導(dǎo)爆管起爆電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)研究?

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 宜昌 443004）

1 引言

某型便攜式智能化野外遠(yuǎn)程起爆控制設(shè)備按照要求需要對(duì)多路8號(hào)工業(yè)電雷管和導(dǎo)爆管兩種起爆器材進(jìn)行精確延時(shí)起爆，為了配合該型起爆設(shè)備的總體研制工作，特將導(dǎo)爆管的起爆特性、控制方法及起爆控制電路作為關(guān)鍵技術(shù)之一預(yù)先開展研究，設(shè)計(jì)了電路原理圖、加工了電路板樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際工作環(huán)境下的起爆性能驗(yàn)證。由于對(duì)導(dǎo)爆管的特性和起爆原理的公開研究文獻(xiàn)相對(duì)零散，不利于火工品使用及起爆控制設(shè)備的研制等人員全面認(rèn)識(shí)該型起爆器材。為滿足工程實(shí)際需求，本文從導(dǎo)爆管的特性分析［1～3］、起爆控制電路設(shè)計(jì)、實(shí)物樣機(jī)性能驗(yàn)證等方面進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

2 導(dǎo)爆管特性分析

導(dǎo)爆管［4～5］為內(nèi)徑約1.5mm、外徑約3mm，內(nèi)壁均勻涂有混合高能炸藥薄層（黑索粉或奧克拖金、鋁粉及其他添加物）的撓性塑料中空細(xì)管，每米約涂有14mg～16mg炸藥薄層，當(dāng)導(dǎo)爆管被激發(fā)瞬間，管內(nèi)產(chǎn)生爆炸沖擊波，內(nèi)壁薄層［6］炸藥便以1650m/s±50m/s（或 1750m/s±50m/s、1850m/s±50m/s、1950m/s±50m/s）的速度沿管線徑向向后傳播引爆雷管。導(dǎo)爆管本身沒有炸藥的特性［7］，不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)、沖擊、摩擦、火焰作用而發(fā)生爆炸，具備良好的抗電性、抗爆性、抗沖擊性和抗水性，性能穩(wěn)定良好。傳爆過程中，只能看到管內(nèi)閃光，管體并不會(huì)破裂，具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)［8～9］由激發(fā)元件（含控制單元、儲(chǔ)能單元及專用起爆針）、傳爆元件（導(dǎo)爆管）、起爆元件（雷管）和聯(lián)結(jié)元件組成，激發(fā)元件應(yīng)向?qū)Ｓ闷鸨槪▋筛岚~絲按照特殊工藝保持絕緣互相纏繞形成的兩根放電尖端）提供的瞬間脈沖點(diǎn)火電壓≥1600V、瞬間放電總能量 ≥25mJ，通過瞬間輸出脈沖高壓使得起爆針末端放電產(chǎn)生爆轟波［10］，進(jìn)而引爆導(dǎo)爆管及雷管網(wǎng)絡(luò)。

3 起爆電路設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)爆管的性能和技術(shù)參數(shù)可知，起爆導(dǎo)爆管基本的激發(fā)條件為控制電路向?qū)Ｓ闷鸨樚峁?600V的脈沖點(diǎn)火電壓及 ≥25mJ的瞬間放電能量，起爆電路［11～13］的框圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)爆管起爆電路框圖

電路框圖表明，導(dǎo)爆管起爆電路由升壓電源模塊、常閉繼電器、儲(chǔ)能電容、高壓檢測(cè)模塊組成，被控制對(duì)象為專用起爆針及導(dǎo)爆管。各組成部分的作用為:升壓電源模塊負(fù)責(zé)將外部接口輸入電路板的12V直流電壓升高到1600V以上，給儲(chǔ)能電容提供充電電壓；常閉繼電器默認(rèn)是接通充電回路，收到控制信號(hào)后切換接通放電回路；儲(chǔ)能電容負(fù)責(zé)充電蓄能，用于給專用起爆針提供脈沖高壓起爆能量以產(chǎn)生爆轟波；高壓檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采樣檢測(cè)升壓電源模塊是否有高壓輸出，若檢測(cè)到高壓輸出、則向控制單元輸出高電平信號(hào)。工作原理為當(dāng)控制單元收到“高壓充電”命令后，12V電源進(jìn)入導(dǎo)爆管起爆電路板并經(jīng)升壓電源模塊并產(chǎn)生高壓給儲(chǔ)能電容充電蓄能，同時(shí)控制高壓指示燈常亮發(fā)出光告警。當(dāng)控制單元收到“起爆”命令時(shí)，控制常閉繼電器吸合接通放電回路，儲(chǔ)能電容瞬間放電產(chǎn)生高壓脈沖，并在起爆針末端形成爆轟波引爆導(dǎo)爆管，起爆完成后將不再向?qū)П芷鸨娐钒遢斎?2V電源。

為保證起爆的可靠性，電路設(shè)計(jì)中將點(diǎn)火電壓脈沖幅值設(shè)定為2000V，升壓電源模塊型號(hào)為DW-P202-5CW74（12V轉(zhuǎn)2000V）。繼電器需耐高壓大電流，選擇能承受40A大電流的Q91F-1Z。根據(jù)起爆能量計(jì)算出儲(chǔ)能電容為1uF/2000V，精度為1%。高壓檢測(cè)模塊的核心為L(zhǎng)M193比較器?；贑adence軟件設(shè)計(jì)的起爆電路原理圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)爆管起爆控制電路原理圖

圖中12V+、12V-為電路的12V輸入直流電壓信號(hào)，升壓電源模塊M1通過滿量程100K的電位器Rp1調(diào)節(jié)輸出電壓值Vo為2000V。通過四個(gè)串聯(lián)電阻R04、R05、R06、R07對(duì)2000V分壓并取R04兩端電壓作為參考電壓與12V+信號(hào)比較，若參考電壓高于12V+，則該比較器向控制單元輸出接近5V的高電平信號(hào)TEST_H，否則輸出低電平。由于繼電器為常閉，默認(rèn)情況下接通充電回路，即只要M1輸出2000V電壓，儲(chǔ)能電容C1立即開始充電，當(dāng)控制單元下發(fā)起爆控制信號(hào)時(shí)，BOM1端子輸出低電平信號(hào)，光電耦合器IC2導(dǎo)通，繼電器吸合接通放電回路，儲(chǔ)能電容C1將儲(chǔ)存的能量瞬間釋放，通過插座XS1在起爆針末端形成爆轟波引爆導(dǎo)爆管。

4 實(shí)物樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證

將四路導(dǎo)爆管的起爆電路集成到1塊PCB［14］上，經(jīng)過PCB制板、元器件焊裝、三防處理等步驟后加工形成的導(dǎo)爆管起爆電路樣機(jī)如圖3所示。將樣機(jī)進(jìn)行板級(jí)調(diào)試后，部分輸出通道用導(dǎo)線連接專用起爆針、導(dǎo)爆管，未連接導(dǎo)爆管的通道連接耐高壓的示波器用于監(jiān)測(cè)輸出端口的高壓脈沖波形，準(zhǔn)備工作完成后開始通電實(shí)施起爆測(cè)試，并詳細(xì)記錄了起爆結(jié)果。

圖3 導(dǎo)爆管起爆控制電路板

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

整理起爆后的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1中可以看出導(dǎo)爆管起爆電路產(chǎn)生的起爆脈沖能量充足，由于電容放電時(shí)兩端電壓逐漸下降，故示波器監(jiān)測(cè)到脈沖幅值在1.5s內(nèi)由2000V降低到1600V起爆界限值，能在起爆針末端形成爆轟波，并進(jìn)一步引爆導(dǎo)爆管。由于導(dǎo)爆管傳爆速度極快，有限較短長(zhǎng)度的導(dǎo)爆管基本看不到閃光移動(dòng)，管外部均不會(huì)發(fā)生破裂，起爆現(xiàn)象符合實(shí)際情況。

由于導(dǎo)爆管基于高壓脈沖起爆，在起爆瞬間通過示波器可觀測(cè)到在起爆針周圍輻射產(chǎn)生了多次振蕩且幅值較大的干擾電場(chǎng)信號(hào)，當(dāng)控制單元離起爆針距離較近時(shí)，偶爾會(huì)造成控制單元內(nèi)的單片機(jī)受輻射和串?dāng)_信號(hào)影響復(fù)位重啟，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)重啟率約為3%左右。經(jīng)過2000次反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制單元距離起爆針距離 ≥1m時(shí)，可使輻射和串?dāng)_信號(hào)極大衰減，不會(huì)造成單片機(jī)復(fù)位重啟。在整機(jī)設(shè)備工程研制階段，應(yīng)考慮在起爆針和設(shè)備對(duì)外起爆接口之間增加點(diǎn)火電纜，且電纜長(zhǎng)度 ≥1m，可有效避免上述控制單元受干擾重啟問題。

表1 導(dǎo)爆管起爆電路測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語

根據(jù)對(duì)導(dǎo)爆管特性的認(rèn)識(shí)，本文進(jìn)行了電路原理圖設(shè)計(jì)并進(jìn)行了PCB制板，通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行起爆性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明導(dǎo)爆管起爆電路設(shè)計(jì)合理，滿足導(dǎo)爆管起爆要求，對(duì)導(dǎo)爆管起爆控制設(shè)備的總體研制、多套起爆設(shè)備協(xié)同工作和該類火工品的使用具有重要的參考和借鑒意義。