沖擊片雷管雙裕度系數(shù)設(shè)計方法研究

郭菲， 王窈， 呂軍軍， 付秋菠， 黃輝， 沈瑞琪

(1.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.中國工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621999)

沖擊片雷管雙裕度系數(shù)設(shè)計方法研究

郭菲1,2， 王窈2， 呂軍軍2， 付秋菠2， 黃輝2， 沈瑞琪1

(1.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.中國工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621999)

為了提高沖擊片雷管的設(shè)計可靠度，依據(jù)沖擊片雷管的作用原理，以某型沖擊片雷管為例分別計算了以輸入刺激量、飛片速度等為特征參量的沖擊片雷管裕度系數(shù)。結(jié)果表明，僅以輸入刺激量表征產(chǎn)品設(shè)計裕度不能完全反映產(chǎn)品的可靠性狀態(tài)，而輔助以飛片速度為特征參量的輸出裕度系數(shù)則能更真實(shí)地體現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量特性。提出了一種在雷管設(shè)計過程中同時考慮,以輸入刺激量為特征參量的輸入裕度系數(shù)和以飛片速度為特征參量的輸出裕度系數(shù)的雙裕度系數(shù)設(shè)計方法，來提高沖擊片雷管裕度系數(shù)設(shè)計的科學(xué)性。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 沖擊片雷管； 裕度系數(shù)； 飛片速度

0 引言

沖擊片雷管具有較強(qiáng)的抗靜電、機(jī)械沖擊、雜散電流、射頻的能力，常在直列式爆炸序列中作為初始發(fā)火元件[1-3]使用。沖擊片雷管的可靠性直接影響直列式爆炸序列的可靠作用，其可靠性通過設(shè)計和制造加工進(jìn)行保證，所以提高沖擊片雷管的設(shè)計可靠性尤為重要，其中提高設(shè)計裕度是保證沖擊片雷管設(shè)計可靠性的重要途徑[4]。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB344A—2005[5]中規(guī)定“鈍感電起爆器的最小全發(fā)火刺激裕度的設(shè)計不應(yīng)超過供給它最小工作刺激的50%”，其中裕度系數(shù)規(guī)定為工作刺激量與最小全發(fā)火刺激量的比值。沖擊片雷管在通電后，爆炸箔首先在脈沖大電流作用下，金屬材料迅速發(fā)生相變，瞬間被氣化產(chǎn)生高溫高壓等離子體，飛片在等離子體的驅(qū)動下加速撞擊炸藥，完成起爆過程。沖擊片雷管的作用過程中，爆炸箔是至關(guān)重要的初始轉(zhuǎn)換元件，其中峰值電流的大小直接影響等離子體的特征參數(shù)，比如壓力、溫度等，所以研究人員通常將沖擊片雷管的工作刺激量定義為峰值電流，即裕度系數(shù)為工作峰值電流與最小全發(fā)火峰值電流的比值[6]，但是根據(jù)非均質(zhì)炸藥沖擊起爆的判據(jù)[7]，影響炸藥起爆的主要因素為飛片的速度和厚度。當(dāng)飛片厚度一定時，飛片速度就直接影響沖擊片雷管的起爆性能。國內(nèi)外均沒有對沖擊片雷管的裕度系數(shù)設(shè)計方法進(jìn)行相應(yīng)的研究。本文系統(tǒng)地研究以不同工作刺激量(電容儲能、電壓、電流)及不同輸出能量(飛片速度、飛片動能)為計算參量的裕度系數(shù)計算方法，分析不同裕度系數(shù)計算方法對沖擊片雷管性能的影響，并提出一種沖擊片雷管雙裕度系數(shù)的設(shè)計方法。

1 沖擊片雷管的發(fā)火判據(jù)分析

沖擊片雷管在輸入電能后，爆炸箔在脈沖大電流作用下，金屬材料迅速發(fā)生相變，瞬間被氣化產(chǎn)生高溫高壓等離子體，飛片在等離子體的驅(qū)動下加速撞擊雷管的裝藥，完成起爆過程，因此沖擊片雷管的作用過程符合非均相炸藥的沖擊起爆模型，飛片作用于炸藥產(chǎn)生的短脈沖沖擊波通過直接、不均勻地加熱炸藥,形成熱點(diǎn),使炸藥分解,最后引起反應(yīng)爆炸。對于非均相炸藥的沖擊起爆問題，1969年,Walker等[7]提出了非均相炸藥的沖擊起爆判據(jù):

Ec=p2τ,

(1)

式中：p為進(jìn)入炸藥的沖擊波壓力；τ為飛片中沖擊波來回傳播的時間；Ec為常數(shù)，由具體炸藥決定。只有p2τ大于Ec時,炸藥才能被起爆，因此忽略沖擊起爆的面積效應(yīng),炸藥沖擊起爆判據(jù)可寫為

p2τ≥Ec,

(2)

式中：p和τ由未反應(yīng)炸藥的沖擊絕熱線、反應(yīng)波后的粒子速度u、飛片厚度δf和飛片材料的聲速cf決定，即

p=ρ(CH+SHu)u,τ=2δf/cf,

(3)

式中：ρ是炸藥密度；CH和SH是未反應(yīng)炸藥的Hugoniot系數(shù)。由飛片的撞擊速度v就可以得到炸藥中的沖擊波后粒子速度u為

(4)

式中：A=ρ0fSf，ρ0f、Sf分別為飛片材料的初始密度、沖擊Hugoniot系數(shù)；B=-ρ0fc0f-2Sfvρ0fD，c0f為體聲速，D為反應(yīng)沖擊波速度；CH=ρ0fv(Sfv+c0f).

由(4)式得到?jīng)_擊波后粒子速度u，由(3)式可以得到炸藥樣品中初始沖擊壓力和壓力脈寬，進(jìn)而由(2)式判斷炸藥是否起爆。

從(1)式～(4)式可以看出，對于某一種炸藥的飛片沖擊起爆，飛片速度會增加，受撞擊炸藥的沖擊波后粒子速度u也會增加，進(jìn)而會提高沖擊起爆能量p2τ，有利于炸藥的起爆。

如果將爆炸箔、飛片和加速膛組成的沖擊片換能元作為一個整體，用沖擊片換能元在高壓脈沖電流作用后產(chǎn)生的高速飛片能否起爆始發(fā)裝藥作為沖擊片雷管是否發(fā)火的判據(jù)，則可以將儲能電容、峰值電流、峰值電壓作為沖擊片雷管發(fā)火的輸入刺激量的表征，將飛片速度或動能作為沖擊片雷管發(fā)火的輸出刺激量表征，只有當(dāng)沖擊片雷管中飛片作用于始發(fā)裝藥的沖擊起爆能量大于始發(fā)裝藥的臨界起爆能量時，才能使沖擊片雷管可靠發(fā)火。

2 不同參量表征的沖擊片雷管裕度系數(shù)對比分析

使用的沖擊片雷管為基于集成電路工藝制備的某型沖擊片雷管。裕度系數(shù)的計算依賴于該產(chǎn)品的最小全發(fā)火刺激量水平。利用升降法獲得沖擊片雷管的最小全發(fā)火電流為2.0 kA，對應(yīng)的電壓為2.2 kV. 采用光子多普勒測速儀(PDV)測速系統(tǒng)[8]對飛片速度進(jìn)行測試，獲得在不同輸入電流條件下飛片速度的測試結(jié)果，測試數(shù)據(jù)見表1.

表1 不同輸入電流下飛片速度測試結(jié)果

表2 不同參量表征下的裕度系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了不同特征參量表征的裕度系數(shù)曲線圖，如圖1所示。

圖1 沖擊片雷管不同特征參量表征裕度系數(shù)曲線圖Fig.1 Relations curves of different characteristic parameters of slapper detonator

由圖1可得：

1) 隨著起爆電流的增加，裕度系數(shù)均呈上升趨勢，但上升幅度不盡相同，以電容儲能、電壓和電流為基礎(chǔ)計算的裕度系數(shù)和以飛片速度、飛片動能為基礎(chǔ)計算的裕度系數(shù)呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

2) 當(dāng)電容容量一定，隨著充電電壓的升高，電容儲能和放電電流均呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢，以這3個刺激量為計算參量，裕度系數(shù)自然也是直線增加，且以充電電壓和放電電流為計算參量的裕度系數(shù)差別不大；而以電容儲能為計算參量的裕度系數(shù)最為樂觀，其裕度系數(shù)是以電流和電壓為工作刺激量的1.8倍左右。

3) 對于飛片速度和以飛片速度為基礎(chǔ)的飛片動能來講，隨著充電電壓的升高，飛片速度在一定的區(qū)間內(nèi)保持著震蕩增加的趨勢，這導(dǎo)致以飛片速度和飛片動能為計算參量的裕度系數(shù)也呈現(xiàn)震蕩增加，表現(xiàn)為在裕度系數(shù)為1.00的附近出現(xiàn)波動。但是在此區(qū)間內(nèi)，以電流、電壓和電容儲能為參量計算的裕度系數(shù)分別為1.15、1.18和1.40，如果設(shè)計人員據(jù)此認(rèn)為裕度系數(shù)已經(jīng)足夠，并決定將工作刺激量確定在此區(qū)間，則會由于飛片速度的波動而導(dǎo)致使用產(chǎn)品會存在較大失效風(fēng)險。

綜上所述，以電容儲能為參量計算的裕度系數(shù)最為樂觀，其次為電壓和電流，飛片速度評估的裕度系數(shù)最低，但能體現(xiàn)出產(chǎn)品本身的波動性，更接近于產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)。

在討論用飛片速度作為特征參數(shù)進(jìn)行裕度系數(shù)的設(shè)計和計算時，需要首先確定飛片的形態(tài)和完整性是否滿足設(shè)計要求。對飛片形態(tài)的測試在工程上是一個難題，國外開展了用X射線相機(jī)、PDV測速和三維模擬構(gòu)建的方法來對飛片的形態(tài)進(jìn)行表征的研究[9]，國內(nèi)目前還沒有相關(guān)技術(shù)的報道。對本文使用的沖擊片雷管，前期通過在飛片面積對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)布置四路光纖探針進(jìn)行PDV測試的方法，獲得了在輸入電流1.7～3.7 kA范圍內(nèi)，同一飛片不同位置的飛片速度。結(jié)果表明，同一飛片不同位置的速度相近，據(jù)此推斷，在此電流范圍內(nèi)，飛片形態(tài)是基本完整的。在此前提下，當(dāng)沖擊片換能元參數(shù)和始發(fā)藥確定后，據(jù)非均質(zhì)炸藥的起爆判據(jù)，始發(fā)藥能否被起爆與飛片速度直接相關(guān)，隨著飛片速度的增加始發(fā)藥被起爆的概率會相應(yīng)提高，沖擊片雷管的發(fā)火可靠性也會相應(yīng)提高。一般情況下，增加脈沖電流飛片速度能相應(yīng)提高，所以研究人員認(rèn)為以脈沖電流為工作刺激進(jìn)行裕度系數(shù)的計算并無不妥。但是本文研究發(fā)現(xiàn)，飛片速度并不是隨著脈沖電流的增加而線性增加，而是呈現(xiàn)震蕩增加的趨勢，且受沖擊片雷管工藝條件的限制，相同充電電壓條件下的飛片速度也會出現(xiàn)小幅波動，如圖2所示。

圖2 不同峰值電流下沖擊片雷管的速度Fig.2 Flyer velocity of slapper detonator underdifferent input currents

國外某項(xiàng)針對沖擊片起爆器的研究[10]也表明：當(dāng)起爆電壓從500 V增加到3 500 V，飛片速度的增加并沒有隨電壓增加而線性增加，也呈現(xiàn)震蕩增加的趨勢，并且，在不同起爆電壓條件下，飛片速度的分散性也并不相同，有些分散性還很大，并無規(guī)律；并據(jù)此認(rèn)為，飛片速度與起爆電壓(電流)呈現(xiàn)弱相關(guān)性。這些研究都表明，單純依靠起爆電壓(電流)進(jìn)行裕度系數(shù)的設(shè)計是有較大風(fēng)險的。針對本文中的沖擊片換能元，在最小全發(fā)火刺激量水平下(輸入電流為2.0 kA)，飛片速度在3.936～4.178 km/s之間波動，有一定的隨機(jī)性。因此，本文研究認(rèn)為，要想確?？煽科鸨及l(fā)藥，則應(yīng)滿足以下的設(shè)計準(zhǔn)則，即：最小工作刺激量下的飛片速度容許下限應(yīng)高于最小全發(fā)火條件下的速度容許上限。從試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)輸入電流為2.7 kA以上時，其飛片速度才能滿足此條件。所以，如果以電流作為特征參量設(shè)計裕度系數(shù)，則裕度系數(shù)設(shè)計值應(yīng)大于1.35(2.7 kA/2.0 kA)。

綜上所述，單純依靠充電電壓、電流或電容儲能作為特征參量進(jìn)行裕度系數(shù)設(shè)計時，存在著裕度系數(shù)設(shè)計不足的風(fēng)險，而采用飛片速度為特征參量計算裕度系數(shù)更為保守，也更符合工程實(shí)際?？紤]實(shí)際情況，建議在工程實(shí)踐中，仍然可以采用充電電壓或放電電流作為裕度系數(shù)的計算參量，但應(yīng)該在參考飛片速度的測試結(jié)果確定了裕度設(shè)計下限值的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 沖擊片雷管雙裕度系數(shù)設(shè)計方法

根據(jù)前述分析和研究結(jié)果，提出了沖擊片雷管雙裕度系數(shù)設(shè)計方法。當(dāng)需要開展新產(chǎn)品設(shè)計時，其設(shè)計步驟為：

1)獲得最小全發(fā)火刺激量。利用該換能元起爆炸藥感度歷史數(shù)據(jù)或開展新的感度試驗(yàn)(升降法、D-最優(yōu)法等)，獲得該換能元起爆某種炸藥的最小全發(fā)火刺激量(如設(shè)最小全發(fā)火電流為IAFγ)。

(5)

式中：Kv為正態(tài)容許限系數(shù)，Kv值可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB4885—85《正態(tài)分布完全樣本可靠度單側(cè)置信下限》查出。

3)獲得工作刺激量。如果任務(wù)書、合同等輸入文件已規(guī)定了沖擊片雷管的使用條件，則將使用條件作為工作刺激量(如設(shè)工作電流為I0)。

如果工作刺激量未知，則預(yù)估一個輸入裕度系數(shù)M(M>1)，可根據(jù)最小全發(fā)火刺激量(如設(shè)最小全發(fā)火電流為IAFγ)和M計算獲得工作刺激量(如設(shè)工作電流為I0，則I0=IAFγ×M)。

4)獲得工作刺激量條件下的飛片速度容許下限值。在輸入條件為工作刺激量的(如設(shè)工作電流為I0)情況下，測試沖擊片雷管的飛片速度。根據(jù)正態(tài)容許限方法獲得該輸入條件下飛片速度的容許下限值。

(6)

5)飛片完整性分析。通過數(shù)值模擬或測試的方法，獲得最小全發(fā)火刺激量和工作刺激量條件下的飛片形態(tài)。只有當(dāng)在最小全發(fā)火刺激量和工作刺激量條件下的飛片完整性均滿足設(shè)計要求時，才能使用下面的方法進(jìn)行雙裕度系數(shù)的設(shè)計。

6)雙裕度設(shè)計滿足條件。以電流等輸入刺激量為特征參量的輸入裕度系數(shù)為Mi，以飛片速度為特征參量的輸出裕度系數(shù)為Mv，要達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，產(chǎn)品應(yīng)同時滿足(7)式和(8)式：

7)產(chǎn)品再設(shè)計。如產(chǎn)品的設(shè)計不能同時滿足(7)式和(8)式，則需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，重新按照步驟1～步驟6的順序進(jìn)行試驗(yàn)與分析，直到滿足雙裕度設(shè)計的條件。

4 結(jié)論

本文針對某型沖擊片雷管，系統(tǒng)地開展了以不同輸入刺激量(電流、電壓、電容儲能)和不同輸出性能參數(shù)(飛片速度和飛片動能)為特征參量的裕度系數(shù)計算方法研究，分析了不同裕度系數(shù)計算方法對沖擊片雷管可靠性的影響。研究結(jié)果表明，僅以輸入刺激量計算的裕度系數(shù)不能體現(xiàn)產(chǎn)品的波動性，其中以電容儲能為刺激量獲得的裕度系數(shù)最高。輔以通過飛片速度獲得的輸出裕度系數(shù)能較真實(shí)地體現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量特性，在滿足輸入裕度設(shè)計的條件下，還應(yīng)滿足通過輸出性能參數(shù)的容許下限值與臨界起爆能量的比值計算獲得的輸出裕度值。

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ResearchonDoubleMarginCoefficientDesignMethodofSlapperDetonator

GUO Fei1,2, WANG Yao2, LYU Jun-jun2, FU Qiu-bo2, HUANG Hui2, SHEN Rui-qi1

(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2.Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, Sichuan, China)

In order to improve the design reliability of slapper detonator, the margin coefficients were calculated using input stimulus and flyer velocity as the characteristic parameters based on the action principle of the slapper detonator. It is shown that the design margin characterized by the input stimulus cannot fully reflect the reliability state of the product. The input stimulus and the output margin coefficient characterized by the flyer velocity can be used to truly reflect the quality characteristic of the product．A double margin design method on the basis of inputting stimulus and flyer velocity is presented, which can improve scientific margin coefficient in the design process of slapper detonator.

ordnance science and technology; slapper detonator; margin coefficient; flyer velocity

TJ450.2

A

1000-1093(2017)11-2093-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.002

2017-06-20

郭菲(1981—)，男，副研究員， 博士。E-mail： guofei@caep.cn

黃輝(1961—)，男， 研究員。E-mail： huanghui@caep.ac.cn