造型礼花弹的研究技术浅谈
江 木 根 一九九九年十二月十六日
一、 前 言
造型礼花弹研究是大型节日烟花研究的一个重要研究任务。它是指能在空中爆炸展示出文字、图案等的礼花弹产品研究。
在烟花产品中，礼花弹产品是技术含量高、经济效益较大的产品，它是大型节日庆典中燃放的必备烟花产品。礼花弹在空中爆炸时能充分显示烟花技术的美妙，它能在瞬间呈现出千姿百态、姹紫嫣红、瞬息万变的火、光、色和运动的画面，使人们充分享受到新奇、美妙、变幻莫测的声、光、色的娱乐。
传统的礼花弹可分为爆开型和抛物型两大类，爆开型是礼花弹的传统精华，又可分为牡丹菊花型和工艺型，所谓工艺型就能显示简单图案的礼花弹，如圆型、双环型等，这是国外国内发展的产品。浏阳市达浒出口花炮总厂的双环礼花弹曾获摩纳哥国际烟花大奖赛第一名。
我研究开发的造型礼花弹也是工艺礼花弹的一种，但它能在空中呈现出文字和较为复杂的图案。目前，我们已经开发单个、组合字母的礼花弹和几何图案（△形、☆形和多边形）礼花弹。从技术上我们成功地解决了展布爆炸技术和空中定位技术，从而成功地实现了利用礼花弹技术，能在空中显现理想的完美的文字和图案。这样，在礼花弹技术中创造了一种字幕礼花弹的奇花，这在礼花弹制造技术上是一种创举。
二、 技术原理
爆开型礼花弹在空中爆炸是瞬时实现的，它是利用炸药的爆炸作用，将弹壳体瞬间爆炸开来，并把发光的亮珠点燃后抛掷到空中，这种点燃的发光亮珠在空间飞行一段距离后放光燃烧，燃烧发光的亮珠呈现出礼花的各种效果。一般爆开型礼花弹爆炸时，燃烧发光的亮珠在空间上没有严格确定的位置，固之不能形成预定几何图案。
要想实现亮珠能显示字幕和图案，就必须使得礼花弹爆炸后点燃的各亮珠之间有较严格、确定的几何关系进行群体飞行。可以采用的技术有两种：
一是球面抛掷技术：如果将亮珠按一定图案放在弹的球壳内表面，内装有球形炸药包，爆炸时，由于爆炸作用，使各个亮珠沿球壳的洁线方向向外抛掷。假定爆炸是球形，且球中心爆炸，则爆炸波对各亮珠的作用是一样的，因而相同质量亮珠的初速也是相等的，忽略地心行为作用，则亮珠在空间飞行的距离也应相等，而各亮珠的飞行方向是沿球的洁线——即球半径方向。因而，亮珠在飞行时图案形状是不变的，而仅仅是将图案放大而矣。即将小球体（弹壳）表面上的图案放大为大球体（亮珠飞散的球体）表面的图案。
球面抛掷技术对一些简单的图案，如圆形、椭圆形，甚至于双环形的图案都适用，而且极容易实现，它只要将亮珠布放把球壳的某一截面的壳内表面即可。如图：
图二、圆形（平面布放）
双环形就是把亮珠放成两层即可实现。椭圆仅是把球体转动一个方向即将圆形变以椭圆。对于较复杂的图形，就不可能仅布放在球壳一截面的内表面，如布放在球壳内表面上则必然是立体的，而不可能是在同一截面内。例如一个字母A，我们只能将亮珠组成的A字，布置在礼花间球壳的内表面，它是处于球面状态，而不可能是同处一截面上。这种布置，如果不考虑地心引力作用，亮珠在礼花弹爆炸后，也还是按洁线飞行的，也可在扩大的球体表面显示成A字，但是由于亮珠在飞行中要受地心引力作用，所以，飞行的方向则不完全沿洁线飞行而定，形成一种抛物线运动，这样图形就扭曲变形，因而用球面抛掷技术来显示字幕和图案不易达到，为此，我们创造展布技术使得显示文字和图案的礼花弹得以成功。
二是展布技术：当炸药爆炸时，爆炸产物是响爆炸波洁线方向飞散的，而飞散的速度也是沿洁线方向有规律的增加。
对一个球型炸药，当在其球心爆炸时，爆炸产物都是沿半径方向向空中飞散的。理论上说，球心处的产物质点是保持不动的，球面上的质点飞散速度最大，飞行距离也最远，在同一半径的球面上所有质点，其飞行的方向都应当是沿球的半径方向，其飞行距离应当是一样，结果应形成扩大的球面。也就是在球形爆炸中，位于球体中的任何一质点，飞行某一时间的距离和方向都是严格确定的，应当是处于此时刻球形扩张放大的球面上。如下图所示：
初始炸药球
m——某点 爆炸后某时刻的扩张球形
质点m位于炸药球内，m距球心o的距离为r，珠的半径为d，r=om与水平夹角为α。
当炸药球o爆炸后某一时刻t，扩张成为半径为D的大球体时，质点m在此时刻t应飞行到om处，om 与水平夹角仍为α，距离om=r，且有
R D
r d
成立。
用学术上语言说，爆炸产物是按爆炸产物膨胀的色络线合布的。
展布技术就是基于这种理论上提出来的，我们在炸药球中取一截面，例如水平截面，在此截面上布有图案的炸药形成球型爆炸时，炸药产物成为球形膨胀扩张，而布有图案的截面则成为平面扩张，从而使截面上的图案按严格比例放大展开，形成一个放大了的图案，这正是我们所希望的。
A——炸药球中 B——扩张后
的截面上的图案 放大的图案
由于亮珠都是布置在同一个截面上，亮珠在弹体爆炸后飞行时，地心引力的作用对于所有截面的亮珠都是相同的。这与球壳表面的投掷技术是不一样，表面投掷时，亮珠不可能布置在同一截面上，地心引力的作用会使投掷方向发生无规律的变化，而使图案扭曲。相反，当亮珠布置在同一截面上时，引力的作用对所有亮珠都一样，仅使亮珠的飞行方向发生有规律的改变，因而图案不会扭曲。最直接情况，当所有亮珠都布置在与地平面相平行的球形礼花弹的水平截面上，可以想象亮珠在飞行时，使飞行方向的改变是很有规律的。
一、 技术关键
展布爆炸技术解决礼花弹空中爆炸显示文字和图案，从原理上是成功的，是可行的，为了作好展布爆炸技术必须解决好几个技术上的关键。
1、球型爆炸：
展布爆炸技术要求必须产生球型爆炸，且起爆点应当是球中心。只有球型爆炸，且中心起爆，才能产生球形的爆炸冲击波，这样爆炸产物的飞散是形成球对称的飞散。否则，不形成球对称飞散，亮珠的飞行无规律可循，将会使所布置的文字或图案在展开过程中扭曲变形。
为了产生球型爆炸，必须采用球形装药，工艺上必须严格，起爆点也必须安装在球体中心。
同时对弹体壳体的均匀性和粘贴也必须严格质量要求，以便保证弹壳体的强度均匀。这一点对于一般爆炸型礼花弹都是重要，对于字幕型礼花弹尤为重要。
2、亮珠的同步性要求：
亮珠的同步性包括：亮珠重量均一，亮珠的尺寸均一，亮珠的点燃性均一，亮珠的闪亮性均一，亮珠的熄灭性均一。
亮珠的这五种同步性要求是字幕礼花弹能否显示很理想的文字和图形的关键技术要求。亮珠的重量尺寸均一则可保证在同样爆炸作用下，亮珠有相同的飞行速度和飞行距离。这样礼花弹爆炸后亮珠才能按预先布置好的位置进行扩展，从而使得所布置的文字和图形按一定比例完整的展布放大。
亮珠的点燃性、闪亮性、熄灭性都一样，就可以保证所有亮珠按预定时间，在预定的位置闪光和熄灭，从而使文字和图形显示整齐划一。
为保证亮珠的同步性，必须严格工艺，最好采用模压制珠技术，滚动造珠技术不易做到重量和尺寸的均一，另外过渡药的性能和厚度也是技术难题。过渡药的性能和厚度控制不好，对亮珠的同步性影响很大，必须严格控制。
3、 图形布置的同面性和稳固性：
展布爆炸技术是以平面布置图形为基础的，就是要把均一的亮珠按图案要求布置在礼花弹内的一截面上，要求使所有亮珠都要处于一个平面之上。而且要求每个亮珠在弹体内的位置要稳固，不能因为装配、运输，乃至发射过程中发生移动而改变位置。这样，在弹体爆炸之前，按图形要求布置的所有亮珠都完好地处于原定的位置。当弹体爆炸时亮珠点火后受爆炸冲击波的作用而飞散扩展，将原布置的图形放大扩展到空中，显示文字或图形。如果亮珠有非同面者或不稳固者，那么弹体爆炸后这种非同面或不稳固的亮珠其飞行无规律可言，从而使图案破缺或歪曲。
4、 炸药威力：
理论上炸药威力大小对图形文字显示完满性没有什么影响，而威力大时图形文字放大的尺度大，威力小时放大的尺度小。
但从另一方面说，炸药威力大时，炸药爆炸时呈球型性要好些，即威力大的炸药球爆炸后更接近球型爆炸，炸药威力小时，由于工艺不可能做到十分对称，这种小威力炸药球爆炸波调正能力容易产生非球型爆炸。因而，字幕礼花弹采用威力较大的炸药为好，当然这还要看弹的尺寸和弹体强度等因素而决定之。
显然，弹体尺寸加大对字幕的布置和扩展放大是有利的。从我们实践来看4英寸以上礼花弹均可以实现文字图案，小于4英寸就不易实行。
5、 弹体空中定位爆炸：
当我们把亮珠按图形要求布置弹体内炸药球的一截面上时，我们是希望爆炸时亮珠能按该截面飞散扩展形成一个大的截面布置，这就是展布放大技术的核心。
为了使地面上的观看者清晰而完好的观赏到所显示的图案，则要求扩展的截面有一定方向，或平行于地面或与地面有某一小的夹角，而截面不能垂直或接近垂直地面。这就要求字幕礼花弹在空中要定位爆炸，最希望的情况是在爆炸时刻，布有图案的弹体内截面应保持与地面平行。
对于一般球型礼花弹，制作时通常是先制成两个半球，而后两半球合并成一完整球体，两半球的合拢截面可以称为赤道平面。赤道平面是最理想的图案布置截面，赤道平面布置亮珠方便简单，便于操作和装配。
在礼花弹发射时利用时间定位技术应使弹体的赤道平面保持与地面平行或有很小夹角时定位爆炸，这样能使赤道平面上的图案平行于地平面的扩展放大，从而使图案完好地显示在地面上的观赏者前。
所谓时间定位技术，其含义如下：一个礼花弹以赤道平面为界，可分为南、北两极（或两半球）。在制作时，应使两极重量有显著区别。如北极要配重，南极要轻，整个礼花弹装好后，类似一个不倒翁，无论怎么放置，北极总是自动处于下面，而南极总是处于上方。
礼花弹利用臼炮发射时，由于受炮管的磨擦作用，弹体出口后，在空中飞行时是旋转运动飞行的。当弹体飞行到最高点时，弹体要成为自由落下。这时由于空气阻力作用，弹体也不再旋转，而是平稳自由落下。如按下面所说，使弹体的两极重量不同时，则弹体在空中平稳自由下落时，较重的北极应位于下面，较轻的南极应是朝上的。这样一来赤道平面的位置就被确定下来，使赤道平面处于平行地平面的位置。
利用延期导火线的延期性能，使礼花弹的爆炸时刻正好是弹体平稳自由下落时，弹体的北极朝下，南极朝上，赤道平面平行于地平面时，这就达到了空间定位的目的。
二、造型图案礼花弹的生产工艺
造型图案型礼花弹的生产工艺，可以沿用一般爆开型礼花弹的生产工艺，仅是在装配时要精心严格。
1、亮珠的生产工艺：
为了保证亮珠的同步性，最好采用模压造珠技术，即使用模具将配合好的彩光剂压制成一定大小的柱子，柱子的高度最好与其直径相等。然后，再包敷一层无光点火过渡药层，无光点火过渡药层的厚度要均匀一致。最后，将制造亮珠干燥即可。
模压造珠可以保证亮珠大小一致，密度均匀。
滚动造珠也可以利用，但用滚动造珠时，一定要选用大小一致的亮珠，以保证亮珠的同步性。
2、壳体准备和选择：
字幕礼花弹所用的壳体与一般礼花弹壳体要求一样，在选用壳体时一定注意球壳的均匀性和呈球性。
选择带有引火线的半球壳时，除了注意引火线与球壳之间密封性和紧固性外，还要注意选用哪种引火线高度最好与半球大圆平面一样高或接近的，这样可以做到尽量在球中心引爆，形成较理想的球型爆炸。
3、 配置：
为了使礼花弹在空中爆炸时能够定位爆炸，必须加以配重。即在下半球的壳中配重一定量的重物，如泥土、砂砾等，并将其固定，使下半球的底部重些，使整个礼花弹呈不倒翁型。
配重时要求不要影响炸药的球型装药，为此，上半球的壳内可以稍加一些充填物，如稻壳、泡沫、塑料等。
4、装炸药：
为了使礼花弹呈球形爆炸，因此，炸药应为珠型装药，最好用杭州纱纸作好一个半球状的口袋，放在球壳（已做好配重的）中央，装入炸药，并将炸药轻轻拍打装实，装至与半球的截面（赤道平面），用一竹板刮平。
上、下半球装炸药操作一样，不同的下半球内有导火线管，装炸药的口袋应先将导火管穿过，再装炸药。
5、 布放亮珠：
把选好的亮珠按预定图案，用一小的纱纸口袋装好，并摆放在下半球的炸药表面（赤道平面）上，并用的木板压平。
要求亮珠应与炸药紧密接触，当礼花弹在装配和运输时，不能使亮珠发生移动，以免影响图案的规律性。
装好亮珠后，在赤道平面用一张纱纸盖好。
6、合球和贴球：
把装好炸药和亮珠的两半球复合成一整球。合球后就可以贴球。
合球和贴球操作与一般爆开型礼花弹的操作一样，这里不再详述。
7、 选用延期引线：
为了达到空中定位爆炸的要求，必须选择和确定延期引线的延期时间。
一般自由体的下落时间和距离如不考虑空气的阻力可用下列公式表示：
H=1/2gt2
H——下落距离 米
t——下落时间 秒
g——重力加速度 g=9.80米/秒2或H=5t2
如果再考虑空气阻力（即浮力）的影响，H﹤5t2应当注意的空气阻力影响仅与球体的大小有关，而与球的重量无关。
事实上，对10英寸以上的礼花弹球体，空气阻力的影响是很小的，可以忽略不计。
如果按H=5t2，球体下落1秒，下落距离为5米，下落2秒，下落距离为20米。
为了保证空中定位爆炸，延期时间为1-1.5秒即可，这时下落距离为5-11米左右，这样一个下落距离，对于一个下重上轻不倒翁式的球体，足可以使赤道截面保持在与地平地面平行的位置上，这样就可以实现空中定位爆炸了。
这里要指出的是，这里所说的延期时间，是指弹体达到最高点后下落的延期时间，而整个延期时间应当从臼炮中礼花弹火药装药点火时刻算起。从点火发射到弹体至最高时的时间称为弹体飞行时T，因此选用延期导火线的延期时间应当是T2=T+t秒。
弹体飞行时间T，与弹的尺寸、重量、发射药的装药质量和重量，臼炮的高度以及弹体与臼炮间的间隙、度、磨擦性等许多因素有关，可从大量试验结果中求得。
例 5英寸礼花弹有如下试验结果：
弹重（kg） 高度（m） 时间（秒）
1.310 251 6.2
1.350 286 6.4
1.060 317 7.0
0.805 205 5.4
0.565 200 5.0
试验用发射诸元：
发射药为小粒黑猎用火药，装药量为0.075kg；
发射筒面积与弹体面积之比为1.20；
发射筒长度为1.19m
发射筒壁厚度为2.0mm
发射筒直径为159mm
弹体直径为145mm
由试验结果看字幕型礼花弹是较轻的工艺礼花弹，其发射高度5英寸的约为200m，上升飞行时间为5.5秒，因此选用延期导火线延期时间为6.5-7.0秒就可以了，延期时间不宜太长，容易产生低空爆炸。
其它工艺，如果装发射药药包，发射药的导火线等，都与一般礼花弹的艺相同，不再详述。
三、本研究的意义和发展前景
本研究所制成的造型图案型礼花弹，它不同于传统的标语式礼花弹、传统式标语礼花弹是用礼花弹把用布（或纸）写好的口号、标语带到空中悬浮起来。这种标语式礼花弹缺点是字幕显示不是火、光显示，因此夜间不能使用，仅适应白天用。而且，由于条件关系，字型都是比较小的，不利于观赏，观赏者也没有烟火技术的那种声、光、火、色的变化运动的奇妙美感。
本研究所开发的造型图案型礼花弹是利用了展布爆炸技术，在礼花弹在空中爆炸的瞬间，把点缀的烟火亮珠展布在空中，亮珠燃烧产生火、光、色而显示出运动变幻的文字和图案，从这意义上说，本研究所开发的字幕图案型礼花弹是火、光、色的标语礼花弹。由于利用了爆炸展布技术，故而由亮珠所显示的字幕昼间也可看到，尤其是夜间更适合观赏。
传统的礼花弹用声、光、色变化运动，使人们赏心悦目，给人们以美感。
能够显示字幕和图案的礼花弹，除了具有变幻莫测的美感之外，还具有标语、广告、宣传的效果，甚至可以想象能具有空中绘画的效果，这样就可以将传统的烟火燃放，改变为具有极强的商业宣传和绘画美术的效果。
就目前来看，本研究所开发的字幕图案型礼花弹，在国内和国际都是首创的，是烟花技术的前沿，属世界先进技术。本开发的产品也深受国外客商的欢迎，本产品刚刚开发出来，外商就要定货。估计产品市场是大有前途的，年外销量可望在5万箱以上，年产值可增1500万元，利税可增500万元，将为振兴地方经济，参与市场竞争，发展浏阳花炮，提高人民生活水平，为国家多创外汇作新的贡献。
作者单位: 湖南省浏阳市达浒花炮艺术焰火燃放集团公司
来源：湖南省工艺美术协会 时间：2008-11-19 22:26:24
