基于燃燒轉爆轟原理的高壓電火花起爆裝置設計

季冉?徐全軍?廖瑜?姜楠

摘 要：針對傳統雷管中起爆藥感度高易發生事故且生產過程中的廢棄物對環境污染大的缺點，本文設計了一類新的起爆方法，依據燃燒轉爆轟的原理，借助高壓電火花起爆裝置產生的電火花點燃密閉容器中的起爆裝藥，進而利用其產生的爆轟起爆炸藥。文中用實驗驗證了這一起爆方法的可行性，同時探究了高壓點火中起爆裝藥的合適配比。

關鍵詞：雷管；起爆藥；高壓電火花；燃燒轉爆轟

傳統起爆方法中，主要選用雷管作為點火器材。但雷管中所用的起爆藥（如疊氮化鉛等），其生產和使用過程均會對環境造成嚴重污染；雷管在生產、存放、運輸過程中，易發生爆炸事故；且雷管的使用具有一次性的特點，若用于大規模工程中，價格較為昂貴。前人為解決這些問題，依據燃燒轉爆轟原理，設計了飛片式無起爆藥雷管。[1]該雷管解決了傳統雷管的起爆藥污染問題及安全性問題，但其生產價格昂貴，同時仍然只能一次性使用。在此基礎上，本文提出了一種新的起爆方法，依據交直流變換原理和電路升壓原理，設計了一種高壓電火花起爆裝置，并根據燃燒轉爆轟的原理，用電火花點燃密閉容器中的起爆裝藥，產生爆轟，進而起爆炸藥。與飛片雷管相比，該方法增加了起爆裝置的重復利用性，成本大大降低。

一、燃燒轉爆轟原理

燃燒和爆轟是兩個本質不同的過程。燃燒過程的傳播是以熱傳導、輻射和燃燒氣體擴散方式來實現的，而爆轟過程是借助沿裝藥傳播的爆轟波對未爆炸藥的沖擊壓縮過程來實現的。[2]Andrej Macek認為，由燃燒轉為穩態爆轟必須在爆轟發生之前形成沖擊波，這種沖擊波是爆轟形成的直接原因。依據這種看法，如圖1所示，轉變過程可以分為三個階段：[3]①隨著燃燒波陣面后壓力的急劇增大，發送出壓縮波，它穿過燃燒波陣面進入未燃燒的炸藥中；②壓縮波在火焰陣面前頭的未燃燒炸藥中匯合形成沖擊波；③沖擊波誘發爆轟反應。

在燃燒的固體炸藥中，形成沖擊波必須有以下兩個條件：[4]①燃燒的氣態產物必須受到足夠的壓制。正因如此，作用在固體裝藥上的壓力必然要增加。然后，在火焰傳播的方向發起一個擾動，這個擾動的波陣面按“活塞”機理即發展成增大強度的沖擊波；②在產物氣體中，壓力的上升必須是迅速的。如果壓縮波能匯合成沖擊波的話，那么壓力從低的初始值上升到起始沖擊波值所需的時間t必須是L0/C0的數量級，式中L0為裝藥的長度，音速C0=（dp/dρ）S1/2，在固體炸藥中C0通常是2～3毫米/微秒。

由沖擊波形成的條件可以看出，密閉空間是燃燒轉爆轟的必要條件。

二、裝置設計

1.高壓電火花起爆裝置

根據微觀物理學理論及電學基本原理，當兩電極間加以高電壓時，空氣中原子的外層電子運動速率迅速增大，大量電子擺脫原子核的束縛逸出軌道，與其他中性原子結合，形成大量正負離子。同時，在電場力左右下，正負離子高速向兩極運動，相互之間發生摩擦碰撞，形成高溫炙熱并伴隨有亮光發出的電離通道，這便產生了電火花。

為了便于使用和攜帶，高壓電火花起爆裝置的電源選用6VDC蓄電池。空氣擊穿電壓與電極距離、空氣濕度、空氣密度有很大關系，一般情況下，一毫米的距離大約要3kV。本文中起爆裝置輸出電極的拉弧距離小于2cm，所以控制輸出電壓在60000V以上即可保證產生穩定的電火花。

高壓電火花起爆裝置總體設計思路：先通過交直流變換電路將直流電轉為交流電，再利用變壓器將電壓升到所需數值，裝置的電路圖如圖2。

電路原理及制作：BG1、BG2構成交、直流變換器，B1升壓后經D1—D4構成的QL橋式整流向C2充電。電容C2經可控硅MCR100及B2、B3、B4的初級放電。變壓器B1用中波磁棒截取20mm和30mm長各兩段，繞上線圈后用環氧樹脂膠合成口字形磁環，L1、L2為50匝，線圈直徑為0.7mm；L3為550匝，線圈直徑為0.2mm。B2、B3、B4用市售XD型380V/6.3V指示燈變壓器，初次級倒過來使用，原6.3V次級并聯起來作初級，原380V初級串聯起來作次級。每個初級上所加電壓為400V左右，經升壓后次級可得到24000V左右電壓，三個次級串聯后最終在輸出端得到70000V左右高壓，高壓電火花起爆裝置實物圖如圖3。

2.爆轟容器

由原理分析可知，密閉空間是燃燒轉爆轟的必要條件。為了證明高壓電火花起爆的可行性，受傳統方法中用雷管起爆導爆管，再利用導爆管中產生的爆轟波起爆裝藥的方法的啟示，本文進行了驗證實驗，用電火花點燃密閉容器中的起爆裝藥，利用其產生的爆轟波起爆8701藥柱。最終期望的實驗結果是密閉容器破碎。若達到實驗期望，則說明8701藥柱已成功起爆，進而證明了高壓電火花起爆的可行性。

本試驗密閉容器材料選用45#鋼， 頂部小孔用來插入高壓電火花起爆裝置的兩個輸出電極，內部裝藥由下到上依次為8701藥柱、傳爆藥柱以及起爆裝藥，結構示意圖及實物圖如圖4所示。

三、起爆裝藥的配比

高壓電火花起爆中所需起爆裝藥的感度較高。試驗中曾嘗試用輸出電極產生的電火花直接點燃高純度黑索金，結果均失敗。

常用的塑料導爆管的內壁所涂的混合炸藥粉末，其配比為黑索金91%、鋁粉及其他成分9%。受此啟發，本文決定采用黑索金、鋁粉、3號小粒黑火藥的混合裝藥作為起爆裝藥。

參考導爆管內壁裝藥成分，實驗中探索了以下四種裝藥配比的點火效果：①黑索金∶鋁粉=8∶1；②黑索金∶鋁粉=4∶1；③黑索金：鋁粉：黑火藥=8∶1∶1；④黑索金：鋁粉：黑火藥=4∶1∶1。

具體實驗結果如表1所示。

根據起爆藥的有關基本知識，起爆藥的起爆能力主要由以下幾種因素決定：①起爆藥的爆炸變化加速度（易燃與否）越大，起爆能力越大；②起爆藥的猛度（可借助燃燒猛烈程度進行比較）越大，起爆能力亦越大；③在一定的條件下，起爆藥密度越高，起爆能力越大（這里裝藥密度差別不大，不做討論）；④起爆藥的爆速高、爆溫高（這里只是點燃裝藥，未發生爆轟，爆速均較慢，可用裝藥燃盡時間粗略判斷爆速大小關系；爆溫在此無法直接比較，不作討論），則起爆能力大；⑤起爆藥所裝填金屬殼之堅固性高（所用密閉容器相同，不作討論），則起爆能力大；⑥起爆藥結晶顆粒形狀、大小等都能影響起爆能力（這里只是裝藥配比不同，與起爆藥結晶的參數無關，不作討論）。

綜合考慮幾種配比的起爆裝藥的易燃程度、燃燒效果、燃盡時間等因素，可看出第三種配比（黑索金∶鋁粉∶黑火藥=8∶1∶1）的起爆裝藥最為合適，本文即采用此種裝藥進行實驗。

四、高壓電火花起爆實驗

傳爆藥柱參數為：密度1.6g/cm3， 高度3mm，底徑10mm。8701藥柱有三種高度，依次為3.3mm、6mm、12mm，底徑均為10mm，密度均為1.8g/cm3，如圖5所示。

為了增強起爆效果，實驗中在傳爆藥柱上鋪了一層3號小粒黑火藥。最終密閉容器中的裝藥自下而上依次為：8701藥柱、傳爆藥柱、3號小粒黑火藥、混合起爆藥。本次試驗一共做了10次實驗，其中3.3mm高度的8701藥柱3粒，6mm高度的8701藥柱3粒，12mm高度的8701藥柱4粒。

試驗具體情況如表2所示。

10次均成功爆轟。圖6為點火前裝置情況及某次12mm藥柱實驗后裝置的破碎情況。

這幾次實驗中密閉容器的破碎，證明了高壓電火花起爆的可行性。

五、結論及展望

本文提出了利用高壓電火花起爆裝置代替雷管進行起爆的猜想，通過實驗驗證了其可行性，并探索了該方法中起爆裝藥的合適配比，使得疊氮化鉛等高污染性起爆藥的使用的減少成為了可能。

在利用高壓電火花起爆的理論已經被驗證的基礎上，該起爆方法在工程中的實際應用以及完整裝置的最終的設計和生產，還需要進一步探索和研究；與此同時，若有合適的實驗條件，起爆裝藥的更精確的成分比例也可繼續探究。

參考文獻：

[1]陳月暢，沈兆武，杜建國.飛片式無起爆藥雷管的結構和工作原理[J].爆破，2013（02）.

[2][3][4]彭培根.燃燒轉爆轟過程及機理[J].火炸藥，1982，05（01）：21—28.

（作者單位：中國人民解放軍理工大學野戰工程學院）