双级时差安全破冰弹的研制技术
吴瑞波1 武彩岗1 牛跃许1 张明方2 张富贵2 韩 翔2
(1．中国人民解放军66267部队，河北石家庄，050081；
2．包头正大工程爆破有限公司，内蒙古包头，014000)
摘要：本项目是“防凌破冰关键技术研究及装备研制”科研课题的任务之一。为了适应冰盖下水中爆破的要求，采用双级时差弹，一级弹应用聚能原理进行打洞，二级弹钻洞在水中爆破，省去了人工机械钻孔工序，提高了功效。全弹炸药采用乳化炸药，弹体全部采用塑料，达到了安全、民用化、实用化和经济化的目的，足爆破破冰的一项创新技术。
关键词：双级；时差；安全；破冰弹
1引言
根据“十二五”国家科技支撑计划“应急装备关键技术研究与装备研制”科研项目中“防凌破冰关键技术研究及装备研制”课题的要求，首先进行了爆破破冰关键技术的试验研究，从集中药包破冰试验得到，水中爆破破冰比冰上裸露爆破的效果大5～10倍，但是水中爆破必须先在冰上机械钻孔。能不能做到一弹两用，即打洞和入水爆破一体化。我们调研和查阅国内外资料，对已有的两级破冰弹(水科院、重庆5013工厂合作研制的专用冰下破冰弹和淄博732工厂研制的黄河防凌弹，如图1和图2所示)在2013年3月爆破破冰试验中进行了实弹爆炸试验，发现了一些问题，进行改进设计后，使新型的破冰弹达到了安全、民用化、实用化的要求。
2双级时差安全破冰弹的研制过程
首先我们对国内外的资料进行了调研，了解了有关情况：
(1)2003年，内蒙古工业大学爆破研究所佟铮教授提出一种新式高能破冰弹的设想。
(2)2008年，黄河水利委员会山东黄河河务局与山东省机械厂研究所研制了防凌弹(全称CBD- I型黄河防凌弹)：
(3)2008年，水科院与重庆5013工厂同时研制出了集打洞与爆破于一体的专用破冰弹。
对已有的两种破冰弹在2013年3月爆破破冰试验中进行了实弹爆炸试验。从试验结果可以看到：(1)732工厂和5013工厂的破冰弹破冰效果相差不大；(2)两种使用的炸药都是军用炸药，民间使用很少，申请购买困难；(3)都使用了金属，爆炸碎片飞到200m外，安全性差；(4)两种破冰弹的制作成本比较高。由于存在的问题不符合安全、民用、实用的要求。我们吸取了上述两弹的长处，进行了改进。
3双级时差安全破冰弹的设计
根据上述试验结果，我们自行设计研制了如图3所示的全塑形专用破冰弹(KT-Y型和KT-Z型)。
3．1破冰弹的材料选择
弹体材料选择安全、实用和低廉的塑料，圆筒体材料选择乳白色的有机玻璃圆管，外直径为180mm，厚度为2．5mm，内径为175mm(亚克力管，密度p=1．2g／cm3)；三角支撑架采用塑料管件制作。聚能弹的聚能罩材料选择厚度为O．2～0．5mm的薄钢板，制作成顶角为直角的圆锥体和半球形，如图3所示。
炸药选用民用的、密度大于1的2号岩石乳化炸药。起爆雷管采用秒差导爆管雷管或电雷管。
3．2破冰弹的关键技术参数
3．2．I 炸药量与弹体尺寸的计算
破冰弹的炸药采用密度为1．1g／cm3的2号岩石乳化炸药。
根据5013和732 工厂两弹的资料和试验结果，我们设计的破冰弹：一级聚能弹的药量控制为4．5kg，二级爆炸弹的药量选取8kg。按照药量和采用有机玻璃圆管的直径，确定了弹体的设计长度。
3．2．2 两弹距离与重心高度的确定
聚能弹和爆炸弹之间的静距离间隔，必须考虑聚能弹先爆炸产生的空气冲击波对后爆二级弹的影响，根据计算和实际试验情况看，选择大于0．5m时，聚能弹爆炸的空气冲击波不会对爆炸
弹的位置产生偏移影响。聚能弹底面离开冰面的距离在5～lOcm之间，产生射流效应较强。为减少空气冲击波的压力，爆炸弹的弹头设计成子弹形．其重心高度离开地面应该大于1．Om。
3．2．3 两级弹爆炸的延时计算
两级弹体之间的延时时间，5013工厂的破冰弹为1．5s；732工厂为1 s和5s；从试验效果看延时时间取1．0～1．5s比较好。
我们通过理论计算进行验证。如果不考虑水的动压力影响和水的黏滞力。设爆炸弹体积为Y，密度为ρ，其横截面面积为S，水的密度为ρ1。爆炸弹在入水深度H处爆炸，而爆炸弹达到水面时的动能为：mu2=ρgh(h为爆炸弹重心离水面高度)，爆炸弹具有的动能全部消耗在克服浮力和水压力所做的功(ρ1gV+ρ1gHS)H。因此有：
(ρ1gV+ρ1gHS) H≥Mgh=ρVgh
整理得到： ρ／ρ1≥(H/h+H2S/Vh)=H/h+H2/H1h (1)
如果弹体的密度为ρ=1．2，则方程式可化为：
(H2／H1h +H/h)-1．2≤0， H2+H1H-1．2H1h≤0 (2)
将设计参数代入式(2)，爆炸弹体高度H1=30cm，若弹体重心离开冰面距离为1．0m，加上冰厚以50cm计，则h=1．5m由此式得到水面入水深度H≤60cm。显然，只有增加爆炸弹离开地面的距离和密度，才能增加入水深度。如果弹体重心离水面h=2．0m，则入水深度达到H=0.71m；如果h=3.6m，则H=1m；h=7.5m，则H=1.5m。
爆炸弹达到水面的时间可以近似应用自由落体公式得：
爆炸弹达到水面的速度，由重力势能转化求得：
假设弹体在水中做均减速运动，弹体水中运动距离为H时，则弹体减速为O，则得到所需时间为：
如果，H=0.6m，则弹体在水中减速到O的时间，t=0.22s；
H=0.7m，则弹体在水中减速到O的时间，t=0.26s；
H=1.0m，则弹体在水中减速到O的时间，t=0.37s；
把上述数据整理成表1。
从表1可以清楚地看到，增加爆炸弹离开地面高度，对于弹体入水深度增加不大，对于弹体在水中的运动时间几乎没有增加，只是增加了爆炸弹的自由落体时问，而增加爆炸弹离地的高度，会给爆炸弹的安装支撑带来不必要的负担。因此，理论计算告诉我们，增加爆炸弹的高度是没有必要的。
综上所述，由理论计算和实际试验结果，考虑到水的黏滞力和动压力的影响，对上述理论计算结果应该适当增加，参考已有试验结果，选取爆炸弹重心离开冰面高度1．0～1．5m，两级弹之间延时时间选择1．0～1．5s是合适的。
3．2．4 KT型破冰弹的试验结果
我们于2013年3月初在黄河包头市澄口段，对自行设计的KT-Y型和KT-Z型破冰弹进行了试验(如图4所示)。
从试验结果分析得到：
(1)KT型破冰弹的破冰效果与SK型和732型两种弹的效果相当，爆破产生的塑料碎块飞散在40～50m范围内，其安全性比它们要好；缺点是由于使用的炸药量大，弹体比较大，质量比较重。
(2)从聚能射流打洞情况和破冰效果比较，采用圆锥体聚能罩比半球形聚能罩要好。
4新研制两级时差安全破冰弹的应用试验
经过2013年3月的破冰试验，我们在弹体的外形和支撑架上做了改进，设计如图5所示的新型两级时差安全破冰弹。在2014年2月19日～2月21口，对PBD-01型破冰弹进行了实际应用试验。
4．1预防冰塞冰坝形成，开凿流凌通道
如图6所示的上游漂移的冰凌遇到尚未开化的冰盖，就会形成冰塞和冰坝，从而造成冰凌双级时差安全破冰弹的研制技术灾害。因此在黄河的开河期，在下游冰盖往上开凿流凌通道，使冰凌下泄，是避免冰塞、冰坝形成的主要方法。
4．2配合无人机投弹，消除冰塞和冰坝
对于已经或正在形成的冰塞和冰坝，可以采用无人机在冰塞和冰坝头部上游水面投掷潜水爆炸弹，瓦解冰塞，崩溃冰坝；在头部侧面或坝后布设破冰弹形成宽裂缝，疏导炸碎的冰块下泄。
2014年2月20日～2月21日，在包头磴口地区有一小段正在形成的冰塞，如图10所示。我们设计在冰塞的左边，布设一排两级时差破冰弹，如图11所示；在冰塞上游采用无人机连续投掷潜水破冰弹。两级时差破冰弹先爆，而后无人机投弹(如图12所示)。在无人机投掷两发潜水破冰弹后，这小段宽约30m长约60m的冰塞就开始瓦解而产生了移动。
5结论
两级时差安全破冰弹的研制是“十二五”国家科技支撑计划“应急装备关键技术研究与装备研制，，科研项目中；“防凌破冰关键技术研究及装备研制”课题的任务之一，它是在已有两级破冰弹基础上的革新，为爆破防凌破冰技术开发了一项安全、民用、实用、经济的新产品。它的研制成功为主动预防和消除冰凌灾害提供了有力的手段，必将在爆破破冰工程上发挥它应有的特殊作用。
参考文献
[1]佟铮，马万珍，王宁﹒黄河内蒙古河段凌汛期爆炸破冰的基本方法[J]．人民黄河，2003，12：12～13．
[2]中国水利水电科学研究院．人工干预开河防凌措施及方案制定研究报告．2009．
摘自《中国爆破新进展》