爆炸零门装置的作动机构及其控制机制

爆炸逻辑网络是具有逻辑判断和运算功能的爆炸网络，由多种爆炸逻辑元件构成，但最基本的爆炸逻辑元件是爆炸零门。爆炸零门（也称零门）的概念是20世纪60年代由美国学者Siliva提出的[20]，它是指能够切断或破坏爆轰通道装药，从而关闭爆轰传爆通道的爆炸逻辑网络元件。爆炸零门是最简单也是最基本的爆炸逻辑网络元件，复杂的逻辑网络往往是由两个或多个爆炸逻辑零门组成的。所以研制可靠作用的爆炸逻辑零门是爆炸逻辑网络设计及应用的关键技术之一。

6.2.1.1 爆炸零门的类型及可靠性设计

爆炸零门通常为T字形结构，其设计理论基础是小尺寸装药爆轰波传播的直径效应、拐角效应和间隙效应等[12 - 19]。依据零门的基本原理和结构可将其分为三种类型[20]：拐角效应零门、接触零门、间隙零门。

拐角效应零门的原理是小尺寸装药爆轰波传播的拐角效应，其结构为由两个装药尺寸相同，且相互垂直的通道构成，如图6.12所示。

依据零门具有的功能，AO和BC两通道的爆轰波需稳定传播。AO通道的爆轰波不能绕过拐角传播到B或C端，反之亦然。

接触零门的原理是吉利国[60]等人为改善零门的可靠性而提出来的，其原理与拐角效应零门相同，其结构如图6.13所示。

接触零门在结构上与拐角效应零门的不同之处，是在交叉处设置一段比正常尺寸小的通道DO。该尺寸小于爆轰波稳定传播的临界尺寸，首先保证了BC通道的爆轰波不能绕过拐角传播到A端，同样A端的爆轰波也不会传播到C端。而当A端的爆轰波传播到D处时，则变成冲击波在DO中传播，并能破坏BC通道的装药结构。

间隙零门是使用较早的零门之一，早期由导爆索制成的爆炸逻辑网络使用的即间隙零门。间隙零门的作用原理是小尺寸装药爆轰波传播的间隙效应。其结构如图6.14所示。

图6.12　拐角效应零门示意图

图6.13　接触零门结构示意图

图6.14　间隙零门结构示意图

与接触零门在结构上的不同之处是，在交叉处设置一段非爆炸性材料的间隙，而当A端的爆轰波传播到D处时，在间隙DO中产生冲击波，并破坏BC通道的装药结构。DO的长度L便成为控制能否破坏BC装药的特征参数。

6.2.1.2 新型爆炸零门的设计与研究[22]

爆炸零门的设计应能满足以下要求：可靠性高，可靠性窗口宽，零门的关闭时间短。从以上三种类型的零门看，最有可能满足以上要求的是间隙零门。有可能通过对此零门的适当改进增加其可靠性窗口，缩短其关闭时间。

1. 新型爆炸零门的结构及原理

新型爆炸零门是在原有间隙零门的基础上改进而成的[23]，其结构如图6.15所示。在原有间隙零门的O交叉节点前打一4 mm × 2 mm的长方形槽，槽与网络沟槽间有一0.1 mm宽距离，以便于装药，并对药产生约束作用。

新型爆炸零门的作用原理：在AD方向冲击波的作用下，推动OD处的间隙L打开，切断BC处装药，实现关门作用，将部分装药推到O处，如图6.16所示。因O处有泄爆方槽，在AD方向冲击波的作用下，BC处的装药不会产生一般间隙零门所产生的压实作用，从而使BC处的装药更容易切断，且断开的距离比较宽，将使间隙零门的可靠性窗口大大加宽。

图6.15　新型间隙零门结构

图6.16　新型间隙零门作用原理

2. 新型间隙零门的可靠性研究

为研究新型间隙零门的可靠性，需要求出零门的可靠性窗口，包括100%不传爆的最小间隙宽度和100%切断的最大间隙宽度，即0传爆的上限和100%破坏装药的下限。分别设计了间隙宽度为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.4 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm的T形零门元件各5发，进行零门可靠性实验，基板材料为黄铜，沟槽宽度均为1.4 mm，沟槽深度为1.0 mm，零门关闭效果如图6.17所示。实验结果如表6.13、表6.14所示。由数据处理得到99%不起爆的下限的概率及99%切断装药的下限的概率就是零门的作用时间窗口，如表6.15和表6.16所示。

图6.17　零门切断垂直通道装药效果图

（a）零门未实现切断垂直装药通道效果图；（b）零门实现切断垂直装药通道效果图

表6.13　间隙零门传爆可靠性测量结果

表6.14　间隙零门切断装药可靠性测量结果

表6.15　数据处理结果

表6.16　数据处理结果

从以上数据可以看出，改进的零门可靠性窗口大大加宽，可靠性窗口范围为0.55～1.15 mm，有明显的可靠性窗口。现在机械加工技术比较成熟，这样宽的窗口是比较容易实现的。但此数据是在零门关闭时间为无限长时测定的数据，实际组网实验时，受到零门关闭时间限制及其他因素的影响，零门的可靠性窗口可能会发生某种变化，需要通过进一步的实验测定分析。(www.xing528.com)

3. 间隙零门关闭时间的实验研究

间隙零门的关闭时间是指间隙打开，切断垂直方向通道装药所需的时间。其关闭时间的长短直接影响零门的可靠性。如果零门关闭所需时间过长，则可能不足以在短时间内切断垂直方向通道装药，从而使爆轰波通过垂直通道，使零门失效；或者要将零门设计得非常大，以保证切断垂直方向通道的装药，这样也无法使零门获得实际应用。所以间隙零门的关闭时间是零门能否实现应用的关键指标。有关零门关闭时间的专门研究未见报道，为了更好地了解间隙零门的特点，对间隙零门的关闭时间进行了研究，实验装置示意图如图6.18所示，考虑到拐角效应的作用，实验中设计了两种不同长度的拐弯距离（横向装药通道）b值，当b值较小时，爆轰波处于非稳定爆轰状态；当b值较大时，爆轰波处于稳定爆轰状态。

图6.18　零门关闭时间测定装置示意图

考虑到实际应用的条件，实验共设计了两种关闭时间间隔的间隙零门，一种为1τ ，另一种为2τ ，横向装药通道长度b = 3.6L时，L分别为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.8 mm。横向装药通道长度b为8.6L时，零门间隙L分别为0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm四种。每种间隙厚度条件下进行5发试验，从起爆点起爆，检验零门的实现概率，数据列于表6.17和表6.18。

表6.17　拐角长度小于3.6 mm时，不同间隙条件下零门实现概率

表6.18　拐角长度大于7 mm，小于8.6 mm时，不同间隙条件下零门实现概率

对表6.17、表6.18的实验数据用NORM程序进行处理[65,66]，得到置信水平为95%、99%实现概率的间隙宽度的可靠性窗口，如表6.19所示。

表6.19　数据处理结果

试验表明，零门实现概率与拐弯距离b、间隙厚度L及关闭时间间隔都有很大的关系。对同一种炸药，在相同的约束条件下，其拐角距离是固定的，所以当拐弯距离b小于拐角距离时，爆轰波为非稳定的弱爆轰，此时零门的可靠性窗口发生偏移。当拐弯距离b大于拐角距离时，爆轰波成长为正常爆轰，此时零门的可靠性窗口在前面测定的可靠性窗口范围内，但关闭时间间隔不同，可靠性窗口的大小也不同，零门关闭时间间隔越短，可靠性窗口越小。从试件爆炸后的印痕也可以看出爆轰波的成长过程，在装药的拐弯距离小于拐角距离时，沟槽扩大较小，表明爆轰波比较弱；而在装药的拐弯距离大于拐角距离时，沟槽扩大逐渐变大，最后达到一稳定槽宽。以上研究表明，在进行爆炸逻辑网络组网试验时，应根据不同的要求，灵活设计不同间隙厚度的零门。

6.2.1.3 圆孔形空气隙改进间隙零门

数值模拟研究得出，当六参数圆形空气隙改进间隙零门作用时，冲击波经过含空气隙的零门间隙后，压力衰减幅度比直接通过相同长度的实心零门间隙小，能够以较短的时间切断信息通道，完成零门的功能，提高零门的作用可靠性。空气隙改进间隙零门原理如图6.19所示。

图6.19　空气隙改进间隙零门

该零门的特征参量：沟槽尺寸d、间隙厚度L、方槽与装药沟槽间距d1、方槽尺寸、零门作用时间nτ 、圆形空气隙尺寸。在装药尺寸、方槽尺寸、方槽与装药沟槽间距、零门打开时间间隔确定的条件下，间隙厚度、圆形空气隙尺寸是影响零门可靠性的两个最敏感参量，需要对这两个特征参量进行设计，可以给出最佳取值范围。

根据小尺寸装药爆轰波传播特性的研究结果，确定网络用药为细颗粒JO-9C，设计装药密度为1.77 g/cm3；确定装药基板材料为LZ12，基板沟槽尺寸为0.8 mm × 0.8 mm；方形槽尺寸为4 mm × 2 mm × 0.8 mm，方形槽距沟槽的距离设定为0.1 mm。在相邻沟槽间距设计中，根据小尺寸装药沟槽最小间距试验结果，采取裕度设计的方法，取2倍最小间距，即设计沟槽间距取10 mm。在零门间隙设计中，固定圆形空气隙改进间隙零门的空气隙尺寸φ = 0.6 mm，分别设计间隙厚度L为0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm。沟槽尺寸同样为0.8 mm × 0.8 mm。其中间隙厚度为0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm的试验基板30块，间隙厚度为1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm的试验基板30块，试验基板的加工原理如图6.20所示。为了提高单发测试元件试验的信息量，将零门作用时间分别设定为3τ 和5τ 的两个爆炸二极管模块组合在一起，每个试验基板含三个模块。

所设计的测试元件的爆炸效果如图6.21所示，圆形空气隙改进间隙零门试验结果见表6.20。

图6.20　圆形空气隙单元爆炸网络元件原理

图6.21　爆炸零门试验基板作用效果

表6.20　圆形空气隙改进间隙零门事件统计

续表

从表6.20试验结果可以看出，在信号时差5τ 情况下圆形空气隙改进间隙零门的间隙厚度在0.9～1.1 mm范围内，成功率为100%；间隙厚度在1.2 mm以上时，成功率较低，不能满足要求。在信号时差3τ 情况下，间隙厚度为0.9 mm时成功率才达到96%左右，其他间隙厚度下成功率更低，均不能满足设计要求。由此结果可以初步确定，在所研究的空气隙间隙零门中，将零门打开时间间隔分别设定为5τ 时，间隙厚度的可靠性窗口较宽，预计能够满足设计要求。

6.2.1.4 作动器零门

作动器零门主要由刻有装药沟槽的网络基板和作动器组成，结构如图6.22所示。将作动器按图6.22所示安装于控制方槽内，A为爆轰波输入端，B为爆轰波输出端，Z为作动器零门，AB为由沟槽装药构成的信息通道，其是否输出由作动器实施控制。作动器的剪切销垂直于信息通道沟槽装药AB，在装药通道另一侧设有类似于泄爆方槽的空腔，沟槽与泄爆方槽相距为d1，沟槽与控制方槽相距d2。作动器零门的基本作用原理：用电作动器代替爆炸零门的控制通道，给作动器施加设定工作电压时，作动器发火并快速推冲剪切销破坏零门间隙和沟槽装药，剪切销最终卡在切口处实现装药的破坏与隔爆。

该作动器零门处于不同工作状态时会出现以下三种作用结果：

（1）先由控制系统给作动器提供发火电信号，作动器电激发后推动剪切销切断沟槽装药AB，再由控制系统给出电起爆信号，爆轰信号由A端输入，此时输出端B无爆轰波输出。

图6.22　作动器零门

（2）先从输入端A输入爆轰波，再激发或不激发作动器，爆轰波将沿着沟槽装药AB传播，并于B端输出爆轰波。

（3）只激发点作动器，而输入端A无爆轰波输入，输出端B将无爆轰波输出。