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雙級時差安全破冰彈的研制技術

2015-11-11 18:56:09 責任編輯:崔瑋娜

 

吳瑞波1  武彩崗1  牛躍許1 張明方2  張富貴2    2

(1.中國人民解放軍66267部隊,河北石家莊,050081

2.包頭正大工程爆破有限公司,內蒙古包頭,014000)

摘要:本項目是“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”科研課題的任務之一。為了適應冰蓋下水中爆破的要求,采用雙級時差彈,一級彈應用聚能原理進行打洞,二級彈鉆洞在水中爆破,省去了人工機械鉆孔工序,提高了功效。全彈炸藥采用乳化炸藥,彈體全部采用塑料,達到了安全、民用化、實用化和經濟化的目的,足爆破破冰的一項創新技術。

關鍵詞:雙級;時差;安全;破冰彈

 

1引言

根據“十二五”國家科技支撐計劃“應急裝備關鍵技術研究與裝備研制”科研項目中“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”課題的要求,首先進行了爆破破冰關鍵技術的試驗研究,從集中藥包破冰試驗得到,水中爆破破冰比冰上裸露爆破的效果大510倍,但是水中爆破必須先在冰上機械鉆孔。能不能做到一彈兩用,即打洞和入水爆破一體化。我們調研和查閱國內外資料,對已有的兩級破冰彈(水科院、重慶5013工廠合作研制的專用冰下破冰彈和淄博732工廠研制的黃河防凌彈,如圖1和圖2所示)20133月爆破破冰試驗中進行了實彈爆炸試驗,發現了一些問題,進行改進設計后,使新型的破冰彈達到了安全、民用化、實用化的要求。

2雙級時差安全破冰彈的研制過程

首先我們對國內外的資料進行了調研,了解了有關情況:

(1)2003年,內蒙古工業大學爆破研究所佟錚教授提出一種新式高能破冰彈的設想。

(2)2008年,黃河水利委員會山東黃河河務局與山東省機械廠研究所研制了防凌彈(全稱CBD- I型黃河防凌彈)

(3)2008年,水科院與重慶5013工廠同時研制出了集打洞與爆破于一體的專用破冰彈。

對已有的兩種破冰彈在20133月爆破破冰試驗中進行了實彈爆炸試驗。從試驗結果可以看到:(1)732工廠和5013工廠的破冰彈破冰效果相差不大;(2)兩種使用的炸藥都是軍用炸藥,民間使用很少,申請購買困難;(3)都使用了金屬,爆炸碎片飛到200m外,安全性差;(4)兩種破冰彈的制作成本比較高。由于存在的問題不符合安全、民用、實用的要求。我們吸取了上述兩彈的長處,進行了改進。

3雙級時差安全破冰彈的設計

根據上述試驗結果,我們自行設計研制了如圖3所示的全塑形專用破冰彈(KT-Y型和KT-Z)

31破冰彈的材料選擇

彈體材料選擇安全、實用和低廉的塑料,圓筒體材料選擇乳白色的有機玻璃圓管,外直徑為180mm,厚度為25mm,內徑為175mm(亞克力管,密度p=12gcm3);三角支撐架采用塑料管件制作。聚能彈的聚能罩材料選擇厚度為O205mm的薄鋼板,制作成頂角為直角的圓錐體和半球形,如圖3所示。 

炸藥選用民用的、密度大于12號巖石乳化炸藥。起爆雷管采用秒差導爆管雷管或電雷管。

32破冰彈的關鍵技術參數

 

32I  炸藥量與彈體尺寸的計算

破冰彈的炸藥采用密度為11gcm32號巖石乳化炸藥。

根據5013732 工廠兩彈的資料和試驗結果,我們設計的破冰彈:一級聚能彈的藥量控制為45kg,二級爆炸彈的藥量選取8kg。按照藥量和采用有機玻璃圓管的直徑,確定了彈體的設計長度。

322  兩彈距離與重心高度的確定

聚能彈和爆炸彈之間的靜距離間隔,必須考慮聚能彈先爆炸產生的空氣沖擊波對后爆二級彈的影響,根據計算和實際試驗情況看,選擇大于05m時,聚能彈爆炸的空氣沖擊波不會對爆炸

彈的位置產生偏移影響。聚能彈底面離開冰面的距離在5lOcm之間,產生射流效應較強。為減少空氣沖擊波的壓力,爆炸彈的彈頭設計成子彈形.其重心高度離開地面應該大于1Om

323  兩級彈爆炸的延時計算

兩級彈體之間的延時時間,5013工廠的破冰彈為15s732工廠為1 s5s;從試驗效果看延時時間取1015s比較好。

我們通過理論計算進行驗證。如果不考慮水的動壓力影響和水的黏滯力。設爆炸彈體積為Y,密度為ρ,其橫截面面積為S,水的密度為ρ1。爆炸彈在入水深度H處爆炸,而爆炸彈達到水面時的動能為:mu2=ρgh(h為爆炸彈重心離水面高度),爆炸彈具有的動能全部消耗在克服浮力和水壓力所做的功(ρ1gV+ρ1gHS)H。因此有:

(ρ1gV+ρ1gHS) HMgh=ρVgh

整理得到:             ρ/ρ1(H/h+H2S/Vh)=H/h+H2/H1h            (1)

如果彈體的密度為ρ=12,則方程式可化為:

(H2H1h +H/h)-120  H2+H1H-12H1h0    (2)

 

將設計參數代入式(2),爆炸彈體高度H1=30cm,若彈體重心離開冰面距離為10m,加上冰厚以50cm計,則h=15m由此式得到水面入水深度H60cm。顯然,只有增加爆炸彈離開地面的距離和密度,才能增加入水深度。如果彈體重心離水面h=20m,則入水深度達到H=0.71m;如果h=3.6m,則H=1mh=7.5m,則H=1.5m

爆炸彈達到水面的時間可以近似應用自由落體公式得:

爆炸彈達到水面的速度,由重力勢能轉化求得:

假設彈體在水中做均減速運動,彈體水中運動距離為H時,則彈體減速為O,則得到所需時間為:

如果,H=0.6m,則彈體在水中減速到O的時間,t=0.22s

      H=0.7m,則彈體在水中減速到O的時間,t=0.26s

     H=1.0m,則彈體在水中減速到O的時間,t=0.37s

把上述數據整理成表1

從表1可以清楚地看到,增加爆炸彈離開地面高度,對于彈體入水深度增加不大,對于彈體在水中的運動時間幾乎沒有增加,只是增加了爆炸彈的自由落體時問,而增加爆炸彈離地的高度,會給爆炸彈的安裝支撐帶來不必要的負擔。因此,理論計算告訴我們,增加爆炸彈的高度是沒有必要的。

綜上所述,由理論計算和實際試驗結果,考慮到水的黏滯力和動壓力的影響,對上述理論計算結果應該適當增加,參考已有試驗結果,選取爆炸彈重心離開冰面高度1015m,兩級彈之間延時時間選擇1015s是合適的。

324 KT型破冰彈的試驗結果

我們于20133月初在黃河包頭市澄口段,對自行設計的KT-Y型和KT-Z型破冰彈進行了試驗(如圖4所示)

 

  從試驗結果分析得到:

(1)KT型破冰彈的破冰效果與SK型和732型兩種彈的效果相當,爆破產生的塑料碎塊飛散在4050m范圍內,其安全性比它們要好;缺點是由于使用的炸藥量大,彈體比較大,質量比較重。

(2)從聚能射流打洞情況和破冰效果比較,采用圓錐體聚能罩比半球形聚能罩要好。

4新研制兩級時差安全破冰彈的應用試驗

經過20133月的破冰試驗,我們在彈體的外形和支撐架上做了改進,設計如圖5所示的新型兩級時差安全破冰彈。在2014219日~221口,對PBD-01型破冰彈進行了實際應用試驗。

41預防冰塞冰壩形成,開鑿流凌通道

如圖6所示的上游漂移的冰凌遇到尚未開化的冰蓋,就會形成冰塞和冰壩,從而造成冰凌雙級時差安全破冰彈的研制技術災害。因此在黃河的開河期,在下游冰蓋往上開鑿流凌通道,使冰凌下泄,是避免冰塞、冰壩形成的主要方法。   

 用爆破開鑿流凌通道,一般是在冰蓋上爆破生成寬度為60100m的溝槽,長度視冰凌情況確定。通常在預設溝槽兩邊爆破形成寬度約23m的裂縫,在兩裂縫之間用集中藥包爆破破碎冰蓋,如圖7~圖9所示。

 

42配合無人機投彈,消除冰塞和冰壩

對于已經或正在形成的冰塞和冰壩,可以采用無人機在冰塞和冰壩頭部上游水面投擲潛水爆炸彈,瓦解冰塞,崩潰冰壩;在頭部側面或壩后布設破冰彈形成寬裂縫,疏導炸碎的冰塊下泄。

2014220日~221日,在包頭磴口地區有一小段正在形成的冰塞,如圖10所示。我們設計在冰塞的左邊,布設一排兩級時差破冰彈,如圖11所示;在冰塞上游采用無人機連續投擲潛水破冰彈。兩級時差破冰彈先爆,而后無人機投彈(如圖12所示)。在無人機投擲兩發潛水破冰彈后,這小段寬約30m長約60m的冰塞就開始瓦解而產生了移動。

5結論

兩級時差安全破冰彈的研制是“十二五”國家科技支撐計劃“應急裝備關鍵技術研究與裝備研制,,科研項目中;“防凌破冰關鍵技術研究及裝備研制”課題的任務之一,它是在已有兩級破冰彈基礎上的革新,為爆破防凌破冰技術開發了一項安全、民用、實用、經濟的新產品。它的研制成功為主動預防和消除冰凌災害提供了有力的手段,必將在爆破破冰工程上發揮它應有的特殊作用。

參考文獻

[1]佟錚,馬萬珍,王寧﹒黃河內蒙古河段凌汛期爆炸破冰的基本方法[J].人民黃河,2003121213

[2]中國水利水電科學研究院.人工干預開河防凌措施及方案制定研究報告.2009

摘自《中國爆破新進展》


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