李一鳴，楊曉紅，姚文進(jìn)，鄭 宇，劉峻豪

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；2.中國人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

引 言

自20世紀(jì)60年代，對破片沖擊起爆非均質(zhì)炸藥開展了許多試驗(yàn)研究。非均質(zhì)炸藥沖擊起爆研究在破片式反導(dǎo)戰(zhàn)斗部，炸藥安定性和不敏感彈藥設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有重要的意義。

K. L. Bahl等[1]用平頭和圓頭鋼質(zhì)彈丸分別沖擊起爆裸露的和覆蓋不同厚度、不同材料的PBX-9404及HMX/TATB炸藥，并測定了兩種炸藥的沖擊起爆閾值；Haskins等[2-4]研究了彈丸直徑、形狀、質(zhì)量、入射角度以及蓋板材料和厚度等因素對沖擊起爆的影響；R. L. Gustavsen等[5]對桿撞擊裸露的PBX 9501炸藥進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Yuxing Xu等[6]研究了在不同打擊速度下采用薄鋁殼沖擊鋼片保護(hù)的圓柱形炸藥的響應(yīng)特性，并公式推導(dǎo)得到了殼體屏蔽的爆炸物的沖擊起爆/點(diǎn)火的臨界比動能標(biāo)準(zhǔn)；董小瑞[7]、王樹山[8]、盧錦釗[9]等也針對破片沖擊起爆屏蔽裝藥問題進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。

目前，國內(nèi)外研究大多集中在單破片沖擊起爆裝藥[1-9]，對雙破片的沖擊起爆研究大多停留在數(shù)值模擬階段[10-11]，相關(guān)試驗(yàn)研究較少。當(dāng)雙破片同時(shí)撞擊裝藥時(shí)，會在炸藥中形成壓力疊加，與單破片相比，降低了沖擊起爆的速度閾值；在炸藥厚度較小時(shí)，背板反射波與雙破片撞擊形成的疊加波相互作用，極大地提高了裝藥起爆的概率。

本研究進(jìn)行了單一破片和雙破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過Autodyn-3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過改變背板材料及炸藥厚度，從而改變背板反射波的幅值，分析其對破片沖擊起爆8701裝藥的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 單破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由彈道槍、鎢球、收彈器、高速攝影、蓋板、炸藥、背板及固定裝置組成。試驗(yàn)采用14.5mm滑膛彈道槍，選用小粒黑點(diǎn)火藥，多-45發(fā)射藥，用2A12鋁合金制作鎢球的彈托，如圖2(a)所示。鎢球直徑為10mm；炸藥為壓裝8701，尺寸為Φ70mm×4mm；蓋板和背板均為A3鋼，尺寸為100mm×100mm×4.5mm。通過調(diào)整發(fā)射藥的質(zhì)量來調(diào)節(jié)鎢球的著靶速度。

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

單枚鎢球沖擊起爆屏蔽8701裝藥的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 單枚鎢球?qū)ζ帘?701裝藥沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試驗(yàn)布局圖Fig.1 Test layout

圖2 單破片及雙破片的彈托與破片F(xiàn)ig.2 Fragments and sabots for single and dual fragments

1.2 雙破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用25mm滑膛彈道炮，選用小粒黑點(diǎn)火藥，4/7發(fā)射藥，用2A12鋁合金制作鎢球的彈托，如圖2(b)所示。鎢球的直徑為10mm；其余如蓋板、炸藥、背板等試驗(yàn)器材和布局與單破片沖擊起爆試驗(yàn)相同。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

兩枚鎢球沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 雙鎢球?qū)ζ帘?701裝藥沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果

將單破片沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果與雙破片沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，炸藥發(fā)生爆轟時(shí)，雙破片的沖擊起爆速度閾值僅比單破片低60m/s，速度降低不顯著，表明除雙破片的沖擊波疊加作用影響裝藥起爆的閾值速度外，背板反射波亦影響裝藥起爆的閾值速度，且因炸藥太薄，背板反射波作用更加顯著。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用AUTODYN-3D軟件建立離散化模型。考慮模型對稱性，建立1/2模型以簡化計(jì)算。圖3為建立的鎢球、炸藥、蓋板和背板的離散化網(wǎng)格模型，采用Lagrange方法開展計(jì)算。圖3(b)中兩鎢球的球心距離是17.2mm，即試驗(yàn)時(shí)炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)時(shí)兩鎢球的著靶距離。

圖3 離散化網(wǎng)格模型Fig.3 Discrete model

為了描述裝藥在破片沖擊作用下的起爆過程，其狀態(tài)方程采用Lee-Tarver狀態(tài)方程[12]：

dF/dt=I(1-F)b(μ-a)x+G1(1-F)cFdpy
+G2(1-F)eFgpz

式中：I為點(diǎn)火量沖擊強(qiáng)度；F為燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在模擬爆轟過程中控制炸藥化學(xué)能的釋放；b為點(diǎn)火項(xiàng)燃耗階數(shù)；μ為炸藥壓縮比；a為臨界壓縮度參數(shù)；參數(shù)x為持續(xù)函數(shù)；參數(shù)G1和d為控制點(diǎn)火后早期增長函數(shù)；c、y為燃燒項(xiàng)的燃耗階數(shù)和壓力冪數(shù)；參數(shù)G2和z為高壓反映率相關(guān)函數(shù)；e、g為常數(shù)；p為爆炸氣體壓力。炸藥未反應(yīng)物和反應(yīng)物均采用JWL狀態(tài)方程。炸藥模型材料參數(shù)見表3。

鎢球、蓋板和背板選用能較好描述材料大應(yīng)變、高應(yīng)變率及高溫度狀態(tài)的Johnson-Cook 強(qiáng)度模型，材料強(qiáng)度模型、狀態(tài)方程和侵蝕準(zhǔn)則列于表4中。參數(shù)取自AUTODYN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。

采用“升降法”獲得炸藥的臨界起爆速度閾值。采用反應(yīng)度ALPHAλ1判斷炸藥是否發(fā)生爆轟反應(yīng)。λ1的選取在0～1之間，即炸藥發(fā)生反應(yīng)部分與整體的比值。若λ1=0，表示炸藥無任何反應(yīng)；若0<λ1<1，說明炸藥發(fā)生不完全反應(yīng)；若λ1=1，表示炸藥發(fā)生爆轟。

表3 炸藥模型參數(shù)[13]

表4 鎢球、蓋板、背板材料模型

2.2 模型校驗(yàn)

根據(jù)上述模型及材料參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如表5所示。從表5可以看出，模擬值與試驗(yàn)值誤差在10%以內(nèi)，即認(rèn)定模擬算法的正確性。

表5 臨界起爆速度的模擬值與試驗(yàn)值對比

2.3 背板材料對單破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響

當(dāng)沖擊波傳到炸藥與背板交界面時(shí)會發(fā)生反射，反射波的幅值與炸藥和背板之間的波阻抗(ρC，C為材料聲速)關(guān)系相關(guān)，所以背板材料影響反射波的幅值，進(jìn)而影響炸藥的起爆閾值。選擇石英、鋁、銅、鎢4種材料作為背板材料，并與以鋼作為背板材料的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。5種材料的波阻抗值參見文獻(xiàn)[14]，模擬所用背板材料模型如表6所示。

由表6可以看出，破片沖擊不同背板材料的屏蔽裝藥時(shí)，臨界起爆速度隨背板波阻抗的增大而減小。

表6 背板材料模型及臨界起爆速度

2.4 炸藥厚度對雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響

為考慮炸藥厚度對雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響，計(jì)算炸藥厚度(h)分別為8、12、16、20、30、40mm時(shí)裝藥的臨界起爆速度，并將結(jié)果與炸藥厚度為4mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果比較。仿真模型與試驗(yàn)相比僅改變炸藥厚度，所用材料模型與上述相同。為研究鎢球?qū)ζ帘窝b藥的起爆過程，根據(jù)炸藥厚度的差異，在炸藥中心軸線位置處均勻設(shè)置一系列高斯點(diǎn)，如圖4所示。

經(jīng)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩鎢球以1250m/s的速度同時(shí)撞擊炸藥厚度為4mm的靶標(biāo)時(shí)，炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。炸藥不同時(shí)刻的壓力云圖及反應(yīng)度ALPHA云圖、高斯點(diǎn)處的壓力曲線如圖5和圖6所示。

圖4 高斯點(diǎn)位置圖Fig.4 Position of Gauss

圖5 不同時(shí)刻炸藥的壓力云圖及反應(yīng)度ALPHA云圖Fig.5 Pressure and ALPHA contours of explosive at different times

圖6 兩鎢球以1250m/s的速度同時(shí)撞擊炸藥厚度4mm的靶標(biāo)時(shí)炸藥高斯點(diǎn)處的壓力曲線圖Fig.6 Pressure curve at Gauss point of explosive when two tungsten spheres impact the target with the thickness of 4mm at 1250m/s

由圖5和圖6可看出，當(dāng)t=2μs時(shí)，鎢球侵徹蓋板，初始沖擊波向炸藥內(nèi)傳播；從t=2.4μs時(shí)的壓力云圖可以看出，由兩鎢球侵徹產(chǎn)生的沖擊波先到達(dá)炸藥與背板的交界處，并在炸藥與背板界面上發(fā)生反射，由于背板材料的波阻抗大于炸藥的波阻抗，此時(shí)反射波與入射波在背板附近位置處發(fā)生疊加，使沖擊波壓力增大進(jìn)而使炸藥在此處產(chǎn)生一個(gè)高壓力區(qū)(見圖5(d))，且背板反射波先于兩鎢球的疊加波；根據(jù)圖5(g)，約在t=3.1μs時(shí)高斯點(diǎn)處產(chǎn)生壓力，根據(jù)圖5(d)，此時(shí)的壓力是兩鎢球沖擊波疊加的作用；在t=4～8μs時(shí)，兩鎢球背板反射波與兩鎢球的疊加波之間不斷作用，導(dǎo)致高斯點(diǎn)處的壓力曲線呈階躍增長；約在t=8.5μs時(shí)，炸藥中心軸線處的壓力達(dá)到最大峰值，炸藥的反應(yīng)度達(dá)到1，炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

當(dāng)兩鎢球以v=1500m/s的速度同時(shí)撞擊h=8mm的靶標(biāo)時(shí)，裝藥發(fā)生爆轟反應(yīng)，高斯點(diǎn)處的壓力曲線如圖7(a)所示，不同時(shí)刻裝藥的壓力云圖如圖7(b)所示。從圖7(a)可以看出，約在t=2.8μs時(shí)，高斯點(diǎn)處開始產(chǎn)生壓力，結(jié)合t=3μs時(shí)的壓力云圖可知，兩鎢球撞擊產(chǎn)生的沖擊波先于背板反射波疊加，約在t=4μs時(shí)，兩鎢球侵徹產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)炸藥與背板的交界處，之后，兩鎢球背板反射波與兩鎢球的疊加波之間不斷作用，約在t=8.7μs時(shí)，壓力達(dá)到峰值，此時(shí)炸藥的反應(yīng)度達(dá)到1，炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

兩鎢球沖擊起爆炸藥厚度(h)分別為4、8、12、16、20、30、40mm的屏蔽裝藥，數(shù)值計(jì)算所得的臨界起爆速度如圖8所示?？梢钥闯觯S炸藥厚度(h)的增大，背板反射波的作用逐漸減弱，當(dāng)炸藥厚度增大到30mm時(shí)，靠兩鎢球產(chǎn)生的沖擊波疊加起爆裝藥，背板對雙破片沖擊裝藥的臨界起爆速度幾乎無影響。

圖7 h=8mm，v=1500m/s時(shí)，裝藥軸線處的壓力曲線及裝藥的壓力云圖Fig.7 Pressure curve at the axis of explosive and the pressure contour of the charge when h=8mm and v=1500m/s

圖8 不同裝藥厚度臨界起爆速度對比Fig. 8 Comparison of critical initiation velocity under different charge thicknesses

3 結(jié) 論

(1)雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥時(shí)，若炸藥較薄(炸藥厚度h<30mm)，背板反射波與兩破片的疊加波均可影響裝藥的臨界起爆速度。單破片沖擊起爆相同裝藥結(jié)構(gòu)的結(jié)果與之相比，背板反射波的存在會加速裝藥發(fā)生爆轟反應(yīng)，縮小與雙破片沖擊起爆的差距。

(2)反射沖擊波的幅值隨背板材料波阻抗值增大而增加，即臨界起爆速度隨背板波阻抗的增大而減小。

(3)在本研究模型結(jié)構(gòu)下(兩破片球心距為17.2mm，同時(shí)撞擊靶標(biāo))，雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥時(shí)，在裝藥厚度較小時(shí)，初始沖擊波先到達(dá)背板發(fā)生反射，反射波先于兩鎢球的疊加波；隨裝藥厚度的增加，兩鎢球撞擊產(chǎn)生的沖擊波先于背板反射波疊加，并且隨裝藥厚度的增大，背板反射波的作用逐漸減弱，當(dāng)炸藥厚度增大到30mm時(shí)，靠兩鎢球產(chǎn)生的沖擊波疊加起爆裝藥，背板對雙破片沖擊裝藥的臨界起爆速度幾乎無影響。