火工品安全性影响因素分析

李 陵，但 波，倪保航，万 宇

（1.海军装备部，北京 100841；2.海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台 264001）

0 引言

火工品作为点火或引爆控制系统的核心部件，受一定的初始冲能作用即可燃烧或爆炸，以产生预期的功能。火工品具有独立首发和一次性作用的特点，其安全性直接影响武器系统的效能[1]。

目前，国内外关于火工品安全性的研究主要集中于电火工品[2-4]，对于其他类火工品如机械能、热能、光能和化学能火工品的安全性影响因素研究较少且没有形成相关体系。为此，本文通过分析各种火工品安全性的影响因素，提出了合理可行的防护措施，为火工品的使用和安全防护提供理论参考。

1 火工品种类

火工品种类繁多，有多种不同的分类方法。按输出特性可分为引燃火工品、引爆火工品；按结构的状况可分为简单火工品和复杂火工品；按输入激发能形式可分为机械能激发火工品、热能激发火工品、电能激发火工品、光能激发火工品、化学能激发火工品和爆轰能激发火工品。

造成火工品意外失效的影响因素与激发火工品所提供的外界初始能源形式有关。作为首发火工品时，靠机械能（击针）起爆；用作中间火工品时，大多用热能起爆，同样包括用电能、光能与爆轰能激发的火工品。

2 火工品影响因素分析

2.1 机械能火工品

机械能火工品在受到摩擦、针刺和撞击的作用下，发火引爆炸药。其中摩擦类包括拉发雷管和拉火管，针刺类包括雷管和火帽，撞击类包括火帽和底火。机械火工品在不同作用方式下的工作原理相同，以一种具有代表性的针刺雷管进行说明，其典型结构如图1所示。

图1 针刺雷管结构图

图1中，加强帽在击针刺入雷管时变形，并减弱击针的部分动能。当击针继续刺入至针刺药后，处于击针附近的药剂压力增加，击针对药剂产生挤压和摩擦，药剂之间也由于受力不均而互相挤压和摩擦，并在击针附近的药剂中产生了热点[5]。随着击针的继续刺入，热点不断向药层深处发展。“热点”的温度足以引起针刺药剂爆发，并相继引爆起爆药和猛炸药。针刺雷管中击针受到的撞击越大，其刺击速度越大，雷管越容易发火。因此，机械能火工品的安全性影响因素主要包括火工品在生产加工、装配、勤务处理和运输等过程中的震动、撞击、摩擦等机械力。

2.2 热能火工品

热能火工品在受到上一级火工品作用产生的火焰和绝热压缩下，引起发火。热能火工品主要包括火焰和绝热压缩两大类。火焰类包括导火索和火焰雷管，绝热压缩类包括压空火帽等。其中火焰雷管的典型结构如图2所示。

图2 火焰雷管结构图

图2中，火焰雷管输入端覆盖有绸垫。当火帽产生的火焰由绸垫上方小孔传入引爆三硝基间苯二酚铅从而引爆起爆药和猛炸药。从图1和图2中可知火焰雷管与针刺雷管的结构基本相同。火焰雷管靠火帽产生的火焰作用，而产生火焰的能量主要来自针刺和撞击作用，这与击针刺入针刺药的方式相同。因此，从热能火工品的典型结构和作用方式可知，其安全性影响因素和机械能火工品类似。

2.3 电能火工品

电能激发的火工品主要包括电雷管、底火及各种点火具，主要有电流发火和击穿发火两种作用方式。

2.3.1 电流发火

以具有代表性的灼热桥丝式电雷管进行说明，其典型结构如图3所示。图中，当电流通过桥丝时，桥丝发热，以热量的方式引爆周围的起爆药。桥丝式电火工品中的两根金属引出线分别与桥丝两端相连。当处于电磁场中时，引线起到了天线的作用，能够吸收电磁场中的射频能，导致电火工品意外发火或失效[6]。

图3 灼热桥丝式电雷管结构图

人体静电也是引起电火工品意外发火的一个重要因素。当聚集了静电的人体与火工品直接或间接接触时，就有可能使火工品内部造成静电放电。人身静电能量W为[7]：

式中：C为人体的等效电容；U为人体所带电压。

则通入电桥的能量W′为：

式中：r 和R分别为桥丝电阻和人体电阻。

取人体等效电容为500 pF，所带电压为25 kV，电阻为5 kΩ，桥丝电阻为1 Ω，计算得W′为0.03×10-3J。此能量可以使火花式和桥丝式电火工品发火。

2.3.2 击穿发火

以火花式电雷管进行说明，其典型结构如图4所示。

图4 火花式电雷管结构图

在火花式电雷管两极间加的电压超过某一临界值时，介质将失去绝缘特性，在几十ns时间内，电阻可从数百亿Ω降至几Ω，电流可突升至几十至几百A，这样大的电流通过两极间引起火花式电弧，使雷管爆炸。

静电的高电压，虽然能量不大，但在适当的条件下，足以起爆火花式电火工品。此外一些绝缘物体带电，生产车间粉状炸药流动时产生的静电等等，电压都较高，常达到103～104V，这种静电能够直接引爆火花式电火工品。

因此，电能火工品的安全性影响因素主要包括静电和射频等干扰。并且随着科技的发展以及通讯手段的现代化，战场电磁环境越来越复杂，电磁辐射对武器的危害日益突出，使得电火工品的意外失效几率增加。

2.4 化学能激发火工品

化学能火工品指的是在作用时通过化学反应，达到引发点火的目的。以酸点火管装置为例进行说明，其典型结构如图5所示。[8]

图5 酸点火管装置结构图

使用时拧紧螺盖挤碎玻璃瓶，使酸液从四个孔渗入反应室，延期杆暴露部分被逐步腐蚀，开始计时。当延期杆被腐蚀断时释放击针，击针在击针簧推力下戳击火帽，最后起爆主装药。从上述分析可知，化学能火工品的安全性影响因素主要与化学药剂的性质和击针的正常动作有关。因此，温度、湿度、霉菌、振动、跌落和碰撞等均能影响化学火工品的正常作用。

2.5 光能火工品

光能火工品的作用采用的是激光点火，而激光点火属于热点点火机理。当能量较高的激光束照射到药剂表面上，除去部分被反射外，其余部分被药吸收，转变为热能，使药温升高，达到药剂发火点而被引发。激光发火装置典型结构如图6所示[9]，图中，激光器产生的激光，经过光学纤维的传播，最后由点火剂吸收入射激光并达到其自燃温度时药剂发火。在激光发火装置上面需密封一块光学性能优良，能传播红外光的窗口玻璃窗，它的作用是从光纤平行地接收激光束。由激光发火装置原理可知，影响光能火工品的安全性因素主要与温度有关。

图6 激光发火装置结构图

3 防护措施

对以上各种火工品的安全性影响因素分析可知：机械能、热能、光能和化学能火工品的影响因素主要包括机械振动、摩擦、撞击、环境温度。其中热能火工品和机械能火工品的防护措施相似，主要针对环境中的机械力作用及摩擦热进行防护，尽量避免在生产和勤务处理过程中的物理碰撞以及摩擦。

化学能火工品除击针刺击外，还包括化学反应释放击针环节，其影响因素因此较多，其防护措施除机械能火工品影响因素外，还需要注意防霉菌，控制储存环境的温、湿度以及防止化学药剂意外泄漏。

电能火工品受机械力、环境温度的影响较小，主要受静电和射频的干扰。

防静电的方法有：采用防静电材料、采取接地法、泄漏法、静电屏蔽法、静电中和法。其中采取接地是使已产生的静电电荷比较容易地泄漏、消散，以避免静电的积累。接地是火、化工企业消除静电危害最简单、最有效的办法。但接地主要是消除导电体上的静电，而不能用来消除绝缘体上的静电。静电接地就是利用金属导体将静电荷通过引下线与接地装置相连。防射频的方法有：在电路系统性能上可以改进电路系统的设计，使进入电路的能量尽量小，可以把整个电路系统严密地屏蔽起来，也可以采用射频衰减器、射频泄放式电爆装置、射频屏蔽式电爆装置、半导体桥起爆器、射频钝感蛇形电阻器式点火元件。另外在产品设计上尽可能地提高电火工品的发火能量。可采用射频衰减塞子，如用钛酸钡、铁素体等粉末材料压制成。同时，电能火工品还应该注意防雷安全。

光能火工品受外部影响最小，主要受温度影响，其防护措施主要针对储存环境温度进行控制。另外，与常规的点火系统相比，光能火工品结构简单，省去了传统的热桥类装置所用的金属引线、桥丝、放电器、陶瓷头等。同时由于光纤是点火器与外部的惟一联系，所以传统点火系统中的感应电磁干扰信号已不存在。激光技术的应用，更有利于对付高电磁干扰环境的干扰。

4 结论

对各种火工品典型结构、作用原理及安全性因素进行的分析具有一定的系统性。分析出各种火工品的防护措施中：热能火工品和机械能火工品主要针对环境中的机械力作用及摩擦热进行防护，尽量避免在生产和勤务处理过程中的物理碰撞以及摩擦；化学能火工品防护措施除机械能火工品影响因素外，还需要注意防霉菌，控制储存环境的温、湿度以及防止化学药剂意外泄漏；光能火工品受外部影响最小，其防护措施主要针对储存环境温度进行控制；电能火工品主要防静电和射频的干扰，其中接地防静电法是火、化工企业消除静电危害最简单、最有效的办法。本文为火工品的使用和安全防护提供了参考。

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