CN108746313A - 一种真空爆炸罐及其工程应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空爆炸罐，包括球型罐主体，所述球型罐主体的顶部设有排气口、底部设有支座，所述球型罐主体的一侧设有密封门，所述球型罐主体上与密封门对应的一侧设有观察窗，所述球型罐主体内设有压力传感器、温度传感器、光敏传感器，所述压力传感器、温度传感器、光敏传感器均与控制系统电性连接。本发明提供一种在人为创设的真空环境下，利用炸药在真空中爆炸由于与空气隔绝和负压等条件而产生的热力学、冲击动力学等方面的特殊效应，使物料快速变形、切断、复合、相变或发生化学变化等的一种方法，实现常规爆炸无法达到的效果，同时大幅减少了现有技术中爆炸产生的噪声和振动危害以及对环境产生的污染。

Description

一种真空爆炸罐及其工程应用
技术领域
本发明涉及真空爆炸技术领域，尤其涉及一种真空爆炸罐及其工程应用。
背景技术
真空爆炸是指在真空环境下发生的爆炸，所谓的真空是指在给定的空间内形成低于一个大气压力的气体状态。由于真空环境中没有空气的存在，因此爆炸产生的冲击波和噪声因失去传播介质而无法传播，而且爆炸过程中不与空气接触，避免了空气的阻力和氧化等的影响。现代许多高精密的产品在制造过程中的某些阶段必须使用不同真空度的真空环境才能达到要求的效果，如半导体、硬盘、镜片等。而且许多产品的加工合成需要借助于爆炸来实现。爆炸在极短时间内能释放出大量能量、产生高温，同时对周围介质造成强烈的压缩作用，利用爆炸的这种特点可以实现常规方法不能完成的加工或操作。真空爆炸同时结合了真空环境和爆炸的双重特点，可以开展一系列的工程应用和理论研究。
传统非真空状态的爆炸在工程实践中会存在一些问题，如：在传统爆炸焊接过程中，由于基覆板间隙中空气的存在，经常会导致爆炸焊接的复合板内部出现鼓包、结合强度低甚至复合失败等情况，并且，因炸药爆炸而造成的振动和噪声灾害，对周围的环境和建(构)筑物造成严重影响，从而限制了爆炸复合产地的选址。传统非真空状态条件下含有的空气不仅是机械波的传播介质，同时由于空气中含有氧气、氮气、二氧化碳和其他稀有气体，可能会参与研究对象的化学反应过程。如果要排除外界空气的影响，则需要人为制造一种真空环境，从而可以开展真空爆炸理论和试验、爆炸产物分析、爆炸有害效应防控等相关研究。
在实验室和工厂中制造真空的方法是利用真空泵在密闭的空间中抽出空气以达到某种程度的真空，而关于真空爆炸的相关基础理论研究还严重不足，特别是有关真空爆炸作用下加工材料在高温、高速、高压等作用下性态变化的研究，作用部位的微观变化和性能研究，以及真空爆炸机理等。因此，需要设计一种可快速建立真空环境，能反复承受负压条件下进行爆炸试验的装备系统及方法，以便开展真空爆炸理论和相关试验研究。
CN200810190904.X公开了一种局部真空爆炸焊接的方法，使基复板间隙中形成局部真空的爆炸焊接环境来生产复合板，该发明的效果与益处是经济、简单的一次性密封形式构成包含基板与复板间隙的密闭空间，对该空间进行抽空，降低和阻止了爆炸焊接射流微粒与空气反应，提高了焊接质量并增大了爆炸焊接窗口，实现了大板面稳定爆炸焊接。但是该方法只是提供了局部的真空环境，爆炸加工过程中还是会受到周围空气的影响，不能完全达到预期的爆炸效果。
CN201621118154.1公布了一种真空态金属复合材料爆炸焊接装置，通过该装置无需到远离居民居住点的露天爆场进行爆炸加工，在本单位的采矿爆场即可进行，不会对周围居民造成干扰，但是该方法仅适用于少量金属板材的爆炸复合，且不能快速建立真空环境，也不能实现真空度可调，无法长期反复使用。
文献《真空环境下铝粉粒度与形状对RDX基炸药爆炸场压力和温度的影响》(黄亚峰，含能材料，2016)研究了真空环境对含铝RDX爆炸性能的影响，但是上述对真空环境下的爆轰机理和爆轰波传播规律的理论研究未涉及。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提供一种在人为创设的真空环境下，利用炸药在真空中爆炸由于与空气隔绝和负压等条件而产生的热力学、冲击动力学等方面的特殊效应，使物料快速变形、切断、复合、相变或发生化学变化等的一种方法，实现常规爆炸无法达到的效果，同时大幅减少了现有技术中爆炸产生的噪声和振动危害以及对环境产生的污染，同时降低了药量单耗。
一种真空爆炸罐，包括球型罐主体，所述球型罐主体的顶部设有排气口、底部设有支座，所述球型罐主体的一侧设有球罐门，所述球型罐主体上与球罐门对应的一侧设有观察窗，所述球型罐主体内设有压力传感器、温度传感器、光敏传感器，所述压力传感器、温度传感器、光敏传感器均与控制系统电性连接。
优选的，真空度范围在1×105～1×10-1Pa，采用干式螺杆真空泵快速抽真空，有效抽速145m3/h。
优选的，真空爆炸罐采用不锈钢-高锰钢复合板制成，为双层结构，双层结构内部填充有冲击波缓冲材料。
优选的，所述球型罐主体的内部直径为3-5m，最优选的直径为4m，可承受5kg TNT当量的炸药在其内部爆炸；
所述观察窗的为圆形，直径为300mm，观察窗安装耐高温高压防爆玻璃，厚度为45-55mm，最优选的厚度为50mm，可抗280MPa的压力；
所述密封门为圆形，直径为1-1.4m，最优选的直径为1.2m，密封门和罐体之间有橡胶密封圈。
优选的，可进行真空环境下爆破器材性能的检测和爆炸技术及测试研究。
优选的，可开展真空爆炸效应的工业应用系列方法研究，以及与常规条件爆炸进行对比、评价。
优选的，可应用于爆炸有害效应防控。
优选的，可以模拟航空航天负压环境下，应用适当的火工品及爆炸技术，实现某些航空元器件的修复、焊接、切割、脱离等操作。
优选的，可以应用于军事工程领域。
本发明中使用的真空爆炸罐，通过人为创设可用于爆炸试验及工程应用的真空环境，适合长期反复承受负压条件下进行爆炸试验的装备系统，该系统可快速建立真空环境，真空度在1×105～1×10-1Pa范围内可调。在真空装备系统内布置爆炸效应试验及工程应用的设备装置，在达到设定真空度后进行起爆，完成相应的工作。
本发明通过提供一种真空环境下，利用炸药爆炸进行生产的操作规范及方法，使其试验场所不受局限，可解决由于现有工作场所需建立在远离市区的偏远山区中，所带来的产品生产及运输过程中的交通不便和成本高等缺点。
本发明中将常规条件爆炸效应的工业应用系列方法的作业环境调整为不同真空度，再结合真空爆炸效应的试验结果，对常规条件下的工业应用系列方法的作业参数进行调整，提高爆炸效应在工程应用中的效率和效果。
本发明通过构造真空环境，可以模拟航空航天中所需的负压环境，开展相关的科学和工程实验。
本发明通过构造真空度可调的环境条件，可以研究机械波(包括噪声、冲击波、应力波、激波等)在不同真空度下的传播规律。
本发明通过在真空爆炸罐内安置压力、温度、光敏等传感器，可开展真空爆炸理论和试验的相关研究，如：不同真空度条件下，炸药爆炸性能、炸药爆轰波及爆炸冲击波的传播机理、爆炸产物组成等的研究或测试。利用真空环境中炸药爆炸效应的特点及形式，通过合理设计技术条件，以最大限度地利用爆炸能量达到最佳试验或工程效果，且使爆炸危害最少。
本发明的技术方案的提出是基于下述的技术原理：
本发明的真空爆炸效应试验及工程应用方法是利用炸药爆炸本身所需氧化剂不依赖于外界空气，通过人为创设真空环境，可实现真空度在1×105～1×10-1Pa范围内可调，结合适合长期反复承受负压条件下进行爆炸试验的装置，构成真空爆炸效应试验及工程应用的装备系统。在真空爆炸罐内，可对炸药及起爆参数进行布置调整，减少空气对试验及工程应用中的影响。同时，由于负压环境下可进行能量传播的介质减少，因而降低了冲击波及其产生的噪声与振动危害。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明中使用的真空爆炸罐，具有能长期(不少于20年)反复承受负压的特点，同时可实现真空度范围可调。
2、利用本发明可以提高炸药在工程应用中的能量利用率，从而减少炸药的用量，进而减小炸药爆炸所带了振动和噪声等次生灾害，因而兼具经济和环保双重优点。
3、本发明通过人为构造一种可调的弱真空环境，可以研究真空环境下机械波(包括噪声、冲击波、应力波、激波等)的传播规律，同时可以为相关次生灾害的防控提供基础数据和理论。
4、本发明通过人为构造一种真空环境，消除空气的影响，可以研究爆炸产物的组成成分和有毒有害气体含量，实验数据较传统非真空环境更加真实可靠，从而为炸药配方设计和有毒有害气体的防控提供基础数据。
5、本发明通过人为构造一种真空环境，开展实验研究和理论分析，可以建立一套真空环境爆轰波的传播规律和爆轰理论。
6、本发明通过人为构造一种真空环境，可以模拟航空航天中所需的负压环境，弥补传统方法在科学和工程实验条件上的不足。
7、本发明通过人为构造一种真空环境，可以提供军工产品测试所需的真空环境，提高军工产品的精度和性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为真空爆炸测试系统；
图2为铝-钢复合管真空爆炸焊接示意图。
图中：1-抽气口、2-球型罐主体、3-密封门、4-支座、5-观察窗、6-装药、7-控制系统、8-钢管、9-铝管、10-铝管和钢管的间隙、11-约束结构、12-雷管、13-炸药。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
一种真空爆炸罐，包括球型罐主体2，球型罐主体2的顶部设有排气口1、底部设有支座4，球型罐主体2的一侧设有密封门3，球型罐主体2上与密封门3对应的一侧设有观察窗5，球型罐主体2内设有压力传感器、温度传感器、光敏传感器，压力传感器、温度传感器、光敏传感器均与控制系统7电性连接。
真空爆炸罐采用不锈钢-高锰钢复合板制成，为双层结构，双层结构内部填充有冲击波缓冲材料；真空度范围在1×105～1×10-1Pa，采用干式螺杆真空泵快速抽真空，有效抽速145m3/h。
球型罐主体2的内部直径为4m，可承受5kg TNT当量的炸药在其内部爆炸；
观察窗5的为圆形，直径为300mm，观察窗5安装耐高温高压防爆玻璃，厚度为50mm，可抗280MPa的压力；
密封门3为圆形，直径为1.2m，密封门3和罐体之间有橡胶密封圈。
实施例2
如图1所示，首先将20g圆柱形RDX炸药悬吊在真空爆炸罐的中心，在距离药柱0.7m处安置传感器，然后关闭真空爆炸罐并抽真空达到－0.01MPa，利用发爆器起爆炸药，空中爆炸传感器、爆速仪分别记录爆炸冲击波和爆速，从而研究真空度对炸药爆炸冲击波衰减规律的影响。爆炸完成后，启动排气系统并打开真空罐密封门，排气10分钟后关闭排气系统、开关控制系统与真空罐密封门。实验结果表明，20g圆柱形RDX炸药在真空和非真空条件下，距离0.7m处的冲击波峰值压力分别为0.0583MPa和0.1295MPa，相对于非真空环境，在真空条件下冲击波的峰值压力衰减了54.9％。由此可见，真空环境可以有效降低冲击波的强度、减小炸药爆炸振动所造成的影响。
实施例3
如图2所示，将Q235钢管8与1060铝管9分别作为覆层与基层，其相应尺寸为Φ40mm×5.0mm×500mm和Φ28mm×1.5mm×500mm，铝管和钢管的间隙10为1.0mm，采用内爆法，复合管放置在轴向约束的模具11中，将爆速为2100m/s的粉状乳化炸药13置入覆管，起爆能量为8号工业雷管12。
然后将待复合的铝-钢金属管放入真空爆炸罐后，关闭密封门，启动开关控制系统，抽真空至－0.04MPa后，关闭真空泵，再连接雷管进行起爆。爆炸复合完成后，启动排气系统，打开真空罐密封门，排气10分钟后，进入罐体，取出铝-钢复合管，关闭排气系统、开关控制系统与密封门。从爆炸胀接得到的铝/钢复合管上截取长径比为1:1的试样，在设备809Axial/Torsional Test System上进行了压剪实验，实验得到位移-力曲线，实验结果表明：真空和非真空条件下形成的铝-铜复合管，结合强度τ分别为3.87MPa和3.25MPa，结合强度提高了19.1％，说明真空状态下由于没有空气的存在，减少了内部鼓包等缺陷，可以提高复合管的结合强度。
实施例4
将25g柱状含铝炸药(质量比RDX:Al＝85:15)悬挂在真空爆炸罐中心部位，然后关闭密封门，抽真空至－0.03MPa。用8号工业电雷管起爆后，立即采用烟气分析仪收样采集，检测炸药爆生气体的组分。爆炸完成后，启动排气系统，打开真空罐外密封门，排气10分钟后，关闭排气系统、开关控制系统与球罐内外门。实验结果表明，爆生气体中含有的气体成分主要为CH4、CO2、N2、CO和O2，体积比分别为1.78％、0.09％、25.84％、26.45％、26.63％。由于真空环境下没有空气的存在，能有效避免了非真空环境下外界空气参与爆轰反应，提高了实验数据的准确性。真空环境下对炸药爆生气体成分的研究，对炸药配方的优化和爆炸产物中有毒有害气体的防控都具有十分重要意义。
实施例5
利用密闭真空爆炸罐测量了粒度为5μm、15μm、25μm的球状铝粉和150μm的片状铝粉，分别加入军用炸药RDX中搅拌均匀，最后压制成带8号工业雷管孔的Ф25mm的药柱，高度22mm，药柱质量为(20.000±0.050)g。将含铝炸药样品悬吊在真空爆炸罐的中心处后将起爆雷管接到点火装置上，炸药样品距离传感器0.7m。随后将真空爆炸罐的密封门关闭，用真空泵抽空爆炸罐内的空气，并向爆炸罐内缓慢充入氮气，如此循环两次，将爆炸罐内的氧气完全抽走，使爆炸罐内剩余气体的压力约2kPa，起爆实验样品，并用压力传感器和温度传感器记录45s内的电信号数据，研究铝粉粒度与形状对含铝军用炸药爆炸场压力和温度的影响规律。
结果表明，铝粉对军用炸药爆炸场压力的降低显著性的顺序是15μm球状铝粉＞5μm球状铝粉＞25μm球状铝粉＞150μm片状铝粉；铝粉对军用炸药爆炸场温度的提升作用大小顺序是25μm球状铝粉＞150μm片状铝粉＞5μm球状铝粉＞15μm球状铝粉。利用真空爆炸罐制造的真空环境，可以避免外界空气对炸药爆轰性能的影响，从而可以如实反映含能添加剂特征参数对自供氧军用炸药爆轰性能的影响，提高了实验数据的准确性，为军用炸药的配方优化提供有效的测试手段。
实施例6
将火工分离装置连接的航天器件放置在真空爆炸罐中，然后抽真空，模拟高空或者太空负压环境，改变航天器件火工分离装置的材质、结构以及药量，通过高速摄影透过爆炸容器的观察视窗，观察航天器件的脱落过程，便于研制效果优良的火工分离装置。爆炸完成后，启动排气系统，打开真空罐密封门，排气10分钟后，关闭排气系统、开关控制系统与真空罐密封门。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种真空爆炸罐，其特征在于，包括球型罐主体，所述球型罐主体的顶部设有排气口、底部设有支座，所述球型罐主体的一侧设有密封门，所述球型罐主体上与密封门对应的一侧设有观察窗，所述球型罐主体内设有压力传感器、温度传感器、光敏传感器，所述压力传感器、温度传感器、光敏传感器均与控制系统电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐，其特征在于，真空度范围在1×105～1×10- 1Pa。
3.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐，其特征在于，真空爆炸罐采用不锈钢-高锰钢复合板制成，为双层结构，双层结构内部填充有冲击波缓冲材料。
4.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐，其特征在于，所述球型罐主体的内部直径为3-5m；所述观察窗的厚度为45-55mm；所述密封门为圆形，直径为1-1.4m。
5.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐的工程应用，其特征在于，可进行真空环境下爆破器材性能的检测和爆炸技术及测试研究。
6.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐的工程应用，其特征在于，可开展真空爆炸效应的工业应用系列方法研究，以及与常规条件爆炸进行对比、评价。
7.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐的工程应用，其特征在于，可应用于爆炸有害效应防控。
8.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐的工程应用，其特征在于，可以模拟航空航天负压环境下，应用适当的火工品及爆炸技术，实现某些航空元器件的修复、焊接、切割、脱离等操作。
9.根据权利要求1所述的一种真空爆炸罐的工程应用，其特征在于，可应用于军事工程领域。
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