基于燃烧转爆轰原理的高压电火花起爆装置设计

2015-05-30季冉徐全军廖瑜姜楠

求知导刊 2015年20期

关键词：雷管

季冉?徐全军?廖瑜?姜楠

摘要：针对传统雷管中起爆药感度高易发生事故且生产过程中的废弃物对环境污染大的缺点，本文设计了一类新的起爆方法，依据燃烧转爆轰的原理，借助高压电火花起爆装置产生的电火花点燃密闭容器中的起爆装药，进而利用其产生的爆轰起爆炸药。文中用实验验证了这一起爆方法的可行性，同时探究了高压点火中起爆装药的合适配比。

关键词：雷管；起爆药；高压电火花；燃烧转爆轰

传统起爆方法中，主要选用雷管作为点火器材。但雷管中所用的起爆药（如叠氮化铅等），其生产和使用过程均会对环境造成严重污染；雷管在生产、存放、运输过程中，易发生爆炸事故；且雷管的使用具有一次性的特点，若用于大规模工程中，价格较为昂贵。前人为解决这些问题，依据燃烧转爆轰原理，设计了飞片式无起爆药雷管。[1]该雷管解决了传统雷管的起爆药污染问题及安全性问题，但其生产价格昂贵，同时仍然只能一次性使用。在此基础上，本文提出了一种新的起爆方法，依据交直流变换原理和电路升压原理，设计了一种高压电火花起爆装置，并根据燃烧转爆轰的原理，用电火花点燃密闭容器中的起爆装药，产生爆轰，进而起爆炸药。与飞片雷管相比，该方法增加了起爆装置的重复利用性，成本大大降低。

一、燃烧转爆轰原理

燃烧和爆轰是两个本质不同的过程。燃烧过程的传播是以热传导、辐射和燃烧气体扩散方式来实现的，而爆轰过程是借助沿装药传播的爆轰波对未爆炸药的冲击压缩过程来实现的。[2]Andrej Macek认为，由燃烧转为稳态爆轰必须在爆轰发生之前形成冲击波，这种冲击波是爆轰形成的直接原因。依据这种看法，如图1所示，转变过程可以分为三个阶段：[3]①随着燃烧波阵面后压力的急剧增大，发送出压缩波，它穿过燃烧波阵面进入未燃烧的炸药中；②压缩波在火焰阵面前头的未燃烧炸药中汇合形成冲击波；③冲击波诱发爆轰反应。

在燃烧的固体炸药中，形成冲击波必须有以下两个条件：[4]①燃烧的气态产物必须受到足够的压制。正因如此，作用在固体装药上的压力必然要增加。然后，在火焰传播的方向发起一个扰动，这个扰动的波阵面按“活塞”机理即发展成增大强度的冲击波；②在产物气体中，压力的上升必须是迅速的。如果压缩波能汇合成冲击波的话，那么压力从低的初始值上升到起始冲击波值所需的时间t必须是L0/C0的数量级，式中L0为装药的长度，音速C0=（dp/dρ）S1/2，在固体炸药中C0通常是2～3毫米/微秒。

由冲击波形成的条件可以看出，密闭空间是燃烧转爆轰的必要条件。

二、装置设计

1.高压电火花起爆装置

根据微观物理学理论及电学基本原理，当两电极间加以高电压时，空气中原子的外层电子运动速率迅速增大，大量电子摆脱原子核的束缚逸出轨道，与其他中性原子结合，形成大量正负离子。同时，在电场力左右下，正负离子高速向两极运动，相互之间发生摩擦碰撞，形成高温炙热并伴随有亮光发出的电离通道，这便产生了电火花。

为了便于使用和携带，高压电火花起爆装置的电源选用6VDC蓄电池。空气击穿电压与电极距离、空气湿度、空气密度有很大关系，一般情况下，一毫米的距离大约要3kV。本文中起爆装置输出电极的拉弧距离小于2cm，所以控制输出电压在60000V以上即可保证产生稳定的电火花。

高压电火花起爆装置总体设计思路：先通过交直流变换电路将直流电转为交流电，再利用变压器将电压升到所需数值，装置的电路图如图2。

电路原理及制作：BG1、BG2构成交、直流变换器，B1升壓后经D1—D4构成的QL桥式整流向C2充电。电容C2经可控硅MCR100及B2、B3、B4的初级放电。变压器B1用中波磁棒截取20mm和30mm长各两段，绕上线圈后用环氧树脂胶合成口字形磁环，L1、L2为50匝，线圈直径为0.7mm；L3为550匝，线圈直径为0.2mm。B2、B3、B4用市售XD型380V/6.3V指示灯变压器，初次级倒过来使用，原6.3V次级并联起来作初级，原380V初级串联起来作次级。每个初级上所加电压为400V左右，经升压后次级可得到24000V左右电压，三个次级串联后最终在输出端得到70000V左右高压，高压电火花起爆装置实物图如图3。

2.爆轰容器

由原理分析可知，密闭空间是燃烧转爆轰的必要条件。为了证明高压电火花起爆的可行性，受传统方法中用雷管起爆导爆管，再利用导爆管中产生的爆轰波起爆装药的方法的启示，本文进行了验证实验，用电火花点燃密闭容器中的起爆装药，利用其产生的爆轰波起爆8701药柱。最终期望的实验结果是密闭容器破碎。若达到实验期望，则说明8701药柱已成功起爆，进而证明了高压电火花起爆的可行性。

本试验密闭容器材料选用45#钢，顶部小孔用来插入高压电火花起爆装置的两个输出电极，内部装药由下到上依次为8701药柱、传爆药柱以及起爆装药，结构示意图及实物图如图4所示。

三、起爆装药的配比

高压电火花起爆中所需起爆装药的感度较高。试验中曾尝试用输出电极产生的电火花直接点燃高纯度黑索金，结果均失败。

常用的塑料导爆管的内壁所涂的混合炸药粉末，其配比为黑索金91%、铝粉及其他成分9%。受此启发，本文决定采用黑索金、铝粉、3号小粒黑火药的混合装药作为起爆装药。

参考导爆管内壁装药成分，实验中探索了以下四种装药配比的点火效果：①黑索金∶铝粉=8∶1；②黑索金∶铝粉=4∶1；③黑索金：铝粉：黑火药=8∶1∶1；④黑索金：铝粉：黑火药=4∶1∶1。

具体实验结果如表1所示。

根据起爆药的有关基本知识，起爆药的起爆能力主要由以下几种因素决定：①起爆药的爆炸变化加速度（易燃与否）越大，起爆能力越大；②起爆药的猛度（可借助燃烧猛烈程度进行比较）越大，起爆能力亦越大；③在一定的条件下，起爆药密度越高，起爆能力越大（这里装药密度差别不大，不做讨论）；④起爆药的爆速高、爆温高（这里只是点燃装药，未发生爆轰，爆速均较慢，可用装药燃尽时间粗略判断爆速大小关系；爆温在此无法直接比较，不作讨论），则起爆能力大；⑤起爆药所装填金属壳之坚固性高（所用密闭容器相同，不作讨论），则起爆能力大；⑥起爆药结晶颗粒形状、大小等都能影响起爆能力（这里只是装药配比不同，与起爆药结晶的参数无关，不作讨论）。

综合考虑几种配比的起爆装药的易燃程度、燃烧效果、燃尽时间等因素，可看出第三种配比（黑索金∶铝粉∶黑火药=8∶1∶1）的起爆装药最为合适，本文即采用此种装药进行实验。

四、高压电火花起爆实验

传爆药柱参数为：密度1.6g/cm3，高度3mm，底径10mm。8701药柱有三种高度，依次为3.3mm、6mm、12mm，底径均为10mm，密度均为1.8g/cm3，如图5所示。

为了增强起爆效果，实验中在传爆药柱上铺了一层3号小粒黑火药。最终密闭容器中的装药自下而上依次为：8701药柱、传爆药柱、3号小粒黑火药、混合起爆药。本次试验一共做了10次实验，其中3.3mm高度的8701药柱3粒，6mm高度的8701药柱3粒，12mm高度的8701药柱4粒。

试验具体情况如表2所示。

10次均成功爆轰。图6为点火前装置情况及某次12mm药柱实验后装置的破碎情况。

这几次实验中密闭容器的破碎，证明了高压电火花起爆的可行性。

五、结论及展望

本文提出了利用高压电火花起爆装置代替雷管进行起爆的猜想，通过实验验证了其可行性，并探索了该方法中起爆装药的合适配比，使得叠氮化铅等高污染性起爆药的使用的减少成为了可能。

在利用高压电火花起爆的理论已经被验证的基础上，该起爆方法在工程中的实际应用以及完整装置的最终的设计和生产，还需要进一步探索和研究；与此同时，若有合适的实验条件，起爆装药的更精确的成分比例也可继续探究。

参考文献：

[1]陈月畅，沈兆武，杜建国.飞片式无起爆药雷管的结构和工作原理[J].爆破，2013（02）.