基于起爆時(shí)間的傳爆序列爆炸完全性判斷方法

柳海斌

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

傳爆序列是傳爆型爆炸序列的簡(jiǎn)稱，用于傳遞、輸出爆轟能，起爆主裝藥，是引爆戰(zhàn)斗部裝藥、發(fā)揮戰(zhàn)斗部威力必不可少的部件。根據(jù)GJB 373B—2019《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》對(duì)爆炸序列的定義，傳爆序列始于起爆器止于戰(zhàn)斗部裝藥，包括在一定距離傳遞能量的不同實(shí)體組成的分布式系統(tǒng)。傳爆序列中各爆炸元件按感度遞減、猛度遞增的順序依次排列，最后一級(jí)通常為傳爆藥柱。傳爆序列要求有適當(dāng)?shù)母卸群妥饔脮r(shí)間，足夠的安全性和爆轟輸出[1-2]，可靠性要求極高。

爆炸完全性是傳爆序列首要性能，但一直缺少量化指標(biāo)，經(jīng)常以“能可靠起爆戰(zhàn)斗部裝藥”等功能要求代替性能要求。爆炸完全性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GJB 165.4—1986《引信爆炸完全性試驗(yàn)》，即爆炸聲音洪亮，傳爆管爆炸完全，無(wú)殘存藥粉。GJB 165.4A—2021《引信爆炸完全性試驗(yàn)》對(duì)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，考慮不同試驗(yàn)操作方法規(guī)定了兩種判據(jù)：第一種沿用了GJB 165.4—1986的定性判據(jù)；第二種根據(jù)引信起爆輸出要求判定，規(guī)定“可用見(jiàn)證板上形成穿孔的最小直徑表示引信起爆輸出能力”。現(xiàn)有傳爆序列爆炸完全性試驗(yàn)主要采用經(jīng)驗(yàn)和定性判據(jù)，隨著MEMS引信、不敏感彈藥引信新結(jié)構(gòu)傳爆序列[2]和傳爆序列起爆技術(shù)[3]的發(fā)展，僅憑借爆炸聲音、是否存在殘存藥粉、見(jiàn)證板穿孔直徑等不足以判斷不同種類不同藥量傳爆序列的爆炸完全性，研究能夠更加準(zhǔn)確表征爆炸完全性的其他判據(jù)十分必要。

GJB 5309—2004《火工品試驗(yàn)方法》、美軍標(biāo)MIL-STD-331D規(guī)定了鋼塊凹痕試驗(yàn)、鋁塊凹痕試驗(yàn)、鉛板試驗(yàn)、薄金屬板穿孔試驗(yàn)方法，僅適用于爆炸元件軸向輸出一致性檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]提出沖擊波壓力、持續(xù)時(shí)間、起爆面積是決定傳爆藥柱起爆能力的關(guān)鍵因素，利用鋼凹深度和傳爆藥量?jī)蓚€(gè)參數(shù)對(duì)新結(jié)構(gòu)傳爆藥柱與常規(guī)傳爆藥柱的起爆威力進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比；文獻(xiàn)[5]用某起爆器驗(yàn)證了鋼塊凹痕深度與炸藥爆轟壓力近似呈線性關(guān)系；文獻(xiàn)[4—5]適用于定性分析傳爆藥柱輸出能力。文獻(xiàn)[6]采用錳銅測(cè)壓技術(shù)測(cè)試了不同起爆壓力下兩種傳爆藥的爆轟增長(zhǎng)距離，試驗(yàn)方法復(fù)雜，適用于研究性試驗(yàn)。文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值仿真模擬了反射增強(qiáng)型起爆結(jié)構(gòu)爆轟波傳播，用Lee-Traver點(diǎn)火增長(zhǎng)模型描述傳爆藥爆轟后不敏感主裝藥的爆轟情況，用反應(yīng)度判定主裝藥是否有效起爆，適用于理論分析。本文針對(duì)現(xiàn)有爆炸完全性試驗(yàn)判據(jù)量化表征不足，無(wú)法滿足不同種類、不同藥量傳爆序列爆炸完全性判斷需要的問(wèn)題，提出利用起爆時(shí)間判斷爆炸完全性的方法。

1 傳爆序列爆轟傳遞過(guò)程

1.1 引信傳爆序列

引信傳爆序列一般由起爆器、中繼火工品和能量放大火工品串聯(lián)組合而成，按照激發(fā)感度由高到低，輸出能量由低到高的次序排列，將初始起爆能量逐級(jí)傳遞、有控放大到輸出性能穩(wěn)定的爆轟能量，從而可靠引爆戰(zhàn)斗部裝藥。起爆器的作用是轉(zhuǎn)換發(fā)火能量激發(fā)始發(fā)火炸藥元件，包括爆炸橋絲起爆器、半導(dǎo)體橋起爆器、爆炸箔起爆器、激光換能起爆器、針刺雷管、針刺火帽等。中繼火工品實(shí)現(xiàn)火工能量傳遞、延時(shí)等功能，包括火焰雷管、時(shí)間藥盤、延期藥柱、導(dǎo)爆索等。能量放大火工品作用是放大爆轟能量，輸出穩(wěn)定爆轟能，通常為導(dǎo)爆管、傳爆管。引信傳爆序列形式多樣，機(jī)械引信典型傳爆序列見(jiàn)圖1[1]，機(jī)電引信典型傳爆序列見(jiàn)圖2。

圖1 機(jī)械引信典型傳爆序列Fig.1 Typical high explosive train of mechanical fuze

圖2 機(jī)電引信典型傳爆序列Fig.2 Typical high explosive train of electromechanical fuze

1.2 爆轟傳播過(guò)程

爆轟是猛炸藥和起爆藥化學(xué)變化的基本形式，爆轟過(guò)程釋放出大量熱量，并產(chǎn)生大量的氣體產(chǎn)物[8]。炸藥爆炸以爆轟波的形式傳播，爆轟波由沖擊波陣面和緊隨其后的化學(xué)反應(yīng)區(qū)組成，被沖擊陣面壓縮加熱的介質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)區(qū)中迅速釋放能量，支持爆轟波的傳播。爆轟波的傳播速度不小于炸藥中傳播的音速。爆熱、爆速和爆壓是炸藥的重要特征參數(shù)，爆速和爆壓決定了炸藥的猛度，猛度用于表征炸藥爆炸對(duì)直接接觸介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用的能力。根據(jù)炸藥爆炸理論，對(duì)于凝聚炸藥，爆速D、爆壓P、爆炸產(chǎn)物速度V計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

(3)

式中，QV為炸藥爆熱，κ為等熵指數(shù)，ρ0為炸藥密度。

傳爆序列必須達(dá)到穩(wěn)定爆速形成穩(wěn)定爆轟，才能保證傳爆可靠。要使前級(jí)裝藥可靠引爆后級(jí)裝藥，前級(jí)裝藥爆速必須大于后級(jí)裝藥的臨界爆速，其爆速關(guān)系：若前級(jí)裝藥爆速D1大于后級(jí)裝藥爆速D2，則后級(jí)裝藥爆速迅速成長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定爆速D2；若前級(jí)裝藥爆速D1小于后級(jí)裝藥爆速D2，但大于后級(jí)裝藥臨界爆速DL,后級(jí)裝藥爆速逐漸增長(zhǎng)，直到達(dá)到穩(wěn)定爆速D2；若前級(jí)裝藥爆速D1小于后級(jí)裝藥臨界爆速DL，后級(jí)裝藥爆速不斷衰減，直至熄滅。

藥柱直徑小于臨界直徑，則不能起爆，大于臨界直徑，爆速隨直徑增加而增大；直徑達(dá)到極限直徑時(shí)，爆速最高，超過(guò)臨界直徑，爆速基本保持不變。

2 起爆時(shí)間判斷爆炸完全性方法

2.1 影響爆炸完全性的因素

根據(jù)感度遞減、猛度遞增的設(shè)計(jì)原則，引信導(dǎo)爆管裝藥密度通常低于傳爆管裝藥密度，導(dǎo)爆管感度高于傳爆管感度，以利于爆轟傳遞。導(dǎo)爆管、傳爆管裝藥爆速依次遞增，藥量成比例增大，以增加爆轟輸出能力。對(duì)于符合以上設(shè)計(jì)原則的傳爆序列，影響爆炸完全性的因素主要是雷管輸出威力、爆炸元件之間的起爆間隙、導(dǎo)傳爆藥完好性。雷管輸出威力越大，初始起爆能量越大，傳爆序列越容易起爆。起爆間隙越大，對(duì)起爆越不利，尤其雷管與導(dǎo)爆管之間起爆間隙過(guò)大，將導(dǎo)致雷管輸出沖量衰減嚴(yán)重，傳遞到導(dǎo)爆管的起爆能量降低，影響起爆可靠性。導(dǎo)傳爆藥自身缺陷，如裂紋、起皮、藥粉脫落等，可能導(dǎo)致爆轟無(wú)法增長(zhǎng)甚至熄滅，造成爆炸不完全。傳爆序列爆轟成長(zhǎng)不穩(wěn)定，達(dá)不到規(guī)定的爆速，傳爆序列無(wú)法起爆或爆炸不完全，體現(xiàn)到時(shí)間上就是傳爆時(shí)間變長(zhǎng)。

2.2 起爆時(shí)間判斷爆炸完全性原理

如前所述，廣義的引信傳爆序列包括起爆器、中繼火工品和能量放大火工品，為了與傳爆序列作用時(shí)間的概念相區(qū)別，定義起爆時(shí)間為爆轟波在裝填許用炸藥的爆炸元件中傳播所經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)于傳爆藥柱而言，起爆時(shí)間就是從爆炸沖量到達(dá)傳爆藥柱輸入界面到傳爆藥柱輸出界面爆轟結(jié)束的時(shí)間；對(duì)導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱組合而言，就是從爆炸沖量到達(dá)導(dǎo)爆藥柱輸入界面到傳爆藥柱輸出界面爆炸結(jié)束的時(shí)間。

起爆器輸出初始激發(fā)能量引發(fā)爆轟，再經(jīng)爆轟傳遞和增強(qiáng)，使傳爆序列最后一級(jí)裝藥充分爆炸，通過(guò)爆轟產(chǎn)物釋放出預(yù)期的引爆沖量，即稱爆炸序列爆炸完全。

前級(jí)爆炸元件輸出爆壓必須大于后級(jí)爆炸元件的臨界起爆壓力，輸入壓力大于裝藥的臨界起爆壓力則裝藥能夠被起爆，否則無(wú)法引爆和形成穩(wěn)定爆轟。若要傳爆序列完全起爆，則必須形成穩(wěn)定爆轟，即爆轟波的速度必須大于爆炸產(chǎn)物中的聲速，爆轟波后的稀疏波追趕不上爆轟波，反應(yīng)區(qū)釋放的能量全部用于支持爆轟波，以保證爆轟波的穩(wěn)定傳播。因此達(dá)到穩(wěn)定爆轟的傳爆序列，起爆時(shí)間也必然是穩(wěn)定的，起爆時(shí)間能夠用于表征爆炸元件的爆炸完全性。起爆時(shí)間測(cè)試原理見(jiàn)圖3。利用爆炸電離作用，采用電極探針采集爆轟信號(hào)，爆轟波未到達(dá)電極位置時(shí)電極處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)爆轟波到達(dá)電極位置時(shí)，爆轟波電離作用使電極導(dǎo)通。測(cè)試導(dǎo)爆管輸入端、傳爆管輸出端位置電極探針的導(dǎo)通時(shí)間間隔，即為起爆時(shí)間。

圖3 起爆時(shí)間測(cè)試原理Fig.3 Initiation time testing principle

2.3 爆炸完全性時(shí)間判據(jù)

對(duì)由雷管、導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱組成的傳爆序列，已知導(dǎo)爆藥柱密度ρD、長(zhǎng)度LD、臨界起爆壓力Pc1，傳爆藥柱密度密度ρC、長(zhǎng)度LC、臨界起爆壓力Pc2，導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱間隙δ，爆轟波在導(dǎo)爆藥柱中的傳播時(shí)間t1，爆轟波在傳爆藥柱中的傳播時(shí)間t2，導(dǎo)爆藥柱爆炸產(chǎn)物通過(guò)間隙δ膨脹到傳爆藥柱輸入端所用時(shí)間δt，如圖4所示。臨界起爆壓力為藥柱可靠起爆的最小壓力，假如導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱輸入界面壓力均為臨界起爆壓力，導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱中爆轟波速度以臨界起爆壓力對(duì)應(yīng)的速度傳播，則對(duì)應(yīng)的起爆時(shí)間為最長(zhǎng)起爆時(shí)間，即臨界起爆時(shí)間，根據(jù)式(2)、式(3)，臨界起爆時(shí)間為

圖4 傳爆序列結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Structural parameters of a high explosive train

(4)

式(4)中，τ延遲為炸藥起爆延遲時(shí)間，通常不大于1 μs。

若實(shí)際起爆時(shí)間T

若實(shí)際起爆時(shí)間T≥t，則傳爆序列正常不起爆，爆炸不完全。T越大，時(shí)間散布越大，越是爆炸不完全。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 起爆間隙影響爆炸完全性驗(yàn)證

圖5為電雷管、導(dǎo)爆管、傳爆管組成的傳爆序列，導(dǎo)爆管、傳爆管裝藥為RDX炸藥，導(dǎo)爆管裝藥密度ρD=1.5 g/cm3，長(zhǎng)度LD=6 mm；傳爆管裝藥密度ρC=1.6 g/cm3，長(zhǎng)度LC=9 mm；導(dǎo)爆管、傳爆管間隙δ=1.2 mm。調(diào)整電雷管與導(dǎo)爆管之間距離到4.5 mm，進(jìn)行大起爆間隙爆炸完全性驗(yàn)證。

圖5 電雷管-導(dǎo)爆管-傳爆管序列Fig.5 A electric detonator-lead-booster train

根據(jù)傳爆序列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照起爆時(shí)間容易測(cè)試且不改變傳爆序列狀態(tài)的原則，緊貼導(dǎo)爆管輸入端面、傳爆管底端面中心位置分別貼裝由直徑0.3 mm漆包圓銅線制作的導(dǎo)線電極，起爆電雷管，測(cè)試導(dǎo)爆管、傳爆管起爆時(shí)間。已知導(dǎo)爆管在1.5 g/cm3密度下的極限爆速為7 490 m/s，臨界起爆壓力為5.76 GPa。傳爆管在1.6 g/cm3密度下的極限爆速為7 900 m/s，臨界起爆壓力為6.86 GPa。根據(jù)式(4)計(jì)算導(dǎo)爆管-傳爆管臨界起爆時(shí)間，取等熵指數(shù)κ=3，τ延遲=1 μs，則臨界起爆時(shí)間為5.92 μs。起爆時(shí)間應(yīng)不超過(guò)5.92 μs，小于該時(shí)間則認(rèn)為正常起爆，否則認(rèn)為起爆不正常。

圖6 常溫、低溫爆炸完全性試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Explosion completeness test results of normal temperature and low temperature

常溫起爆4發(fā)，低溫起爆3發(fā)，起爆時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。4發(fā)常溫試驗(yàn)后殼體，傳爆管周圍金屬外殼爆炸擴(kuò)孔痕跡明顯，破壞程度一致，測(cè)試起爆時(shí)間最長(zhǎng)5.20 μs，小于5.92 μs，判斷常溫爆炸完全。低溫3發(fā)產(chǎn)品試驗(yàn)后金屬座體與傳爆管連接螺紋尚存，金屬座體破壞情況明顯不及常溫。低溫爆炸聲音比常溫爆炸聲音要小，但僅憑聲音無(wú)法判斷常溫、低溫是否爆炸完全，且低溫3發(fā)爆炸現(xiàn)場(chǎng)未檢查到殘存藥粉。

表1 常溫、低溫起爆時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.1 Initiation time test results of normal temperature and low temperature

將該傳爆序列與戰(zhàn)斗部擴(kuò)爆藥盒結(jié)合，雷管與導(dǎo)爆管傳爆間隙保持不變，進(jìn)一步驗(yàn)證傳爆管起爆擴(kuò)爆藥盒情況。擴(kuò)爆藥盒輸出端放置4 mm鋼板，進(jìn)行2發(fā)常溫、1發(fā)低溫起爆試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7。測(cè)試常溫起爆時(shí)間為4.90、4.70 μs，擴(kuò)爆藥盒炸穿鋼板。低溫起爆時(shí)間為14.60 μs，擴(kuò)爆藥盒蓋片脫離，藥面破壞，擴(kuò)爆藥未起爆。傳爆序列常溫起爆時(shí)間小于5.20 μs，散布較小，爆炸完全；低溫起爆時(shí)間明顯大于5.92 μs，且散布變大，爆炸不完全。采用起爆時(shí)間的爆炸完全性判定結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果一致。

圖7 起爆戰(zhàn)斗部擴(kuò)爆藥盒情況Fig.7 The results of initiation the warhead booster

3.2 傳爆藥柱缺陷影響爆炸完全性驗(yàn)證

圖8為電雷管、導(dǎo)爆管1、導(dǎo)爆管2、傳爆管組成的傳爆序列。導(dǎo)爆管1、導(dǎo)爆管2、傳爆管裝藥為RDX炸藥，導(dǎo)爆管1裝藥密度ρD1=1.5 g/cm3，長(zhǎng)度LD1=8 mm；導(dǎo)爆管2裝藥密度ρD1=1.6 g/cm3，長(zhǎng)度LD2=10 mm；傳爆管裝藥密度ρC=1.65 g/cm3，長(zhǎng)度LC=10 mm；導(dǎo)爆管1、導(dǎo)爆管2間隙δ1=1.8 mm，導(dǎo)爆管2、傳爆管間隙δ2=0.8 mm。采用完好傳爆管和有缺陷的傳爆管進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖8 電雷管-導(dǎo)爆管1-導(dǎo)爆管2-傳爆管序列Fig.8 A electric detonator-lead1-lead2-booster train

在導(dǎo)爆管1輸入端面、傳爆管底端面中心位置分別貼裝由直徑0.3 mm漆包圓銅線制作的導(dǎo)線電極，起爆電雷管，測(cè)試導(dǎo)爆管1、導(dǎo)爆管2、傳爆管起爆時(shí)間。已知導(dǎo)爆管在1.5 g/cm3密度下的極限爆速為7 490 m/s，臨界起爆壓力為5.76 GPa；在1.6 g/cm3密度下的極限爆速為7 900 m/s，臨界起爆壓力為6.86 GPa。傳爆管在1.65 g/cm3密度下的極限爆速為8 110 m/s，臨界起爆壓力為7.43 GPa。根據(jù)式(4)計(jì)算導(dǎo)爆管1-導(dǎo)爆管2-傳爆管臨界起爆時(shí)間，取等熵指數(shù)κ=3，τ延遲=1 μs，則臨界起爆時(shí)間為10.46 μs。起爆時(shí)間應(yīng)不超過(guò)10.46 μs，小于該時(shí)間則認(rèn)為正常起爆，否則認(rèn)為起爆不正常。

影響傳爆管性能的主要缺陷是裂紋，通常通過(guò)外觀或工業(yè)CT進(jìn)行檢查。藥柱成型產(chǎn)生的裂紋通常發(fā)生概率很小，不易得到。為驗(yàn)證裂紋對(duì)爆炸完全性影響，本文采用經(jīng)過(guò)震動(dòng)試驗(yàn)后拆解檢查挑選出的傳爆管，由于經(jīng)歷了嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，藥柱表面出現(xiàn)微小裂紋。選取7發(fā)正常傳爆管、1發(fā)缺陷傳爆管進(jìn)行爆炸完全性及起爆時(shí)間測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9，起爆時(shí)間數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)時(shí)傳爆管輸出端放置5 mm鋼板，鋼板背面懸空。1#～7#為正常傳爆管，8#為缺陷傳爆管。正常傳爆管起爆后傳爆管輸出炸穿5 mm厚鋼板，鋼板穿孔直徑大于傳爆管直徑。缺陷傳爆管起爆后未炸穿鋼板，鋼板背面僅產(chǎn)生碎片崩落，爆炸不完全。1#～7#最長(zhǎng)起爆時(shí)間為7.5 μs，8#起爆時(shí)間為13 μs，大于時(shí)間判據(jù)最小起爆時(shí)間，起爆時(shí)間明顯偏離，起爆時(shí)間爆炸完全性判斷結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果相符。

圖9 正常傳爆管、缺陷傳爆管爆炸完全性試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Explosion completeness test results of normal temperature

表2 常溫起爆時(shí)間測(cè)試結(jié)果Tab.2 Initiation time test results of normal temperature

4 結(jié)論

本文提出基于起爆時(shí)間的傳爆序列爆炸完全性判斷方法，該方法利用臨界起爆壓力對(duì)應(yīng)的爆轟波速度計(jì)算導(dǎo)爆管、傳爆管臨界起爆時(shí)間，測(cè)試起爆時(shí)間小于臨界起爆時(shí)間則判定爆炸完全，否則判定爆炸不完全。驗(yàn)證結(jié)果表明，起爆時(shí)間法判斷結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，通過(guò)起爆時(shí)間能夠定量判斷傳爆序列爆炸完全性。