冲击片雷管电烤爆安全性研究

张玉若，梁车平，程 涛，韩克华，金 丽，何 强



冲击片雷管电烤爆安全性研究

张玉若，梁车平，程 涛，韩克华，金 丽，何 强

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为评估冲击片雷管在意外电能刺激作用下的安全性，开展了以HNS-Ⅳ为装药的冲击片雷管电烤爆试验研究，先后完成了直流28V、交流380V两项烤爆试验。试验结果表明：两种工况下爆炸箔换能元均未气化形成等离子体，也未形成飞片；然而在交流380V通入情况下，电极两端形成的电弧导致了部分HNS-Ⅳ装药发生燃烧，但整个主装药未发生爆轰性输出。

冲击片雷管；爆炸箔；电烤爆；电弧

冲击片雷管诞生于20世纪60年代，与传统电热火工品（雷管/起爆器）相比，冲击片雷管具有高安全性、高瞬发性等优点，这是由于其窄脉冲高功率发火形式、换能元与装药物理性隔离以及不含任何敏感药剂[1]的特点所决定的。冲击片雷管主装药剂为Ⅳ型六硝基茋（HNS-Ⅳ），它是一种热稳定性优异的钝感炸药，但对窄脉冲冲击具有较高的感度[2-4]，是美军标MIL-STD-1316E规定的直列式传爆序列许用传爆药[5]。美军标MIL-STD-23659F附录A[6]冲击片雷管的鉴定试验中规定了电烤爆试验项目，但是国内外有关冲击片雷管电烤爆安全性的研究少见公开报道。基于此背景，本文拟从冲击片雷管电烤爆试验入手，通过对试验结果的分析，总结电烤爆后的相关安全规律，为冲击片雷管类产品的安全评估和设计提供技术支撑。

1 试验

1.1 试验装置及原理图

美军标MIL-STD-23659F附录A[6]中对电烤爆的要求和试验方法均进行了明确的规定，其中烤爆条件为DC 28V、AC 440V。考虑到我国与美国在交流供电方面的差异，在进行试验时将AC 440V条件改为AC 380V，其它均按该标准执行。

图1所示为DC 28V直流电烤爆试验装置原理图。其具体工作原理为：当给设备供电时，AC-DC模块输出电压，给定时器供电，定时器开始计时工作，驱动开关K闭合，给DC-DC模块供电，此时DC-DC模块输出28V直流电压，通过电缆以及2.8Ω的电阻，直接输出给EFI。定时器时间设置为5min，5min试验时间结束时，定时器驱动开关K断开DC-DC模块的供电，试验结束。DC-DC的最小功率为300W，保证能输出28V、10A的直流电压。

图1 直流28V电烤爆装置原理示意图

图2所示为AC 380V交流电烤爆试验装置原理图。

图2 交流380V电烤爆原理示意图

图2工作原理为：当给设备供电时，AC-DC模块输出电压，给定时器供电，定时器开始计时工作，驱动开关K闭合，给AC-AC模块供电，此时AC-AC模块输出380V交流电压，通过电缆以及38Ω的电阻，直接输出给EFI。定时器时间设置为5min，5min试验时间结束时，定时器驱动开关K断开AC-AC模块的供电，试验结束。AC-AC的最小功率为4.0kW，保证能输出380V、10A的交流电压。

1.2 试验样品

试验用冲击片雷管如图3所示，雷管主要由电极塞、反射片、爆炸箔/飞片、加速膛、始发药柱与输出药柱组成，其中爆炸箔通过锡焊方式与电极塞连接。

图3 冲击片雷管示意图

1.3 试验项目

1.3.1 DC 28V烤爆试验

将图3所示冲击片雷管接入图1所示的试验装置中，在其轴向输出方向放置相关标准[7]规定的钢块，按照规定要求对冲击片雷管通电，观察产品在通电过程中的反应。试验后对产品进行解剖，观察产品结构内部的形态，试验数量6发。

1.3.2 AC 380V烤爆试验

将图3所示冲击片雷管接入图2所示的试验装置中，在其轴向输出方向放置相关标准[7]规定的钢块，按照规定要求对冲击片雷管通电，观察产品在试验通电过程中的反应。试验后产品进行解剖，观察产品结构内部形态，试验数量6发。

1.3.3 比对试验

为了更好地分析烤爆试验结果，选取冲击片雷管安全阈值上限（950V）对雷管进行发火试验，发火试验装置为冲击片雷管常规试验装置[8]。主要目的是观察冲击片雷管在低速飞片状态下（不足以形成药柱爆轰），飞片、爆炸箔以及始发药柱的表面形貌，进而与两种电爆炸情况形成比对，以便更好地对电爆炸刺激的安全性进行分析，试验数量6发。

2 结果与分析

2.1 DC 28V烤爆试验结果

DC 28V烤爆试验中，冲击片雷管无燃烧、爆燃以及爆轰等明显的高能现象。试验后，取下冲击片雷管进行观察，样品外观完好无损坏，轴向输出钢块上无任何输出痕迹。在此之后对产品进行了解剖，解剖结果如图4所示。

由图4可知，冲击片雷管始发药柱与输出药柱均完好无损；桥箔上端用于形成飞片的聚酰亚胺层表面形貌与装配前状态一致，无变化；去掉飞片层后观察爆炸箔形貌，发现桥箔在中间细颈处断开，断开处四周有大量的金属沉积，背面无电爆炸引起的凹痕。

2.2 AC 380V烤爆试验结果

AC 380V烤爆试验中，冲击片雷管无燃烧、爆燃以及爆轰等明显的高能现象，但在加电过程中能够听到较为尖锐的响声。试验后，取下冲击片雷管进行观察，雷管结构虽然完整，但产品插针表面有明显的烧蚀痕迹，镀金层被破坏。观察轴向输出钢块，无任何输出痕迹。在此之后对产品进行了解剖，解剖结果如图5所示。

由图5可知，与DC 28V试验结果不同的是雷管在解剖过程中管壳碎裂，经观察管壳发生局部硬化，输出药柱完好无损，但始发药柱则变成了黑色残渣；桥箔上端用于形成飞片的聚酰亚胺层表面有一个明显圆形痕迹，颜色发黑；去掉飞片层后观察爆炸箔形貌，发现整个爆炸箔颜色发黑，呈熔融状态，细颈处并未断开。

2.3 比对试验结果

冲击片雷管在加电过程中，无燃烧、爆燃以及爆轰等明显的高能现象。试验后，取下冲击片雷管进行观察，样品外观完好无损坏，轴向输出钢块上无任何输出痕迹。在此之后对产品进行了解剖，解剖结果如图6所示。

图6 比对试验结果

由图6可知，解剖后输出药柱完好无损，始发药柱上存在明显的凹坑，桥箔上端用于形成飞片的聚酰亚胺层表面有一个明显穿孔。去掉飞片层后观察爆炸箔形貌，发现细颈处明显断开，底部存在凹痕，气化部分底面无金属沉积残留，断开形状沿中轴线呈基本对称。

2.4 试验结果分析

2.4.1 DC 28V烤爆试验结果分析

对比图4与图6可知，DC 28V烤爆后冲击片雷管在换能界面处未形成飞片，在爆炸箔细颈处无明显凹坑，可以判定在DC 28V加载条件下，对爆炸箔两端提供的电流形式和能量不足以使桥箔产生电爆炸，究其实质该现象是一种直流恒流加热熔断的结果。从冲击片雷管发火机理上分析，这种熔断能量不足以通过飞片与加速膛的物理性隔离起爆高密度HNS-Ⅳ装药，因此冲击片雷管在DC 28V烤爆试验中，具有本质的安全性，与产品结构设计基本无关。

2.4.2 AC 380V烤爆试验结果分析

在AC 380V烤爆试验过程中，试验者听到了尖锐的响声，试验后观察产品插针表面，出现了明显的烧蚀现象，解剖中发现不锈钢管壳出现局部高温碳化现象。这些现象都证明AC 380V加载试验中输入的能量要远远大于DC 28V烤爆试验，其对产品的安全性威胁更大。由解剖试验样品可知，始发药柱出现了燃烧现象，经分析认为爆炸箔桥路在毫欧级的情况下，进行AC 380V加载时，插针两极形成了电弧放电，导致始发装药被点燃。从图5爆炸箔作用后的形貌也可以看出，整个桥箔在瞬间高能量输入下，由于趋附效应导致整个桥箔在瞬间熔化并被击穿。由于是整个桥箔的瞬间熔断，因此桥箔并未对飞片产生局部压力，因此作为飞片层的聚酰亚胺并未形成飞片，但炸药的燃烧在聚酰亚胺飞片层留下相应的烟熏痕迹。同时电弧能量作用到雷管管壳内壁，由于高温作用导致雷管管壳的局部硬化。

由以上分析可知，在AC 380V加载条件下，冲击片雷管两端电极产生了电弧击穿的现象，并导致始发装药的燃烧。由于HNS-Ⅳ是一种具有优良耐热性能的炸药并且药量相对较小，因此并未导致爆轰等高能反应，但不能排除随着药量增加，在电弧作用下发生爆轰的可能。因此，可以认为AC 380V电烤爆试验安全性与冲击片雷管结构设计相关。阻断电弧泄放通道、减小始发装药量，是通过AC 380V电烤爆考核的设计关键。

3 结论

按照美军标相关要求进行了冲击片雷管电烤爆安全性试验，针对试验结果进行了分析，结论如下：

（1）冲击片雷管在DC 28V电烤爆试验条件下，具有本质安全性；

（2）AC 380V电烤爆试验中，主要危险刺激源是电极两端在高电压作用下形成的高能电弧；

（3）从结构设计角度来看，阻断电极泄放通道、减小始发装药量是通过AC 380V电烤爆试验考核的重要途径。

[1] 王雄. 新型冲击片雷管设计与制作关键技术研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2006.

[2] MIL-E-82903 Explosive, HNS-Ⅳ and HNS-V[S]. NPFC, 1994.

[3] 董海山,胡荣祖,姚扑,等.含能材料热谱集[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.

[4] 张景林,吕春玲,王晶禹,等.亚微米炸药感度选择性[J].爆炸与冲击,2004(1):59-62.

[5] MIL-STD-1316F Fuze design, safety criteria for [S].NPFC, 2017.

[6] MIL-DTL-23659F Detail specification initiators, electric, general design specification for[S].NPFC,2010.

[7] GJB 5309.16-2004 火工品试验方法第16部分:钢块凹痕试验[S].国防科学技术工业委员会, 2004.

[8] Q/AH 0303.628-2014 冲击片雷管发火试验装置标定方法[S].陕西应用物理化学研究所,2014.

Study on the Electric Explosion Safety of Slapper Detonator

ZHANG Yu-ruo, LIANG Che-ping, CHENG Tao, HAN Ke-hua , JIN Li，HE Qiang

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to evaluate the safety of slapper detonator under the stimulate of unexpected electric energy, the electric explosion tests under the conditions of 28V DC voltage and 380V AC voltage for slapper detonator, which was charged HNS-IV explosive, were carried out. The test results indicated that there is no gasification of exploding foil and the plasma generating, as well as no flyer plate. As the 380V AC voltage entering into the slapper detonator, the electric arc appeared in both ends of the electrode made some HNS-Ⅳ burning, but no detonation output from the charge occur.

Slapper detonator；Exploding foil；Electric explosion；Electric arc

1003-1480（2018）02-0005-04

TJ45+2.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.002

2018-02-22

张玉若（1977-），男，高级工程师，主要从事爆炸箔起爆与点火技术研究。

总装十三五预研（4140605080301）。