火工品安全性影響因素分析

李 陵，但 波，倪保航，萬(wàn) 宇

（1.海軍裝備部，北京 100841；2.海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001）

0 引言

火工品作為點(diǎn)火或引爆控制系統(tǒng)的核心部件，受一定的初始沖能作用即可燃燒或爆炸，以產(chǎn)生預(yù)期的功能。火工品具有獨(dú)立首發(fā)和一次性作用的特點(diǎn)，其安全性直接影響武器系統(tǒng)的效能[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于火工品安全性的研究主要集中于電火工品[2-4]，對(duì)于其他類(lèi)火工品如機(jī)械能、熱能、光能和化學(xué)能火工品的安全性影響因素研究較少且沒(méi)有形成相關(guān)體系。為此，本文通過(guò)分析各種火工品安全性的影響因素，提出了合理可行的防護(hù)措施，為火工品的使用和安全防護(hù)提供理論參考。

1 火工品種類(lèi)

火工品種類(lèi)繁多，有多種不同的分類(lèi)方法。按輸出特性可分為引燃火工品、引爆火工品；按結(jié)構(gòu)的狀況可分為簡(jiǎn)單火工品和復(fù)雜火工品；按輸入激發(fā)能形式可分為機(jī)械能激發(fā)火工品、熱能激發(fā)火工品、電能激發(fā)火工品、光能激發(fā)火工品、化學(xué)能激發(fā)火工品和爆轟能激發(fā)火工品。

造成火工品意外失效的影響因素與激發(fā)火工品所提供的外界初始能源形式有關(guān)。作為首發(fā)火工品時(shí)，靠機(jī)械能（擊針）起爆；用作中間火工品時(shí)，大多用熱能起爆，同樣包括用電能、光能與爆轟能激發(fā)的火工品。

2 火工品影響因素分析

2.1 機(jī)械能火工品

機(jī)械能火工品在受到摩擦、針刺和撞擊的作用下，發(fā)火引爆炸藥。其中摩擦類(lèi)包括拉發(fā)雷管和拉火管，針刺類(lèi)包括雷管和火帽，撞擊類(lèi)包括火帽和底火。機(jī)械火工品在不同作用方式下的工作原理相同，以一種具有代表性的針刺雷管進(jìn)行說(shuō)明，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 針刺雷管結(jié)構(gòu)圖

圖1中，加強(qiáng)帽在擊針刺入雷管時(shí)變形，并減弱擊針的部分動(dòng)能。當(dāng)擊針繼續(xù)刺入至針刺藥后，處于擊針附近的藥劑壓力增加，擊針對(duì)藥劑產(chǎn)生擠壓和摩擦，藥劑之間也由于受力不均而互相擠壓和摩擦，并在擊針附近的藥劑中產(chǎn)生了熱點(diǎn)[5]。隨著擊針的繼續(xù)刺入，熱點(diǎn)不斷向藥層深處發(fā)展。“熱點(diǎn)”的溫度足以引起針刺藥劑爆發(fā)，并相繼引爆起爆藥和猛炸藥。針刺雷管中擊針受到的撞擊越大，其刺擊速度越大，雷管越容易發(fā)火。因此，機(jī)械能火工品的安全性影響因素主要包括火工品在生產(chǎn)加工、裝配、勤務(wù)處理和運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中的震動(dòng)、撞擊、摩擦等機(jī)械力。

2.2 熱能火工品

熱能火工品在受到上一級(jí)火工品作用產(chǎn)生的火焰和絕熱壓縮下，引起發(fā)火。熱能火工品主要包括火焰和絕熱壓縮兩大類(lèi)。火焰類(lèi)包括導(dǎo)火索和火焰雷管，絕熱壓縮類(lèi)包括壓空火帽等。其中火焰雷管的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 火焰雷管結(jié)構(gòu)圖

圖2中，火焰雷管輸入端覆蓋有綢墊。當(dāng)火帽產(chǎn)生的火焰由綢墊上方小孔傳入引爆三硝基間苯二酚鉛從而引爆起爆藥和猛炸藥。從圖1和圖2中可知火焰雷管與針刺雷管的結(jié)構(gòu)基本相同。火焰雷管靠火帽產(chǎn)生的火焰作用，而產(chǎn)生火焰的能量主要來(lái)自針刺和撞擊作用，這與擊針刺入針刺藥的方式相同。因此，從熱能火工品的典型結(jié)構(gòu)和作用方式可知，其安全性影響因素和機(jī)械能火工品類(lèi)似。

2.3 電能火工品

電能激發(fā)的火工品主要包括電雷管、底火及各種點(diǎn)火具，主要有電流發(fā)火和擊穿發(fā)火兩種作用方式。

2.3.1 電流發(fā)火

以具有代表性的灼熱橋絲式電雷管進(jìn)行說(shuō)明，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，當(dāng)電流通過(guò)橋絲時(shí)，橋絲發(fā)熱，以熱量的方式引爆周?chē)钠鸨帯蚪z式電火工品中的兩根金屬引出線(xiàn)分別與橋絲兩端相連。當(dāng)處于電磁場(chǎng)中時(shí)，引線(xiàn)起到了天線(xiàn)的作用，能夠吸收電磁場(chǎng)中的射頻能，導(dǎo)致電火工品意外發(fā)火或失效[6]。

圖3 灼熱橋絲式電雷管結(jié)構(gòu)圖

人體靜電也是引起電火工品意外發(fā)火的一個(gè)重要因素。當(dāng)聚集了靜電的人體與火工品直接或間接接觸時(shí)，就有可能使火工品內(nèi)部造成靜電放電。人身靜電能量W為[7]：

式中：C為人體的等效電容；U為人體所帶電壓。

則通入電橋的能量W′為：

式中：r 和R分別為橋絲電阻和人體電阻。

取人體等效電容為500 pF，所帶電壓為25 kV，電阻為5 k?，橋絲電阻為1 ?，計(jì)算得W′為0.03×10-3J。此能量可以使火花式和橋絲式電火工品發(fā)火。

2.3.2 擊穿發(fā)火

以火花式電雷管進(jìn)行說(shuō)明，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 火花式電雷管結(jié)構(gòu)圖

在火花式電雷管兩極間加的電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)將失去絕緣特性，在幾十ns時(shí)間內(nèi)，電阻可從數(shù)百億?降至幾?，電流可突升至幾十至幾百A，這樣大的電流通過(guò)兩極間引起火花式電弧，使雷管爆炸。

靜電的高電壓，雖然能量不大，但在適當(dāng)?shù)臈l件下，足以起爆火花式電火工品。此外一些絕緣物體帶電，生產(chǎn)車(chē)間粉狀炸藥流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的靜電等等，電壓都較高，常達(dá)到103～104V，這種靜電能夠直接引爆火花式電火工品。

因此，電能火工品的安全性影響因素主要包括靜電和射頻等干擾。并且隨著科技的發(fā)展以及通訊手段的現(xiàn)代化，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，電磁輻射對(duì)武器的危害日益突出，使得電火工品的意外失效幾率增加。

2.4 化學(xué)能激發(fā)火工品

化學(xué)能火工品指的是在作用時(shí)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到引發(fā)點(diǎn)火的目的。以酸點(diǎn)火管裝置為例進(jìn)行說(shuō)明，其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。[8]

圖5 酸點(diǎn)火管裝置結(jié)構(gòu)圖

使用時(shí)擰緊螺蓋擠碎玻璃瓶，使酸液從四個(gè)孔滲入反應(yīng)室，延期桿暴露部分被逐步腐蝕，開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)延期桿被腐蝕斷時(shí)釋放擊針，擊針在擊針簧推力下戳擊火帽，最后起爆主裝藥。從上述分析可知，化學(xué)能火工品的安全性影響因素主要與化學(xué)藥劑的性質(zhì)和擊針的正常動(dòng)作有關(guān)。因此，溫度、濕度、霉菌、振動(dòng)、跌落和碰撞等均能影響化學(xué)火工品的正常作用。

2.5 光能火工品

光能火工品的作用采用的是激光點(diǎn)火，而激光點(diǎn)火屬于熱點(diǎn)點(diǎn)火機(jī)理。當(dāng)能量較高的激光束照射到藥劑表面上，除去部分被反射外，其余部分被藥吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽顾帨厣撸_(dá)到藥劑發(fā)火點(diǎn)而被引發(fā)。激光發(fā)火裝置典型結(jié)構(gòu)如圖6所示[9]，圖中，激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)光學(xué)纖維的傳播，最后由點(diǎn)火劑吸收入射激光并達(dá)到其自燃溫度時(shí)藥劑發(fā)火。在激光發(fā)火裝置上面需密封一塊光學(xué)性能優(yōu)良，能傳播紅外光的窗口玻璃窗，它的作用是從光纖平行地接收激光束。由激光發(fā)火裝置原理可知，影響光能火工品的安全性因素主要與溫度有關(guān)。

圖6 激光發(fā)火裝置結(jié)構(gòu)圖

3 防護(hù)措施

對(duì)以上各種火工品的安全性影響因素分析可知：機(jī)械能、熱能、光能和化學(xué)能火工品的影響因素主要包括機(jī)械振動(dòng)、摩擦、撞擊、環(huán)境溫度。其中熱能火工品和機(jī)械能火工品的防護(hù)措施相似，主要針對(duì)環(huán)境中的機(jī)械力作用及摩擦熱進(jìn)行防護(hù)，盡量避免在生產(chǎn)和勤務(wù)處理過(guò)程中的物理碰撞以及摩擦。

化學(xué)能火工品除擊針刺擊外，還包括化學(xué)反應(yīng)釋放擊針環(huán)節(jié)，其影響因素因此較多，其防護(hù)措施除機(jī)械能火工品影響因素外，還需要注意防霉菌，控制儲(chǔ)存環(huán)境的溫、濕度以及防止化學(xué)藥劑意外泄漏。

電能火工品受機(jī)械力、環(huán)境溫度的影響較小，主要受靜電和射頻的干擾。

防靜電的方法有：采用防靜電材料、采取接地法、泄漏法、靜電屏蔽法、靜電中和法。其中采取接地是使已產(chǎn)生的靜電電荷比較容易地泄漏、消散，以避免靜電的積累。接地是火、化工企業(yè)消除靜電危害最簡(jiǎn)單、最有效的辦法。但接地主要是消除導(dǎo)電體上的靜電，而不能用來(lái)消除絕緣體上的靜電。靜電接地就是利用金屬導(dǎo)體將靜電荷通過(guò)引下線(xiàn)與接地裝置相連。防射頻的方法有：在電路系統(tǒng)性能上可以改進(jìn)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使進(jìn)入電路的能量盡量小，可以把整個(gè)電路系統(tǒng)嚴(yán)密地屏蔽起來(lái)，也可以采用射頻衰減器、射頻泄放式電爆裝置、射頻屏蔽式電爆裝置、半導(dǎo)體橋起爆器、射頻鈍感蛇形電阻器式點(diǎn)火元件。另外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上盡可能地提高電火工品的發(fā)火能量。可采用射頻衰減塞子，如用鈦酸鋇、鐵素體等粉末材料壓制成。同時(shí)，電能火工品還應(yīng)該注意防雷安全。

光能火工品受外部影響最小，主要受溫度影響，其防護(hù)措施主要針對(duì)儲(chǔ)存環(huán)境溫度進(jìn)行控制。另外，與常規(guī)的點(diǎn)火系統(tǒng)相比，光能火工品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)的熱橋類(lèi)裝置所用的金屬引線(xiàn)、橋絲、放電器、陶瓷頭等。同時(shí)由于光纖是點(diǎn)火器與外部的惟一聯(lián)系，所以傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)中的感應(yīng)電磁干擾信號(hào)已不存在。激光技術(shù)的應(yīng)用，更有利于對(duì)付高電磁干擾環(huán)境的干擾。

4 結(jié)論

對(duì)各種火工品典型結(jié)構(gòu)、作用原理及安全性因素進(jìn)行的分析具有一定的系統(tǒng)性。分析出各種火工品的防護(hù)措施中：熱能火工品和機(jī)械能火工品主要針對(duì)環(huán)境中的機(jī)械力作用及摩擦熱進(jìn)行防護(hù)，盡量避免在生產(chǎn)和勤務(wù)處理過(guò)程中的物理碰撞以及摩擦；化學(xué)能火工品防護(hù)措施除機(jī)械能火工品影響因素外，還需要注意防霉菌，控制儲(chǔ)存環(huán)境的溫、濕度以及防止化學(xué)藥劑意外泄漏；光能火工品受外部影響最小，其防護(hù)措施主要針對(duì)儲(chǔ)存環(huán)境溫度進(jìn)行控制；電能火工品主要防靜電和射頻的干擾，其中接地防靜電法是火、化工企業(yè)消除靜電危害最簡(jiǎn)單、最有效的辦法。本文為火工品的使用和安全防護(hù)提供了參考。

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