彭加斌，苗久廠，李哲雨，周 曌，肖 勇 ，李 春

（1. 西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安，710061；2.大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司射孔大隊(duì)，黑龍江 大慶，163000；3.延安吳起采油廠開發(fā)科，陜西 延安，717600）

鎢系延期藥鉛皮延期索是目前應(yīng)用非常廣泛的一種慢燃速索式延期火工品，它不僅廣泛應(yīng)用在軍品上，還在民用爆破器材上得到越來越多的應(yīng)用，關(guān)于它的研究也越來越多[1-2]。李繼等[3]認(rèn)為延期索的不同部位對延期時(shí)間精度有著較大的影響，并比較了延期索式結(jié)構(gòu)和直填直壓式結(jié)構(gòu)的延期時(shí)間精度；周海卿等[4]研究了索式延期體的其它紡織方法，并比較了其秒量與鉛結(jié)構(gòu)延期體秒量的精度；李峻東等[5]對索式延期體的工藝進(jìn)行了研究；陳志軍等[6]分析了延期藥、延期體芯數(shù)、工藝條件(包括點(diǎn)火藥、延期體、長度、電點(diǎn)火藥頭等)對延期時(shí)間的影響，最后創(chuàng)新地提出了長延期體絲技術(shù)（即索式延期體技術(shù)），證實(shí)長延期體絲技術(shù)的新型延期結(jié)構(gòu)具有可靠、穩(wěn)定的延期性能等。目前鎢系延期藥被普遍認(rèn)為是微氣體延期藥，其燃速受環(huán)境氣體壓力的影響很小，但實(shí)驗(yàn)研究顯示，環(huán)境氣體壓力對鎢系延期藥鉛皮延期索燃速的影響是較為明顯的，筆者對此開展了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 鎢系延期藥鉛皮延期索的制作

本實(shí)驗(yàn)鎢系延期藥的配方[7]為：wW/wKClO4/wBaCrO4/w添加劑＝42/8/50/5。按比例準(zhǔn)確稱取總重為1 500g的上述原料，先將KClO4和BaCrO4混合，再將W粉加入，過100目篩5遍，形成均勻墨綠色粒狀鎢延期藥粉末。將延期藥總質(zhì)量5%的硅藻土與之混合，再過100目篩5遍。在真空干燥箱烘干3h，最后存放在干燥器中待用。將準(zhǔn)備好的1 500g鎢系延期藥裝入經(jīng)過處理的鉛管，然后將裝藥的鉛管進(jìn)行拉拔，經(jīng)過多次拉拔，最終形成實(shí)驗(yàn)需要的某型鎢系延期藥鉛皮延期索。

1.2 實(shí)驗(yàn)體制作

如圖1所示，將兩根長650mm的鎢系延期藥鉛皮延期索纏繞在某裝置的螺旋溝槽里，然后在該裝置一端壓裝點(diǎn)火藥（輸入端），另一端壓裝起爆藥和炸藥（輸出端）。

1.3 延期時(shí)間測試

延期時(shí)間測試裝置如圖2所示。

由圖2可見，將實(shí)驗(yàn)體的輸入端與電點(diǎn)火頭進(jìn)行連接，然后放入壓力罐中，關(guān)上蓋。啟動(dòng)壓力泵對壓力罐進(jìn)行加壓，到預(yù)定壓力值時(shí)，關(guān)閉壓力泵。最后點(diǎn)火，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)聽到爆炸聲時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束，時(shí)間差即為該段鎢系延期藥鉛皮延期索在室溫下某環(huán)境氣體壓力下的延期時(shí)間。

1.4 燃燒速度計(jì)算

將裝置中鎢系延期藥鉛皮延期索的長度計(jì)為l(mm)，秒表測得時(shí)間計(jì)為t(s)，鎢系延期藥鉛皮延期索的燃速計(jì)為v(mm/s)，其計(jì)算公式為：v=l/t。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按圖2所示的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表1。其燃燒速度和環(huán)境氣體壓力的關(guān)系見圖3。

表1 不同段別索式延期體在20℃、不同環(huán)境氣體壓力下的延期情況Tab.1 Delay time of different type objects under different ambient air pressure at 20℃

從表1 結(jié)果看，4種不同段別的索式延期體在不同環(huán)境氣體壓力下都表現(xiàn)為相同的規(guī)律：隨著環(huán)境氣體壓力的增加，其延期時(shí)間在不斷減??；圖3中曲線顯示，4種不同段別的索式延期體的燃燒速度都隨環(huán)境氣體壓力的增加而不斷變大。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為鎢系延期藥為微氣體延期藥，其燃燒速度受環(huán)境氣體壓力的影響應(yīng)該很小[8]；實(shí)際上，鎢系延期藥燃燒會(huì)產(chǎn)生少量氣體[9]，根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)原理，增加環(huán)境氣體壓力將延緩其燃燒反應(yīng)的速度，至少不會(huì)加快燃燒速度。

圖3 不同段別索式延期體在不同環(huán)境氣體壓力下的燃速變化Fig.3 Change of burning rate of different type objects with ambient air pressures

2.2 結(jié)果討論

首先，對鎢系延期藥鉛皮延期索的燃燒過程做簡單分析。延期藥燃燒是一個(gè)氧化和還原的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，伴隨著熱量的產(chǎn)生和傳遞以及固體殘?jiān)蜕倭繗怏w產(chǎn)物的生成[8]。對于正在燃燒的鎢系延期藥鉛皮延期索，在燃燒面附近通常劃分3個(gè)區(qū)域，即預(yù)熱區(qū)、反應(yīng)區(qū)和燃燒產(chǎn)物區(qū)，其示意圖見圖4。

圖4中的延期藥劑開始燃燒面為拋物面，此燃燒過程的模型可在實(shí)驗(yàn)中得以驗(yàn)證，見圖5。圖5為采用快速冷卻法將正在燃燒的延期索快速冷卻后進(jìn)行解剖的燃燒面剖切圖，該實(shí)驗(yàn)說明延期索燃燒面為拋物面。在預(yù)熱區(qū)（藥劑開始溫升面至藥劑開始燃燒面之間），延期藥由于得到了從反應(yīng)區(qū)傳導(dǎo)來的熱量，其溫度由原始環(huán)境溫度T0逐漸上升至發(fā)火點(diǎn)T1，即開始燃燒并過渡到反應(yīng)區(qū)。該區(qū)域的延期藥劑及其外鉛保護(hù)層均處于固相。在反應(yīng)區(qū)，氧化劑和可燃劑激烈反應(yīng)，放出大量的熱，使該區(qū)溫度由發(fā)火點(diǎn)T1升高至T2（T2為燃燒反應(yīng)區(qū)的最高溫度）。該區(qū)域中的延期藥劑和反應(yīng)中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物已處于固液相共存狀態(tài)，圖6為鎢系延期藥柱在某金屬管中燃燒時(shí)從金屬管孔流出來的流體，這現(xiàn)象正是燃燒反應(yīng)區(qū)物質(zhì)固液相共存狀態(tài)的例證。而此區(qū)域的鉛保護(hù)層也開始逐層熔化（由內(nèi)向外）。燃燒產(chǎn)物區(qū)通常是由燃燒后的固態(tài)或液態(tài)氧化物和未參加反應(yīng)的惰性物質(zhì)等組成，該區(qū)由于熱量的不斷散失，其溫度逐漸降低，直至與環(huán)境溫度達(dá)成平衡。在反應(yīng)結(jié)束面到反應(yīng)產(chǎn)物完全固化初始面之間的區(qū)域內(nèi)，鉛保護(hù)層逐漸熔化殆盡，其燃燒產(chǎn)物由流體狀態(tài)逐漸冷卻為固態(tài)。圖7為某延期索燃燒時(shí)外觀的變化。其情況與以上幾個(gè)區(qū)域的分析基本一致。

圖6 鎢系延期藥燃燒時(shí)流體的溢出Fig.6 Overflow of fluid in burning area of tungsten delay composition

圖7 延期索燃燒的外觀Fig.7 Photo of delay fuse on combustion

燃燒理論[10]認(rèn)為，燃燒產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向與燃燒波傳播方向是相反的，在圖4 中表現(xiàn)為，燃燒波向右運(yùn)動(dòng)而固液流體向左運(yùn)動(dòng)。鎢系延期藥鉛皮延期索在一定環(huán)境氣體壓力下燃燒時(shí)，各區(qū)域受到環(huán)境氣體壓力的作用。在預(yù)熱區(qū)，由于該區(qū)域的延期藥劑及其外鉛保護(hù)層均處于固相，因此環(huán)境氣體壓力難以傳遞給燃燒反應(yīng)區(qū)。在燃燒產(chǎn)物區(qū)的完全固相段，同樣無法傳遞環(huán)境氣體壓力，并作用于燃燒反應(yīng)區(qū)。在反應(yīng)區(qū)和燃燒產(chǎn)物區(qū)的固液相共存段，由于鉛保護(hù)層沒有完全熔化，因此作用在未完全熔化鉛上的環(huán)境氣體壓力可以通過該區(qū)域內(nèi)的流體傳遞到燃燒面上，這樣就減緩了流體正常離開燃燒面的速度，從而延長了高溫流體在燃燒面的滯留時(shí)間，造成了對待點(diǎn)燃延期藥劑的過能量點(diǎn)火，最終表現(xiàn)為燃燒速度加快，延期時(shí)間縮短。隨著環(huán)境氣體壓力增加，燃燒產(chǎn)物的高溫流體對燃燒面的滯留時(shí)間越長，對待點(diǎn)燃延期藥劑的過能量點(diǎn)火越強(qiáng)，結(jié)果燃燒速度越快，延期時(shí)間越短。

3 結(jié)論

在不同環(huán)境氣體壓力下，鎢系延期藥鉛皮延期索的延期時(shí)間隨著環(huán)境氣體壓力的增加而縮短，燃燒速度隨著環(huán)境氣體壓力的增加而變大。對于微氣體延期藥表現(xiàn)出這種異常的規(guī)律，筆者認(rèn)為與延期索外金屬保護(hù)層的低強(qiáng)度和反應(yīng)產(chǎn)物的高溫流體特性有關(guān)。環(huán)境氣體壓力作用在強(qiáng)度較低的鉛保護(hù)層上，再通過該區(qū)域內(nèi)的流體傳遞到燃燒面上，減緩了流體正常離開燃燒面的速度，從而延長了高溫流體在燃燒面的滯留時(shí)間，形成了對待點(diǎn)燃延期藥劑的過能量點(diǎn)火，最終表現(xiàn)為燃燒速度加快，延期時(shí)間縮短。

[1]王凱民,溫玉全,編著. 軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2006.

[2]蔡瑞嬌,編著.工品設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1999.

[3]李繼.提高延期裝置時(shí)間精度關(guān)鍵問題的試驗(yàn)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[4]周海卿,等.導(dǎo)爆管雷管延期體結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].火工品,2003(1):45-46.

[5]李峻東,等.某延時(shí)起爆器延期時(shí)間的工藝控制[J]. 爆破器材,2011,40(2):45-46.

[6]陳志軍.工業(yè)雷管延期精度的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

[7]許峻峰,等.粘合劑對鎢系延期藥燃速的影響[J].含能材料,2007,15(2):144-147.

[8]劉自鐋,蔣榮光,編著.工業(yè)火工品[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[9]Joseph Howard Mclain. Pyrotechnics from the view of solid state chemistry[M]. USA: The Franklin Institute Press,1980.

[10]惠君明,陳天云.炸藥爆炸理論[M].南京：江蘇科技出版社，1995.