電極，內(nèi)部裝藥由下到上依次為8701藥柱、傳爆藥柱以及起爆裝藥，結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖如圖4所示。

三、起爆裝藥的配比

高壓電火花起爆中所需起爆裝藥的感度較高。試驗(yàn)中曾嘗試用輸出電極產(chǎn)生的電火花直接點(diǎn)燃高純度黑索金，結(jié)果均失敗。

常用的塑料導(dǎo)爆管的內(nèi)壁所涂的混合炸藥粉末，其配比為黑索金91%、鋁粉及其他成分9%。受此啟發(fā)，本文決定采用黑索金、鋁粉、3號小粒黑火藥的混合裝藥作為起爆裝藥。

參考導(dǎo)爆管內(nèi)壁裝藥成分，實(shí)驗(yàn)中探索了以下四種裝藥配比的點(diǎn)火效果：①黑索金∶鋁粉=8∶1；②黑索金∶鋁粉=4∶1；③黑索金：鋁粉：黑火藥=8∶1∶1；④黑索金：鋁粉：黑火藥=4∶1∶1。

具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)起爆藥的有關(guān)基本知識，起爆藥的起爆能力主要由以下幾種因素決定：①起爆藥的爆炸變化加速度（易燃與否）越大，起爆能力越大；②起爆藥的猛度（可借助燃燒猛烈程度進(jìn)行比較）越大，起爆能力亦越大；③在一定的條件下，起爆藥密度越高，起爆能力越大（這里裝藥密度差別不大，不做討論）；④起爆藥的爆速高、爆溫高（這里只是點(diǎn)燃裝藥，未發(fā)生爆轟，爆速均較慢，可用裝藥燃盡時(shí)間粗略判斷爆速大小關(guān)系；爆溫在此無法直接比較，不作討論），則起爆能力大；⑤起爆藥所裝填金屬殼之堅(jiān)固性高（所用密閉容器相同，不作討論），則起爆能力大；⑥起爆藥結(jié)晶顆粒形狀、大小等都能影響起爆能力（這里只是裝藥配比不同，與起爆藥結(jié)晶的參數(shù)無關(guān)，不作討論）。

綜合考慮幾種配比的起爆裝藥的易燃程度、燃燒效果、燃盡時(shí)間等因素，可看出第三種配比（黑索金∶鋁粉∶黑火藥=8∶1∶1）的起爆裝藥最為合適，本文即采用此種裝藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

四、高壓電火花起爆實(shí)驗(yàn)

傳爆藥柱參數(shù)為：密度1.6g/cm3， 高度3mm，底徑10mm。8701藥柱有三種高度，依次為3.3mm、6mm、12mm，底徑均為10mm，密度均為1.8g/cm3，如圖5所示。

為了增強(qiáng)起爆效果，實(shí)驗(yàn)中在傳爆藥柱上鋪了一層3號小粒黑火藥。最終密閉容器中的裝藥自下而上依次為：8701藥柱、傳爆藥柱、3號小粒黑火藥、混合起爆藥。本次試驗(yàn)一共做了10次實(shí)驗(yàn)，其中3.3mm高度的8701藥柱3粒，6mm高度的8701藥柱3粒，12mm高度的8701藥柱4粒。

試驗(yàn)具體情況如表2所示。

10次均成功爆轟。圖6為點(diǎn)火前裝置情況及某次12mm藥柱實(shí)驗(yàn)后裝置的破碎情況。

這幾次實(shí)驗(yàn)中密閉容器的破碎，證明了高壓電火花起爆的可行性。

五、結(jié)論及展望

本文提出了利用高壓電火花起爆裝置代替雷管進(jìn)行起爆的猜想，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，并探索了該方法中起爆裝藥的合適配比，使得疊氮化鉛等高污染性起爆藥的使用的減少成為了可能。

在利用高壓電火花起爆的理論已經(jīng)被驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，該起爆方法在工程中的實(shí)際應(yīng)用以及完整裝置的最終的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，還需要進(jìn)一步探索和研究；與此同時(shí)，若有合適的實(shí)驗(yàn)條件，起爆裝藥的更精確的成分比例也可繼續(xù)探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳月暢，沈兆武，杜建國.飛片式無起爆藥雷管的結(jié)構(gòu)和工作原理[J].爆破，2013（02）.

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（作者單位：中國人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院）