引信传爆序列能量匹配性设计与试验

崔银锋, 周伟江, 康 乐

引信传爆序列能量匹配性设计与试验

崔银锋1, 周伟江2, 康 乐3

(1. 中国人民解放军陆军特种作战学院 机电工程系, 广东 广州，510502; 2. 中国人民解放军92493部队, 辽宁 葫芦岛, 125000; 3. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

文中结合聚能战斗部所用引信对传爆序列的实际需求, 设计了一种适用于聚能战斗部直列式引信用的传爆序列, 其初级火工元件选用冲击片雷管, 爆炸网络采用一点输入、六点输出形式的同步起爆网络, 六点输出同步性极限偏差在200 ns以内。通过传爆序列起爆、传爆以及隔爆能量匹配性设计及试验, 验证了传爆序列各火工元件起爆、传爆匹配性良好, 在增强对爆炸网络施主药柱隔爆措施的情况下, 施主药柱不会直接起爆战斗部主装药, 由爆炸网络起爆聚能战斗部主装药, 爆炸能量能够按照预定的路径有控制地传递, 确保了爆炸网络正常发挥作用。

聚能战斗部; 引信; 传爆序列; 冲击片雷管; 爆炸网络; 能量匹配

0 引言

弹药传爆序列一般是由一系列激发感度由高到低而输出能量由低到高的火工品组成的有序排列[1]。传爆序列的作用是把引信接收到目标的起始信号(或能量)转变为爆轰波并有效控制地逐级放大, 进而起爆战斗部主装药。根据战斗部类型的不同和起爆方式的差异, 传爆序列通常由电雷管、隔板、导爆管(或扩爆板)和传爆筒(或起爆网络板)等组成。国外对传爆序列的研究始于20世纪40年代, 在此之前, 弹药引信一直采用的是初级直列式传爆序列。19世纪90年代后期, 出现了隔爆式引信[2]。20世纪中后期, 随着引信安全系统技术的不断进步, 以及对系统安全性、可靠性要求的提高, 传爆序列逐渐由以往的错位式传爆序列向直列式传爆序列发展, 在直列式传爆序列中已不需要隔板, 由雷管正对下级火工元件, 一个显著的特征是电雷管逐渐被冲击片雷管所取代。能量匹配在传爆序列设计中的基本原则是, 上一级火工品的输出能量应大于下一级火工品的临界起爆能量[3]。起爆、传爆能量匹配性设计是传爆序列设计的核心。

文中在借鉴多型弹药传爆序列成熟技术的基础上, 以“安全可靠, 有效提高战斗部毁伤威力”为指导思想, 根据某型聚能战斗部的起爆要求, 设计了一种直列式引信传爆序列, 通过陆上试验, 验证了传爆序列起爆、传爆、隔爆的能量匹配性, 并根据试验结果对传爆序列进行了优化改进。

1 传爆序列设计

1.1 传爆序列组成

文中所述的传爆序列主要由雷管和爆炸网络组成, 其中爆炸网络包含施主药柱、导爆索和受主药柱等。

1.2 初级火工元件选型

传爆序列初级火工元件一般为电雷管, 基于传爆序列安全性、可靠性的需要以及引信全电子安全系统技术的日益成熟, 传爆序列初级火工元件一般采用冲击片雷管。冲击片雷管是目前最安全可靠的高能钝感雷管, 不含任何敏感的起爆药剂, 仅装有高密度的钝感炸药, 且换能元与药剂不直接接触, 具有很高的安全性、可靠性和高瞬发性, 可满足大型战斗部高安全性、高可靠性的起爆要求[4]。

1.3 扩爆元件设计

文中传爆序列的扩爆元件主要指爆炸网络中的传爆药柱, 负责接收冲击片雷管的起爆能量, 并将其爆炸能量传递给下级药柱, 进而起爆战斗部主装药。扩爆元件的设计重点为传爆药的品种选型和传爆药柱的结构设计。炸药的爆速和起爆威力随装药密度的增加而增加, 这有利于传爆药的起爆, 但同时随着密度的增加, 装药的感度在下降, 这不利于自身的起爆和爆轰成长。也就是说, 密度增加, 起爆能力增加的同时, 爆轰感度会下降[5]。传爆药柱需兼顾起爆能力和起爆感度, 并保证药柱有足够的强度, 防止产生裂纹及破碎。高能JH-14传爆药具有感度适中、较高爆轰输出能量、工艺性和安全性好等诸多优点[6], 根据我国当前传爆药的技术成熟度、感度和传爆药柱结构特点等实际情况, 扩爆元件原材料选用国内的JH-14C作为炸药品种, 采用压装方式。要使一定长度和直径的主装药达到稳定爆轰, 传爆药的爆速必须大于主装药的临界爆速, JH-14C的密度一般在1.2～1.7 g/cm3之间, 根据战斗部主装药的特点, 确定传爆药柱装药密度为1.6 g/cm3。

1.4 爆炸网络设计

利用爆炸网络技术, 通过多点起爆方式在主装药中形成特定的爆轰波形, 有助于提高聚能战斗部射流对目标的侵彻效果和稳定性, 满足不同聚能战斗部的需要。爆炸网络多点输出同步性指标对聚能战斗部的毁伤威力具有重要影响, 是传爆序列设计的重要指标之一。

爆炸网络按载体不同, 通常分为刚性爆炸网络和柔性爆炸网络2类。刚性爆炸网络是以刚性基板为载体的沟槽型爆炸网络[7]; 柔性爆炸网络则是利用柔性导爆索制成的爆炸网络。根据聚能战斗部设计的起爆方式以及传爆序列总体设计特点, 借鉴文献[8]~[11]等研究经验, 文中设计的爆炸网络采用柔性爆炸网络, 爆炸网络结构如图1所示, 施主药柱和受主药柱之间用柔性导爆索连接。

图1 爆炸网络结构图

爆炸网络能量传递设计为一点输入、六点输出(即“一入六出”)形式, 1发施主药柱接收冲击片雷管的起爆能量, 通过6根等长度的柔性导爆索传递, 同步起爆6发受主药柱, 再由6发受主药柱同步起爆战斗部主装药。

1.5 传爆界面设计

传爆序列的传爆界面主要有冲击片雷管-施主药柱界面、施主药柱-导爆索界面、导爆索-受主药柱界面和受主药柱-主装药界面。

1) 冲击片雷管-施主药柱界面

冲击片雷管正对施主药柱端面并与其同轴, 由于装配因素的影响, 雷管输出端面与施主药柱端面之间存在空气隙, 根据雷管起爆能量空间分布、聚黑类炸药起爆特性以及装配间隙对传爆影响等理论, 在开展一定样本量的验证试验基础上, 可以评估冲击片雷管-施主药柱传爆界面的工作可靠性。

2) 施主药柱-导爆索、导爆索-受主药柱界面

爆炸网络采用铅锑合金导爆索, JH-14C炸药起爆铅锑合金导爆索的可靠性是经过大量工程实践验证过的。铅锑合金导爆索起爆JH-14C炸药的可靠性与导爆索的索径密切相关, 导爆索索径越大, 单位长度的装药量越大, 其传爆能力越强, 但索径过大, 也会产生其他破坏性效果, 可能造成爆炸网络功能失效。所以, 选择合适的导爆索至关重要。MDF2-1铅锑合金导爆索的索径较大, 且柔韧性较好, 起爆能量较大, 能够可靠起爆JH-14C炸药压装成型的受主药柱。为确保起爆可靠性, 可在受主药柱的圆柱面上钻一定深度的小孔, 将导爆索插在受主药柱的小孔内。

爆炸网络中的施主药柱和受主药柱结构分别如图2和图3所示。

图2 施主药柱结构图

3) 受主药柱-主装药界面

图3 受主药柱结构图

受主药柱与主装药之间有一定厚度的金属层, 起爆能量传递形式为无化学反应的冲击波、爆破作用、破片飞散的综合效果, 此传爆界面的工作可靠性与受主药柱和主装药的装药品种、装药密度、起爆药柱的外形尺寸(尤其是药柱直径)、受主药柱与主装药之间的隔层材料和厚度等密切相关, 用理论计算的方法难度较大, 必须用试验加以验证。

1.6 传爆间隙设计

在传爆序列中, 雷管与导爆管之间、导爆管与传爆管之间、传爆管与战斗部装药之间, 通常不是紧密配合, 而是有空气、纸、金属等介质, 其界面间的爆轰传递只能通过冲击波、爆破作用、破片飞散实现。冲击波起爆适合于界面之间空气间隙较小或有多种金属或非金属介质的场合, 通过冲击波方式进行爆轰传递时, 界面间的介质越少越好, 介质厚度越薄越好。

1.7 起爆能量匹配设计

1.7.1 冲击波起爆临界能量

美国康培尔等人以热起爆理论为基础, 根据热平衡方程和约束关系式, 推导出著名的非均相炸药的起爆判据[12], 即

式中:为冲击波压力;为脉冲持续时间。

根据式(2)冲击波起爆判据及传爆序列、战斗部主装药选用的炸药品种特性, 计算每个传爆界面的起爆临界能量, 再留有一定裕度, 以确保每个传爆界面的工作可靠度。

1.7.2 施主药柱与受主药柱能量传递

非均相炸药的起爆过程不仅是一个热点形成的过程, 同时还包括热点的发展过程, 直至形成稳定爆轰。受主药柱中热点的形成和施主药柱-受主药柱间有效冲击起爆能量有关。药柱间的起爆状况与两药柱接触面积有关, 爆轰成长区域内, 单位表面积获得的热点能量越多, 热点的传播越容易实现, 稳定爆轰(起爆)越容易实现。施主药柱与受主药柱能量传递不仅要考虑炸药冲击起爆能量的关系, 还需注意两药柱之间的接触面积。

1.8 隔爆设计

对文中传爆序列而言, 冲击片雷管起爆施主药柱后, 施主药柱的爆炸能量不能直接起爆战斗部主装药, 而需要按爆炸网络的预置路径进行传爆, 确保爆炸网络能正常发挥作用。由于施主药柱药量较大, 存在施主药柱直接起爆战斗部主装药的风险, 故在施主药柱与战斗部主装药之间增加了隔爆设计。隔爆设计的主要内容为隔爆材料选择以及结构设计。该传爆序列隔爆垫材料为聚碳酸酯树脂, 隔爆措施由隔爆层和隔爆垫两部分实现, 外形均为实心圆柱状, 隔爆层装配在爆炸网络内部施主药柱下方, 隔爆垫放置在传爆序列外部, 位于施主药柱轴向输出端与战斗部主装药之间。

1.9 安全性设计

传爆序列要求结构简单, 便于贮存, 平时安全, 战时可靠。根据我国当前传爆序列的技术进展, 采用非电传爆系统作为传爆序列是比较理想的选择。非电传爆系统一般由钝感起爆器、传爆元件与各种功能元件组成, 能够完成电起爆分系统所能完成的起爆、传爆等功能[14]。使用非电传爆系统的目的是减少电火工装置的数量, 提高首发元件电火工品的安全性和发火能量, 从而提高系统的安全性[15]。该传爆序列即为一种非电传爆系统, 其首发电火工品为冲击片雷管, 安全性较高, 只有满足特定条件才能引爆输出。爆炸网络的安全性主要表现为JH-14C炸药的安全性和铅锑合金导爆索的安全性, 这2类火工品都属于非电火工品, 在没有雷管、导爆管等外界爆炸能量刺激的条件下, 一般不会意外输出。

1.10 可靠性设计

传爆序列界面传爆可靠性设计时, 从火工品可靠发火的极限输入能量计算可知, 当把传爆序列受主药柱当作一个火工品元件对待时, 只要来自传爆序列受主的输入能是其临界起爆能量的2倍时, 就可以认为传爆可靠。工作可靠度一般应不低于0.999(置信度0.8)。

2 起爆、传爆及隔爆匹配性试验验证

2.1 传爆序列起爆、传爆匹配性试验

起爆、传爆匹配性试验主要验证冲击片雷管起爆爆炸网络的施主药柱、施主药柱起爆导爆索、导爆索起爆受主药柱、受主药柱起爆模拟主装药等环节的起爆、传爆功能是否正常, 火工元件设计是否合理, 并检测爆炸网络6发受主药柱的爆炸同步性, 测试6个输出点的起爆同步性极限偏差。

爆炸网络组装完毕后, 将其装配至网络基板上(如图4所示), 再盖上盖板, 形成起爆网络板。起爆网络板施主药柱下方设计有隔爆层, 起爆网络板中心的雷管座用于接插冲击片雷管。

图4 装配爆炸网络的网络基板

利用电探针法进行起爆网络板爆炸同步性能测试, 分别在每个输出起爆点下方布置1只测试探针(如图5所示), 当爆轰波传到同步爆炸网络输出起爆点端面时, 测试探针将爆轰波信号转换为电信号输入到示波器, 由示波器记录同步起爆网络起爆点作用的同步性信号, 即测试每只探针的闭合时间并以此作为起爆点作用的同步性信息。将起爆网络板放置于一块钢质见证板上进行起爆、传爆匹配性试验(如图6所示), 试验数量3发。

图5 布置探针的起爆网络板

图6 待试的起爆网络板

雷管起爆后, 见证板被炸出6个明显的凹痕, 且凹痕规则地排列呈圆周形(如图7所示), 表明起爆网络板施主药柱被冲击片雷管成功起爆, 6发受主药柱均被导爆索引爆。

图7 被起爆网络板炸后的见证板

经测试, 3次试验6个起爆输出点的起爆同步性极限偏差测试结果见表1, 输出同步性良好, 最大同步性极限偏差为195 ns。此外, 见证板中心部位出现一定深度的被爆炸冲击过的痕迹, 表明起爆网络板施主药柱爆炸后, 虽然因隔爆层的作用对施主药柱的轴向爆炸能量产生了一定衰减, 但还存在着施主药柱可能直接起爆战斗部主装药的风险, 必须采取一定隔爆措施, 消除风险。

表1 输出同步性测试数据

3次试验结果表明, 冲击片雷管起爆施主药柱、施主药柱起爆导爆索及导爆索起爆受主药柱等环节能量匹配性良好。

2.2 传爆序列与模拟主装药起爆匹配性试验

传爆序列与模拟主装药起爆匹配性试验按图8所示的方法进行布置, 试验数量3发。试验时采用同步爆炸网络的局部结构进行, 模拟主装药置于见证板上, 在模拟主装药端面上放置爆炸网络局部结构的受主药柱, 并根据起爆网络板结构设计情况, 在受主药柱与模拟主装药之间放置金属隔层, 受主药柱上端面放置雷管座, 用来安装起爆受主药柱的雷管。

图8 起爆匹配性试验产品布置示意图

3次试验受主药柱均可靠起爆了模拟主装药, 被炸后的见证板如图9所示, 传爆序列受主药柱与模拟主装药之间能量匹配性良好。

2.3 传爆序列隔爆匹配性试验

隔爆匹配性试验采用起爆网络板中的施主药柱和局部基板结构进行。隔爆匹配性试验按图10所示的方法布置, 试验数量6次。施主药柱被起爆后, 若模拟主装药殉爆, 判定隔爆措施无效; 否则, 判隔爆措施有效。隔爆垫材料为聚碳酸酯树脂, 作为隔爆层隔爆效果的补充。

图9 被模拟主装药炸后的见证板

图10 隔爆匹配性试验产品布置示意图

第1发试验隔爆垫厚度为5 mm, 施主药柱被冲击片雷管起爆并震碎了模拟主装药, 见证板上洒落着模拟主装药的颗粒和粉末, 没有发生殉爆现象, 初步表明增加5 mm的隔爆垫后隔爆措施有效。

鉴于第1发试验模拟主装药未发生殉爆, 第2发试验时去掉隔爆垫, 施主药柱与模拟主装药正对, 两者之间仅有一层局部基板结构底部的金属材料。起爆后, 模拟主装药发生了殉爆, 见证板被炸出较大的凹坑, 并产生破裂。

第3～第6发试验时, 均用厚度为5 mm的隔爆垫, 施主药柱均被冲击片雷管可靠起爆, 模拟主装药被震碎, 未发生殉爆。表明在有隔爆层的基础上, 在施主药柱与主装药之间再增加5 mm厚的聚碳酸酯树脂材料的隔爆垫, 能够起到有效隔爆作用。6发试验的见证板如图11所示。

6发起爆、传爆匹配性试验和6发隔爆匹配性试验表明, 文中设计的传爆序列各火工元件起爆、传爆匹配性良好, 冲击片雷管能够可靠起爆爆炸网络的施主药柱, 铅锑合金导爆索MDF2-1能够良好接收和传递施主药柱的爆炸能量, 并可靠引爆受主药柱, 6发受主药柱同步输出爆炸能量, 产生特定起爆方式, 起爆战斗部主装药。爆炸网络隔爆功能设计还有待加强, 在原有隔爆措施(隔爆层)基础上, 在施主药柱与主装药之间再增加不小于5 mm厚的聚碳酸酯树脂材料的隔爆垫, 能够有效起到隔爆作用, 确保爆炸网络能够有效发挥作用。

图11 隔爆试验后的见证板

3 传爆序列设计改进

经过传爆序列设计和起爆、传爆、隔爆匹配性验证试验, 结合传爆序列对高安全性、高可靠性的需求, 可对传爆序列进行一系列优化改进设计, 满足系统更高的使用需求。

3.1 雷管

采用冗余设计原则, 传爆序列的初始火工元件由1发冲击片雷管改进为2发冲击片雷管的组合, 并将2发冲击片雷管固定于一个金属结构中, 形成雷管组合件。

3.2 施主药柱

参考文献[3], 考虑到雷管与导爆索直径匹配与传爆的关系, 兼顾输入感度和威力两方面, 并结合雷管组合件采用冗余设计的优化改进, 将爆炸网络施主药柱改进为由2个小药柱和一个带2个小孔的大药柱组合而成, 2个小药柱分别对准雷管组合件的2个冲击片雷管。为提高施主药柱的起爆感度, 2个小药柱的密度较带孔大药柱的密度低约0.5 g/cm3。

3.3 受主药柱

为提高受主药柱起爆战斗部主装药的可靠性, 其外形尺寸较之前有所增大, 相应提高了装药量。

3.4 导爆索

爆炸网络之前采用的铅锑合金导爆索, 外壳为铅锑合金, 具有良好的柔性。考虑到以后起爆网络有可能也采用冗余设计, 如果爆炸网络由于输出起爆点过多产生导爆索之间搭接的情况, 则铅锑合金导爆索会在2根导爆索搭接的地方产生传爆干扰, 可改用限制性导爆索代替。传递爆轰时, 限制性导爆索的包覆层能将爆轰产物及碎片封闭在金属壳内而不损坏相邻零部件, 无污染性。限制性导爆索索芯较细、单位长度药量较小、输出能量较小, 在被施主药柱起爆后, 再起爆受主药柱可靠性较低, 借鉴文献[16]~[17]的研究经验, 将限制性导爆索设计为导爆索组件。在导爆索输出端头加装传爆接头, 传爆接头内部装填炸药HNS-Ⅳ。工作时, 施主药柱引爆限制性导爆索, 限制性导爆索传递爆轰起爆传爆接头中的HNS-Ⅳ, 再由HNS-Ⅳ起爆受主药柱。相关研究表明[18-20], HNS-Ⅳ炸药的起爆判据已经得到了充分掌握, 起爆能量匹配设计能够得到保证。此举虽然增加了传爆环节, 但传爆接头的加入降低了导爆索不能直接起爆受主药柱的技术风险, 提高了导爆索组件传爆的可靠性。

3.5 爆炸网络

在施主药柱和受主药柱结构改变、导爆索由铅锑合金导爆索更改为限制性导爆索的情况下, 传爆序列的爆炸网络也需做相应结构调整，但传爆线路保持不变。

3.6 隔爆块

将隔爆层与隔爆垫合并设计为隔爆块, 隔爆块作为传爆序列的一部分, 厚度不小于隔爆层与隔爆垫厚度之和, 结构设计可结合起爆网络板的结构设计统筹考虑。

4 结论

文中设计的引信传爆序列采用具有高安全性、高可靠性、高瞬发性特点的冲击片雷管作为首发元件, 双发雷管冗余合并为雷管组合件, 提高了传爆序列的可靠性; 爆炸网络采用“一入六出”形式的同步网络, 能够产生特定起爆波形, 满足聚能战斗部使用需求; 施主药柱、受主药柱选用传爆药JH-14C, 施主药柱由具有密度差的3发药柱组合而成, 最大化满足冗余设计准则且易于起爆; 传爆通道由限制性导爆索与传爆接头有机结合, 不但能提高导爆索传爆可靠性, 并且为爆炸网络传爆线路冗余设计预留了空间; 采用一定厚度的聚碳酸酯树脂材料设计成隔爆块, 能够有效衰减施主药柱的爆炸能量, 避免施主药柱直接起爆战斗部主装药, 确保爆炸网络能够正常发挥作用。上述设计大幅提高了传爆序列的安全性和可靠性。传爆序列起爆、传爆及隔爆匹配性试验验证了传爆序列各火工元件起爆、传爆匹配性良好, 在增强对爆炸网络施主药柱隔爆措施的情况下, 施主药柱不会直接起爆战斗部主装药, 爆炸能量将按照预定的路径有控制地传递。

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Design and Test of Energy Matching for Detonation Train of Fuze

CUI Yin-feng1, ZHOU Wei-jiang1, KANG Le2

(1. Department of Mechanical and Electronic Engineering, Army Special Operations Academy of PLA, Guangzhou 510502, China; 2. 92493thUnit, the People’s Liberation Army of China, Beijing 101400, China; 3. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

A detonation train suitable for shaped-charge warhead direct-line fuze is designed according to its actual demand. Impact detonator is used for the primary pyrotechnic components. The explosion network adopts synchronous initiation network in the form of ‘one point input and six-point output’, and the synchronization limit deviation of the six-point output is within 200 ns. Through design and test of the energy matching in detonation train initiation, explosion spreading and explosion suppression, it is proved that all components in detonation train have good energy matching in the initiation and explosion spreading phases. In the case of enhancing explosion suppression for explosion network donor grainl, the donor grainl does not directly initiate the main charge in warhead, and the explosive energy will transfer along the predetermined path in a controlled manner to ensure that the explosion network works properly and the main charge in the shaped-charge warhead is initiated by the explosion network.

shaped-charge warhead; fuze; detonation train; impact detonator; explosion network; energy matching

TJ630.1; TJ410.1

A

2096-3920(2020)03-0337-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.015

2019-06-17;

2019-08-14.

崔银峰(1982-), 女, 讲师, 主要研究方向为计算机科学与技术.

崔银锋, 周伟江, 康乐. 引信传爆序列能量匹配性设计与试验[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 337-344.

(责任编辑: 杨力军)