季冉?徐全軍?廖瑜?姜楠

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)雷管中起爆藥感度高易發(fā)生事故且生產(chǎn)過程中的廢棄物對(duì)環(huán)境污染大的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一類新的起爆方法，依據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的原理，借助高壓電火花起爆裝置產(chǎn)生的電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，進(jìn)而利用其產(chǎn)生的爆轟起爆炸藥。文中用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一起爆方法的可行性，同時(shí)探究了高壓點(diǎn)火中起爆裝藥的合適配比。

關(guān)鍵詞：雷管；起爆藥；高壓電火花；燃燒轉(zhuǎn)爆轟

傳統(tǒng)起爆方法中，主要選用雷管作為點(diǎn)火器材。但雷管中所用的起爆藥（如疊氮化鉛等），其生產(chǎn)和使用過程均會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染；雷管在生產(chǎn)、存放、運(yùn)輸過程中，易發(fā)生爆炸事故；且雷管的使用具有一次性的特點(diǎn)，若用于大規(guī)模工程中，價(jià)格較為昂貴。前人為解決這些問題，依據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟原理，設(shè)計(jì)了飛片式無起爆藥雷管。[1]該雷管解決了傳統(tǒng)雷管的起爆藥污染問題及安全性問題，但其生產(chǎn)價(jià)格昂貴，同時(shí)仍然只能一次性使用。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的起爆方法，依據(jù)交直流變換原理和電路升壓原理，設(shè)計(jì)了一種高壓電火花起爆裝置，并根據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的原理，用電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，產(chǎn)生爆轟，進(jìn)而起爆炸藥。與飛片雷管相比，該方法增加了起爆裝置的重復(fù)利用性，成本大大降低。

一、燃燒轉(zhuǎn)爆轟原理

燃燒和爆轟是兩個(gè)本質(zhì)不同的過程。燃燒過程的傳播是以熱傳導(dǎo)、輻射和燃燒氣體擴(kuò)散方式來實(shí)現(xiàn)的，而爆轟過程是借助沿裝藥傳播的爆轟波對(duì)未爆炸藥的沖擊壓縮過程來實(shí)現(xiàn)的。[2]Andrej Macek認(rèn)為，由燃燒轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)爆轟必須在爆轟發(fā)生之前形成沖擊波，這種沖擊波是爆轟形成的直接原因。依據(jù)這種看法，如圖1所示，轉(zhuǎn)變過程可以分為三個(gè)階段：[3]①隨著燃燒波陣面后壓力的急劇增大，發(fā)送出壓縮波，它穿過燃燒波陣面進(jìn)入未燃燒的炸藥中；②壓縮波在火焰陣面前頭的未燃燒炸藥中匯合形成沖擊波；③沖擊波誘發(fā)爆轟反應(yīng)。

在燃燒的固體炸藥中，形成沖擊波必須有以下兩個(gè)條件：[4]①燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物必須受到足夠的壓制。正因如此，作用在固體裝藥上的壓力必然要增加。然后，在火焰?zhèn)鞑サ姆较虬l(fā)起一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)的波陣面按“活塞”機(jī)理即發(fā)展成增大強(qiáng)度的沖擊波；②在產(chǎn)物氣體中，壓力的上升必須是迅速的。如果壓縮波能匯合成沖擊波的話，那么壓力從低的初始值上升到起始沖擊波值所需的時(shí)間t必須是L0/C0的數(shù)量級(jí)，式中L0為裝藥的長度，音速C0=（dp/dρ）S1/2，在固體炸藥中C0通常是2～3毫米/微秒。

由沖擊波形成的條件可以看出，密閉空間是燃燒轉(zhuǎn)爆轟的必要條件。

二、裝置設(shè)計(jì)

1.高壓電火花起爆裝置

根據(jù)微觀物理學(xué)理論及電學(xué)基本原理，當(dāng)兩電極間加以高電壓時(shí)，空氣中原子的外層電子運(yùn)動(dòng)速率迅速增大，大量電子擺脫原子核的束縛逸出軌道，與其他中性原子結(jié)合，形成大量正負(fù)離子。同時(shí)，在電場(chǎng)力左右下，正負(fù)離子高速向兩極運(yùn)動(dòng)，相互之間發(fā)生摩擦碰撞，形成高溫炙熱并伴隨有亮光發(fā)出的電離通道，這便產(chǎn)生了電火花。

為了便于使用和攜帶，高壓電火花起爆裝置的電源選用6VDC蓄電池。空氣擊穿電壓與電極距離、空氣濕度、空氣密度有很大關(guān)系，一般情況下，一毫米的距離大約要3kV。本文中起爆裝置輸出電極的拉弧距離小于2cm，所以控制輸出電壓在60000V以上即可保證產(chǎn)生穩(wěn)定的電火花。

高壓電火花起爆裝置總體設(shè)計(jì)思路：先通過交直流變換電路將直流電轉(zhuǎn)為交流電，再利用變壓器將電壓升到所需數(shù)值，裝置的電路圖如圖2。

電路原理及制作：BG1、BG2構(gòu)成交、直流變換器，B1升壓后經(jīng)D1—D4構(gòu)成的QL橋式整流向C2充電。電容C2經(jīng)可控硅MCR100及B2、B3、B4的初級(jí)放電。變壓器B1用中波磁棒截取20mm和30mm長各兩段，繞上線圈后用環(huán)氧樹脂膠合成口字形磁環(huán)，L1、L2為50匝，線圈直徑為0.7mm；L3為550匝，線圈直徑為0.2mm。B2、B3、B4用市售XD型380V/6.3V指示燈變壓器，初次級(jí)倒過來使用，原6.3V次級(jí)并聯(lián)起來作初級(jí)，原380V初級(jí)串聯(lián)起來作次級(jí)。每個(gè)初級(jí)上所加電壓為400V左右，經(jīng)升壓后次級(jí)可得到24000V左右電壓，三個(gè)次級(jí)串聯(lián)后最終在輸出端得到70000V左右高壓，高壓電火花起爆裝置實(shí)物圖如圖3。

2.爆轟容器

由原理分析可知，密閉空間是燃燒轉(zhuǎn)爆轟的必要條件。為了證明高壓電火花起爆的可行性，受傳統(tǒng)方法中用雷管起爆導(dǎo)爆管，再利用導(dǎo)爆管中產(chǎn)生的爆轟波起爆裝藥的方法的啟示，本文進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，用電火花點(diǎn)燃密閉容器中的起爆裝藥，利用其產(chǎn)生的爆轟波起爆8701藥柱。最終期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是密閉容器破碎。若達(dá)到實(shí)驗(yàn)期望，則說明8701藥柱已成功起爆，進(jìn)而證明了高壓電火花起爆的可行性。

本試驗(yàn)密閉容器材料選用45#鋼， 頂部小孔用來插入高壓電火花起爆裝置的兩個(gè)輸出電極，內(nèi)部裝藥由下到上依次為8701藥柱、傳爆藥柱以及起爆裝藥，結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖如圖4所示。

三、起爆裝藥的配比

高壓電火花起爆中所需起爆裝藥的感度較高。試驗(yàn)中曾嘗試用輸出電極產(chǎn)生的電火花直接點(diǎn)燃高純度黑索金，結(jié)果均失敗。

常用的塑料導(dǎo)爆管的內(nèi)壁所涂的混合炸藥粉末，其配比為黑索金91%、鋁粉及其他成分9%。受此啟發(fā)，本文決定采用黑索金、鋁粉、3號(hào)小粒黑火藥的混合裝藥作為起爆裝藥。

參考導(dǎo)爆管內(nèi)壁裝藥成分，實(shí)驗(yàn)中探索了以下四種裝藥配比的點(diǎn)火效果：①黑索金∶鋁粉=8∶1；②黑索金∶鋁粉=4∶1；③黑索金：鋁粉：黑火藥=8∶1∶1；④黑索金：鋁粉：黑火藥=4∶1∶1。

具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)起爆藥的有關(guān)基本知識(shí)，起爆藥的起爆能力主要由以下幾種因素決定：①起爆藥的爆炸變化加速度（易燃與否）越大，起爆能力越大；②起爆藥的猛度（可借助燃燒猛烈程度進(jìn)行比較）越大，起爆能力亦越大；③在一定的條件下，起爆藥密度越高，起爆能力越大（這里裝藥密度差別不大，不做討論）；④起爆藥的爆速高、爆溫高（這里只是點(diǎn)燃裝藥，未發(fā)生爆轟，爆速均較慢，可用裝藥燃盡時(shí)間粗略判斷爆速大小關(guān)系；爆溫在此無法直接比較，不作討論），則起爆能力大；⑤起爆藥所裝填金屬殼之堅(jiān)固性高（所用密閉容器相同，不作討論），則起爆能力大；⑥起爆藥結(jié)晶顆粒形狀、大小等都能影響起爆能力（這里只是裝藥配比不同，與起爆藥結(jié)晶的參數(shù)無關(guān)，不作討論）。

綜合考慮幾種配比的起爆裝藥的易燃程度、燃燒效果、燃盡時(shí)間等因素，可看出第三種配比（黑索金∶鋁粉∶黑火藥=8∶1∶1）的起爆裝藥最為合適，本文即采用此種裝藥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

四、高壓電火花起爆實(shí)驗(yàn)

傳爆藥柱參數(shù)為：密度1.6g/cm3， 高度3mm，底徑10mm。8701藥柱有三種高度，依次為3.3mm、6mm、12mm，底徑均為10mm，密度均為1.8g/cm3，如圖5所示。

為了增強(qiáng)起爆效果，實(shí)驗(yàn)中在傳爆藥柱上鋪了一層3號(hào)小粒黑火藥。最終密閉容器中的裝藥自下而上依次為：8701藥柱、傳爆藥柱、3號(hào)小粒黑火藥、混合起爆藥。本次試驗(yàn)一共做了10次實(shí)驗(yàn)，其中3.3mm高度的8701藥柱3粒，6mm高度的8701藥柱3粒，12mm高度的8701藥柱4粒。

試驗(yàn)具體情況如表2所示。

10次均成功爆轟。圖6為點(diǎn)火前裝置情況及某次12mm藥柱實(shí)驗(yàn)后裝置的破碎情況。

這幾次實(shí)驗(yàn)中密閉容器的破碎，證明了高壓電火花起爆的可行性。

五、結(jié)論及展望

本文提出了利用高壓電火花起爆裝置代替雷管進(jìn)行起爆的猜想，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，并探索了該方法中起爆裝藥的合適配比，使得疊氮化鉛等高污染性起爆藥的使用的減少成為了可能。

在利用高壓電火花起爆的理論已經(jīng)被驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，該起爆方法在工程中的實(shí)際應(yīng)用以及完整裝置的最終的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，還需要進(jìn)一步探索和研究；與此同時(shí)，若有合適的實(shí)驗(yàn)條件，起爆裝藥的更精確的成分比例也可繼續(xù)探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳月暢，沈兆武，杜建國.飛片式無起爆藥雷管的結(jié)構(gòu)和工作原理[J].爆破，2013（02）.

[2][3][4]彭培根.燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程及機(jī)理[J].火炸藥，1982，05（01）：21—28.

（作者單位：中國人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院）