趙象潤, 孫延臣, 閆利偉, 郝永平, 金世鑫

(1. 沈陽理工大學裝備工程學院, 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,其作用是把一個相當小的初始能量有控制地適當放大,起爆彈藥主裝藥[1]。爆炸序列是引信設計的核心內(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,設計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: 轉換能量的爆炸元件(包括火帽和雷管)、控制時間的爆炸元件(包括延期管和時間藥盤)、放大能量的爆炸元件(包括導爆管和傳爆管)[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構形式,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上增加了相應的機構來實現(xiàn)。瞬發(fā)爆炸序列的一般構成是: 雷管→導爆藥柱→傳爆管。導爆藥柱通常安裝在安保機構運動單元(滑塊或轉子)里,因此運動單元高度不能低于藥柱總高,且為集中能量,其側向尺寸不能過小,導致整個機構體積較大,很難應用在微小型爆炸序列上。針對這個問題,Charles H. Robinson等[3]提出基于平行基板式爆炸序列的設計思路,該設計將混有粘合劑的六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)直接裝在薄板預制溝槽里作為導爆藥,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,認為超細化的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[4]的爆炸序列結構采用“T”型導爆管和溝槽型傳爆板,裝藥結構較為復雜; 文獻[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)品設計提供參考,本研究在借鑒上述研究成果的基礎上,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,設計了模擬完整結構形態(tài)的平板式微小型爆炸序列(下稱樣件)。其主要結構是在薄金屬平板上加工長條形空腔并壓裝超細化的HMX基導爆藥JO-9C(Ⅲ型),形成近似扁平長方體狀的條形導爆藥代替?zhèn)鹘y(tǒng)結構中的柱形導爆藥來傳遞爆轟,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爆藥的施主雷管和受主裝藥,組成一個形狀為“└┐”的雙直角傳爆路徑。為提高逐級傳爆可靠性,將條形導爆藥設計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。導爆藥采用高度為0.8 mm和1.8 mm兩種尺寸進行裝壓,將樣件控制在高溫、低溫及常溫條件下進行傳爆試驗以考察逐級傳爆性能。

2 試驗

2.1 試驗裝置

圖1為所設計的爆炸序列原理模型,試驗壓藥模具如圖2所示,壓好導爆藥的藥板如圖3所示,試驗發(fā)火電路如圖4所示。由圖3可見,壓裝的導爆藥藥面平整密實,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導爆藥板

Fig.3Flat-sheet with lead explosive

圖4發(fā)火電路

K1—安全開關, K2—水銀點火開關, K3—電阻測量開關， 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 試驗條件

導爆藥: JO-9C(Ⅲ型),裝藥密度1.65 g·cm-3。導爆藥壓藥壓力: (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,藥板使用高強度馬氏體耐熱鋼1Cr11Ni2W2MoV加工。

安裝狀態(tài): 試驗時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 試驗方法

火工品的高、低溫性能試驗通常在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也采用此方法。在原理驗證試驗階段,為使試驗結果更加可靠,采取比上述條件更為嚴格的內(nèi)控指標進行試驗,具體方法如下:

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

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

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

3 結果與討論

為研究設計的可行性,對導爆藥藥高分別為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。

導爆藥藥高為0.8 mm時傳爆性能試驗結果見表1,樣件殘體狀態(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,導爆藥輸出威力較為適中。殘體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擴大為約2.7 mm,長度由13 mm擴大為約13.4 mm,藥板外緣寬度方向較原尺寸擴大約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。

導爆藥藥高為1.8 mm時傳爆性能試驗結果如表2所示,樣件殘體狀態(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,樣件殘體一致性較好,不同溫度時的殘體特征沒有明顯區(qū)別,導爆藥威力偏大。作用后藥板裝藥空腔寬度由1.8 mm擴大為約3 mm,長度由13 mm擴大為約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藥高時作用后狀態(tài)相似。

由表1、表2及圖5、圖6可以看出,試驗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爆藥全部可靠起爆,相同條件下多次試驗結果基本相同,重復性較好,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)條形導爆藥。被起爆的兩種裝藥條件的條形導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高的條形導爆藥輸出能量已能夠垂直起爆傳爆管。綜合試驗結果,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藥高導爆藥傳爆性能試驗結果

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藥高導爆藥傳爆性能試驗結果

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藥高導爆藥傳爆性能試驗樣件殘體

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藥高導爆藥傳爆性能試驗樣件殘體

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

0.8 mm藥高導爆藥作用后,上殼體狀態(tài)表明: 30 mg導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: 低溫時約6 mm、常溫時約8 mm、高溫時約11 mm(見表1),明顯具有裂紋長度隨溫度單調(diào)增加的趨勢。這可能是因為以下雙重作用所致: 1)金屬材料在溫度升高時抗拉強度和屈服極限單調(diào)降低(低碳鋼除外)[7],故受爆炸沖擊作用時溫度高的材料較之溫度低時更容易屈服斷裂; 2)溫度升高時,炸藥組分分解加速,使化學反應區(qū)反應速率增大,這樣化學反應區(qū)內(nèi)完成反應所經(jīng)歷的時間越短,反應區(qū)寬度變窄,能量損失相對減少,因而爆轟較低溫時成長更加完全、釋放能量更大,導致對零件的破壞性更大。與導爆藥藥高為0.8 mm時不同,1.8 mm藥高的導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。這是因為在約束狀態(tài)和起爆條件相同時,假設爆轟成長完全、不考慮邊界效應等因素,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爆藥釋能較之高溫時略小,但也足以將上殼體導爆藥約束面徹底擊穿碎裂(見圖6),故溫度的影響未能在殘體特征上宏觀體現(xiàn)。綜合傳爆試驗后上殼體狀態(tài),也反映出本設計方案的不足: 藥劑約束面強度卻最薄弱,在產(chǎn)品設計時應予避免。

4 結 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)條形導爆藥。

(2)利用微小型火工元件與條形導爆藥組成 “└┐”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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