王 飛，馬宏昊，沈兆武，崔 宇

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

一種爆炸二極管機(jī)理研究及熄爆通道尺寸對其性能的影響*

王 飛，馬宏昊，沈兆武，崔 宇

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

依據(jù)爆炸邏輯元件的工作原理設(shè)計了一種爆炸二極管。實驗研究了元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，確定了關(guān)鍵參數(shù)為熄爆通道的長度、隔爆序列。隔爆序列內(nèi)采用激發(fā)裝置、一次PETN裝藥、兩次PETN裝藥不同密度分層裝藥序列。在A、B端連接導(dǎo)爆索，改變熄爆通道尺寸,確定分層裝藥參數(shù)，進(jìn)行傳爆可靠性、隔爆安全性實驗。結(jié)果表明：爆轟信號由A端正向輸入時，可以順利通過10～35 mm的熄爆通道并且可靠引爆B端導(dǎo)爆索，滿足可靠性功能；爆轟信號由B端反向輸入，在熄爆通道長度為15～35 mm時，爆轟信號在通過隔爆序列、熄爆通道時被可靠阻斷無法引爆A端導(dǎo)爆索，滿足隔爆安全性功能。最終元件選取長度為15～35 mm的熄爆通道,確定不同密度分層裝藥參數(shù)作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用于爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，使爆轟波信號在網(wǎng)絡(luò)中單向傳播，增加了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

爆破安全網(wǎng)絡(luò);爆炸二極管;隔爆序列;熄爆通道

爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)是美國在20世紀(jì)60年代率先研制的一種由爆炸邏輯元件和火工品等構(gòu)成的傳爆網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有布爾邏輯判斷能力和類似電子電路的信號處理功能，其輸入端接雷管，輸出端接傳爆元件，中間接爆炸邏輯元件[1-3]，可對不同輸入端爆轟信號做出邏輯判斷，選擇是否輸出或以何種方式輸出。傳統(tǒng)的工程爆破網(wǎng)絡(luò)有導(dǎo)爆管連接網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)爆索連接網(wǎng)絡(luò)、電雷管連接網(wǎng)絡(luò)、混合連接網(wǎng)絡(luò)等。在工程應(yīng)用中，爆轟波在導(dǎo)爆索連接的網(wǎng)絡(luò)中的傳播方向具有不可控性。也就是說，爆轟信號可以從主網(wǎng)絡(luò)輸入傳至各子網(wǎng)絡(luò)達(dá)到常規(guī)起爆效果。反之在使用導(dǎo)爆索連接的爆破網(wǎng)絡(luò)中，如果網(wǎng)絡(luò)中某處子網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)爆轟信號誤輸入，即可能通過子網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)爆索反向引爆整個主網(wǎng)絡(luò)。近年來在高溫火區(qū)煤礦爆破開采過程中已經(jīng)發(fā)生過重大安全事故，原因皆是在高溫火區(qū)爆破作業(yè)中子網(wǎng)路炮孔發(fā)生早爆、誤爆引發(fā)整個起爆網(wǎng)路誤爆，這些事故嚴(yán)重威脅了人員的生命安全、影響了礦產(chǎn)資源的開采效率[4]。在火區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，由于炮孔內(nèi)部有著不同程度的高溫環(huán)境，即使通過降溫或者耐高溫隔熱保護(hù)措施，電雷管、導(dǎo)爆管也不適合在此復(fù)雜條件下使用，相比之下導(dǎo)爆索傳爆可靠、耐溫性能好[5]是火區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須采用的火工品。關(guān)于高溫火區(qū)爆破領(lǐng)域，對于提高整個爆破網(wǎng)路的安全性研究較少。在子網(wǎng)路由于某處意外原因，如高溫、放電、刺穿等，發(fā)生單個炮孔的早爆、誤爆引發(fā)整個爆破網(wǎng)路的誤起爆時，孔內(nèi)導(dǎo)爆索與炸藥耐高溫性能相比更容易成為誤起爆的主因[6-7]。如果有一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)爆轟信號在導(dǎo)爆索網(wǎng)絡(luò)中傳播方向的可控制性，使爆破網(wǎng)絡(luò)中的爆轟信號僅能夠從希望的方向傳爆，實現(xiàn)爆轟信號傳播的單向性，即不可逆性。當(dāng)炮孔中子網(wǎng)絡(luò)發(fā)生誤起爆時阻止爆轟信號傳播至主網(wǎng)絡(luò)，從而避免主網(wǎng)絡(luò)被誤起爆，保護(hù)了主網(wǎng)絡(luò)的安全，解決工程爆破中一類重要的安全問題。本文中設(shè)計出這樣一種具有邏輯功能的爆炸二極管元件，通過控制爆轟信號在網(wǎng)絡(luò)中的傳播方向?qū)崿F(xiàn)上述功能，為爆破網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計增加安全性[8]。

1 元件結(jié)構(gòu)介紹

設(shè)計的爆炸二極管[9]如圖1所示，元件結(jié)構(gòu)包括兩端敞口外殼、中空橡膠結(jié)構(gòu)、熄爆通道、隔爆序列、兩端密封件、爆轟信號輸入端(即A端)、爆轟信號輸出(即B端)，A、B端可以根據(jù)使用插入導(dǎo)爆索、金屬導(dǎo)爆索火工品。元件外殼、隔爆序列外殼、激發(fā)內(nèi)帽全部由金屬材料鋼或鐵制成。元件外殼內(nèi)表面與密封件、中空橡膠結(jié)構(gòu)、熄爆通道、隔爆序列過盈配合。隔爆序列是一端開口、一端封閉的敞口筒形殼體，通過卡口固定位置，其內(nèi)部由激發(fā)裝置和不同密度分層鈍感裝藥構(gòu)成，為了避免激發(fā)藥在激發(fā)內(nèi)帽中流動，在激發(fā)藥上方壓蓋蠟紙密封。

圖1 爆炸二極管元件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structural diagram of the designed explosive diode

圖1中隔爆序列結(jié)構(gòu)內(nèi)部由分層裝藥[10]構(gòu)成：底層一次裝藥為高密度造粒鈍化后的PETN，密度為1.2～1.3 g/cm3；中層二次裝藥為松散密度下造粒鈍化后的PETN，密度為0.9～1.0 g/cm3；上層激發(fā)裝置由激發(fā)藥與激發(fā)內(nèi)帽組成，激發(fā)藥組分為PETN/石墨/鋁粉/氧化劑，密度為0.8 g/cm3。元件中隔爆序列結(jié)構(gòu)借鑒杜建國等[11]無起爆藥激光點(diǎn)火雷管中的激發(fā)裝藥結(jié)構(gòu)。在正向傳爆時，杜建國等[11]采用激光點(diǎn)火激發(fā)藥引爆下層裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳爆，其不具有反向阻爆的功能。本元件改進(jìn)了下層裝藥密度與結(jié)構(gòu)，在激發(fā)裝置前端添加熄爆通道，正向傳爆時，爆轟信號通過熄爆通道點(diǎn)燃激發(fā)裝置及下層裝藥后進(jìn)行穩(wěn)定傳爆；反向傳爆過程中，爆轟信號反向通過隔爆序列時能量衰減直至熄滅于熄爆通道中，從而達(dá)到反向阻爆的效果。

2 實 驗

2.1 傳爆可靠性實驗

以傳爆實驗法[12]為主，爆炸二極管正向接入網(wǎng)絡(luò)，規(guī)定元件爆轟信號由A端輸入、B端輸出為正向接入網(wǎng)絡(luò)，反之為反向。在A、B端插入線密度為14.0 g/m的工業(yè)導(dǎo)爆索，熄爆通道長度為10 mm，B端導(dǎo)爆索固定在厚度為0.5 mm的鐵板上作為實驗端。將整個爆炸網(wǎng)路部分放置于空中爆炸罐中，以一發(fā)8#工業(yè)雷管起爆A端導(dǎo)爆索，檢驗爆轟信號能否由A端正向可靠傳爆至B端。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，傳爆實驗如圖3所示。

圖2 傳爆實驗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of explosion testing system

在傳爆實驗中傳爆效果是本文中關(guān)注的邏輯功能，爆轟波能否在網(wǎng)路中順利傳播是關(guān)鍵所在。其關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)為圖3中B端不同線密度的導(dǎo)爆索與元件內(nèi)熄爆通道長度，在圖3實驗的基礎(chǔ)上，在A端插入工業(yè)用導(dǎo)爆索，B端插入不同線密度的導(dǎo)爆索[13]并且調(diào)整熄爆通道長度進(jìn)行多組實驗來檢驗其傳爆效果。實驗中A端導(dǎo)爆索的直徑和線密度分別為5.5 mm和14.0 g/m。B端導(dǎo)爆索的直徑和線密度分別為2.5 mm，2.4 g/m；3.0 mm，4.0 g/m；3.5 mm，6.7 g/m；4.0 mm，9.7 g/m；5.0 mm，12.0 g/m；5.5 mm，14.0 g/m。熄爆通道長度為10、15、25、35 mm。共進(jìn)行24組實驗。實驗得知：A端輸入穩(wěn)定爆轟信號經(jīng)過熄爆通道的衰減后，可以點(diǎn)燃激發(fā)藥裝置及下層裝藥進(jìn)行穩(wěn)定傳爆，從而可靠引爆B端線密度為2.4～14.0 g/m的導(dǎo)爆索，該結(jié)構(gòu)正向傳爆穩(wěn)定可靠，滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的傳爆要求。

圖3 傳爆實驗及結(jié)果Fig.3 Explosion test method and results

2.2 隔爆安全性實驗

實驗方法同上，元件反向接入實驗網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。熄爆通道長度為10 mm時，在B端插入線密度為9.7 g/m的導(dǎo)爆索,在A端插入線密度為14 .0 g/m的導(dǎo)爆索，如圖5(a)所示；熄爆通道長度為15 mm時，在B端插入線密度為14.0 g/m的導(dǎo)爆索,在A端插入線密度為14.0 g/m的導(dǎo)爆索，如圖5(b)所示，A端導(dǎo)爆索固定在厚度為0.5 mm的鐵板上作為驗證端。將整個網(wǎng)路放置于空中爆炸罐中，以一發(fā)8#工業(yè)雷管起爆B端導(dǎo)爆索，檢驗該元件能否阻止爆轟信號由B端至A端的傳播，實現(xiàn)隔爆安全效果。

圖4 隔爆安全性實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Illustration of explosion-proof safety testing system

在隔爆安全性實驗中隔爆效果是本文中關(guān)注的邏輯功能，其關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)為圖4中B端不同線密度的導(dǎo)爆索以及元件內(nèi)熄爆通道長度。在圖4實驗的基礎(chǔ)上，A端插入工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)爆索，B端插入不同線密度的導(dǎo)爆索并且調(diào)整熄爆通道長度進(jìn)行多組實驗來檢驗其隔爆效果。實驗中A端導(dǎo)爆索的直徑和線密度分別為5.5 mm和14.0 g/m。B端導(dǎo)爆索的直徑和線密度分別為2.5 mm，2.4 g/m；3.0 mm，4.0 g/m；3.5 mm，6.7 g/m；4.0 mm，9.7 g/m；5.0 mm，12.0 g/m；5.5 mm，14.0 g/m。熄爆通道長度為10、15、25、35 mm。共進(jìn)行24組實驗。實驗得知：熄爆通道長度為10 mm時，B端輸入導(dǎo)爆索線密度在9.7 g/m及以上爆轟信號時可以擊穿隔爆序列、熄爆通道引爆A端導(dǎo)爆索；熄爆通道長度為15～35 mm時，B端輸入爆轟信號在通過隔爆序列、熄爆通道時被可靠阻斷無法引爆A端導(dǎo)爆索，實現(xiàn)隔爆安全功能，滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的安全可靠性。

圖5 隔爆安全性實驗Fig.5 Explosion-proof safety experiment

3 結(jié)果分析及機(jī)理解釋

3.1 結(jié)果分析

在傳爆可靠性實驗中，引爆A端線密度為14.0 g/m的導(dǎo)爆索時，爆轟信號可以順利通過長度為10～35 mm的熄爆通道由A端傳播至B端，引爆B端線密度為2.4～14.0 g/m的6種導(dǎo)爆索，滿足可靠性功能。由傳爆可靠性實驗結(jié)果可知，在爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中元件A端插入導(dǎo)爆索能量越大時，其傳爆效果越佳，因此在A端插入線密度為14.0 g/m的導(dǎo)爆索可以順利引爆B端導(dǎo)爆索及火工品，滿足工程應(yīng)用需要。

在隔爆安全性實驗中，在熄爆通道長度為10 mm，B端導(dǎo)爆索線密度為2.4～6.7 g/m時，由于爆轟信號能量較小，無法順利通過隔爆序列、熄爆通道，從而熄滅；B端導(dǎo)爆索線密度在9.7 g/m及以上時，由于殉爆能量過大,引爆A端導(dǎo)爆索。在熄爆通道長度為15～35 mm時，分別引爆B端線密度為2.4～14.0 g/m的6種導(dǎo)爆索，在以上多組實驗中，爆轟信號由B端傳播至A端的過程中被順利阻斷，并且無法通過殉爆引爆A端導(dǎo)爆索，從而滿足元件隔爆安全性功能。由隔爆安全性實驗知，在爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，在熄爆通道長度為15～35 mm時，爆炸二極管滿足隔爆要求，順利阻斷來自B端誤起爆產(chǎn)生的爆轟信號，從而保護(hù)A端的網(wǎng)絡(luò)不被誤起爆。最終選取15～35 mm作為熄爆通道的最佳設(shè)計長度，采用確定的分層裝藥隔爆序列設(shè)計出實現(xiàn)邏輯功能的爆炸二極管。

3.2 機(jī)理解釋

元件可靠性傳爆機(jī)理為：A端輸入穩(wěn)定爆轟信號，爆轟波傳播至小尺寸熄爆通道衰減至沖擊波，沖擊波和爆轟氣體產(chǎn)物在熄爆通道中傳播，通過熄爆通道后引燃隔爆序列上層激發(fā)裝置，利用激發(fā)藥爆炸后產(chǎn)生的高溫高壓氣體和能量快速剪切激發(fā)裝置底部密封端形成高速運(yùn)動撞擊片，產(chǎn)生大量熱點(diǎn)和強(qiáng)沖擊效應(yīng)[14-15]，極短時間內(nèi)撞擊激發(fā)裝置下層低密度鈍化裝藥引起爆轟，繼續(xù)引爆底層高密度鈍化裝藥進(jìn)行爆轟傳遞，傳爆過程中隔爆序列內(nèi)藥體的激發(fā)感度由高到低逐級降低，爆轟能量由低到高逐級增大，從而撞擊隔爆序列封閉端一側(cè)的火工品，使之順利正向傳爆。隔爆安全性機(jī)理為：B端誤輸入爆轟信號時，爆轟信號由B端傳播至隔爆序列封閉端底部，在約束條件下減弱了爆轟波傳播能量，又因底層高密度鈍化裝藥熱點(diǎn)少、起爆感度低，沖擊波最終經(jīng)過隔爆序列在熄爆通道中衰減至熄爆，無法通過傳爆或者殉爆引爆A端的火工品，實現(xiàn)反向阻爆要求。

熄爆通道尺寸分析：熄爆通道長度過小，B端有誤輸入爆轟信號時會在殉爆作用下試圖傳爆A端的起爆器材，當(dāng)殉爆能量過大時該元件會擊穿引爆A端的爆破器材，失去了原有設(shè)計的隔爆安全控制功能；熄爆通道長度過大，從A端輸入的爆轟信號經(jīng)過熄爆通道時，沖擊波衰減過度導(dǎo)致無法引燃下端激發(fā)裝置完成爆轟信號由A至B的順利傳爆。經(jīng)過多組實驗驗證分析，15～35 mm可作為元件最佳熄爆通道長度，長度過大傳爆可靠性降低，長度過小隔爆安全性降低。

4 結(jié) 論

(1)實驗室設(shè)計并制備了一種爆炸二極管元件，該元件正向接入網(wǎng)絡(luò)時可以實現(xiàn)正方向爆轟信號的可靠傳播，阻止反方向爆轟信號的逆向傳播。

(2)在傳爆可靠性實驗中，爆轟信號可以順利通過長度為10～35 mm的熄爆通道并且引爆輸出端不同線密度的導(dǎo)爆索，傳爆效果可靠。

(3)在隔爆安全性實驗中，熄爆通道長度為10 mm時，B端輸入導(dǎo)爆索線密度在9.7 g/m及以上爆轟信號時可以擊穿隔爆序列引爆A端導(dǎo)爆索；熄爆通道長度為15～35 mm時，爆轟信號反向輸入通過隔爆序列、熄爆通道時被順利關(guān)閉無法引爆A端導(dǎo)爆索，滿足隔爆安全性。

(4)選取15～35 mm作為熄爆通道最佳設(shè)計長度，采用確定的分層裝藥隔爆序列設(shè)計出實現(xiàn)邏輯功能的爆炸二極管。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Mechanism of an explosion diode and effects of its extinction channel size on its properties

Wang Fei, Ma Honghao, Shen Zhaowu, Cui Yu

(DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China)

An explosive diode was designed according to the principle of explosive logic components. This paper studied thorough experiment of the internal structure of the components to identify the length of extinction channel and flame-proof structure as key parameters. The flame-proof structure adopted the layered charges of different density including an excitation device, 1st charge of PETN, 2nd charge of PETN. Connecting theA-end andB-end to the detonating cord, changing the size of the extinction channel, ensuring the parameter of the layered charge to conduct the experiment of detonation reliability and explosion-proof safety, the results show that the detonation signal can detonate theB-end detonating cord, satisfying the reliability function while passing through the extinction channel of 10 mm to 35 mm by inputting from theA-end. While the detonation signal input from theB-end was not able to detonate theA-end detonating cord to meet the flame-proof function across the flame-proof structure and extinction channel when the length of the extinction channel is 15 to 35 mm. The result indicates the length of the extinction channel amongst 15 mm to 35 mm and the layered charge of different densities can be selected as the design standard of the blasting network to make the denotation signals transmit in one direction in the network, thus increasing the security of the network.

blasting network; explosive diode; flame-proof structure; extinction channel

10.11883/1001-1455(2017)03-0560-06

2015-10-26；

2015-12-19

國家自然科學(xué)基金項目(51374189,51174183);安徽省自然科學(xué)基金項目(1508085ME85)

王 飛(1987— )，男，博士研究生; 通信作者: 馬宏昊,hhma@ustc.edu.cn。

O389 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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