張丁山，阮文俊，王 浩，郭錦炎，王珊珊

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆轟快速點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究及機(jī)理分析*

張丁山，阮文俊，王 浩，郭錦炎，王珊珊

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了驗(yàn)證采用爆轟可迅速引燃點(diǎn)火藥進(jìn)而引燃主裝藥的可行性及掌握此種點(diǎn)火方式下的點(diǎn)火情況，建立了火藥裝藥系統(tǒng)下直列式起爆器爆轟點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在特定裝藥條件下，對(duì)點(diǎn)火后實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力變化情況進(jìn)行了測(cè)量，得出采用爆轟點(diǎn)火方式可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間為0.3ms的目標(biāo)，以及得出此種點(diǎn)火方式下，火藥燃燒特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)，如起爆點(diǎn)處裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、爆轟波衰減過(guò)程等。分析了爆轟快速點(diǎn)火機(jī)理，為爆轟點(diǎn)火實(shí)際應(yīng)用提供參考。

爆炸力學(xué)；點(diǎn)火機(jī)理；直列式起爆器；爆轟快速點(diǎn)火；爆轟

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，兵器發(fā)射所需能量仍主要來(lái)源于火藥的燃燒。在目前科學(xué)技術(shù)日新月異的情況下，兵器也在不斷地改進(jìn)和完善，其發(fā)射與做功速度越來(lái)越快，要求火藥從點(diǎn)火到做功所需的時(shí)間越來(lái)越短，且對(duì)點(diǎn)火時(shí)間精度要求越來(lái)越高，進(jìn)而對(duì)點(diǎn)火方式提出更高要求。

目前火藥裝藥點(diǎn)火方式主要有電底火點(diǎn)火、點(diǎn)火頭點(diǎn)火、激光點(diǎn)火［1］、沖擊波點(diǎn)火［2－3］等，其中電底火點(diǎn)火和點(diǎn)火頭點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)很成熟且應(yīng)用廣泛，但點(diǎn)火時(shí)間延時(shí)為幾毫秒到十幾毫秒［4］，較難滿(mǎn)足對(duì)點(diǎn)火延時(shí)更短的要求，且延時(shí)波動(dòng)范圍較大；采用激光點(diǎn)火技術(shù)點(diǎn)火時(shí)需特定裝置，適用范圍有限；而沖擊波點(diǎn)火技術(shù)尚未完全成熟，且沖擊波多應(yīng)用于火炸藥的起爆，故各種點(diǎn)火方式均存在局限性。為了縮短點(diǎn)火時(shí)間，需在原有技術(shù)上進(jìn)行改善或?qū)で笠环N更快更有效的點(diǎn)火方式［5］。

本文中所述點(diǎn)火方式就是采用電雷管起爆直接引燃點(diǎn)火藥，進(jìn)而引燃主裝藥的快速點(diǎn)火方式，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火延時(shí)0.2～0.4ms的目標(biāo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括8號(hào)電雷管若干、直列式起爆器（導(dǎo)爆索長(zhǎng)度為680mm，爆速為4.8～5.0km／s）若干、電底火若干、黑火藥、4／1樟火藥、瞬態(tài)記錄儀、點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置、壓電式壓力傳感器、導(dǎo)線(xiàn)、同步點(diǎn)火具、2節(jié)1.5V干電池等。

其中點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置頂蓋可承壓60MPa，材料為45鋼，裝置外徑為92mm，內(nèi)徑為62mm，主裝藥體積為100 125mm3，黑火藥體積為5 541mm3，測(cè)壓孔高度（距內(nèi)腔底端）為10mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及點(diǎn)火系統(tǒng)

為驗(yàn)證采用爆轟直接引燃黑火藥進(jìn)而達(dá)到點(diǎn)火效果的可行性，同時(shí)檢測(cè)此種點(diǎn)火方式的延遲時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中使用DEWE-4010型瞬態(tài)記錄儀。

采用的同步點(diǎn)火具共有相互對(duì)應(yīng)的2組通道，每組通道有5個(gè)輸出口，其中一組可同時(shí)輸出5個(gè)電壓為30V、持續(xù)時(shí)間為0.5s的點(diǎn)火脈沖信號(hào)，在輸出點(diǎn)火脈沖信號(hào)的同時(shí)，對(duì)應(yīng)的另一組輸出口輸出電壓為5V、持續(xù)時(shí)間為0.5s的脈沖信號(hào)，作為瞬態(tài)記錄儀的觸發(fā)信號(hào)，記錄點(diǎn)火時(shí)間。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

為了驗(yàn)證和掌握爆轟點(diǎn)火的真實(shí)情況，同時(shí)為了與利用電底火點(diǎn)火時(shí)的響應(yīng)情況進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行了2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：（1）用電雷管起爆直列式起爆器引燃黑火藥的實(shí)驗(yàn)；（2）利用電底火引燃黑火藥的實(shí)驗(yàn)。

圖1 點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1Schematic drawings of ignition experiment facilities

第1項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：（1）在實(shí)驗(yàn)裝置中只安裝直列式起爆器，當(dāng)電雷管將直列式起爆器起爆后，測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的壓力變化情況；（2）在實(shí)驗(yàn)裝置中安裝直列式起爆器和裝填3g黑火藥，當(dāng)電雷管起爆直列式起爆器后，測(cè)試引燃黑火藥整個(gè)過(guò)程的延遲時(shí)間和壓力變化情況；（3）在實(shí)驗(yàn)裝置中安裝直列式起爆器、裝填3g黑火藥并在底腔內(nèi)裝填5g 4／1樟火藥，測(cè)試整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程的延遲時(shí)間和壓力的變化情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在雷管上安裝電離靶。測(cè)出用電雷管起爆直列式起爆器引燃黑火藥的延遲時(shí)間和火藥燃燒情況。實(shí)驗(yàn)裝置裝配情況如圖1（a）所示。

第2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中采用電底火引燃黑火藥這種點(diǎn)火方式，并測(cè)試點(diǎn)火延遲時(shí)間和實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力的變化情況。實(shí)驗(yàn)裝置裝配情況如圖1（b）所示。為了能夠順利泄壓，在實(shí)驗(yàn)裝置的剪切體上開(kāi)有1個(gè)直徑為5mm的孔。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2～5中圖（a）為壓力時(shí)間全過(guò)程曲線(xiàn)，圖（b）為相應(yīng)全過(guò)程曲線(xiàn)的部分壓力時(shí)間曲線(xiàn)。

圖2為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)只安裝直列式起爆器時(shí)，點(diǎn)火具輸出的點(diǎn)火脈沖、電雷管的響應(yīng)信號(hào)、以及直列式起爆器被起爆后實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的壓力曲線(xiàn)。從圖中可以得出：（1）實(shí)驗(yàn)中所用電雷管的延遲時(shí)間為0.07ms；（2）電雷管起爆后，經(jīng)過(guò)0.2ms，直列式起爆器起爆后的沖擊波傳到壓力傳感器，其中包括長(zhǎng)度為680mm的導(dǎo)爆索（爆速為4.8～5.0km／s）的爆轟時(shí)間和沖擊波從爆轟點(diǎn)傳到測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間；（3）單獨(dú)直列式起爆器起爆后，在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生的最大壓力為約9MPa，且壓力曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較大，這是由沖擊波的多次反射和不斷衰減造成的。

圖3為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)安裝直列式起爆器并裝填3g黑火藥時(shí)，點(diǎn)火后的壓力時(shí)間曲線(xiàn)。從中可以得出：（1）電雷管延遲時(shí)間以及沖擊波傳遞到測(cè)試點(diǎn)所需時(shí)間與圖2基本一致；（2）壓力曲線(xiàn)上只出現(xiàn)1個(gè)明顯的波峰突躍，沒(méi)有明顯的第2個(gè)波峰突躍，之后壓力曲線(xiàn)趨于平緩并逐步下降；（3）壓力峰值為約20MPa，這是由沖擊波造成的，第1次沖擊波過(guò)后，測(cè)試點(diǎn)處壓力為約4MPa。

通過(guò)計(jì)算可知，3g黑火藥燃燒后，在本實(shí)驗(yàn)裝置密閉的情況下，可產(chǎn)生的氣體壓力為約9MPa。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得此點(diǎn)火過(guò)程為：直列式起爆器起爆后產(chǎn)生的爆轟波作用于黑火藥，在爆轟波的直接作用下，極少黑火藥發(fā)生爆燃，但由于黑火藥可自由運(yùn)動(dòng)，難以轉(zhuǎn)為爆轟，所以在沖擊波通過(guò)黑火藥后，剩余黑火藥瞬間被引燃；而黑火藥瞬間燃燒產(chǎn)生的高壓氣體形成一與爆轟沖擊波傳播方向相同的沖擊波，進(jìn)而爆轟沖擊波與燃燒沖擊波疊加一起向前傳播，故在壓力曲線(xiàn)上出現(xiàn)一明顯的波峰突躍，壓力峰值為約20MPa；在第1次沖擊波過(guò)后，由于緊跟其后火藥氣體的緣故，壓力值為約4MPa，當(dāng)沖擊波撞壁反射回來(lái)時(shí)，火藥氣體已基本充滿(mǎn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，故沒(méi)有出現(xiàn)明顯的第2個(gè)波峰突躍；之后壓力曲線(xiàn)為黑火藥燃燒產(chǎn)生氣體通過(guò)壓緊蓋頂端直徑為4mm通孔的泄壓曲線(xiàn)。

圖2 單獨(dú)直列式起爆器起爆后實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的壓力時(shí)間曲線(xiàn)Fig.2 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled only an in-line explosive initiator

圖3 裝填3g黑火藥后實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力時(shí)間曲線(xiàn)Fig.3 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled only an in-line explosive initiator and 3g black powder

圖4為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)安裝直列式起爆器并裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥時(shí)，點(diǎn)火后的壓力時(shí)間曲線(xiàn)。從圖中可以得出：（1）電雷管延遲時(shí)間以及沖擊波傳遞到測(cè)試點(diǎn)所需時(shí)間與圖2和圖3基本一致；（2）在主裝藥燃燒之前，即0.6ms前，壓力曲線(xiàn)與圖3中相應(yīng)時(shí)間段的壓力曲線(xiàn)基本一致，即黑火藥燃燒情況基本相同；（3）壓力峰值為約32MPa。

結(jié)合圖4及對(duì)圖3的分析可以得知：直列式起爆器起爆后，爆轟沖擊波對(duì)黑火藥的做功過(guò)程兩者相同。對(duì)圖4分析可得：5g 4／1樟火藥沒(méi)有發(fā)生爆燃以及爆轟，而是在黑火藥燃?xì)庖约皼_擊波的雙重作用下發(fā)生燃燒；主裝藥燃燒之前的壓力曲線(xiàn)為爆轟沖擊波、燃燒沖擊波等相互疊加而成，0.6ms后壓力曲線(xiàn)主要為火藥燃燒產(chǎn)生氣體的壓力曲線(xiàn)。在直列式起爆器的導(dǎo)爆索爆轟后，壓緊蓋頂端將留出直徑為4mm的通孔，火藥氣體將通過(guò)此處進(jìn)行泄壓。

圖5為實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)安裝電底火并裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥時(shí)的壓力時(shí)間曲線(xiàn)。從圖中可以看出：（1）實(shí)驗(yàn)中所用電底火的延遲時(shí)間為1.1～1.3ms；（2）采用此種點(diǎn)火方式點(diǎn)火后，壓力曲線(xiàn)基本平滑，沒(méi)有大幅度波動(dòng)，火藥順利燃燒。

圖4 裝填3g黑火藥和5g 4／1樟火藥后實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力時(shí)間曲線(xiàn)Fig.4 Pressure-time curves and ignition signals by detonation in the experimental setup when assembled an in-line explosive initiator，3g black powder and 5g 4／1powder

圖5 電底火點(diǎn)火時(shí)裝3g黑火藥和5g 4／1樟火藥的壓力時(shí)間曲線(xiàn)Fig.5 Pressure-time curves and ignition signals ignited by an electric primer in the expermental setup when assembled 3g black powder and 5g 4／1powder

通過(guò)圖4與圖5的對(duì)比分析可以得知：（1）點(diǎn)火初期，爆轟點(diǎn)火方式下壓力波動(dòng)較大，且有一明顯峰值，這是由爆轟波的傳遞、反射及衰減引起的，電底火點(diǎn)火則較平滑；（2）爆轟點(diǎn)火方式下，主裝藥燃燒較電底火點(diǎn)火方式下迅速，壓力上升較快，這是由于爆轟點(diǎn)火方式下，主裝藥是在黑火藥燃?xì)夂捅Z沖擊波雙重作用下開(kāi)始燃燒；（3）爆轟點(diǎn)火方式下，主裝藥燃燒后壓力峰值較電底火點(diǎn)火方式下較高，這是由于在爆轟點(diǎn)火方式下，主裝藥燃燒迅速，壓力上升較快，以及泄壓孔較小造成的。

綜上所述，采用爆轟點(diǎn)火方式可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)點(diǎn)火的目標(biāo)，并可滿(mǎn)足對(duì)時(shí)間精度較高的要求。最小點(diǎn)火延遲時(shí)間為電雷管的延遲時(shí)間。在實(shí)際使用中應(yīng)注意初始爆轟引起的壓力波動(dòng)、沖擊波的衰減以及初始起爆點(diǎn)處器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以免導(dǎo)致主裝藥的爆轟以及由初始起爆點(diǎn)處器件的破壞而引起點(diǎn)火過(guò)程失敗。采用電底火點(diǎn)火方式的點(diǎn)火延遲時(shí)間可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)，且點(diǎn)火壓力曲線(xiàn)平滑，但目前較難縮短此種點(diǎn)火方式的點(diǎn)火延遲時(shí)間，并且點(diǎn)火延遲時(shí)間隨不同的電底火波動(dòng)范圍較大，難以滿(mǎn)足對(duì)時(shí)間精度較高的要求。

2.2 爆轟快速點(diǎn)火機(jī)理分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募床捎帽Z方式引燃點(diǎn)火藥進(jìn)而引燃主裝藥及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可判斷出爆轟實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火的原因主要包括以下2個(gè)方面。

2.2.1 火藥顆粒外部因素

（1）爆轟產(chǎn)物的高溫。一般起爆器起爆后爆轟產(chǎn)物的溫度為3kK左右，甚至更高，有利于加熱火藥，使火藥迅速達(dá)到燃燒反應(yīng)所需溫度進(jìn)而燃燒。

（2）爆轟波所在位置處的超壓及壓縮當(dāng)?shù)乜諝舛a(chǎn)生的高溫。為火藥燃燒提供較大初始?jí)毫?，同時(shí)由于爆轟波壓縮當(dāng)?shù)乜諝馐蛊錅囟瓤蛇_(dá)到5kK，甚至更高，有利于火藥顆粒與外界環(huán)境間的能量傳遞。

（3）爆轟產(chǎn)物的高速運(yùn)動(dòng)，增加了炙熱顆粒與火藥顆粒碰撞的頻率與能量，加快了兩者間的能量傳遞。

（4）爆轟快速點(diǎn)火加熱火藥的傳熱方式以對(duì)流與輻射為主，爆轟波后氣體流動(dòng)速度很大，增強(qiáng)了對(duì)流傳熱的效果，同時(shí)由于火藥藥量較少，爆轟波傳遞迅速，進(jìn)而可近似認(rèn)為爆轟波瞬間穿過(guò)火藥。

（5）一般點(diǎn)火情況下，火藥燃燒時(shí)凝聚相加熱是通過(guò)氣相區(qū)的熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，爆轟點(diǎn)火時(shí)，爆轟波和爆轟產(chǎn)物對(duì)火藥的高速?zèng)_擊，減薄甚至完全沖走了火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣相區(qū)，爆轟波后氣體直接以對(duì)流方式對(duì)火藥凝聚相進(jìn)行傳熱，縮短了火藥燃燒所需的傳熱時(shí)間。

（6）爆轟波及爆轟產(chǎn)物的作用，可能造成部分火藥顆粒的破碎，進(jìn)而加快火藥的燃燒。

2.2.2 火藥顆粒內(nèi)部因素

當(dāng)爆轟沖擊波傳遞到火藥顆粒表面時(shí)，將產(chǎn)生波的透射，即在火藥顆粒內(nèi)產(chǎn)生沖擊波。隨著沖擊波在火藥顆粒內(nèi)的傳遞，由于壓縮將引起火藥顆粒內(nèi)部溫度升高，同時(shí)沖擊波在火藥顆粒內(nèi)傳遞時(shí)將逐漸衰減，沖擊波衰減的能量被火藥顆粒吸收轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，加快了爆轟波與火藥顆粒間的能量傳遞，縮短了火藥燃燒前所需能量的積累時(shí)間，進(jìn)而縮短了點(diǎn)火時(shí)間。

3 結(jié) 論

（1）采用爆轟點(diǎn)火方式可實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火的目的，點(diǎn)火延遲時(shí)間為微秒級(jí)，且點(diǎn)火時(shí)間精度較高。本實(shí)驗(yàn)中所用點(diǎn)火方式的延遲時(shí)間為0.3ms左右，波動(dòng)范圍很小。

（2）爆轟點(diǎn)火方式下，爆轟點(diǎn)火件的延遲時(shí)間以及點(diǎn)火藥燃燒氣體傳遞到主裝藥界面所需時(shí)間在整個(gè)點(diǎn)火延時(shí)中占主要部分。

（3）黑火藥燃?xì)獾拇嬖冢燃铀倭吮Z沖擊波的衰減，有利于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)壓力較快的趨于平緩，又起到引燃主裝藥，使主裝藥迅速燃燒的作用。

（4）爆轟點(diǎn)火方式可以應(yīng)用在點(diǎn)火延遲時(shí)間為微秒級(jí)，同時(shí)對(duì)點(diǎn)火初始?jí)毫Σ▌?dòng)要求較低的場(chǎng)合。

本實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證采用爆轟實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)火的可行性，以及探討采用實(shí)驗(yàn)中所用點(diǎn)火方式時(shí)的點(diǎn)火情況，為工程應(yīng)用提供參考。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于針對(duì)性較強(qiáng)，沒(méi)有對(duì)爆轟快速點(diǎn)火方式進(jìn)行更深層次的研究，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)裝置本身結(jié)構(gòu)的原因，沒(méi)有真實(shí)反映出主裝藥量較大時(shí)的燃燒情況，此實(shí)驗(yàn)將在后續(xù)工作中進(jìn)行。關(guān)于實(shí)驗(yàn)中所用點(diǎn)火方式的理論研究可結(jié)合爆炸力學(xué)、燃燒學(xué)、爆轟氣體動(dòng)力學(xué)等建立計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算研究。

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Experimental investigation and mechanism analysis on high-speed ignition by detonation＊

ZHNAG Ding-shan，RUAN Wen-jun，WANG Hao，GUO Jin-yan，WANG Shan-shan
（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

To validate the feasibility of high-speed ignition by detonation and find out the ignition mechanism，an experimental system was developed for the investigation of detonation ignition with an in-line explosive initiator.The pressure changes in the test facilities after ignition at specific charges were measured by this system.The ignition delay time was achieved 0.3ms by the ignition method.The characteristics of powder burning and the attentions in practical applications were obtained by the way of ignition，such as the structure strength of the test facilities close to the explosion spot，the attenuation course of detonation wave and so on.The mechanism of the high-speed ignition by detonation was analyzed.The investigated results can provide help for applying the ignition by detonation to engineering.

mechanics of explosion；ignition mechanism；in-line initiator；high-speed ignition by detonation；detonation

22February 2010；Revised 24May 2010

RUAN Wen-jun，ruanwj＠188.com

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389；TJ55；V512 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0185-06＊

2010-02-22；

2010-05-24

張丁山（1984— ），男，博士研究生。

book=0,ebook=309