疊氮化鉛驅動飛片起爆下級裝藥的試驗研究

賀 翔，楊立欣，董海平，李朝振，嚴 楠，樊志偉

(1 北京理工大學機電學院，北京 100081；2 北京空間機電研究所，北京 100094；3 中國電子科技集團公司光電研究院，天津 300308；4 西安航天動力技術研究所，陜西 西安 710025)

0 引言

微機電引信是中小口徑彈藥引信發展的重要方向,其對火工品傳爆序列提出了低發火能量、更小裝藥量、可靠間隙傳爆的要求?，F有型號雷管的最小尺寸約為Φ2.54 mm×4 mm,輸出壓力約12 GPa,在底部裝有飛片情況下可以實現毫米量級的間隙起爆。但其裝藥尺寸、輸出威力過大,不能滿足微型化和安全隔爆的需求。因此,有必要減小起爆元件的裝藥量,研究起爆元件的臨界條件。

疊氮化銅因其爆炸性能好、極限藥量小,再結合原位裝藥工藝,適用于微機電引信裝藥。美國陸軍和海軍提出了微尺寸、原位裝藥的疊氮化銅、疊氮化銀驅動飛片起爆CL-20或HMX基導爆藥式的微型傳爆序列,隔爆元件為鎳或硅材料;起爆藥和隔爆件的特征尺寸在亞豪米級;現已經在單兵武器、集束彈藥中裝備[1-2]。郭俊峰等[3]介紹了一種疊氮化銅驅動鈦飛片起爆HNS-Ⅳ式的傳爆序列,仿真中的疊氮化銅為亞豪米尺寸。Feng等[4]研究了硅材料復合銀、銅、鎳、聚酰亞胺結構,隔爆微尺寸疊氮化銅的性能,結果表明硅復合聚酰亞胺結構具有最佳的隔爆效果。解瑞珍等[5-7]提出了一種疊氮化銅驅動鈦飛片起爆CL-20基導爆藥式的微型傳爆序列;發火能量15 V/33 μF、起爆藥CuN6質量約7.8 mg時可靠起爆,鎳厚度0.3 mm時可安全隔爆。

疊氮化鉛是最常用的起爆藥,制備和壓藥等工藝成熟,且相對于疊氮化銅更加鈍感,實用性更強。王浩宇[8]試驗得出疊氮化鉛驅動飛片起爆HNS-IV的藥量約為14 mg。賀翔等[9]建立了疊氮化鉛裝藥驅動鈦飛片的仿真模型,分析了傳爆序列結構參數和飛片速度、能量的關系。目前國內對于微尺寸疊氮化鉛驅動飛片起爆下級裝藥試驗研究的報道較少。文中通過試驗研究了發火電壓、點火藥藥量、起爆藥藥量、隔爆元件材料和厚度對于疊氮化鉛裝藥驅動飛片的影響。

1 微型傳爆序列樣機設計

微型傳爆序列的組成如圖1所示。

圖1 微型傳爆序列各部件實物圖Fig.1 The physical diagram of each component of the micro detonation sequence

為了使發火單元與其它部件結合,設計了帶有通孔的套筒,將橋區結構置于其中,形成點火藥的涂藥容腔。點火藥為三硝基間苯二酚鉛(LTNR),粒度約70 μm。起爆藥為羧甲基纖維素-疊氮化鉛(CMC-Pb(N3)2),內徑為0.9 mm,裝藥高度分別為0.6～2.4 mm,壓藥壓強188 MPa,每次稱藥約1 mg,多次壓藥以保證裝藥密度不低于理論值3.834 g/cm3。導爆藥柱為超細HNS-IV,尺寸Φ3 mm×3.7 mm,套筒外徑為8.9 mm,裝藥密度為1.6 g/cm3,藥量約為42 mg。飛片材料為鈦,厚度為80 μm。隔爆件的材料為鎳、硅、鈹銅,這三種材料為微安保機構常用加工材料。加速膛材料為不銹鋼,內徑0.6 mm,厚度0.15 mm或1 mm。當進行傳爆或者爆壓測試試驗時,選用1mm厚加速膛,同時去除隔爆件;當進行隔爆試驗時,選用0.15 mm厚加速膛和不同厚度的隔爆件;該種設計是為了模擬安保機構的解除保險和保險狀態。

圖2為微型傳爆序列的樣機裝配圖。發火單元、起爆藥、傳爆藥分別配有套筒和底座,材料為2A12鋁;從底座下部的3個對稱位置插入十字沉頭螺栓,再配合套筒、螺母將各個部件定位和固定。傳爆序列樣機整體直徑為18.9 mm,高度為7.33～9.83 mm,體積為2.056～2.758 cm3;高度的變化考慮了起爆藥高度和傳爆、隔爆兩種狀態。文獻[7]中的微型傳爆序列的直徑與本文相近,體積約3 cm3。

圖2 微型傳爆序列樣機Fig.2 Prototype of micro detonation sequence

1.1 試驗項目及目的

將試驗分為傳爆試驗、隔爆試驗、爆壓測試來研究發火能量、起爆藥藥量、隔爆件材料和厚度、點火藥藥量對于氮化鉛驅動飛片的影響。

1.2 試驗原理

1.2.1 傳爆試驗

當疊氮化鉛裝藥直徑為0.9 mm時,其輸出壓力隨著裝藥量增大而增大,在裝藥高度大于1.8 mm后,壓力輸出趨于平緩[10]。因此,疊氮化鉛裝藥直徑為0.9 mm,裝藥高度分別為1.2 mm、1.6 mm、1.8 mm、2.4 mm,來研究起爆藥裝藥量的影響。

微型傳爆序列的發火能量直接影響其輸出能量,設計發火電容為68 μF,發火電壓分別為5 V、10 V、15 V、20 V來研究發火能量的影響。

用鋼鑒定塊試驗來驗證序列的起爆能力,用表筆測試試驗后的鋼凹最大深度,如圖3所示。以鋼鑒定塊的鋼凹深度大小來判定HNS-IV是否被起爆;且鋼凹深度越大,HNS-IV輸出壓力越大。

圖3 鋼凹數據采集表筆Fig.3 Steel concave data acquisition probe

傳爆試驗的原理如圖4所示。發火電源為儲能放電儀,發火電容為鉭電容。

圖4 傳爆和隔爆試驗的連接原理圖Fig.4 Connection principle diagram of detonation and explosion-proof test

1.2.2 隔爆試驗

隔爆元件的厚度是設計的重要指標:厚度既要滿足在傳爆條件下可以使得飛片有足夠的加速距離,又要在隔爆條件下使得沖擊波衰減;過厚的隔爆元件增加了加工的難度和序列的體積,微機電安保的厚度一般小于1 mm。

隔爆試驗與傳爆試驗的裝配過程類似,不同之處為在飛片和HNS-Ⅳ間加入隔爆件。設計鎳、硅隔爆件的厚度分別為:0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm;0.4 mm、0.5 mm、0.8 mm。

隔爆件需分別滿足臨界隔爆厚度和安全隔爆厚度兩個要求。臨界隔爆厚度是使得隔爆件后藥柱發生爆轟時對應的隔爆件臨界厚度。根據相關標準,隔爆裝置后的爆炸元件不能發生引爆、破片侵徹和穿孔、燃燒、燒焦或熔化的現象,將這種隔爆狀態稱為安全隔爆狀態,對應的隔爆件厚度稱為安全隔爆厚度。安全隔爆厚度是一定裕度下的臨界隔爆厚度。

通過觀察隔爆后HNS-Ⅳ的狀態和鋼凹深度等,來分析其隔爆效果,進而分析不同材料對應的臨界和安全隔爆厚度。隔爆試驗測試連接原理如圖4所示。

1.2.3 爆壓測試

微型錳銅壓阻傳感器是錳銅壓阻測試系統核心部件,該傳感器的敏感元區域不足0.04 mm2,適合裝藥直徑低于1 mm的壓力測試,結構如圖5所示。

圖5 H型微型錳銅壓阻傳感器結構示意圖Fig.5 Structure diagram of H-type miniature manganin piezoresistive sensor

在受到沖擊波作用時,H型微型錳銅壓阻傳感器的敏感區域電阻將發生變化,根據電阻變化量標定出壓力變化量。壓力測試范圍為0～26 GPa,輸出壓力和傳感器電阻變化量的關系為:

(1)

式中:ΔR/R為傳感器的電阻相對變化量;p為待測樣品的輸出壓力。

在文獻[11]的爆壓測試中,利用高速脈沖同步恒流源,同時輸出兩路8.9 A的電流,一路用于起爆,一路用于傳感器供電。本次試驗中傳爆序列加入了低能發火半導體橋,需要測試其在電容放電發火下的輸出壓力,因此對爆壓測試系統進行了改進,設計出滿足電容放電起爆的爆壓測試系統。

在改進的測試系統中高速脈沖同步恒流源只作為傳感器供電源,起爆電能由高電壓電容充電儀提供。需要考慮沖擊波到達傳感器的時間對信號捕捉帶來的影響。微型傳感器不能承受8.9 A的電流超過50 μs,因此高速脈沖同步恒流源為傳感器提供的電流脈寬為50 μs;當采用恒流8.9 A起爆時,沖擊波到達傳感器的時間低于50 μs,傳感器的電阻變化易被示波器捕捉到。當采用電容放電和改變點火藥裝藥量發火時:首先應確定點火藥發火延滯期,如表1所示,每種發火電能下取平行樣5發,求其均值;15 V對應的發火延滯期散差小,選為起爆電壓;再通過傳感器上的發火電信號變化,確定沖擊到達時間的范圍。

表1 不同發火電壓下的SCB/LTNR發火延滯期Table 1 The ignition delay time of SCB/LTNR under different ignition voltages

圖6中曲線1為傳感器上的電壓信號,曲線2為電容充電儀的發火電信號,第二次擾動時刻對應沖擊波達到傳感器的時刻。在恒流持續時間范圍內,沖擊波到達傳感器,則電阻變化信號被捕捉到,如圖6(a)所示。若時序調節不當,則無法捕捉到曲線1上的電信號變化,如圖6(b)所示。

圖6 爆壓測試電信號圖Fig.6 Electrical signal diagram of detonation pressure test

數字脈沖延遲發生器能被電容充電儀觸發,并且可以設置延遲觸發高速脈沖同步恒流源的時間。通過設置延遲發生器的延遲時間,使得延遲時間加上50 μs,稍大于沖擊波達到傳感器的時間,完成測試系統的時序調節。

設備連接原理、實物和傳感器焊接情況分別如圖7和圖8所示。設置15 V/68 μF的發火電能,高電壓電容充電儀給予傳爆序列起爆能量,同步觸發數字脈沖延遲發生器;延遲發生器延遲觸發高速同步脈沖恒流源;給予傳感器8.9 A/50 μs的恒流;在恒流源供電時間內,沖擊波到達傳感器產生電阻變化,電信號由示波器采集。

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圖7 電容放電下的爆壓測試系統原理圖Fig.7 Schematic diagram of detonation pressure test system under capacitance discharge

圖8 爆壓測試系統連接實物圖Fig.8 Connection physical diagram of detonation pressure test system

1.3 試驗設備

試驗設備:南理工高電壓電容充電儀;KEYSIGHT DSOX4104A示波器;MH4E高速脈沖同步恒流源,型號BITA260;北理工制小型爆炸罐;BNC數字脈沖延時控制器;H型錳銅壓阻傳感器。

2 試驗結果與分析

2.1 傳爆試驗

測得直徑為0.9 mm,裝藥高度為1.2～2.4 mm的疊氮化鉛裝藥驅動0.08 mm的鈦飛片,經過1 mm間隙起爆HNS-IV的試驗結果如表2所示。在試驗中發現微型傳爆序列的輸出能力與發火電量有直接關系。當發火電能為5 V/68 μF時,半導體橋電爆發火,Pb(N3)2的高度從1.2 mm增大到2.4 mm,HNS-IV未發生爆轟,鋼凹深度為0 mm。當發火電能為10 V/68 μF和15 V/68 μF,Pb(N3)2高度增大到1.8 mm時,HNS-IV爆轟,且鋼凹深度增大。當發火電能為20 V/68 μF,Pb(N3)2的高度同樣需要達到1.8 mm后,HNS-IV才發生爆轟,但鋼凹深度下降。

表2 傳爆試驗結果Table 2 Test results of explosion transmission

發火電能5 V/68 μF對應的數據表明:當發火電能較低時,增大起爆藥藥量也不能傳爆。起爆藥高度1.2 mm對應的數據表明:當起爆藥藥量較低時,增大發火電能也不能傳爆。發火電能和起爆藥藥量均對疊氮化鉛驅動飛片的能力有較大影響,并且二者需要同時滿足一定條件才能起爆傳爆藥。最終確定起爆HNS-Ⅳ時Pb(N3)2的裝藥高度h,實際裝藥質量me,發火電能Ee分別為:1.6 mm

觀察到傳爆序列試驗后的形貌如圖9～圖11所示。HNS-IV未爆轟時,在飛片沖擊后,傳爆藥的上部被熏黑,并存在凹坑。推測傳爆藥應發生過嚴重的燃燒、爆燃反應,隨著輸入能量的增加,現象更顯著。輸入能量較低時,傳爆藥的底部發生了輕微的熔化現象;輸入能量增大后,產生了更明顯的燒焦、熔化現象。

圖9 不同輸入能量下HNS-IV未起爆時的正面形貌Fig.9 The front morphology of HNS-IV without detonation under different input energy

圖10 不同輸入能量下HNS-IV未起爆時的底部形貌Fig.10 The bottom morphology of HNS-IV without detonation under different input energies

圖11為鈦片被剪切后的正面形貌:剪切孔呈較為規則的圓形,孔徑接近,不同輸入能量下剪切飛片的差異不顯著。

傳爆序列爆轟后的形貌如如圖12所示。傳爆藥被炸無,底座和螺栓炸裂,加速膛和起爆藥套筒產生變形,鋼鑒定塊產生了明顯的凹坑。

圖12 爆轟后的傳爆序列和鋼凹的實物圖Fig.12 Physical picture of detonation sequence and steel concave after detonation

序列滿足起爆導爆藥的最小發火能量和起爆藥裝藥量分別為3.4 mJ(10 V/68 μF)和Φ 0.9 mm×1.8 mm(4.7 mg)。文獻[5]中,疊氮化銅驅動飛片起爆下級裝藥的最小發火能量和裝藥量分別為3.7 mJ和7.87 mg。二者的發火能量接近,疊氮化銅比疊氮化鉛所需的藥量大。

2.2 隔爆試驗

試驗的發火能量為10 V/68 μF,起爆藥尺寸Φ 0.9 mm×1.8 mm。在隔爆件上放置帶有Φ 0.6 mm×0.15 mm通孔的不銹鋼蓋片,模擬安保機構的上蓋板。通過觀察隔爆試驗后HNS-Ⅳ的狀態和鋼凹深度等,來分析其隔爆效果。

表3給出了隔爆試驗的測試結果,鎳隔爆件厚度為0.3 mm時,傳爆藥仍發生了爆轟;其它材料和厚度條件下,傳爆藥沒有發生爆轟,但發生了不同程度的反應。

表3 隔爆試驗結果Table 3 Results of explosion-proof test

由圖13和圖14分析,鎳隔爆件厚度為0.32 mm時,隔爆件被飛片撞擊出凹坑;傳爆藥也產生了凹坑,并且凹坑附近炸藥被燒焦,推測傳爆藥發生了一定程度的燃燒反應,未發生等級更高的反應。鎳隔爆件厚度為0.53 mm和0.7 mm時,傳爆藥仍產生凹坑和燒焦現象,但程度下降。鎳隔爆件的臨界隔爆厚度接近0.32 mm,安全隔爆厚度大于0.7 mm。

圖13 不同厚度的鎳隔爆元件對應的導爆藥狀態Fig.13 State of booster explosive corresponding to nickel explosion-proof elements with different thicknesses

圖14 不同厚度的鎳隔爆件試驗后的形貌Fig.14 Morphology of nickel explosion-proof elements with different thickness after test

硅隔爆件的隔爆效果如圖15所示。硅隔爆件被炸碎,厚度為0.4 mm、0.5 mm、0.8 mm的硅隔爆件分別呈細粉末狀、粉末狀和碎塊狀。硅材料與鎳材料相比,傳爆藥的燒焦、凹坑、端面被炸松散的現象更顯著,并且還發生了傳爆藥徑向膨脹和上層裝藥被炸無的現象,硅材料的隔爆效果不如鎳材料。硅材料的臨界隔爆厚度小于0.4 mm,安全隔爆厚度大于0.8 mm。

圖15 不同厚度的硅隔爆元件的隔爆效果Fig.15 Explosion-proof effect of silicon with different thickness

2.3 爆壓測試

改變點火藥LTNR的裝藥高度為0.25 mm、0.65 mm、1.25 mm,疊氮化鉛尺寸為Φ0.9 mm×1.6 mm,發火能量15 V/68 μF,通過測試疊氮化鉛起爆后的壓力,來研究點火藥藥量對其起爆能力的影響。由表4可以看出,起爆層的輸出壓力在3.85～4.80 GPa;輸出壓力和LTNR藥量未表現出規律性,LTNR藥量雖然變化了5倍,但對應的輸出壓力均值為4.322～4.658 GPa,差別較小;因此,認為點火藥藥量對起爆層的輸出壓力無影響,起爆層壓力與Pb(N3)2藥量有關。

表4 爆壓測試結果Table 4 Results of detonation pressure test

隨著點火藥藥量增大,沖擊波到達傳感器界面的時間線性下降;起爆藥爆壓的平均值變化量不大,并且沒有表現出規律性。試驗結果表明:點火藥藥量影響的是傳爆序列的作用時間,而起爆元件的輸出壓力不受點火藥藥量的影響。

3 結論

提出了一種微尺寸疊氮化鉛驅動鈦飛片起爆HNS-IV的傳爆序列,并研究了發火能量、起爆藥藥量、隔爆元件材料和厚度、點火藥藥量對傳爆序列的影響,得出以下結論:

1)需要同時滿足最小發火能量與起爆藥藥量條件才能成功起爆下級裝藥。最小發火能量3.4 mJ,最小起爆藥裝藥量4.7 mg。

2)鎳厚度為0.32～0.7 mm,硅厚度為0.4～0.8 mm時,導爆藥不發生爆轟,但產生了凹坑、燒蝕、藥粉松散的現象。鎳隔爆件的臨界隔爆厚度接近0.32 mm,而安全隔爆厚度大于0.7 mm。硅隔爆件的臨界隔爆厚度小于0.4 mm,而安全隔爆厚度大于0.8 mm。鎳材料的隔爆效果強于硅材料。

3)點火藥藥量變化對起爆藥輸出壓力無顯著影響;隨著藥量增大,沖擊波到達時間線性下降。