基于起爆时间的传爆序列爆炸完全性判断方法

柳海斌

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

传爆序列是传爆型爆炸序列的简称，用于传递、输出爆轰能，起爆主装药，是引爆战斗部装药、发挥战斗部威力必不可少的部件。根据GJB 373B—2019《引信安全性设计准则》对爆炸序列的定义，传爆序列始于起爆器止于战斗部装药，包括在一定距离传递能量的不同实体组成的分布式系统。传爆序列中各爆炸元件按感度递减、猛度递增的顺序依次排列，最后一级通常为传爆药柱。传爆序列要求有适当的感度和作用时间，足够的安全性和爆轰输出[1-2]，可靠性要求极高。

爆炸完全性是传爆序列首要性能，但一直缺少量化指标，经常以“能可靠起爆战斗部装药”等功能要求代替性能要求。爆炸完全性评定标准主要依据GJB 165.4—1986《引信爆炸完全性试验》，即爆炸声音洪亮，传爆管爆炸完全，无残存药粉。GJB 165.4A—2021《引信爆炸完全性试验》对评定标准进行了修订，考虑不同试验操作方法规定了两种判据：第一种沿用了GJB 165.4—1986的定性判据；第二种根据引信起爆输出要求判定，规定“可用见证板上形成穿孔的最小直径表示引信起爆输出能力”。现有传爆序列爆炸完全性试验主要采用经验和定性判据，随着MEMS引信、不敏感弹药引信新结构传爆序列[2]和传爆序列起爆技术[3]的发展，仅凭借爆炸声音、是否存在残存药粉、见证板穿孔直径等不足以判断不同种类不同药量传爆序列的爆炸完全性，研究能够更加准确表征爆炸完全性的其他判据十分必要。

GJB 5309—2004《火工品试验方法》、美军标MIL-STD-331D规定了钢块凹痕试验、铝块凹痕试验、铅板试验、薄金属板穿孔试验方法，仅适用于爆炸元件轴向输出一致性检验。文献[4]提出冲击波压力、持续时间、起爆面积是决定传爆药柱起爆能力的关键因素，利用钢凹深度和传爆药量两个参数对新结构传爆药柱与常规传爆药柱的起爆威力进行了试验对比；文献[5]用某起爆器验证了钢块凹痕深度与炸药爆轰压力近似呈线性关系；文献[4—5]适用于定性分析传爆药柱输出能力。文献[6]采用锰铜测压技术测试了不同起爆压力下两种传爆药的爆轰增长距离，试验方法复杂，适用于研究性试验。文献[7]采用数值仿真模拟了反射增强型起爆结构爆轰波传播，用Lee-Traver点火增长模型描述传爆药爆轰后不敏感主装药的爆轰情况，用反应度判定主装药是否有效起爆，适用于理论分析。本文针对现有爆炸完全性试验判据量化表征不足，无法满足不同种类、不同药量传爆序列爆炸完全性判断需要的问题，提出利用起爆时间判断爆炸完全性的方法。

1 传爆序列爆轰传递过程

1.1 引信传爆序列

引信传爆序列一般由起爆器、中继火工品和能量放大火工品串联组合而成，按照激发感度由高到低，输出能量由低到高的次序排列，将初始起爆能量逐级传递、有控放大到输出性能稳定的爆轰能量，从而可靠引爆战斗部装药。起爆器的作用是转换发火能量激发始发火炸药元件，包括爆炸桥丝起爆器、半导体桥起爆器、爆炸箔起爆器、激光换能起爆器、针刺雷管、针刺火帽等。中继火工品实现火工能量传递、延时等功能，包括火焰雷管、时间药盘、延期药柱、导爆索等。能量放大火工品作用是放大爆轰能量，输出稳定爆轰能，通常为导爆管、传爆管。引信传爆序列形式多样，机械引信典型传爆序列见图1[1]，机电引信典型传爆序列见图2。

图1 机械引信典型传爆序列Fig.1 Typical high explosive train of mechanical fuze

图2 机电引信典型传爆序列Fig.2 Typical high explosive train of electromechanical fuze

1.2 爆轰传播过程

爆轰是猛炸药和起爆药化学变化的基本形式，爆轰过程释放出大量热量，并产生大量的气体产物[8]。炸药爆炸以爆轰波的形式传播，爆轰波由冲击波阵面和紧随其后的化学反应区组成，被冲击阵面压缩加热的介质在化学反应区中迅速释放能量，支持爆轰波的传播。爆轰波的传播速度不小于炸药中传播的音速。爆热、爆速和爆压是炸药的重要特征参数，爆速和爆压决定了炸药的猛度，猛度用于表征炸药爆炸对直接接触介质产生破坏作用的能力。根据炸药爆炸理论，对于凝聚炸药，爆速D、爆压P、爆炸产物速度V计算公式分别为

(1)

(2)

(3)

式中，QV为炸药爆热，κ为等熵指数，ρ0为炸药密度。

传爆序列必须达到稳定爆速形成稳定爆轰，才能保证传爆可靠。要使前级装药可靠引爆后级装药，前级装药爆速必须大于后级装药的临界爆速，其爆速关系：若前级装药爆速D1大于后级装药爆速D2，则后级装药爆速迅速成长，达到稳定爆速D2；若前级装药爆速D1小于后级装药爆速D2，但大于后级装药临界爆速DL,后级装药爆速逐渐增长，直到达到稳定爆速D2；若前级装药爆速D1小于后级装药临界爆速DL，后级装药爆速不断衰减，直至熄灭。

药柱直径小于临界直径，则不能起爆，大于临界直径，爆速随直径增加而增大；直径达到极限直径时，爆速最高，超过临界直径，爆速基本保持不变。

2 起爆时间判断爆炸完全性方法

2.1 影响爆炸完全性的因素

根据感度递减、猛度递增的设计原则，引信导爆管装药密度通常低于传爆管装药密度，导爆管感度高于传爆管感度，以利于爆轰传递。导爆管、传爆管装药爆速依次递增，药量成比例增大，以增加爆轰输出能力。对于符合以上设计原则的传爆序列，影响爆炸完全性的因素主要是雷管输出威力、爆炸元件之间的起爆间隙、导传爆药完好性。雷管输出威力越大，初始起爆能量越大，传爆序列越容易起爆。起爆间隙越大，对起爆越不利，尤其雷管与导爆管之间起爆间隙过大，将导致雷管输出冲量衰减严重，传递到导爆管的起爆能量降低，影响起爆可靠性。导传爆药自身缺陷，如裂纹、起皮、药粉脱落等，可能导致爆轰无法增长甚至熄灭，造成爆炸不完全。传爆序列爆轰成长不稳定，达不到规定的爆速，传爆序列无法起爆或爆炸不完全，体现到时间上就是传爆时间变长。

2.2 起爆时间判断爆炸完全性原理

如前所述，广义的引信传爆序列包括起爆器、中继火工品和能量放大火工品，为了与传爆序列作用时间的概念相区别，定义起爆时间为爆轰波在装填许用炸药的爆炸元件中传播所经历的时间。对于传爆药柱而言，起爆时间就是从爆炸冲量到达传爆药柱输入界面到传爆药柱输出界面爆轰结束的时间；对导爆药柱、传爆药柱组合而言，就是从爆炸冲量到达导爆药柱输入界面到传爆药柱输出界面爆炸结束的时间。

起爆器输出初始激发能量引发爆轰，再经爆轰传递和增强，使传爆序列最后一级装药充分爆炸，通过爆轰产物释放出预期的引爆冲量，即称爆炸序列爆炸完全。

前级爆炸元件输出爆压必须大于后级爆炸元件的临界起爆压力，输入压力大于装药的临界起爆压力则装药能够被起爆，否则无法引爆和形成稳定爆轰。若要传爆序列完全起爆，则必须形成稳定爆轰，即爆轰波的速度必须大于爆炸产物中的声速，爆轰波后的稀疏波追赶不上爆轰波，反应区释放的能量全部用于支持爆轰波，以保证爆轰波的稳定传播。因此达到稳定爆轰的传爆序列，起爆时间也必然是稳定的，起爆时间能够用于表征爆炸元件的爆炸完全性。起爆时间测试原理见图3。利用爆炸电离作用，采用电极探针采集爆轰信号，爆轰波未到达电极位置时电极处于断开状态，当爆轰波到达电极位置时，爆轰波电离作用使电极导通。测试导爆管输入端、传爆管输出端位置电极探针的导通时间间隔，即为起爆时间。

图3 起爆时间测试原理Fig.3 Initiation time testing principle

2.3 爆炸完全性时间判据

对由雷管、导爆药柱、传爆药柱组成的传爆序列，已知导爆药柱密度ρD、长度LD、临界起爆压力Pc1，传爆药柱密度密度ρC、长度LC、临界起爆压力Pc2，导爆药柱、传爆药柱间隙δ，爆轰波在导爆药柱中的传播时间t1，爆轰波在传爆药柱中的传播时间t2，导爆药柱爆炸产物通过间隙δ膨胀到传爆药柱输入端所用时间δt，如图4所示。临界起爆压力为药柱可靠起爆的最小压力，假如导爆药柱、传爆药柱输入界面压力均为临界起爆压力，导爆药柱、传爆药柱中爆轰波速度以临界起爆压力对应的速度传播，则对应的起爆时间为最长起爆时间，即临界起爆时间，根据式(2)、式(3)，临界起爆时间为

图4 传爆序列结构参数Fig.4 Structural parameters of a high explosive train

(4)

式(4)中，τ延迟为炸药起爆延迟时间，通常不大于1 μs。

若实际起爆时间T

若实际起爆时间T≥t，则传爆序列正常不起爆，爆炸不完全。T越大，时间散布越大，越是爆炸不完全。

3 试验验证

3.1 起爆间隙影响爆炸完全性验证

图5为电雷管、导爆管、传爆管组成的传爆序列，导爆管、传爆管装药为RDX炸药，导爆管装药密度ρD=1.5 g/cm3，长度LD=6 mm；传爆管装药密度ρC=1.6 g/cm3，长度LC=9 mm；导爆管、传爆管间隙δ=1.2 mm。调整电雷管与导爆管之间距离到4.5 mm，进行大起爆间隙爆炸完全性验证。

图5 电雷管-导爆管-传爆管序列Fig.5 A electric detonator-lead-booster train

根据传爆序列结构特点，按照起爆时间容易测试且不改变传爆序列状态的原则，紧贴导爆管输入端面、传爆管底端面中心位置分别贴装由直径0.3 mm漆包圆铜线制作的导线电极，起爆电雷管，测试导爆管、传爆管起爆时间。已知导爆管在1.5 g/cm3密度下的极限爆速为7 490 m/s，临界起爆压力为5.76 GPa。传爆管在1.6 g/cm3密度下的极限爆速为7 900 m/s，临界起爆压力为6.86 GPa。根据式(4)计算导爆管-传爆管临界起爆时间，取等熵指数κ=3，τ延迟=1 μs，则临界起爆时间为5.92 μs。起爆时间应不超过5.92 μs，小于该时间则认为正常起爆，否则认为起爆不正常。

图6 常温、低温爆炸完全性试验结果Fig.6 Explosion completeness test results of normal temperature and low temperature

常温起爆4发，低温起爆3发，起爆时间测试数据见表1。4发常温试验后壳体，传爆管周围金属外壳爆炸扩孔痕迹明显，破坏程度一致，测试起爆时间最长5.20 μs，小于5.92 μs，判断常温爆炸完全。低温3发产品试验后金属座体与传爆管连接螺纹尚存，金属座体破坏情况明显不及常温。低温爆炸声音比常温爆炸声音要小，但仅凭声音无法判断常温、低温是否爆炸完全，且低温3发爆炸现场未检查到残存药粉。

表1 常温、低温起爆时间测试结果Tab.1 Initiation time test results of normal temperature and low temperature

将该传爆序列与战斗部扩爆药盒结合，雷管与导爆管传爆间隙保持不变，进一步验证传爆管起爆扩爆药盒情况。扩爆药盒输出端放置4 mm钢板，进行2发常温、1发低温起爆试验，结果见图7。测试常温起爆时间为4.90、4.70 μs，扩爆药盒炸穿钢板。低温起爆时间为14.60 μs，扩爆药盒盖片脱离，药面破坏，扩爆药未起爆。传爆序列常温起爆时间小于5.20 μs，散布较小，爆炸完全；低温起爆时间明显大于5.92 μs，且散布变大，爆炸不完全。采用起爆时间的爆炸完全性判定结果与实际验证结果一致。

图7 起爆战斗部扩爆药盒情况Fig.7 The results of initiation the warhead booster

3.2 传爆药柱缺陷影响爆炸完全性验证

图8为电雷管、导爆管1、导爆管2、传爆管组成的传爆序列。导爆管1、导爆管2、传爆管装药为RDX炸药，导爆管1装药密度ρD1=1.5 g/cm3，长度LD1=8 mm；导爆管2装药密度ρD1=1.6 g/cm3，长度LD2=10 mm；传爆管装药密度ρC=1.65 g/cm3，长度LC=10 mm；导爆管1、导爆管2间隙δ1=1.8 mm，导爆管2、传爆管间隙δ2=0.8 mm。采用完好传爆管和有缺陷的传爆管进行对比验证。

图8 电雷管-导爆管1-导爆管2-传爆管序列Fig.8 A electric detonator-lead1-lead2-booster train

在导爆管1输入端面、传爆管底端面中心位置分别贴装由直径0.3 mm漆包圆铜线制作的导线电极，起爆电雷管，测试导爆管1、导爆管2、传爆管起爆时间。已知导爆管在1.5 g/cm3密度下的极限爆速为7 490 m/s，临界起爆压力为5.76 GPa；在1.6 g/cm3密度下的极限爆速为7 900 m/s，临界起爆压力为6.86 GPa。传爆管在1.65 g/cm3密度下的极限爆速为8 110 m/s，临界起爆压力为7.43 GPa。根据式(4)计算导爆管1-导爆管2-传爆管临界起爆时间，取等熵指数κ=3，τ延迟=1 μs，则临界起爆时间为10.46 μs。起爆时间应不超过10.46 μs，小于该时间则认为正常起爆，否则认为起爆不正常。

影响传爆管性能的主要缺陷是裂纹，通常通过外观或工业CT进行检查。药柱成型产生的裂纹通常发生概率很小，不易得到。为验证裂纹对爆炸完全性影响，本文采用经过震动试验后拆解检查挑选出的传爆管，由于经历了严酷的力学环境，药柱表面出现微小裂纹。选取7发正常传爆管、1发缺陷传爆管进行爆炸完全性及起爆时间测试，试验结果见图9，起爆时间数据见表2。试验时传爆管输出端放置5 mm钢板，钢板背面悬空。1#～7#为正常传爆管，8#为缺陷传爆管。正常传爆管起爆后传爆管输出炸穿5 mm厚钢板，钢板穿孔直径大于传爆管直径。缺陷传爆管起爆后未炸穿钢板，钢板背面仅产生碎片崩落，爆炸不完全。1#～7#最长起爆时间为7.5 μs，8#起爆时间为13 μs，大于时间判据最小起爆时间，起爆时间明显偏离，起爆时间爆炸完全性判断结果与实际验证结果相符。

图9 正常传爆管、缺陷传爆管爆炸完全性试验结果Fig.9 Explosion completeness test results of normal temperature

表2 常温起爆时间测试结果Tab.2 Initiation time test results of normal temperature

4 结论

本文提出基于起爆时间的传爆序列爆炸完全性判断方法，该方法利用临界起爆压力对应的爆轰波速度计算导爆管、传爆管临界起爆时间，测试起爆时间小于临界起爆时间则判定爆炸完全，否则判定爆炸不完全。验证结果表明，起爆时间法判断结果与试验结果一致，通过起爆时间能够定量判断传爆序列爆炸完全性。