飞片式无起爆药雷管飞片材料与加速膛匹配关系研究

张冬冬，黄寅生，李 瑞，王俊杰，葛梦珠，陈世雄，张辉建，何亚丽



飞片式无起爆药雷管飞片材料与加速膛匹配关系研究

张冬冬1，黄寅生1，李 瑞2，王俊杰1，葛梦珠1，陈世雄3，张辉建1，何亚丽1

(1.南京理工大学化工学院, 江苏南京，210094；2. 南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室，江苏南京，210094；3.贵州九联民爆器材发展股份有限公司，贵州贵阳，550000)

基于一种新型飞片激发装置的无起爆药雷管，通过实验研究了铝、钛、钢和铜4种飞片材料在不同加速膛直径和高度下对雷管爆轰性能的影响。研究结果表明：铝、钛、钢和铜飞片经不同高度加速膛加速后，具有不同的起爆能力；铝和钛飞片的起爆能力相近，钢和铜飞片的起爆能力接近；加速膛过长或过短、第2装药密度过高或过低都不利于雷管爆轰，而飞片直径的变化对飞片起爆能力影响不大。

无起爆药雷管；飞片材料；飞片直径；加速膛

无起爆药雷管通过一定技术，利用猛炸药代替雷管的起爆药，相比传统雷管具有高安全性和无污染的特点[1-2]。目前无起爆药雷管主要分为燃烧转爆轰式[3-4]和飞片式[5-6]。其中，飞片式无起爆药雷管采用飞片激发装置代替传统起爆药。飞片在激发装置产生的高温高压气体和加速膛共同作用下被剪切驱动形成高速飞片，经加速膛加速后冲击压缩管内非均相炸药，形成大量不同温度和不同延滞期的热点，热点产生的能量在不同时间加强，形成越来越多的热点，最后达到全部爆轰[7]。由飞片速度及脉冲能量理论分析可知[8]，飞片材料和加速膛孔径不同，飞片达到最大速度的最佳加速距离不同，产生的脉冲能量大小也不相同。因此，飞片材料与加速膛结构参数（加速膛高度和孔径）的匹配关系对飞片激发装置中飞片输出速度及雷管的爆轰性能有着重要的影响。为此，在本课题组前期设计的一种新型飞片激发装置无起爆药雷管结构[9]基础之上，通过实验研究了不同飞片材料下加速膛结构参数对雷管爆轰性能的影响。

1 飞片式无起爆药雷管的结构

8#飞片式无起爆药瞬发电雷管的装药结构如图1所示。

图1 飞片式无起爆药雷管结构示意图

在带有台阶的雷管壳底部依次压入第1装药（PETN（太安），370 mg，装药密度=1.60 g/cm3）和第2装药（PETN，100 mg）。第2装药上端放入内部带有通孔的加速膛。加速膛底部与雷管台阶接触定位，外径与雷管内径紧密配合。加速膛上端依次放入飞片及装有激发药的内帽（激发药为造粒RDX，装药量135 mg）。飞片、加速膛和内帽之间紧密接触。内帽上端装入带有封口塞的点火头卡口，完成飞片式无起爆药雷管的制备。

为了研究飞片材料与加速膛结构参数（加速膛高度和孔径）的匹配关系，分别选择铝、钛、钢、铜作为飞片材料进行试验研究。采用5 mm铅板穿孔实验，通过改变第2装药密度对不同飞片材料在不同加速膛高度和孔径下的雷管爆轰性能进行验证。

2 实验结果与讨论

2.1 飞片材料与加速膛高度的配比关系

飞片在激发药燃烧压力和加速膛内壁的共同作用下被剪切驱动，剪切飞片首先在加速膛中加速。空气阻力和加速膛内壁摩擦的共同作用，使得飞片飞行一定距离时速度达到最大，此后飞行速度逐渐降低。因此，存在最佳的加速膛高度。实验中，飞片厚度为0.2mm，加速膛孔径为2.5mm。表1~2分别为不同飞片材料在不同加速膛高度下的铅板穿孔实验结果。

表1 铝和钛飞片在不同加速膛高度下的铅板穿孔实验

Tab.1 Lead plate test of aluminum and titanium flyer under different accelerator barrel heights

表2 钢和铜飞片在不同加速膛高度下的铅板穿孔实验

Tab.2 Lead plate test of steel and copper flyer under different accelerator barrel heights

由表1~2可看出，在加速膛直径为2.5mm、飞片厚度为0.2 mm的条件下，加速膛长度为3.0 mm和3.3 mm时，铝飞片能够使雷管发生爆轰的第2装药密度分别为0.86~1.21 g/cm3和1.31~1.42 g/cm3；钛飞片使雷管发生爆轰的第2装药密度分别为0.86~1.24 g/cm3和1.29~1.40 g/cm3；在加速膛长度为2.5 mm和2.8 mm时，钢飞片能够使雷管发生爆轰的第2装药密度分别为0.86~1.21 g/cm3和1.42~1.52 g/cm3；铜飞片能够使雷管发生爆轰的第2装药密度分别为0.86~1.19 g/cm3和1.41~1.49 g/cm3。从飞片能够起爆的第2装药密度范围可以看出铝和钛飞片、铜和钢飞片的起爆能力相近。同时，由表1和表2可以看出，飞片材料确定以后，加速膛只有在适当高度时才能起爆雷管第2装药，雷管发生爆轰。加速膛过长或过短，飞片均不能起爆第2装药，雷管发生半爆。这是由于飞片在激发药燃烧产生的气体压力和加速膛内壁的共同作用下被剪切驱动，剪切飞片首先在加速膛中加速。加速膛高度过小时，飞片在加速膛中加速后速度较低，不足以冲击起爆第2装药，雷管发生半爆；加速膛高度增至适当高度，飞片在加速膛中加速至大于第2装药的临界起爆速度时冲击第2装药，雷管发生爆轰；加速膛高度进一步增加，飞片飞行距离增加，这时激发药燃烧产生气体压力降低，同时由于空气阻力和加速膛内壁摩擦的共同作用，使得飞片速度不断降低，最后飞片运动到第2装药表面时，由于速度过低而不能起爆第2装药，雷管发生半爆。不同材料飞片经相同高度加速膛加速后起爆能力不同。这是由于不同材料飞片所需的剪切力和飞片质量不同，使得不同材料飞片经相同高度加速膛加速后获得的冲击炸药的能量不同，因而具有不同的起爆能力。

从表1~2可以看出，不同材料飞片在高度适当的加速膛中加速后，第2装药密度在一定范围内雷管发生爆轰，第2装药密度过高、过低均不利于装药爆轰，雷管发生半爆。这是由于飞片经加速膛加速后对第2装药冲击压缩，在第2装药中形成热点，如果这些热点温度足够，则经过各自所需的延滞期后发生局部爆炸反应，其中温度高且延滞期极短的热点放热较快，能跟上冲击波并加强冲击波；即使延滞期较长的热点经过一段时间后放出的热量也能补充给初始冲击波，使衰减缓慢。这等于有许多温度与不同延滞期的局部热点爆炸，在不同的时间加强初始冲击波，从而形成更多的热点，最后达到全部爆轰[7]。

根据弹塑性空穴闭合模型推导出多孔药柱热点温度增量为[10]：

式（1）中：c为炸药比热容；0为初始装药密度；为药柱压力；0为弹性极限压力；0为药柱初始孔隙度；为药柱孔隙度。

假定第2装药的比热容c为常数，由式(1)可看出，第2装药密度过高时，相应初始孔隙率过小，在相同的飞片能量冲击压缩作用下，相应的第2装药热点温升越小，不利于第2装药发生爆轰。当第2装药密度过低时，单位体积内药粒个数过少，使得形成的热点数量较少，单位体积炸药释放的能量减小，不利于冲击波形成，进而不利于第2装药爆轰，雷管发生半爆。

2.2 飞片材料与加速膛孔径的配比关系

由飞片速度理论分析可知，飞片直径增大使得飞片质量和剪切飞片消耗的能量增加，飞片的极限速度降低，撞击炸药产生的脉冲能量降低[11]。为此对不同材料飞片在不同加速孔径下进行实验，实验过程中，飞片厚度统一为0.2mm，铝、钛飞片雷管加速膛高度为3.3mm，钢、铜飞片雷管加速膛高度为2.8mm。实验结果如表3~4所示。

表3 铝和钛飞片在不同加速膛孔径下的铅板穿孔实验

Tab.3 Lead plate test of aluminum and titanium flyer under different accelerator barrel diameters

由表3可看出，直径为2.0 mm、2.5 mm和3.0 mm的铝飞片经3.3 mm高度的加速膛加速后冲击起爆第2装药密度分别为1.31~1.41g/cm3、1.31~1.42 g/cm3和1.31~1.40 g/cm3，而钛飞片经过3.3 mm高度的加速膛加速后冲击起爆第2装药密度分别为1.31~1.40 g/cm3、1.29~1.40 g/cm3和1.31~1.42 g/cm3。

表4 钢和铜飞片在不同加速膛孔径下的铅板穿孔实验

Tab.4 Lead plate test of steel and copper flyer under different accelerator bore diameters

从表4可以看出，直径为2.0mm、2.5mm和3.0mm的钢飞片经过2.8mm高度的加速膛加速后起爆第2装药密度分别为1.41~1.53g/cm3、1.42~1.52 g/cm3和1.42~1.51 g/cm3，而铜飞片经过2.8mm高度的加速膛加速后起爆第2装药密度分别为1.40~1.48g/cm3、1.41~1.49g/cm3和1.41~1.51g/cm3。由实验结果可知，铝、钛、钢和铜飞片直径的变化对冲击起爆第2装药密度影响不大，即加速膛孔径的变化对飞片起爆能力没有太大影响。这是由于飞片直径增加虽然导致飞片质量增大，但同时激发药燃烧产生的高压气体剪切飞片的作用面增大，即飞片直径的增加提高了激发药的能量利用率，因此飞片直径变化对飞片的起爆能力没有太大影响。从飞片能够起爆第2装药密度的范围可以看出铝和钛飞片、铜和钢飞片的起爆能力相近。

3 结论

（1）飞片材料对飞片式无起爆药雷管底部装药的起爆有着重要的影响。铝、钛、钢和铜飞片经过不同高度加速膛加速后，具有不同的起爆能力。铝和钛飞片的起爆能力相近，钢和铜飞片的起爆能力接近。

（2）飞片式无起爆药雷管加速膛高度对飞片起爆雷管底部装药有着重要的影响。加速膛高度过长或过短都不利雷管爆轰。同时，雷管底部的第2装药对雷管爆轰性能也有一定影响，第2装药密度过高或过低都不利于雷管爆轰。

（3）对于不同飞片材料，飞片直径变化对其起爆能力没有太大影响。

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Study on the Matching Relationship between Flyer Material and Accelerating Barrel of Flying Plate Detonator

ZHANG Dong-dong1, HUANG Yin-sheng1, LI Rui2, WANG Jun-jie1, GE Meng-zhu1, CHEN Shi-xiong3, ZHANG Hui-jian1, HE Ya-li1

(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094; 2.Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094; 3.Guizhou Jiulian Industrial Explosive Materials Development Co.,Ltd.,Guiyang, 550000)

The influences of four kinds of flyer materials (i.e., aluminum, titanium, steel and copper) with different accelerating barrel diameters and heights on the detonation performance of detonator was studied, based on a new kind of flying plate detonator. The results show that different flyers have different initiating capability after accelerating in the accelerating barrel with different heights, the initiating capability of aluminum and titanium flyers is similar, that of the steel and copper is comparable. The length of the accelerating barrel and the density of the second charge in a certain range is to the advantage of detonation, while the diameters of different material flyers have no significant effect on the initiating capability of flyer.

Non-primary detonator；Flyer material；Flyer diameter；Accelerating barrel

1003-1480（2017）03-0010-04

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.003

2017-03-27

张冬冬（1992 -），男，在读硕士研究生，主要从事含能材料制备及性能研究。