王耀華，熊 偉，陳志富，樊成飛

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

線型聚能切割器(Linear Shaped Charge Cutter，LSCC)因具有能量密度高和方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)解體、海上鉆井平臺(tái)拆除、沉船打撈、廢舊航彈銷毀和飛行器人員應(yīng)急逃生等國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事活動(dòng)中。某型客機(jī)“服務(wù)艙門開啟精確爆破系統(tǒng)”的功能是：在機(jī)殼的適當(dāng)部位切割部分蒙皮以形成機(jī)艙應(yīng)急泄壓的泄壓口，另在適當(dāng)時(shí)機(jī)切斷飛機(jī)服務(wù)艙門與機(jī)身的約束連接（該約束包括一處鎖扣和上下兩處鉸鏈板），以便向機(jī)艙內(nèi)平行推移服務(wù)艙門，開辟人員逃生通道。其中，鉸鏈板（400mm×70mm×16mm）由高強(qiáng)度航空鋁合金7050-T7451制成，其抗拉強(qiáng)度約為510MPa，屈服強(qiáng)度約為434MPa[1]，是爆炸切割的主要難點(diǎn)之一。

1 問題的提出

1.1 切割器參數(shù)選擇與安裝設(shè)置

在客機(jī)機(jī)艙內(nèi)設(shè)置爆炸切割系統(tǒng)并完成規(guī)定的切割功能，必須確保特別嚴(yán)格的安全性，即要求：在整個(gè)待命期中，爆炸裝置不能誤動(dòng)作；在爆破作用過程中，不能對(duì)機(jī)上人員構(gòu)成傷害，不能對(duì)飛機(jī)其他部位的結(jié)構(gòu)和機(jī)上設(shè)備產(chǎn)生破壞，爆破力不能對(duì)飛機(jī)姿態(tài)造成不可接受的影響。

根據(jù)上述要求，并針對(duì)被切割對(duì)象特點(diǎn)，經(jīng)裝藥量精確化實(shí)驗(yàn)研究，選用的線型聚能切割器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：裝填炸藥為黑索今（RDX），在裝藥密度0ρ=1.8g/cm3時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得RDX爆速為8 750m/s，大于相同密度下的其他猛炸藥，如梯恩梯、特屈兒等[2]；切割器線密度不得小于16.80g/m，考慮到適當(dāng)?shù)娜哂嗔?，選用的切割器標(biāo)稱線密度為 18.0g/m；外殼和藥型罩材料均為鉛銻合金PbSb2（銻1.5%～2.5%，鉛98.5%～97.5%）。切割器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚能切割器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of LSCC

鉸鏈板切割器安裝設(shè)置情況如圖2所示，在鉸鏈板兩側(cè)面各設(shè)置1個(gè)切割器，切割器外側(cè)用防護(hù)裝置約束固定，每個(gè)切割器均由2發(fā)鈍感電雷管引爆。

圖2 鉸鏈板切割器的安裝設(shè)置Fig.2 The setting of LSCC on the gemel

1.2 故障現(xiàn)象

在采用上述切割器所進(jìn)行的近百次爆炸切割實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生1個(gè)鉸鏈板未能順利切開的故障。故障現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)中未切斷的鉸鏈板Fig.3 The uncut off gemel in experiment

經(jīng)檢查，該鉸鏈板兩側(cè)的4個(gè)鈍感電雷管均可靠起爆；兩側(cè)面的2根切割器均被完全引爆；鉸鏈板的兩側(cè)面均形成了射流切割的切痕，且沿鉸鏈板的高度方向，兩切痕均無斷續(xù)現(xiàn)象，但切痕深度的平均值，一側(cè)為2.8mm，另一側(cè)為2.5mm。

2 故障原因定位及機(jī)理分析

按照國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)，上述故障需做故障歸零處理，即準(zhǔn)確定位故障原因、進(jìn)行機(jī)理分析以實(shí)現(xiàn)故障復(fù)現(xiàn)，進(jìn)而制定糾正措施，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明能夠完全消除故障。

2.1 定位過程

為此，采取了“窮盡搜索，逐一排除”的方法以確定故障原因。

2.1.1 可以排除的原因

首先，根據(jù)金屬爆炸切割機(jī)理，若同一種金屬板材的實(shí)際力學(xué)性能與名義值之間的誤差不超過10%，則聚能切割效果不受影響，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)切割上下兩塊鉸鏈板，上鉸鏈板被可靠切斷，因此鉸鏈板材質(zhì)不均勻?qū)е虑懈钍〉脑蚩梢耘懦?/p>

其次，所采用的鈍感電雷管已進(jìn)行過近千發(fā)的性能考核實(shí)驗(yàn)，其工作可靠性不低于 0.995；再則，鉸鏈板兩側(cè)面的切割器，每根均采用2發(fā)鈍感電雷管進(jìn)行引爆，按照可靠性計(jì)算理論，其起爆可靠性不小于0.999 975，故電雷管起爆能量不足的原因也可排除。

再次，考慮鈍感電雷管與切割器安裝設(shè)置不當(dāng)問題。主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是鈍感電雷管與切割器之間的距離不合理；二是鉸鏈板兩側(cè)面所安裝的切割器，其藥型罩對(duì)稱面與鉸鏈板的兩側(cè)面不垂直，或者，雖然垂直但對(duì)稱面不重合。

（1）一般地，雷管與切割器之間均采用零距離設(shè)置，但是，由圖2可見，由于切割器設(shè)置于防護(hù)裝置的安裝槽中，鈍感電雷管與切割器之間的距離不能確保為零，有可能距離過大。反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)中采用的切割器，當(dāng)其與所采用的鈍感電雷管之間的距離達(dá)到3mm以上時(shí)，電雷管不能起爆切割器，見圖4。

當(dāng)電雷管與切割器的距離為 2.9mm或以下時(shí)，可以可靠引爆切割器，且均可將鉸鏈板可靠切斷。而實(shí)驗(yàn)中的切割器確已被引爆，因此“鈍感電雷管與切割器之間距離設(shè)置不合理”這一原因可以排除。

（2）關(guān)于鉸鏈板兩側(cè)面安裝的切割器，其藥型罩對(duì)稱面與鉸鏈板兩側(cè)面不垂直，或者，雖然垂直但不重合的問題。為驗(yàn)證藥型罩對(duì)稱面與鉸鏈板兩側(cè)表面均產(chǎn)生傾斜對(duì)切割效果的影響，將演示實(shí)驗(yàn)使用的切割器，分別采用10°、15°的偏斜角，牢固粘接在防護(hù)裝置的安裝槽內(nèi)（防護(hù)裝置的安裝與演示實(shí)驗(yàn)中相同）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖5）表明與0°偏斜角相比，除切口形狀不同外，均將鉸鏈板切斷。所以，此項(xiàng)安裝設(shè)置不當(dāng)?shù)脑蛞部梢耘懦?/p>

圖4 不同安裝距離雷管起爆后的切割器外觀Fig.4 Appearance of LSCC with different detonator setting distances

圖5 不同偏斜角安裝時(shí)的切口形狀Fig.5 Different incision shapes with different setting angles

2.1.2 切割器的質(zhì)量問題分析

由以上分析可見，導(dǎo)致切割失敗的原因，只能歸結(jié)為切割器的質(zhì)量問題。影響切割器制造質(zhì)量的因素可以歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是裝藥參數(shù)，二是藥型罩參數(shù)。由于制造工藝的原因，這兩方面的參數(shù)沿切割器長(zhǎng)度方向的均勻性都會(huì)產(chǎn)生誤差。藥型罩由鉛銻合金制作，其在長(zhǎng)度方向上的均勻性比較容易保證。裝藥由粉末狀固體壓制而成，可能出現(xiàn)某段切割器裝藥線密度的不均勻性未達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況。因此，切割器裝藥線密度成為重點(diǎn)分析對(duì)象。

大量研究表明[3-4]，影響線型聚能切割器侵徹能力的因素主要包括裝藥性能與形狀，藥型罩的材料、錐角、壁厚，炸高和起爆方式等。其中，炸藥通過爆轟壓力（簡(jiǎn)稱爆壓p）為聚能切割提供能源，所以成為影響侵徹能力的主要因素。炸藥爆壓是爆速和裝藥密度的函數(shù)，其關(guān)系為[2]：

式（1）中：k為等熵指數(shù)；0ρ為炸藥的裝藥密度；D為炸藥的爆速，隨炸藥裝藥密度的增大而增大。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多炸藥的爆速與裝藥密度之間存在簡(jiǎn)單的冪指數(shù)關(guān)系[2]：

式（2）中的a、b均為通過實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，一般在凝聚炸藥的工程計(jì)算中，可采用b=5 720，a=0.723。由式（1）～（2）可見，線型聚能切割器裝藥密度越大則爆壓也大，因而侵徹能力也越強(qiáng)。

在線型聚能切割器的實(shí)際生產(chǎn)過程中，往往采用線密度lρ（g/m）來表示切割器的裝藥量，然后通過式（3）計(jì)算得出裝藥密度：

式（3）中的S為線性聚能切割器裝藥的截面積。

由此可見，如果一根線型聚能切割器裝藥線密度的不均勻性偏差過大，導(dǎo)致截取下來的某一段切割器裝藥密度達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，會(huì)出現(xiàn)切割失敗的故障。

2.2 故障現(xiàn)象的復(fù)現(xiàn)

為了驗(yàn)證上述分析，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，采用同一廠家提供的名義值為13.5g/m和15.5g/m的切割索對(duì)鉸鏈板進(jìn)行切割，各進(jìn)行5次切割實(shí)驗(yàn)，均未切斷鉸鏈板試件，結(jié)果如圖6所示。通過與圖3 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，切口形狀、切口深度均十分相似，達(dá)到故障復(fù)現(xiàn)。

圖6 線密度13.5g/m和15.5g/m的聚能切割器切割效果Fig.6 Different incision shapes with different linear charge density

3 糾正措施的制定

由上述分析可見，裝藥線密度對(duì)于切割器侵徹能力至關(guān)重要，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中切割失敗的原因就是所用的切割器裝藥線密度不合格，出現(xiàn)了某一段切割器裝藥線密度的不均勻性偏差過大，導(dǎo)致切割失敗。

3.1 現(xiàn)有切割器裝藥線密度測(cè)量方法的缺陷

目前普遍采用的線密度測(cè)量方法為：對(duì)長(zhǎng)度為1m的切割器，在其兩端和中間各截取一段為樣本，將樣本由藥型罩處劃開，取出裝藥并稱量裝藥重量，最后除以樣本長(zhǎng)度，即得到線密度。經(jīng)分析，該測(cè)量方法存在以下缺陷：（1）由于切割器結(jié)構(gòu)的原因，切割器剖開并取出裝藥后，可能仍有部分裝藥殘留在切割器中，從而導(dǎo)致測(cè)得的線密度小于實(shí)際線密度；（2）在藥型罩剖分的過程中，會(huì)有少量的細(xì)微金屬顆粒摻雜在裝藥中，由于金屬密度遠(yuǎn)大于裝藥密度，則稱量重量大于實(shí)際重量，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的線密度大于實(shí)際線密度；（3）考察切割器的制作工藝，可以得知切割器兩端可能含有雜質(zhì)，因此在兩端取樣不盡合理；（4）樣本量過小，很難可靠地反映切割器真實(shí)的線密度。

由此可以基本斷定，以往采用的線密度測(cè)量方法不能確切反映切割器的實(shí)際線密度，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所使用的那部分切割器線密度未達(dá)到標(biāo)稱的18.0g/m，甚至低于期望的16.8g/m，而并未被檢測(cè)出。應(yīng)當(dāng)指出，這種線密度測(cè)量方法，對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)合一般是合理的，但對(duì)于本文特殊的使用場(chǎng)合卻是不恰當(dāng)?shù)?。由于切割器是在人員的近距離引爆，且要求將飛機(jī)的損傷降到最低，所以設(shè)計(jì)指標(biāo)要求在實(shí)現(xiàn)功能的前提下裝藥量最小，設(shè)計(jì)指標(biāo)的冗余量很低，這就對(duì)檢測(cè)精度提出更高的要求。

3.2 改進(jìn)的切割器裝藥線密度測(cè)量方法

為克服上述缺陷以提高檢測(cè)精度，筆者提出了改進(jìn)的切割器線密度測(cè)量方法。作為對(duì)比，分別對(duì)兩種不同型號(hào)的切割器（分別編為I型和II型）進(jìn)行了線密度測(cè)量。其中，I型切割器的名義值為15.5g/m，裝藥截面積 0.109cm2，II型切割器的線密度名義值為 18 g/m，裝藥截面積0.113cm2。

3.2.1 采樣方法

取I型切割器 900mm，去除兩端各 50mm，從中間向兩邊依次截取長(zhǎng)度為120mm的6段，依次編為I(1)～I(xiàn)(6)，在每段上截取50mm長(zhǎng)的一段作為線密度測(cè)量試樣，所余70mm長(zhǎng)的一段作為切割實(shí)驗(yàn)試樣。II型切割器采樣方法同上，編為II (1)～ II (6)。

3.2.2 測(cè)量過程

稱量切割器試樣，得到質(zhì)量為m1，然后依據(jù)黑索今溶于丙酮而鉛銻合金不與丙酮反應(yīng)的特點(diǎn)，將試樣用足量丙酮溶劑浸泡數(shù)小時(shí)，使試樣所裝黑索今完全溶解，再將所余金屬殼體用水沖洗并用酒精擦拭，靜置至完全干燥后再進(jìn)行稱量，得到質(zhì)量m2，m1與m2的差值即為該長(zhǎng)度上的裝藥量，可由式（4）計(jì)算出該段裝藥線密度。

式（4）中的L為樣本長(zhǎng)度。

3.2.3 測(cè)量結(jié)果

長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器為數(shù)字式游標(biāo)卡尺，質(zhì)量測(cè)量?jī)x器為精度萬分之四的天平。測(cè)量結(jié)果見表1。

表 1 兩種切割器的實(shí)測(cè)線密度Tab.1 The actually measured linear density of two types of LSCC

4 糾正措施有效性的驗(yàn)證

由表 1可見，I型切割器線密度的變化范圍為15.29～16.12g/m，其平均值為15.64g/m，大于其名義值（15.50g/m），但是存在I（1）號(hào)、I（2）號(hào)和I（4）號(hào)3例的線密度低于名義線密度的情況；II型切割器線密度的變化范圍為 16.34～18.61g/m，其平均值為17.47g/m，小于其名義值18g/m。在II型切割器的6個(gè)被測(cè)樣品中，小于16.80g/m的有兩例，低于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。由此可見，以往采用的切割器質(zhì)量檢測(cè)方法的確存在問題，不能準(zhǔn)確全面地反映真實(shí)情況。

4.1 切割器線密度與切割能力計(jì)算

依據(jù)式（1）～（2），計(jì)算切割器切割能力，如表2 所示（k=3，b=5 720，a=0.723）。

由表2可以看出，II型2號(hào)和6號(hào)切割器在線密度上與設(shè)計(jì)指標(biāo)僅相差0.97%和2.72%，但在生成的爆壓上卻相差了2.73%和6.54%，而爆壓正是影響切割器侵徹能力的主要因素，說明切割器的線密度嚴(yán)重影響其切割能力。

表2 I型和II型切割器切割能力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation of LSCC(type I and type II) cutting ability

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)采樣中所余的12段70mm長(zhǎng)的切割器進(jìn)行爆炸切割實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明：采用I型切割器均不能切斷鉸鏈板；II型切割器中兩例小于16.80g/m的切割器不能切斷鉸鏈板。這與實(shí)驗(yàn)確定的設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。

為了復(fù)現(xiàn)故障原因并進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)量方法的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取I型切割器進(jìn)行40次切割實(shí)驗(yàn)，均未切斷鉸鏈板試件；隨機(jī)選取II型切割器進(jìn)行50次切割實(shí)驗(yàn)，有2次未切斷鉸鏈板試件。隨后對(duì)II型切割器樣品采用改進(jìn)的方法進(jìn)行測(cè)量，成功切斷鉸鏈板的48個(gè)樣品的緊鄰段線密度均達(dá)到或超過16.80g/m，未切斷鉸鏈板的 2個(gè)樣品的緊鄰段，線密度分別為16.38g/m和16.51g/m，不能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：（1）當(dāng)線密度的平均值小于16g/m時(shí)（例如I型切割器），盡管其某段的實(shí)測(cè)線密度可能達(dá)到16.40g/m，高于其標(biāo)稱值，但切斷鉸鏈板試件的概率為0。（2）當(dāng)線密度的平均值接近17g/m時(shí)（例如II型切割器），由于其實(shí)測(cè)線密度存在小于16.80g/m的可能性，這種切割器切斷鉸鏈板試件的成功概率只能評(píng)定為不足0.9。（3）當(dāng)某段切割器在線密度測(cè)量中出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)值的樣本時(shí)，該段切割器應(yīng)視為不合格。（4）對(duì)于檢測(cè)合格的切割器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)選擇線密度測(cè)量值較大樣品的緊鄰段，可靠性更高。

4.3 產(chǎn)品改進(jìn)

利用本測(cè)量方法，廠家重新生產(chǎn)了標(biāo)稱線密度為18.0g/m的切割器，對(duì)該批次切割器進(jìn)行了嚴(yán)格的線密度檢測(cè)和切割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均滿足要求，達(dá)到了故障歸零的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

在線型聚能切割器發(fā)生切割失敗后，開展故障歸零工作，目前尚不多見，本文所做的工作，可以為以后分析切割故障提供參考。

線密度的精確測(cè)量在以往的工程應(yīng)用中沒有得到足夠的重視，目前生產(chǎn)廠家普遍采用的測(cè)量方法存在缺陷，難以保證測(cè)量精度。本文提出的線型聚能切割器線密度的測(cè)量方法，有效地克服了原有方法不能精確稱量裝藥質(zhì)量的缺點(diǎn)，提高了線密度測(cè)量的準(zhǔn)確性；同時(shí)本方法也有利于尋找滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的切割器，較好地克服了由制造工藝帶來的切割器質(zhì)量不均勻的問題。當(dāng)然，本方法還是一種有損檢測(cè)，在提高測(cè)量精度的同時(shí)，不可避免地?fù)p失了一部分切割器；另外測(cè)量過程使用的丙酮屬于有毒害物質(zhì)，測(cè)量時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的個(gè)人防護(hù)措施，并注意通風(fēng)。

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