張世林,黎殿來(lái),黃德雨

(1　中船重工第710研究所,湖北宜昌　443000； 2　95874部隊(duì)，南京　210000)

某型深彈引信傳爆序列設(shè)計(jì)與仿真*

張世林1,黎殿來(lái)1,黃德雨2

(1中船重工第710研究所,湖北宜昌443000； 295874部隊(duì)，南京210000)

摘要:為了提高引信傳爆序列的可靠性,設(shè)計(jì)兩種傳爆序列結(jié)構(gòu)。應(yīng)用非線(xiàn)性有限元軟件AUTODYN對(duì)兩種方案?jìng)鞅蛄械目煽啃赃M(jìn)行了數(shù)值模擬分析,數(shù)值模擬結(jié)果表明:方案Ⅱ提高了爆轟的可靠性,縮短爆轟轉(zhuǎn)向時(shí)間,對(duì)裝藥間隙值要求相對(duì)較低。同時(shí)通過(guò)高溫、低溫和常溫環(huán)境試驗(yàn)對(duì)比分析兩種傳爆序列結(jié)構(gòu)的傳爆可靠性,試驗(yàn)結(jié)果表明:同等樣本條件下,方案Ⅰ的傳爆率為87%,而方案Ⅱ可靠率為100%,方案Ⅱ相比方案Ⅰ傳爆率提高了13%。該研究為產(chǎn)品工程化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞:引信;傳爆序列;試驗(yàn)研究;數(shù)值模擬

0引言

引信作為彈藥戰(zhàn)斗部的重要組成部分,它是激發(fā)彈藥產(chǎn)生毀傷作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要功能是把微小的初始能力有控制性的逐級(jí)放大到適當(dāng)?shù)谋Z能量以可靠的起爆戰(zhàn)斗部主裝藥,實(shí)現(xiàn)彈藥的高效毀傷作用。而傳爆序列作為爆轟能量傳遞的關(guān)鍵部件,其傳爆可靠性直接決定了整個(gè)火工系統(tǒng)的功能發(fā)揮[1-2]。因此傳爆序列的設(shè)計(jì)直接影響著引信的性能和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)甚至戰(zhàn)斗部能否正常引爆。

引信由于可利用的空間位置有限,決定了在傳爆序列設(shè)計(jì)時(shí)存在諸多的限制因素。所以空間結(jié)構(gòu)限制常常約束了傳爆序列的最優(yōu)設(shè)計(jì)。文中為實(shí)現(xiàn)爆轟波的90°轉(zhuǎn)向,以便快速安全可靠的完成傳爆序列的工作,依據(jù)典型傳爆序列的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[3-4],針對(duì)某型產(chǎn)品設(shè)計(jì)了兩種傳爆序列方案Ⅰ和Ⅱ,如圖1所示。其中方案Ⅰ是典型的垂直式傳爆序列結(jié)構(gòu),方案Ⅱ?yàn)楦倪M(jìn)型傳爆結(jié)構(gòu)——搭接式。依據(jù)兩種方案下的傳爆設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和不同溫度下傳爆試驗(yàn)的對(duì)比分析,確保了產(chǎn)品的可靠工作,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部的高效毀傷。

1傳爆序列方案設(shè)計(jì)

針對(duì)引信傳爆序列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的兩種傳爆結(jié)構(gòu),傳爆藥柱主要由藥柱A和藥柱B兩部分組成,炸藥采用JH-14C,壓藥密度為1.65 g/cm3+0.02 g/cm3。爆轟波在傳輸過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一次90°轉(zhuǎn)向,逐級(jí)放大爆轟強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)斗部的可靠起爆。

2炸藥沖擊引爆爆轟機(jī)理

爆炸物受到強(qiáng)烈沖擊作用而立即發(fā)生高速化學(xué)反應(yīng),形成高溫高壓的爆炸產(chǎn)物并釋放大量的化學(xué)反應(yīng)熱能的過(guò)程即為爆炸。對(duì)于非均質(zhì)炸藥則在炸藥某些局部點(diǎn)形成高溫區(qū),即在炸藥中產(chǎn)生熱點(diǎn)效應(yīng)[5-6],最終引起爆轟。文中引入非均質(zhì)炸藥沖擊起爆臨界判斷理論,采用臨界起爆能量和G.C.M.Foan積分能量作為爆轟判斷依據(jù)[7-8]:如圖2所示,炸藥A爆轟后,其波陣面壓力為P,當(dāng)爆轟波傳播至藥柱B端面時(shí),壓力角為α,則藥柱B端面受到的沖擊壓力為P1。若炸藥B受到的沖擊壓力值達(dá)到它的臨界能量值,才可實(shí)現(xiàn)爆轟。

圖2　爆轟波傳爆示意圖

P1=PCJcosα

式中:Ec為臨界起爆能量;P1為作用在藥柱表面法線(xiàn)方向的沖擊壓力;t為入射沖擊波的脈沖持續(xù)時(shí)間;ρ為傳爆藥柱的密度;μs為炸藥爆轟后的沖擊波速度。

3數(shù)值模擬

采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件AUTODYN,依據(jù)產(chǎn)品尺寸建立相應(yīng)的二維有限元模型,并進(jìn)行數(shù)值模擬分析[5]。為簡(jiǎn)化模型,計(jì)算模型只包括JH炸藥和引信部分基座。采用拉格朗日算法模擬沖擊引爆,為保證藥柱B的計(jì)算精確性,將其網(wǎng)格盡可能加密處理。炸藥選擇聚黑猛炸藥,藥柱A采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程,藥柱B采用點(diǎn)火增長(zhǎng)方程Lee-Tarver,引信基座選用T4硬鋁,采用Shock沖擊方程[9]。

3.1　方案Ⅰ數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算模型如圖3所示,為了觀(guān)測(cè)藥柱B端面壓力變化情況和是否正常沖擊引爆,在其端面設(shè)置5個(gè)高斯點(diǎn)。計(jì)算過(guò)程中,起爆方式采用線(xiàn)起爆,藥柱B距藥柱A間距0 mm、1 mm、3 mm和5 mm。圖4和圖5所示為藥柱B距藥柱A間距0 mm時(shí),不同時(shí)刻下的爆轟波傳播波形和觀(guān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)。

圖3　傳爆有限元模型

通過(guò)4種間距的沖擊引爆的爆轟波形分析,藥柱間距為0 mm、1 mm、3 mm時(shí)均可起爆,但起爆時(shí)間和形成爆轟時(shí)的熱點(diǎn)位置有所不同,藥柱B爆轟后完成90°轉(zhuǎn)向的時(shí)間和位置也不相同,隨著距離的增加,熱點(diǎn)形成的距離和時(shí)間也隨之增大,如表1所示。

圖4　不同時(shí)刻爆轟波傳播波形

由于藥柱A端面起爆后,爆轟波近似平面爆轟波沿著藥柱軸向運(yùn)動(dòng),同時(shí)也向徑向方向以稀疏波的形式高速膨脹,隨著藥柱B間距的增大,徑向稀疏波衰減也越快,則作用在藥柱B端面的壓力也越低,能量衰減也越快;隨著軸向爆轟波傳播至藥柱底端面,爆轟產(chǎn)物在貼近基座表面積聚堆積,爆轟產(chǎn)物大部分質(zhì)點(diǎn)速度突然變?yōu)榱?部分向藥柱B端面處膨脹運(yùn)動(dòng),基座表面壓力和密度快速增大,當(dāng)壓力和密度增加到一定程度時(shí)便向相反方向運(yùn)動(dòng),形成反射沖擊波。爆轟波一部分以應(yīng)力波的形式穿透基座,形成透射波,另一部分則為反射沖擊波。反射波和后續(xù)運(yùn)動(dòng)至底端面的稀疏波疊加,在藥柱底面形成一超壓區(qū)域,藥柱B受到的沖量快速增大,溫度也快速升高,達(dá)到臨界起爆能量時(shí)便形成局部熱點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)爆轟。

圖5　高斯觀(guān)測(cè)點(diǎn)壓力曲線(xiàn)圖

距離/mm是否殉爆熱點(diǎn)到藥柱B端面距離/mm時(shí)間μs爆轟波轉(zhuǎn)向狀態(tài)t=2.5μs0是11.51是21.62是32.53是835否———

3.2　方案Ⅱ數(shù)值模擬分析

計(jì)算過(guò)程中,起爆方式采用線(xiàn)起爆,藥柱B距藥柱A間距0 mm、1 mm。圖6和圖7所示為藥柱B距藥柱A間距0 mm時(shí),不同時(shí)刻下的爆轟波傳播波形。

通過(guò)圖示看出:藥柱B在受到爆轟沖擊后,和藥柱A接觸的端面壓力值瞬間到達(dá)17 GPa左右,受到的沖擊能量達(dá)到?jīng)_擊引爆的能量臨界值,從而在端面處快速形成一熱點(diǎn),發(fā)生爆轟。從開(kāi)始爆轟到實(shí)現(xiàn)爆轟波的90°穩(wěn)定轉(zhuǎn)向時(shí)間也很短暫,間距為0 mm時(shí)大約1.7 μs實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向,間距為1 mm時(shí)大約2.1 μs實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向。這是由于沿著藥柱A軸向運(yùn)動(dòng)的爆轟波壓力與藥柱B面法線(xiàn)間的夾角比較小,藥柱B主要受到軸向爆轟波的沖擊,作用在端面處的沖量和能量很大,能夠快速實(shí)現(xiàn)爆轟。

圖6　不同時(shí)刻爆轟波傳播波形

圖7　高斯觀(guān)測(cè)點(diǎn)壓力曲線(xiàn)圖

距離/mm是否殉爆時(shí)間/μs爆轟波轉(zhuǎn)向狀態(tài)t=1.7μs0是0.71是0.8

4試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)兩種方案的傳爆序列設(shè)計(jì),分別進(jìn)行高溫+65℃、低溫-28℃和常溫三種狀態(tài)下的試驗(yàn)驗(yàn)證,考核其傳爆可靠性。每種溫度下進(jìn)行5枚驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:方案Ⅰ低溫和高溫下各有1枚樣機(jī)未正常引爆,而采用方案Ⅱ時(shí)15枚樣機(jī)全部完全引爆,見(jiàn)證板嚴(yán)重變形,變形長(zhǎng)度約480 mm,與擴(kuò)爆藥柱長(zhǎng)度相當(dāng),證明12節(jié)擴(kuò)爆藥柱均可靠起爆。試驗(yàn)表明:采用斜面設(shè)計(jì)的傳爆藥柱能夠可靠完成爆轟波90°轉(zhuǎn)向,確保傳爆序列傳爆可靠。試驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

圖8　傳爆試驗(yàn)過(guò)程

5結(jié)論

1)方案Ⅰ利用徑向稀疏波和反射波疊加后形成的超壓在藥柱底端面形成熱點(diǎn)來(lái)沖擊引爆藥柱,隨著藥柱間距的增大,熱點(diǎn)形成的時(shí)間和離端面的距離也隨之增大,爆轟波實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向時(shí)間也加大,當(dāng)間距超過(guò)極限值后藥柱不能正常爆轟。在實(shí)際產(chǎn)品中,若裝藥密度未滿(mǎn)足技術(shù)要求或者底蓋處漏氣發(fā)生泄爆導(dǎo)致降低了爆轟能量,則不能正常引爆藥柱,為工程化生產(chǎn)提供了借鑒和指導(dǎo)。

2)方案Ⅱ改變了爆轟波的波形,波陣面壓力與藥柱面法線(xiàn)間的夾角變小,提高了作用在藥柱上的沖擊能量,提高了爆轟的可靠性,同時(shí)縮短了藥柱爆轟的時(shí)間。

3)方案Ⅱ提高了爆轟的可靠性,縮短爆轟轉(zhuǎn)向時(shí)間,對(duì)裝藥間隙值要求相對(duì)較低,傳爆率提高了13%。

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收稿日期:2014-05-19

作者簡(jiǎn)介:張世林(1986-),男,湖北襄陽(yáng)人,助理工程師,碩士,研究方向:彈藥工程。

中圖分類(lèi)號(hào):TJ430.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

Design and Simulation on Explosive Trains in Fuze of a
Certain Type of Depth Charge Bombs

ZHANG Shilin1,LI Dianlai1,HUANG Deyu2

(1CSIC-710, Hubei Yichang 443000, China; 2No.95874 Unit，Nanjing 210000，China)

Abstract:In order to improve reliability of fuze explosive trains, two fuze explosive trains with different structures were designed. A nonlinear finite element analysis software AUTODYN was applied to perform the numerical simulation of reliability of these two explosive trains, illustrating that the second design can improve reliability of the detonation transmission, shrink the time of detonation wave steering and loosen the requirement of the charge gap. The reliability experiments of these two explosive train designs were performed under low temperature, room temperature and high temperature conditions. Compared with the explosive rate 87% of the first design, the second design has a 13% higher detonation transmission reliability of 100%. The research provides guidance and reference for the product engineering design.

Keywords:fuze; explosive trains; experiments; numerical simulation