解朝變，胡雙啟，胡立雙，孫彬峰

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

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環(huán)形傳爆藥柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

解朝變，胡雙啟，胡立雙，孫彬峰

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

摘要:采用沖擊波碰撞理論對(duì)環(huán)形傳爆藥柱中心線處沖擊波碰撞類型進(jìn)行了理論分析，對(duì)不同類型的沖擊波碰撞給出了碰撞壓力理論計(jì)算公式，得出了環(huán)形傳爆藥柱高徑比和碰撞壓力的關(guān)系曲線. 計(jì)算表明，當(dāng)環(huán)形傳爆藥柱高徑比為0.5時(shí)，碰撞壓力最大. 與此同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了環(huán)形傳爆藥柱在高徑比為0.3，0.4，0.5，0.6和0.7時(shí)沖擊波碰撞壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高徑比為0.5時(shí)，碰撞壓力最大，故實(shí)驗(yàn)得出的變化規(guī)律和理論計(jì)算結(jié)果變化規(guī)律一致.

關(guān)鍵詞:沖擊波； 碰撞； 環(huán)形傳爆藥； 壓力測(cè)試

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境形勢(shì)越來越嚴(yán)峻，故大力發(fā)展鈍感彈藥以保證彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的安全性已成為各國武器發(fā)展的準(zhǔn)則之一. 鈍感主裝藥通常會(huì)有以下兩種情況： ① 起爆時(shí)裝藥直徑很大； ② 起爆時(shí)外界起爆壓力需要很高[1-3]. 為了滿足鈍感主裝藥的這兩種起爆要求，以保證其可靠起爆，就需要對(duì)引信中的傳爆藥進(jìn)行重新設(shè)計(jì). 最常用的辦法是加大傳爆藥的用藥量和尺寸，但是加大傳爆藥用量會(huì)提高武器系統(tǒng)對(duì)外界的敏感度，從而導(dǎo)致武器發(fā)生意外爆炸次數(shù)增多[4-5]. 為了解決此問題，一種行之有效的方法就是合理利用聚能效應(yīng)在原先使用的傳爆藥柱基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種帶凹穴的新結(jié)構(gòu)傳爆藥柱，通過聚能效應(yīng)使能量匯聚，從而提高傳爆藥柱的輸出能量. 作者先前設(shè)計(jì)了環(huán)形、 錐環(huán)形等特殊結(jié)構(gòu)的傳爆藥柱，研究表明設(shè)計(jì)的這些異形結(jié)構(gòu)傳爆藥柱輸出能量較圓柱形傳爆藥柱提高很多[6-12]，但是先前設(shè)計(jì)的異形傳爆藥柱缺乏理論支持. 本文從理論分析入手，對(duì)環(huán)形傳爆藥柱進(jìn)行尺寸優(yōu)化，然后通過實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)的環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力.

1理論研究

當(dāng)兩個(gè)爆轟波(沖擊波)迎面?zhèn)鞑r(shí)，將發(fā)生爆轟波(沖擊波)正碰撞，碰撞點(diǎn)處壓力急劇提高. 兩爆轟波(沖擊波)成一定角度傳播時(shí)，將發(fā)生爆轟波(沖擊波)斜碰撞，斜碰撞處壓力也會(huì)提高，根據(jù)碰撞角度的不同，斜碰撞分為正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞(Mach碰撞). 環(huán)形傳爆藥柱在多點(diǎn)起爆下，沖擊波碰撞示意圖見圖 1 所示. 圖中A點(diǎn)為沖擊波正碰撞，B點(diǎn)為正規(guī)斜碰撞，C點(diǎn)為非正規(guī)斜碰撞.

在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，我們作如下假設(shè)： ① 忽略環(huán)形傳爆藥柱厚度，因?yàn)閭鞅幹穸戎粚?duì)初始入射波強(qiáng)度有影響，計(jì)算所得結(jié)果為一個(gè)相對(duì)值，因此厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響； ② 將向環(huán)形傳爆藥柱徑向匯聚的沖擊波看成由波源點(diǎn)組成的線； ③ 忽略沖擊波在空氣中的衰減.

因?yàn)檎鲎灿?jì)算比較簡單，且本文重點(diǎn)考慮環(huán)形傳爆藥柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)及環(huán)形傳爆藥柱高徑比設(shè)計(jì)，故只考慮正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞兩種情況.

設(shè)炸藥入射波壓力為P1，絕熱指數(shù)為k，入射角為φ1，反射角為φ2，折轉(zhuǎn)角為θ，馬赫數(shù)為M，藥柱高度為h，環(huán)形藥柱內(nèi)半徑為R. 那么根據(jù)沖擊波碰撞理論，當(dāng)高度為hn時(shí)，入射角、 反射角、 馬赫數(shù)和轉(zhuǎn)折角為φ1n，φ2n，Mn和θn，有[13]

(1)

(2)

(3)

斜反射沖擊波后流動(dòng)折轉(zhuǎn)角θn與波前流動(dòng)角φ2n+θn的關(guān)系如式(4)所示

(4)

若式(4)在1°<φ2n+θn<90°范圍內(nèi)存在實(shí)數(shù)解，則為正規(guī)斜反射，否則為Mach斜反射. 對(duì)于正規(guī)斜反射有

(5)

對(duì)于Mach斜反射有

(6)

圖與關(guān)系曲線Fig.2　Relationship curve of and

2實(shí)驗(yàn)

圖 3　五種尺寸環(huán)形傳爆藥柱Fig.3　Annular booster pellet of five different sizes

2.1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用錳銅傳感器來測(cè)量傳爆藥柱端面的輸出壓力[14]. 錳銅壓阻傳感器和脈沖恒流源一起組成有源壓力探測(cè)器. 在恒流源向傳感器提供恒流I的條件下，當(dāng)傳感器受到外界壓力作用時(shí)，電阻變化和電阻上的電壓變化存在如式(7)關(guān)系

(7)

(8)

2.2實(shí)驗(yàn)裝置

環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力測(cè)試裝置見圖 4 所示.

圖 4　環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力測(cè)試裝置Fig.4　Diagrammatic illustration of the pressure test method

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表 1　環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖 =0.5時(shí)環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力Fig.5　The output pressure of annular booster pellet at =0.5

3結(jié)論

基于沖擊波碰撞理論，采用理論計(jì)算對(duì)環(huán)形傳爆藥柱優(yōu)化進(jìn)行了計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)理論計(jì)算，環(huán)形傳爆藥柱存在一個(gè)最佳高徑比，為0.5，在最佳高徑比時(shí)環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力最大，為86.84GPa.

2) 實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)形傳爆藥柱在5種不同高徑比條件下的輸出壓力，得出環(huán)形傳爆藥柱高徑比為0.5時(shí)輸出壓力最大，為34.89GPa.

3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相差甚大，但是兩者變化趨勢(shì)一致，理論計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究.

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Optimal Design of Annular Booster Pellet

XIE Zhao-bian, HU Shuang-qi, HU Li-shuang, SUN Bin-feng

(North University of China, Taiyuan 030051, China )

Abstract:The collision style of shock wave in the center line of annular booster pellet was analysed through shock wave collision theory. The calculation formulas of different shock wave collision were provided. The relationship curve between the ratio of the height to diameter and the collision pressure was obtained. The theoretical calculation result showed that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The collision pressure of the annular booster pellet was experimentally tested when the ratio of the height to diameter was 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7. The experiment result also shows that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The variation tendency of the experiment result is well agreed with that of the calculation result.

Key words:shock wave; collision; annular booster explosive; pressure test

文章編號(hào):1673-3193(2016)02-0177-04

*收稿日期:2015-08-16

作者簡介：解朝變(1978-)，女，講師，碩士，主要從事武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程的研究.

中圖分類號(hào):TQ560.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.015