小直徑銀導(dǎo)爆索爆速波動原因分析及工藝改進?

郭雷明 潘少卿 孫 斌 盛景愷

①安徽紅星機電科技股份有限公司(安徽合肥，231135)

②空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室(江蘇南京，210016)

引言

小直徑銀導(dǎo)爆索(銀索)是指直徑小于1 mm 的銀導(dǎo)爆索。

近年來，小直徑銀索因具有柔韌性好、傳爆可靠性高、勤務(wù)處理安全性高的特點[1-3]，被多個平臺選擇使用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代裝備中；利用銀索實現(xiàn)爆速微秒高精度延期，也取得非常好的效果。銀索的直徑經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可用于新型單兵武器裝備，如單兵破甲彈、攻堅彈等特種彈的二級傳、擴爆裝置上。隨著現(xiàn)代軍事裝備的發(fā)展，智能彈藥越來越受到青睞，對彈藥精度提出更高的要求。多個高精度裝備正從試驗階段向批量裝備階段拓展應(yīng)用，并且成為未來局部戰(zhàn)爭不可缺少的武器裝備。對銀索的要求和認(rèn)識也從過去的單一傳爆可靠性拓展到對爆速的檢測控制。

在早期使用中，銀索的傳爆可靠性能作為主要指標(biāo)要求可以滿足使用需求。但隨著微秒級延期精度要求的提高，只考核銀索的傳爆可靠性并不能達到延期精度的預(yù)期目標(biāo)。所以，在小直徑銀索的制造過程中增加了爆速測定，間接監(jiān)測銀索的延期精度。從大量試驗數(shù)據(jù)看，爆速測定結(jié)果并不樂觀，有一定比例的產(chǎn)品不能滿足要求，造成生產(chǎn)成本增加。為此，對爆速波動的問題進行了分析、試驗和驗證，對生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化。

1 試驗部分

1.1 小直徑銀索的制備

銀索由銀管內(nèi)裝填炸藥后壓制、再經(jīng)多道工序拉制而成。制備銀索的銀管也可以根據(jù)設(shè)計需求定制。本文中所涉及的小直徑銀索采用的銀管初始外徑8 mm、內(nèi)徑5 mm、長度270 mm，單次裝藥量約500 mg；壓藥壓力70 MPa，總藥量約7 g。多次裝藥并壓藥后，經(jīng)過60 道工序拉制，再經(jīng)過多次的應(yīng)力釋放，最終拉制成一根總長約12 m、直徑0.97 mm的銀索。

1.2 爆速測定方法

利用猛炸藥的爆炸性能[4]，銀索一端被可靠起爆后，爆轟波沿著銀索軸線傳播。利用銀索的爆轟傳播速度實現(xiàn)微秒級延期功能，且爆轟傳播可實現(xiàn)對下一級的可靠起爆。通過調(diào)節(jié)銀索的長度，進而實現(xiàn)對微秒級延期時間的控制。

按設(shè)計指標(biāo)的需求，為了檢測銀索延期精度是否滿足要求，每根銀索被拉制成型后都要分別截取首、尾兩個部位測定爆速，每部分截取的長度不少于700 mm。試驗設(shè)備為ZBS9601B 型智能爆速測試儀。采用斷通靶[5]測速方法，靶距為400 mm，靶線采用直徑0.3 mm 的銅芯漆包線。第一個采集點距離爆轟輸入點150 mm，第二個采集點距離第一個采集點400 mm。

2 爆速波動現(xiàn)象及結(jié)果分析

經(jīng)過對3 000 多組6 000 多發(fā)銀索的爆速數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，有將近4.9%的樣品爆速不能滿足設(shè)計指標(biāo)(6 700～7 100 m/s)的要求。

小直徑銀索主要由銀管和炸藥組成。銀管中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%，內(nèi)裝六硝基芪單體猛炸藥。炸藥使用前，要過150 目篩，并確保150 目篩上物中沒有異物。

分析認(rèn)為:銀管的一致性較高，且機械性能穩(wěn)定，應(yīng)該系統(tǒng)影響銀索的爆速，不會影響單發(fā)銀索的爆速；據(jù)查，六硝基芪猛炸藥具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能，壓藥和拉索過程也只會系統(tǒng)影響爆速，不會影響單發(fā)銀索爆速。所以，銀管和內(nèi)裝炸藥對銀索爆速的影響不是導(dǎo)致爆速波動的主要原因。

分析小直徑銀索作用過程可知，影響爆速波動主要有4 方面因素:銀索放置時間、起爆能量、測試方法誤差、銀索自身引起爆速不穩(wěn)的因素。

2.1 銀索放置時間

取長12 m 的銀索10 發(fā)，在每一根銀索上任意截取4 段，每段長650 mm，按照拉制方向的順序標(biāo)記，分別放置48、96、120、240 h 后測試爆速。試驗結(jié)果見表1。

表1 不同放置時間或應(yīng)力釋放后的爆速Tab.1 Detonation velocity after different placement time or stress release m/s

從數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出:不同放置時間對銀索爆速波動的影響不同，48 h 和96 h 對比、96 h 和120 h 對比、120 h 和240 h 對比沒有明顯的規(guī)律；但是從整體數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，隨著放置時間變長，爆速極差有變小的趨勢。

2.2 起爆能量

分析認(rèn)為，試驗用雷管起爆能量不足不是造成銀索爆速波動的原因。

1)試驗所測的爆速都在6 300 m/s 以上，爆速測定時測試的第一點位置在距離起爆點約150 mm處[6]，這個距離遠遠超出銀索內(nèi)爆轟波成長限制的距離，所測爆速是成長穩(wěn)定后所形成的穩(wěn)定爆轟。

2)測定400 發(fā)起爆雷管的輸出能量[7]，該起爆雷管外徑8 mm、高35 mm，內(nèi)裝炸藥0.4 g。測試鋼塊凹痕深度[8]均在0.50～0.85 mm 之間，能滿足銀索穩(wěn)定起爆的初始能量需求。綜上所述，不存在起爆能量不足的現(xiàn)象。

2.3 測試方法誤差

用智能爆速測試儀(型號ZBS9601B)和雙通道智能爆速測定儀(型號202G)同時測定70 發(fā)產(chǎn)品，測試結(jié)果沒有差別。

測試方法誤差不是造成銀索爆速波動的原因。

2.4 銀索自身因素

小直徑銀索自身是導(dǎo)致爆速波動的主要原因。小直徑銀索內(nèi)部密度及炸藥成分存在的不均勻性、外界效應(yīng)以及沖擊引爆后介質(zhì)內(nèi)部擾動波系的相互作用都可能是影響爆速波動的因素。

1)小直徑銀索的裝藥密度。小直徑銀索是由銀管裝藥壓制后拉制而成，初始裝藥過程采用定壓控制，裝藥壓制后，在銀管內(nèi)部形成有規(guī)律的密度梯度，再拉制成型。雖然在初始裝藥壓制后、拉制前銀管內(nèi)部存在有規(guī)律的密度梯度，但經(jīng)過60 多道工序拉制，受模具擠壓，最終銀索藥面直徑有所變化，藥芯密度趨于一致。所以現(xiàn)工藝條件下，所制得的小直徑銀索內(nèi)部炸藥密度不是造成爆速波動的原因。

2)六硝基芪炸藥。銀索使用的是六硝基芪猛炸藥，該炸藥物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，不存在成分不均勻的問題，所以也不是爆速波動的原因。

3)外界力。試驗過程中，銀索處在自然環(huán)境下，不接觸任何外力。爆速測定時，每根銀索所處的外界環(huán)境一致。如果外界環(huán)境對爆速有影響，也只會形成系統(tǒng)性爆速差異，不會對個別測試結(jié)果造成影響。所以，外界效應(yīng)也不是造成爆速波動的原因。

4)沖擊引爆后介質(zhì)內(nèi)部擾動波系的相互作用。在經(jīng)過多次拉制后，雖然銀管內(nèi)部藥劑密度趨于一致，但是銀管初始裝藥后，因為壓力的作用，在銀管內(nèi)部形成有規(guī)律的密度梯度，這個初始的密度梯度會對后期銀索的藥面直徑造成影響，拉制成型的小直徑銀索就成為有規(guī)律藥面直徑梯度變化的銀索。對于大直徑銀索，藥面直徑梯度變化對銀索爆速影響要小于密度對爆速的影響；但對于小直徑銀索，藥面直徑梯度變化對爆速影響就大。小直徑銀索直徑梯度變化越大，引爆后銀索內(nèi)部所形成的軸線擾動波對爆速的影響就越大；反之，就越小。因小直徑銀索藥面直徑測試不準(zhǔn)確，為了掌握藥面直徑變化情況，應(yīng)用了理論計算，采用質(zhì)量法間接反推小直徑銀索內(nèi)部藥面直徑變化。從一根銀索上連續(xù)截取200 mm 等長的銀索60 根，標(biāo)記并稱量，結(jié)果見表2。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)分析可知，銀索質(zhì)量呈規(guī)律性變化。變化的原因主要是每一根銀索內(nèi)銀含量和藥劑含量不一樣，外徑一致的條件下，測試結(jié)果與分析的藥面直徑變化基本一致。由于銀的密度遠大于藥劑密度，所以銀索藥面直徑與銀管初始裝藥密度的關(guān)系是:單位長度銀索質(zhì)量越小，藥面直徑就越大；質(zhì)量越大，藥面直徑就越小。根據(jù)質(zhì)量與密度公式，結(jié)合經(jīng)驗計算，得出銀索最大質(zhì)量與最小質(zhì)量對應(yīng)的藥面直徑整體理想變化為0.53 mm 到0.60 mm。小直徑銀索選用的炸藥呈粉末狀，黏性較大，不利于壓力傳導(dǎo)，所以實際藥面直徑變化要比理想計算值偏大。

表2 工藝改進前整根銀索的質(zhì)量分布Tab.2 Weight distribution of the whole silver fuse before the technology improvement g

3 工藝改進

通過上述試驗和數(shù)據(jù)分析可知，銀索爆速的波動是沖擊引爆后銀索內(nèi)部擾動波系的相互作用所致。銀管初始裝藥密度導(dǎo)致沖擊引爆后在銀索內(nèi)部形成較大的軸線擾動波，影響了爆轟傳播速度。銀管初始裝藥密度影響拉制成型后小直徑銀索的藥面直徑。正是由于銀管初始裝藥密度存在規(guī)律梯度變化，導(dǎo)致拉制成型后小直徑銀索藥面直徑也是有規(guī)律地變化。所以，減少銀管初始裝藥密度梯度差是降低影響小直徑銀索爆速波動的方法。常規(guī)銀管裝藥采用振動裝藥，可以有效地減少密度梯度差。由于本文中所涉及的銀索要求密度較大，振動裝藥實現(xiàn)難度較大，采用了壓藥方式，所以只對壓藥方式下的銀管裝藥方式進行了改進。

3.1 壓力不變、減少單次裝藥量

分析認(rèn)為，裝藥壓力影響銀管初始裝藥密度。增加初始壓藥壓力可以增加裝藥量，改善拉制成型后小直徑銀索的藥面直徑，但是不能從根本上減小拉制成型后銀索的藥面直徑變化，也就是不能從根本上解決銀索內(nèi)部形成的軸線擾動波對爆速的影響；減小初始壓藥壓力可能會減小拉制成型后銀索藥面直徑變化，使得小直徑銀索的藥芯直徑變小，這樣不利于爆轟傳播，同時增加生產(chǎn)成本。

試制1:壓藥壓力70 MPa，保壓時間3 s，單次裝藥量500 mg。銀管內(nèi)藥劑壓滿后，經(jīng)過60 多次的拉制變徑，拉制模口徑變化梯度從0.15 mm 減小到0.03 mm。一根銀管拉制成型后，能截成200 mm 長的小直徑銀導(dǎo)爆索60 根。

試制2:將壓藥壓力減少至40 MPa，保壓時間3 s，單次裝藥量500 mg。銀管內(nèi)藥劑壓滿后，拉制成型，只能截成200 mm 長的小直徑銀索45 根。

根據(jù)分析和試驗所得，調(diào)整壓藥壓力不利于問題的解決，所以不進行壓力調(diào)整。

綜上所述，減少銀管裝藥密度差最有效的方式就是減少單次裝藥量。所以，工藝改進方面，將單次裝藥量由原來500 mg 減少為300 mg，保壓時間3 s不變，減小銀管內(nèi)初始密度梯度差。

改進后單次裝藥量300 mg，總裝藥量7.4 g；壓藥壓力70 MPa不變；拉制?？趶阶兓荻葟?.15 mm 減小到0.03 mm不變。經(jīng)過60多次的拉制變徑的工藝，一根銀管拉制成型。沿連續(xù)拉制方向截取等長200 mm 的銀索60 根，并按照順序標(biāo)記。稱量質(zhì)量，結(jié)果見表3。

表3 工藝改進后整根銀索的質(zhì)量分布Tab.3 Weight distribution of the whole silver fuse after the technology improvement g

對比表2、表3 測量結(jié)果可以看出，工藝改進后，銀索的質(zhì)量分布波動較改進前減小。改進前，最大質(zhì)量是1.254 g，最小質(zhì)量是1.097 g，平均質(zhì)量1.154 g，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.040；改進后，最大質(zhì)量是1.130 g，最小質(zhì)量是1.052 g，平均質(zhì)量1.092 g，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.021，計算得出銀索最大質(zhì)量與最小質(zhì)量對應(yīng)的藥面直徑整體理想變化從0.57 mm 到0.61 mm。對改進后工藝生產(chǎn)的2 200 發(fā)銀索測定爆速，最大爆速7 093 m/s，最小爆速6 753 m/s。對比工藝改進前、后銀索爆速的分布情況，見表4。

表4 工藝改進前、后爆速分布情況Tab.4 Detonation velocity distribution before and after the technology improvement

從表4 可以看出，對于銀索爆速分布，改進后較改進前趨于集中，有83%的產(chǎn)品爆速穩(wěn)定在6 800～7 000 m/s 之間。通過計算這部分爆速，可以有效控制長度1 m 的銀索延期時間精度在±2.5 μs 以內(nèi)。

3.2 控制捻頭長度和時機

捻頭是銀索拉制過程中必不可少的環(huán)節(jié)。捻頭長，會增加生產(chǎn)成本；捻頭短，又不利于拉制。

經(jīng)過大量實踐摸索得出，捻頭長度控制在2 cm左右較為合理。針對小直徑銀索拉制，捻頭的時機設(shè)置顯得更加重要。認(rèn)為直徑大于1.5 mm 前，每過一道模具捻頭一次，較為合理；直徑小于1.5 mm后，每過3～4 道模具捻頭一次。

3.3 討論

通過試驗數(shù)據(jù)分析可以得出:對于用六硝基芪炸藥制備的小直徑銀索，在被可靠起爆的前提條件下，銀管初始裝藥密度對小直徑銀索爆速波動有影響；隨著銀管初始裝藥密度梯度減小，爆速趨于穩(wěn)定，小直徑銀索的延時精度波動減少。

被測試產(chǎn)品的測試長度、自身形狀、增加壓藥壓力、調(diào)整拉制模口徑變化梯度等因素對爆速波動的影響還需深入研究。增加壓藥壓力和拉制?？趶阶兓荻扔嘘P(guān)聯(lián)，特別是直徑越小的銀索，變化越明顯；還需進一步探究增加壓藥壓力與拉制?？趶阶兓荻鹊膶?yīng)變化。

4 結(jié)論

通過對小直徑銀索爆速波動情況的分析及工藝控制參數(shù)改進，得出以下結(jié)論:

1)48、96 h 放置時間或應(yīng)力釋放對銀索爆速波動的影響不明顯；放置時間為120、240 h 時，從整體數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，隨著放置時間增長，爆速極差有變小的趨勢。

2)針對采用壓藥方式拉制成型的小直徑銀索，銀管初始裝藥的密度梯度變化影響銀索的爆速。銀管初始裝藥密度梯度變化越大，拉制后對小直徑銀索的爆速影響越大；反之，越小。

3)減少銀管初始單次裝藥量，可以明顯降低拉制成型后小直徑銀索引爆后的軸線擾動波對銀索爆速的影響。

4)使用外徑8 mm、內(nèi)徑5 mm、長度270 mm 規(guī)格的銀管，銀管中銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%，內(nèi)裝六硝基芪單體猛炸藥，單次裝藥量300 mg，總裝藥量7.4 g，壓藥壓力70 MPa，經(jīng)過60 多次的拉制變徑，拉制模口徑變化梯度為0.15 mm 減小至0.03 mm。所拉制成型的小直徑銀索的爆速波動小，且能穩(wěn)定控制在6 700～7 100 m/s 之間。