雷管爆炸产物与破片飞散过程研究

董聪慧， 马志钢， 邵子豪， 黄孝楠， 潘桂森

(安徽理工大学 化学工程学院， 安徽淮南 232001)



雷管爆炸产物与破片飞散过程研究

董聪慧， 马志钢， 邵子豪， 黄孝楠， 潘桂森

(安徽理工大学 化学工程学院， 安徽淮南 232001)

运用高速摄像技术探究钢壳平底、凹底雷管爆炸产物与破片的飞散规律，同时对不同管壳材质的凹底雷管反转弹丸的速度变化规律进行探究。研究表明：钢壳凹底雷管爆炸产物径向运动速度大于平底雷管；钢壳凹底雷管爆炸后，其聚能穴翻转变形产生反转弹丸，反转弹丸的头部速度在尾部拉应力的作用下逐渐下降；雷管爆炸95μs后，反转弹丸头部和尾部断裂，拉应力作用消失，头部速度骤然升高达到最大值；在距离雷管底部270mm内，钢壳凹底雷管反转弹丸的头部速度为1 440m/s，铜壳为3 204m/s，铝壳为6 350m/s。

雷管； 高速摄像； 爆炸产物； 破片； 金属射流； 飞散规律； 聚能穴

1　引言

雷管是爆破工程中常用的起爆器材，探究雷管起爆能力对于安全高效地进行工程爆破具有重要意义〔1〕。雷管起爆能力包括三个因素，分别是爆炸产物、破片和冲击波。人们对雷管的破片速度和爆炸产物作用范围都有过研究但未得出一致结论。在雷管破片速度的研究方面，孙金华等〔2〕研究了覆铜壳雷管底部破片速度随其装药量、装药密度、雷管型号及破片飞行距离改变的变化规律；孙同举等〔3〕、郝建春等〔4〕运用靶线法讨论了雷管破片速度的衰减曲线以及分布曲线；张华等〔5〕探讨了金属壳雷管径向破片速度随飞行距离变化的规律；姚志敏等〔6〕研究了聚能装药的飞散角对破片速度和数量的影响；张卅卅等〔7-8〕运用高速摄像技术研究了8号铝壳工业雷管轴向金属射流的速度变化规律。在雷管爆炸产物作用范围的研究方面，侯海周等〔9〕探索了雷管爆炸产生的爆炸热气体的火球直径为0.38m；高峰等〔10〕研究了雷管在隔爆位置处爆炸的爆轰C-J参数和气体产物膨胀后的压力。胡升海〔11〕利用高速摄像技术对铝壳雷管爆炸气体产物的作用范围进行了研究。本文运用高速摄像技术，研究用钢壳平底雷管、钢壳凹底雷管、铜壳凹底雷管和铝壳凹底雷管的爆炸过程，并分析其破片和爆炸产物的飞散规律。

2　实验器材与方法

2.1实验器材

选用如下实验器材：共四种雷管，且每种雷管的装药量相同，分别是钢壳凹底瞬发导爆管雷管、铜壳凹底瞬发导爆管雷管、铝壳凹底瞬发导爆管雷管和钢壳平底瞬发导爆管雷管；发爆器、导线、卷尺、爆炸木箱等；高速摄像系统包括高速摄像机、计算机、配套数据采集软件等。

2.2实验方法

将实验雷管固定在爆炸木箱中，通过发爆器起爆雷管，利用高速摄像系统完成雷管爆炸过程的图像记录，每种类型的雷管进行三次实验。实验用高速摄像系统如图1所示。

图1　高速摄像系统Fig.1　High speed photography system

3　实验结果与分析

3.1钢壳平底、凹底雷管爆炸产物与破片飞散规律

由于所拍摄的图像具有相似性，每种实验仅列出一组图像分析。

(1)钢壳平底雷管爆炸过程见图2，拍摄参数：拍摄速率10万fps，曝光时间10μs，物距5.2m。拍摄范围：344mm×150mm。

图2　钢壳平底雷管爆炸过程高速摄像图像Fig.2　Explosion process images of detonator with steel shell plain bottom by high speed photography

从图2可见，钢壳平底雷管引爆后，其爆炸产物以雷管底部猛炸药部分为中心呈球状扩散，直到引爆后40μs，爆炸产物的径向直径最大，为121mm。可计算出爆炸产物径向膨胀平均速率为1 513m/s。

钢壳凹底雷管爆炸过程见图3，拍摄参数：拍摄速率20万fps，曝光时间5μs，物距5.5m。拍摄范围：344mm×113mm。

图3　钢壳凹底雷管爆炸过程高速摄像图像Fig.3 　Explosion process images of detonator with steel shell concave bottom by high speed photography

从图3可见，钢壳凹底雷管爆炸后，其爆炸产物及破片主要集中在雷管两侧及尾部正下方。钢壳凹底雷管引爆后，其爆炸产物以雷管底部猛炸药部分为中心呈球状扩散，直到引爆后30μs，爆炸产物的径向直径最大，为107mm。可计算出爆炸产物径向膨胀平均速率为1 783m/s。钢壳凹底雷管爆炸后15 ～65μs时，凹底雷管底部发生变形，聚能穴的顶部首先受到爆轰产物的压力作用，沿着轴线运动，从而形成反转弹丸的尖端；聚能穴的底部随后受到爆轰产物的作用，沿着雷管的轴线运动，从而形成反转弹丸的底端。钢壳雷管聚能穴变形过程示意图如图4所示。

图4　钢壳雷管聚能穴变形示意图Fig.4　Deformation process of shaped hole of detonator with steel shell concave bottom

此变形过程是雷管聚能穴的翻转变形过程，不同于金属射流形成过程。因为金属射流的形成过程如下，当带有金属药型罩的炸药装药被引爆，爆轰波传播到药型罩顶部时，爆轰产物以很高的压力冲量依次作用于药型罩的顶部和底部，从而引起药型罩顶部的高速变形。在药型罩被压垮的过程中，药型罩微元也是沿罩面的法线方向做塑性流动，并在轴线上闭合并沿法线方向运动。药型罩闭合后，罩内表面金属的合成速度大于压垮速度，从而形成射流；而罩外表面金属的合成速度小于压垮速度，从而形成杵体〔12〕。钢壳雷管底部无法形成金属射流，因为钢壳聚能穴硬度太大，塑性差，聚能穴的内表面和外表面无法分别形成射流和杵体，只能发生翻转变形。

从图3可见，钢壳凹底雷管爆炸后70 ～155μs时，雷管轴线上的反转弹丸逐渐断裂为两部分，头部细长且运动速度快；尾部略粗且运动速度低于头部。其原因是聚能穴顶部的有效装药量大、金属量少，因而压垮速度大，形成的反转弹丸速度高；而在药型罩底部，其有效装药量小、金属量多，因而压垮速度和相应的反转弹丸速度都比前者低。因此在反转弹丸中存在速度梯度，反转弹丸运动过程中会断裂为两段，即运动速度高的头部和相比之下运动速度低的尾部。

3.2不同管壳材质雷管爆炸破片轴向飞散规律

铜壳凹底雷管爆炸过程见图5，其拍摄参数为：拍摄速率20万fps，曝光时间3μs，物距5.5m。

图5　铜壳凹底雷管爆炸过程高速摄像图像Fig.5　Explosion process images of detonator with copper shell concave bottom by high speed photography

从图5可见，铜壳凹底雷管爆炸后10 ～85μs，在雷管轴线上有反转弹丸形成。

铝壳凹底雷管爆炸过程见图6，拍摄参数：拍摄速率20万fps，曝光时间5μs，物距5.5m。

图6　铝壳凹底雷管爆炸过程高速摄像图像Fig.6　Explosion process images of detonator with aluminum shell concave bottom by high speed photography

从图6可见，铝壳凹底雷管爆炸后20 ～35μs时，在雷管轴线上有反转弹丸形成，爆炸后40 ～50μs，反转弹丸的头部已飞过拍摄范围，后方跟随的大片光亮是低速的尾部。

运用电子标尺软件对图3中钢壳凹底雷管爆炸后15 ～155μs的反转弹丸头部速度进行分析，结果见表1。对图5中铜壳凹底雷管爆炸后10 ～85μs的反转弹丸头部速度进行分析，结果见表2。对图6中铝壳凹底雷管爆炸后20 ～35μs时的反转弹丸头部速度进行分析，结果见表3。

表1　钢壳凹底雷管反转弹丸头部速度

表2　铜壳凹底雷管反转弹丸头部速度

表3　铝壳凹底雷管反转弹丸头部速度

注：表1～表3中，时间为雷管引爆后的时间，距离为反转弹丸头部到原雷管底部的距离。

由表1可知，钢壳雷管反转弹丸头部速度的总体趋势是先降低，骤然升高后又降低。引爆后95μs时反转弹丸的头部速度与前后时刻差别较大，其原因是钢壳雷管的反转弹丸在95μs前即将发生断裂，由于受到尾部的拉应力，导致反转弹丸头部速度降低，断裂后拉应力突然失去，因此反转弹丸头部速度陡升，之后又下降。表2中，铜壳雷管的反转弹丸头部速度没有类似规律，是因为铜塑性大。表3中没有观察到铝壳雷管的反转弹丸有类似规律，是因为拍摄范围太小，无法观测到完整的破片飞散过程。

在距离雷管底部270mm范围内，钢壳凹底雷管反转弹丸的头部速度为1 440m/s，铜壳凹底雷管反转弹丸的头部速度为3 204m/s，铝壳凹底雷管反转弹丸的头部速度为6 350m/s。

4　结论

(1)雷管爆炸后，爆炸产物的飞散具有极强的方向性，以雷管底部猛炸药部分为中心呈球状扩散。钢壳平底雷管爆炸后40μs，其爆炸产物径向直径最大121mm，爆炸产物径向膨胀速率1 513m/s。钢壳凹底雷管爆炸后30μs时，其爆炸产物的径向直径最大107mm，爆炸产物径向膨胀速率为1 783m/s。钢壳凹底雷管的爆炸产物径向运动速度更大。

(2)钢壳凹底雷管爆炸后底部会翻转形成反转弹丸，由于钢材质的塑性差，所以雷管底部无法形成金属射流。由于反转弹丸内部存在速度梯度，反转弹丸头部在尾部的拉应力作用下速度逐渐下降，雷管爆炸后95μs时，反转弹丸的头部和尾部断裂，拉应力作用消失，反转弹丸头部速度骤然升高达到最大值。

(3)实验对比了钢壳、铜壳和铝壳雷管轴向破片的飞散速度，研究发现，雷管的轴向破片速度由高到低依次为铝壳、铜壳和钢壳。

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Flyingprocessofexplosionproductsandmetalfragmentsofdetonator

DONGCong-hui,MAZhi-gang,SHAOZi-hao,HUANGXiao-nan,PANGui-sen

(InstituteofChemicalEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology，Huainan232001,Anhui,China)

Theregularityofexplosionproductsandmetalfragmentdispersionofdetonatorwithsteelshellconcaveandplainbottomwasstudiedwithhighspeedphotography.Thevelocityregularityofreversalprojectileproducedbydetonatorwithshellconcavebottommadeofdifferentmaterialwasstudied.Theresultsshowedthattheradialvelocityofexplosionproductsofdetonatorwithsteelshellconcavebottomwashigherthandetonatorwithplainbottom.Theheadvelocityofreversalprojectilegeneratedafterexplosionofdetonatorwithsteelshellconcavegraduallydeclinedundertailtensilestress.At95μsafterexplosion,theheadreversalprojectileseparatedfromthetail,thetensilestressdisappearedandtheheadvelocitybursttothepeak.Thedistancetodetonatorbottomwas270mm,inthisrange,theheadvelocityofreversalprojectileofdetonatorwithsteelshellconcavewas1 440m/s,thecopperonewas3 204m/sandthealuminumonewas6 350m/s.

Detonator;Highspeedphotography;Explosionproduct;Metalfragment;Metaljet;Flyregularity;Concavity

1006-7051(2016)04-0082-05

2015-12-25

董聪慧(1990-)，女，硕士，主要从事民用爆破器材技术研究。E-mail: 1259714927@qq.com

马志钢(1961-)，男，副教授，主要从事民用爆破器材技术研究。E-mail:zgma@aust.edu.cn

TD235.22+2

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.017