王 輝, 沈 飛, 田清政, 任新聯(lián), 袁建飛

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

偏心起爆式定向戰(zhàn)斗部是一種新型高效毀傷戰(zhàn)斗部技術,主要通過多分位可控起爆在裝藥中形成定向匯聚爆轟波,從而實現(xiàn)對破片速度、飛散方向和密度的控制。由于該技術具有能量利用率高、毀傷威力大、易于工程化等特點,從而引起國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-6]。近年來,在定向戰(zhàn)斗部設計中逐漸采用復合裝藥以進一步優(yōu)化爆轟波形并提高裝藥的能量利用率[7],但由于偏心起爆條件下爆轟波在傳播過程中會產(chǎn)生各種匯聚、繞射等復雜現(xiàn)象,導致其波形的掃描難度較高,且目前這方面的研究成果也較少,使得復合裝藥在該類戰(zhàn)斗部的應用中缺乏相應的設計依據(jù)。

目前對炸藥爆轟波傳播過程的分析研究,通常采用平行多狹縫或交叉條紋板技術測量炸藥端面爆轟波形,獲得其對稱二維平面上波形的傳播過程。如袁寶慧[8]、丁剛[9]采用平行三狹縫掃描技術分別對兩點偏心起爆的圓柱形B炸藥及復合裝藥端面爆轟波形進行了測量,得到了在狹縫方向上爆轟波的傳播軌跡,并繪制出了觀測方向上不同時刻的波形圖,但該技術只能獲得爆轟波在一維方向上的相位移及相速度,無法獲得爆轟波的傳播速度及方向。Held[10]利用轉(zhuǎn)鏡式條紋相機及交叉型多條紋遮光板技術對不同配方的復合裝藥端面爆轟波形進行測量,由于測量得到的多條紋軌跡在試驗底片上相互交叉重疊,對試驗數(shù)據(jù)的真實判讀有較大難度。因此,對于復合裝藥偏心起爆條件下較為復雜的爆轟波形,采用以上兩種掃描技術均難以全面觀測出爆轟波的傳播特性及波形變化規(guī)律。

鑒于此,本研究嘗試采用正交多狹縫掃描技術對偏心起爆條件下復合裝藥端面波形進行測量,即采用兩臺高速掃描相機在相互垂直的方向上同時進行多狹縫掃描,分別得到正交兩個方向上的掃描軌跡,通過幾何關系分析狹縫交點處的爆轟波傳播速度及方向,從而全面、準確地了解其爆轟波在此平面上的傳播過程,為該類戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。

2 實驗

2.1 試樣準備

復合裝藥由內(nèi)外兩層不同配方的炸藥組成,外層為高爆速炸藥A(HMX/黏結(jié)劑質(zhì)量比為95/5),采用壓裝成型,尺寸為外徑Φ100 mm,內(nèi)徑Φ65 mm,厚度20 mm,密度1.81 g·cm-3; 內(nèi)層為低爆速炸藥B(TNT/RDX/Al/黏結(jié)劑質(zhì)量比為40/30/20/10),采用鑄裝成型,尺寸為Φ65 mm×20 mm,密度為1.78 g·cm-3; 采用國軍標GJB772-1997方法702.1測量炸藥A、B的爆速分別為8700 m·s-1和7200 m·s-1。為了更接近戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)設計,裝藥結(jié)構(gòu)中心設有Φ20 mm中心孔,其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 實驗裝置及布局

實驗裝置主要由主裝藥、起爆藥、光探板、起爆點定位環(huán)、高壓瞬發(fā)雷管組成。裝配過程中,將主裝藥放置于定位環(huán)內(nèi),定位環(huán)上有兩個Φ8 mm的小孔,其夾角為60°,孔內(nèi)放置傳爆藥柱及雷管。采用3 mm厚有機玻璃作為光探板,其安裝面與主裝藥的測量端面緊密貼合,在爆轟波形測量時光探板能起到了爆炸快門的作用,在試驗底片上獲得邊界清晰的波形跡線。波形掃描實驗裝置及布局如圖2所示,實驗采用兩臺SJZ-15型轉(zhuǎn)鏡式高速相機在正交方向同時進行五狹縫掃描,Ⅰ號相機的狹縫對準裝藥的豎直方向,其狹縫編號為1～5,Ⅱ號相機的狹縫對準裝藥的水平方向,其狹縫編號為1′～5′,狹縫的寬度均為0.02 mm,相機的掃描速度均設置為6 mm·μs-1,當相機均達到預定轉(zhuǎn)速后兩個起爆點同時起爆。

圖1 復合裝藥結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure of composite charge

圖2 波形掃描實驗裝置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up for wave scanning

3 實驗結(jié)果及分析

圖3為復合裝藥偏心起爆條件下的正交多狹縫掃描實驗底片。由于在裝藥中心部位設有Φ20 mm的中心孔,因此經(jīng)過中心孔位置時狹縫所掃描爆轟波形應是空缺的,但炸藥爆轟產(chǎn)物在通過圓孔時發(fā)光并會產(chǎn)生光線的折射,底片中的對應位置會出現(xiàn)一些跳躍的雜光,判讀時可以省略。對底片進行數(shù)字化判讀后,結(jié)合狹縫的間距、相機掃描速度、圖像放大比等參數(shù),可得到實驗波形的具體曲線值,令豎直方向為y軸,水平方向為x軸,則兩個方向上測量得到的相位移隨時間變化的波形曲線如圖4所示。由于狹縫1和5、2和4所掃描的位置關于y軸對稱,因此對應的掃描曲線重合。

a. cameraⅠ

b. cameraⅡ

圖3 兩個相機的狹縫掃描底片

Fig.3 Negatives of slit scanning from two cameras

a. vertical slits

b. horizontal slits

圖4 狹縫掃描波形曲線

Fig.4 Curves of slit scanning waveform

圖4中所示的這些曲線只是描述了從不同方向觀測的相位移隨時間的變化過程,并不表示爆轟波沿法線方向的傳播軌跡。這些曲線在某個位置點的斜率表示該處的相速度,而在計算相速度的過程中,由于曲線的變化較大,簡單地對曲線進行整體擬合,后對時間求導,會引入較大的誤差,因此,可以結(jié)合該點附近的信息并采用差分法獲得該點處的相速度。圖5描述了豎向和水平向狹縫位置處的相速度隨位移的變化曲線,其中,vy為沿豎直狹縫觀察的相速度,vx為沿水平狹縫觀察的相速度,圖5b中由于橫向狹縫的相速度峰值較大,所以縱坐標選用lg(vx),而vx的單位仍為mm·μs-1。由于內(nèi)外層裝藥的爆速差異較大,且狹縫方向并不是爆轟波真實的傳播方向,所以圖5中的速度曲線在內(nèi)外層交界面出現(xiàn)大幅度的跳躍。

a. vertical slits

b. horizontal slits

圖5 沿不同方向觀測的相速度變化曲線

Fig.5 Curves of image velocity along orthogonal direction

由于爆轟波的法向傳播速度與相速度存在圖6所示的幾何關系,其中,vs為爆轟波陣面的法向速度,θ為法向速度與y軸的夾角,根據(jù)其幾何關系,可知

vs=vxsinθ

(1)

vs=vycosθ

(2)

θ=arctan(vy/vx)

(3)

由公式(1)和(2),能得到如下公式

(4)

圖6 法向速度與相速度關系圖

Fig.6 Relationship between normal velocity and image velocity

本研究采用正交5狹縫掃描技術,豎直狹縫與水平狹縫共有25個交點,但由于炸藥試樣設有中心孔,所以在炸藥的端面共有20個有效測量交點,如圖7所示。此外,由于各相交點分別關于y軸對稱,則只需要計算其中對稱軸一邊交點的相關物理量。根據(jù)公式(3)和(4)可計算出爆轟波經(jīng)過各個交點時的法向速度及方向,計算結(jié)果如表1所示,而對于對稱軸上的交點(j點和k點)位置處,則有vs=vy且θ=0。

圖7 狹縫交點位置示意圖

Fig.7 Joints of orthogonal slits

表1 狹縫交點處的爆轟波參數(shù)

Table 1 Parameters of detonation wave at joints of orthogonal slits

No．coordinatesvx/mm·μs-1vy/mm·μs-1vs/mm·μs-1θ/(°)a(16．8，33．2)18．1897．4656．90622．3b(16．8，41．6)20．1417．4416．98020．3c(16．8，50．0)23．1767．4177．06417．8d(16．8，58．4)26．3877．3947．11915．7e(16．8，66．8)21．8577．376．98418．6f(8．4，33．2)13．6278．3237．10331．4g(8．4，41．6)16．2748．1167．26326．5h(8．4，58．4)10．1197．8246．19037．7i(8．4，66．8)18．4347．8187．19723．0j(0，33．2)-9．3809．3800k(0，66．8)-11．05111．0510

為了較為直觀地表示裝藥中爆轟波形的傳播過程,采用垂直狹縫方向的掃描結(jié)果繪制出復合裝藥中定向匯聚爆轟波形傳播過程,如圖8所示。

圖8 豎直狹縫所得波形圖

Fig.8 Detonation waveform from vertical slits

從圖8中可以看出,起爆點對稱軸兩側(cè)形成的球面爆轟波在靠近軸線位置處匯聚碰撞并形成一定曲率的馬赫波,在繞過中心孔前,其波形曲率隨著傳播距離增大逐漸減小; 通過中心孔后,爆轟波曲率突然增大,且在穿越內(nèi)外層交界的過程中,內(nèi)外層裝藥的爆速差導致爆轟波向中心呈弧形收斂趨勢,最終形成喇叭形波形。從圖8中只能看出爆轟波在垂直方向上的傳播及變化趨勢,結(jié)合表1所列交點處的爆轟波參數(shù)可具體分析爆轟波的傳播速度及變化過程。例如,爆轟波在繞過中心孔前,爆轟波在經(jīng)a點到b時(圖7),法向速度與y軸的夾角θ僅減小了2°; 而在靠近中心位置由f點到g點時,θ角則減少約5°; 說明在此過程中波形中心處θ角比邊緣處變化較大,使得爆轟波形曲率逐漸變小。在g→h→i的過程中,θ角先增大11.2°又減少14.7°,法向速度則先減少1.07 mm·μs-1又增加1 mm·μs-1,說明當通過中心孔時爆轟波經(jīng)過繞射后傳播速度明顯衰減,但由于波形向中心匯聚,造成傳播速度又迅速增大; 在e點處,由于受外層裝藥影響,θ角相對于d點處增大了3°,使得爆轟波形進一步向內(nèi)收斂,同時k點的馬赫波速度進一步提高,比j點高出1.67 mm·μs-1。當裝藥對稱中心部位馬赫波速度提高的同時其壓力相應增大,對破片的驅(qū)動能力也相應提高,因此在定向戰(zhàn)斗部設計中可充分利用復合裝藥優(yōu)化調(diào)整爆轟波形來提高定向殺傷破片的驅(qū)動速度。

4 結(jié) 論

(1)采用正交多狹縫掃描技術對復合裝藥偏心起爆條件下的爆轟波形傳播過程測量,能夠定量化得到狹縫交點處的爆轟波傳播速度及方向,便于深入分析其爆轟波的傳播特性及變化規(guī)律。

(2)復合裝藥結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化調(diào)整爆轟波形,尤其是爆轟波跨越中心孔后,其波形進一步向?qū)ΨQ中心線收斂,偏轉(zhuǎn)角增大了約3°,使得沿中心線的爆速提高了約1.67 mm·μs-1,從而提高了匯聚的能量及對破片的驅(qū)動能力。

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