飛片式無(wú)起爆藥雷管飛片材料與加速膛匹配關(guān)系研究

張冬冬，黃寅生，李 瑞，王俊杰，葛夢(mèng)珠，陳世雄，張輝建，何亞麗

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飛片式無(wú)起爆藥雷管飛片材料與加速膛匹配關(guān)系研究

張冬冬1，黃寅生1，李 瑞2，王俊杰1，葛夢(mèng)珠1，陳世雄3，張輝建1，何亞麗1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇南京，210094；2. 南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210094；3.貴州九聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550000)

基于一種新型飛片激發(fā)裝置的無(wú)起爆藥雷管，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鋁、鈦、鋼和銅4種飛片材料在不同加速膛直徑和高度下對(duì)雷管爆轟性能的影響。研究結(jié)果表明：鋁、鈦、鋼和銅飛片經(jīng)不同高度加速膛加速后，具有不同的起爆能力；鋁和鈦飛片的起爆能力相近，鋼和銅飛片的起爆能力接近；加速膛過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短、第2裝藥密度過(guò)高或過(guò)低都不利于雷管爆轟，而飛片直徑的變化對(duì)飛片起爆能力影響不大。

無(wú)起爆藥雷管；飛片材料；飛片直徑；加速膛

無(wú)起爆藥雷管通過(guò)一定技術(shù)，利用猛炸藥代替雷管的起爆藥，相比傳統(tǒng)雷管具有高安全性和無(wú)污染的特點(diǎn)[1-2]。目前無(wú)起爆藥雷管主要分為燃燒轉(zhuǎn)爆轟式[3-4]和飛片式[5-6]。其中，飛片式無(wú)起爆藥雷管采用飛片激發(fā)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)起爆藥。飛片在激發(fā)裝置產(chǎn)生的高溫高壓氣體和加速膛共同作用下被剪切驅(qū)動(dòng)形成高速飛片，經(jīng)加速膛加速后沖擊壓縮管內(nèi)非均相炸藥，形成大量不同溫度和不同延滯期的熱點(diǎn)，熱點(diǎn)產(chǎn)生的能量在不同時(shí)間加強(qiáng)，形成越來(lái)越多的熱點(diǎn)，最后達(dá)到全部爆轟[7]。由飛片速度及脈沖能量理論分析可知[8]，飛片材料和加速膛孔徑不同，飛片達(dá)到最大速度的最佳加速距離不同，產(chǎn)生的脈沖能量大小也不相同。因此，飛片材料與加速膛結(jié)構(gòu)參數(shù)（加速膛高度和孔徑）的匹配關(guān)系對(duì)飛片激發(fā)裝置中飛片輸出速度及雷管的爆轟性能有著重要的影響。為此，在本課題組前期設(shè)計(jì)的一種新型飛片激發(fā)裝置無(wú)起爆藥雷管結(jié)構(gòu)[9]基礎(chǔ)之上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同飛片材料下加速膛結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雷管爆轟性能的影響。

1 飛片式無(wú)起爆藥雷管的結(jié)構(gòu)

8#飛片式無(wú)起爆藥瞬發(fā)電雷管的裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛片式無(wú)起爆藥雷管結(jié)構(gòu)示意圖

在帶有臺(tái)階的雷管殼底部依次壓入第1裝藥（PETN（太安），370 mg，裝藥密度=1.60 g/cm3）和第2裝藥（PETN，100 mg）。第2裝藥上端放入內(nèi)部帶有通孔的加速膛。加速膛底部與雷管臺(tái)階接觸定位，外徑與雷管內(nèi)徑緊密配合。加速膛上端依次放入飛片及裝有激發(fā)藥的內(nèi)帽（激發(fā)藥為造粒RDX，裝藥量135 mg）。飛片、加速膛和內(nèi)帽之間緊密接觸。內(nèi)帽上端裝入帶有封口塞的點(diǎn)火頭卡口，完成飛片式無(wú)起爆藥雷管的制備。

為了研究飛片材料與加速膛結(jié)構(gòu)參數(shù)（加速膛高度和孔徑）的匹配關(guān)系，分別選擇鋁、鈦、鋼、銅作為飛片材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用5 mm鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變第2裝藥密度對(duì)不同飛片材料在不同加速膛高度和孔徑下的雷管爆轟性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 飛片材料與加速膛高度的配比關(guān)系

飛片在激發(fā)藥燃燒壓力和加速膛內(nèi)壁的共同作用下被剪切驅(qū)動(dòng)，剪切飛片首先在加速膛中加速?？諝庾枇图铀偬艃?nèi)壁摩擦的共同作用，使得飛片飛行一定距離時(shí)速度達(dá)到最大，此后飛行速度逐漸降低。因此，存在最佳的加速膛高度。實(shí)驗(yàn)中，飛片厚度為0.2mm，加速膛孔徑為2.5mm。表1~2分別為不同飛片材料在不同加速膛高度下的鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 鋁和鈦飛片在不同加速膛高度下的鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

Tab.1 Lead plate test of aluminum and titanium flyer under different accelerator barrel heights

表2 鋼和銅飛片在不同加速膛高度下的鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

Tab.2 Lead plate test of steel and copper flyer under different accelerator barrel heights

由表1~2可看出，在加速膛直徑為2.5mm、飛片厚度為0.2 mm的條件下，加速膛長(zhǎng)度為3.0 mm和3.3 mm時(shí)，鋁飛片能夠使雷管發(fā)生爆轟的第2裝藥密度分別為0.86~1.21 g/cm3和1.31~1.42 g/cm3；鈦飛片使雷管發(fā)生爆轟的第2裝藥密度分別為0.86~1.24 g/cm3和1.29~1.40 g/cm3；在加速膛長(zhǎng)度為2.5 mm和2.8 mm時(shí)，鋼飛片能夠使雷管發(fā)生爆轟的第2裝藥密度分別為0.86~1.21 g/cm3和1.42~1.52 g/cm3；銅飛片能夠使雷管發(fā)生爆轟的第2裝藥密度分別為0.86~1.19 g/cm3和1.41~1.49 g/cm3。從飛片能夠起爆的第2裝藥密度范圍可以看出鋁和鈦飛片、銅和鋼飛片的起爆能力相近。同時(shí)，由表1和表2可以看出，飛片材料確定以后，加速膛只有在適當(dāng)高度時(shí)才能起爆雷管第2裝藥，雷管發(fā)生爆轟。加速膛過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，飛片均不能起爆第2裝藥，雷管發(fā)生半爆。這是由于飛片在激發(fā)藥燃燒產(chǎn)生的氣體壓力和加速膛內(nèi)壁的共同作用下被剪切驅(qū)動(dòng)，剪切飛片首先在加速膛中加速。加速膛高度過(guò)小時(shí)，飛片在加速膛中加速后速度較低，不足以沖擊起爆第2裝藥，雷管發(fā)生半爆；加速膛高度增至適當(dāng)高度，飛片在加速膛中加速至大于第2裝藥的臨界起爆速度時(shí)沖擊第2裝藥，雷管發(fā)生爆轟；加速膛高度進(jìn)一步增加，飛片飛行距離增加，這時(shí)激發(fā)藥燃燒產(chǎn)生氣體壓力降低，同時(shí)由于空氣阻力和加速膛內(nèi)壁摩擦的共同作用，使得飛片速度不斷降低，最后飛片運(yùn)動(dòng)到第2裝藥表面時(shí)，由于速度過(guò)低而不能起爆第2裝藥，雷管發(fā)生半爆。不同材料飛片經(jīng)相同高度加速膛加速后起爆能力不同。這是由于不同材料飛片所需的剪切力和飛片質(zhì)量不同，使得不同材料飛片經(jīng)相同高度加速膛加速后獲得的沖擊炸藥的能量不同，因而具有不同的起爆能力。

從表1~2可以看出，不同材料飛片在高度適當(dāng)?shù)募铀偬胖屑铀俸?，?裝藥密度在一定范圍內(nèi)雷管發(fā)生爆轟，第2裝藥密度過(guò)高、過(guò)低均不利于裝藥爆轟，雷管發(fā)生半爆。這是由于飛片經(jīng)加速膛加速后對(duì)第2裝藥沖擊壓縮，在第2裝藥中形成熱點(diǎn)，如果這些熱點(diǎn)溫度足夠，則經(jīng)過(guò)各自所需的延滯期后發(fā)生局部爆炸反應(yīng)，其中溫度高且延滯期極短的熱點(diǎn)放熱較快，能跟上沖擊波并加強(qiáng)沖擊波；即使延滯期較長(zhǎng)的熱點(diǎn)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后放出的熱量也能補(bǔ)充給初始沖擊波，使衰減緩慢。這等于有許多溫度與不同延滯期的局部熱點(diǎn)爆炸，在不同的時(shí)間加強(qiáng)初始沖擊波，從而形成更多的熱點(diǎn)，最后達(dá)到全部爆轟[7]。

根據(jù)彈塑性空穴閉合模型推導(dǎo)出多孔藥柱熱點(diǎn)溫度增量為[10]：

式（1）中：c為炸藥比熱容；0為初始裝藥密度；為藥柱壓力；0為彈性極限壓力；0為藥柱初始孔隙度；為藥柱孔隙度。

假定第2裝藥的比熱容c為常數(shù)，由式(1)可看出，第2裝藥密度過(guò)高時(shí)，相應(yīng)初始孔隙率過(guò)小，在相同的飛片能量沖擊壓縮作用下，相應(yīng)的第2裝藥熱點(diǎn)溫升越小，不利于第2裝藥發(fā)生爆轟。當(dāng)?shù)?裝藥密度過(guò)低時(shí)，單位體積內(nèi)藥粒個(gè)數(shù)過(guò)少，使得形成的熱點(diǎn)數(shù)量較少，單位體積炸藥釋放的能量減小，不利于沖擊波形成，進(jìn)而不利于第2裝藥爆轟，雷管發(fā)生半爆。

2.2 飛片材料與加速膛孔徑的配比關(guān)系

由飛片速度理論分析可知，飛片直徑增大使得飛片質(zhì)量和剪切飛片消耗的能量增加，飛片的極限速度降低，撞擊炸藥產(chǎn)生的脈沖能量降低[11]。為此對(duì)不同材料飛片在不同加速孔徑下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，飛片厚度統(tǒng)一為0.2mm，鋁、鈦飛片雷管加速膛高度為3.3mm，鋼、銅飛片雷管加速膛高度為2.8mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3~4所示。

表3 鋁和鈦飛片在不同加速膛孔徑下的鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

Tab.3 Lead plate test of aluminum and titanium flyer under different accelerator barrel diameters

由表3可看出，直徑為2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm的鋁飛片經(jīng)3.3 mm高度的加速膛加速后沖擊起爆第2裝藥密度分別為1.31~1.41g/cm3、1.31~1.42 g/cm3和1.31~1.40 g/cm3，而鈦飛片經(jīng)過(guò)3.3 mm高度的加速膛加速后沖擊起爆第2裝藥密度分別為1.31~1.40 g/cm3、1.29~1.40 g/cm3和1.31~1.42 g/cm3。

表4 鋼和銅飛片在不同加速膛孔徑下的鉛板穿孔實(shí)驗(yàn)

Tab.4 Lead plate test of steel and copper flyer under different accelerator bore diameters

從表4可以看出，直徑為2.0mm、2.5mm和3.0mm的鋼飛片經(jīng)過(guò)2.8mm高度的加速膛加速后起爆第2裝藥密度分別為1.41~1.53g/cm3、1.42~1.52 g/cm3和1.42~1.51 g/cm3，而銅飛片經(jīng)過(guò)2.8mm高度的加速膛加速后起爆第2裝藥密度分別為1.40~1.48g/cm3、1.41~1.49g/cm3和1.41~1.51g/cm3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鋁、鈦、鋼和銅飛片直徑的變化對(duì)沖擊起爆第2裝藥密度影響不大，即加速膛孔徑的變化對(duì)飛片起爆能力沒(méi)有太大影響。這是由于飛片直徑增加雖然導(dǎo)致飛片質(zhì)量增大，但同時(shí)激發(fā)藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體剪切飛片的作用面增大，即飛片直徑的增加提高了激發(fā)藥的能量利用率，因此飛片直徑變化對(duì)飛片的起爆能力沒(méi)有太大影響。從飛片能夠起爆第2裝藥密度的范圍可以看出鋁和鈦飛片、銅和鋼飛片的起爆能力相近。

3 結(jié)論

（1）飛片材料對(duì)飛片式無(wú)起爆藥雷管底部裝藥的起爆有著重要的影響。鋁、鈦、鋼和銅飛片經(jīng)過(guò)不同高度加速膛加速后，具有不同的起爆能力。鋁和鈦飛片的起爆能力相近，鋼和銅飛片的起爆能力接近。

（2）飛片式無(wú)起爆藥雷管加速膛高度對(duì)飛片起爆雷管底部裝藥有著重要的影響。加速膛高度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不利雷管爆轟。同時(shí)，雷管底部的第2裝藥對(duì)雷管爆轟性能也有一定影響，第2裝藥密度過(guò)高或過(guò)低都不利于雷管爆轟。

（3）對(duì)于不同飛片材料，飛片直徑變化對(duì)其起爆能力沒(méi)有太大影響。

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Study on the Matching Relationship between Flyer Material and Accelerating Barrel of Flying Plate Detonator

ZHANG Dong-dong1, HUANG Yin-sheng1, LI Rui2, WANG Jun-jie1, GE Meng-zhu1, CHEN Shi-xiong3, ZHANG Hui-jian1, HE Ya-li1

(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094; 2.Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094; 3.Guizhou Jiulian Industrial Explosive Materials Development Co.,Ltd.,Guiyang, 550000)

The influences of four kinds of flyer materials (i.e., aluminum, titanium, steel and copper) with different accelerating barrel diameters and heights on the detonation performance of detonator was studied, based on a new kind of flying plate detonator. The results show that different flyers have different initiating capability after accelerating in the accelerating barrel with different heights, the initiating capability of aluminum and titanium flyers is similar, that of the steel and copper is comparable. The length of the accelerating barrel and the density of the second charge in a certain range is to the advantage of detonation, while the diameters of different material flyers have no significant effect on the initiating capability of flyer.

Non-primary detonator；Flyer material；Flyer diameter；Accelerating barrel

1003-1480（2017）03-0010-04

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.003

2017-03-27

張冬冬（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事含能材料制備及性能研究。