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        網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)破片低速梯次飛散特性

        2021-03-21 07:26:46王偉力梁爭(zhēng)峰趙超越梁安定
        關(guān)鍵詞:破片樣機(jī)裝藥

        李 鑫,王偉力,梁爭(zhēng)峰,趙超越,暢 波,梁安定

        (1 海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院,武漢 430033;2 西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

        0 引言

        動(dòng)能攔截彈依靠彈目相對(duì)速度實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速飛行器的高效毀傷,前提條件是精度足夠高以確保能夠有效碰撞。但鑒于目前引戰(zhàn)精度技術(shù)發(fā)展水平,若要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)碰撞毀傷存在一定的難度。殺傷增強(qiáng)裝置是一種可產(chǎn)生大質(zhì)量、分布均勻的破片彈幕新型戰(zhàn)斗部,裝填于動(dòng)能攔截彈內(nèi),當(dāng)彈目交會(huì)時(shí),動(dòng)能攔截殺傷增強(qiáng)裝置接到導(dǎo)彈啟動(dòng)信號(hào),內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝藥爆炸推動(dòng)多層大質(zhì)量的毀傷元拋撒,通過(guò)裝藥與毀傷元的匹配控制,實(shí)現(xiàn)多層毀傷元梯度拋撒,在空間形成“彈幕”,實(shí)現(xiàn)“彈幕”內(nèi)毀傷元之間和毀傷元層級(jí)之間等間距控制,形成密集的“動(dòng)能碰撞點(diǎn)”,其最大的優(yōu)勢(shì)在于彌補(bǔ)了單純的依靠動(dòng)能攔截彈直接碰撞引戰(zhàn)高精度的問(wèn)題[1-2]。

        目前,殺傷增強(qiáng)裝置朝著多環(huán)散布型結(jié)構(gòu)方向發(fā)展,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)較大范圍的高效攔截毀傷,中國(guó)工程物理研究院研究了采用燃?xì)獍l(fā)生器驅(qū)動(dòng)方式拋撒動(dòng)能塊,這種方式最大的好處是易于精確控制動(dòng)能塊速度,但每個(gè)動(dòng)能塊均需布設(shè)相應(yīng)的發(fā)射裝置,無(wú)效質(zhì)量占比較大,西安近代化學(xué)研究所優(yōu)化采用了柔性導(dǎo)爆索驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)[3-5],采用纏繞的方式將線裝藥纏繞至中心管溝槽內(nèi),纏繞圈數(shù)由該圈破片所要達(dá)到的破片速度決定,但線裝藥在缺口處纏繞時(shí)易損傷,導(dǎo)致線裝藥出現(xiàn)熄爆現(xiàn)象,且線裝藥制備工藝較復(fù)雜,根據(jù)不同的速度要求需要配備多種規(guī)格的線裝藥形式。

        文中提出了一種等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,制備了1發(fā)殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī),開(kāi)展了破片飛散特性數(shù)值仿真及原理樣機(jī)地面靜爆試驗(yàn),驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)裝藥的傳爆特性,獲取了破片的空間分布及飛散速度,并基于試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了格尼方程修正系數(shù),為殺傷增強(qiáng)裝置裝藥及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

        1 殺傷增強(qiáng)裝置

        1.1 網(wǎng)絡(luò)裝藥設(shè)計(jì)

        為實(shí)現(xiàn)破片低速梯次飛散,設(shè)計(jì)了一種典型的7圈2縱網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)形式,如圖 1所示,每圈裝藥徑向深度均相同,裝藥軸向高度由破片飛散速度決定,炸藥選用JO-9C,具有爆轟臨界直徑小、傳爆可靠的特點(diǎn),在界面尺寸≥1 mm時(shí)能夠可靠起爆。網(wǎng)絡(luò)裝藥作用過(guò)程是兩個(gè)起爆點(diǎn)同時(shí)輸入信號(hào),引爆2條縱向傳爆藥條,然后引爆7圈驅(qū)動(dòng)裝藥條,最終加載破片以不同的速度沿徑向飛散。

        圖1 網(wǎng)絡(luò)裝藥三維結(jié)構(gòu)圖

        為提高炸藥裝填質(zhì)量,消除裝藥內(nèi)部裂紋、孔洞、間隙等瑕疵,傳統(tǒng)的壓裝工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向裝藥結(jié)構(gòu),因此采用等靜壓炸藥裝藥工藝[6],具體裝藥過(guò)程是利用裝藥工裝將JO-9C炸藥澆鑄于殼體裝藥槽內(nèi),然后采用鋁箔塑封袋包裝并抽真空和排氣處理,最后放置于充滿油的壓力容器中,對(duì)JO-9C炸藥進(jìn)行等靜壓裝藥成型,等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥殼體如圖2所示,裝藥密度為1.5 g/cm3,爆速約為7 000 m/s。

        圖2 等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥殼體

        由于殼體裝藥槽槽底部較薄,在炸藥爆轟加載瞬間殼體破碎,爆炸氣體產(chǎn)物溢出,因此相對(duì)于對(duì)稱平板夾層裝藥結(jié)構(gòu),可將殺傷增強(qiáng)裝置簡(jiǎn)化為半開(kāi)口裝藥結(jié)構(gòu),此時(shí)破片初速可估算為[7]。

        (1)

        文獻(xiàn)[8]研究認(rèn)為在0.001~0.03極小裝填比條件下,上式計(jì)算的破片速度較實(shí)際值偏低,提出采用格尼公式修正系數(shù)α對(duì)初速進(jìn)行修正,且得出α是裝填系數(shù)β的冪函數(shù)即α=0.464β-0.3。

        根據(jù)修正后的破片速度格尼公式,計(jì)算的殺傷增強(qiáng)裝置網(wǎng)絡(luò)裝藥與破片飛散速度關(guān)系如表1所示。

        表1 網(wǎng)絡(luò)裝藥與破片飛散速度關(guān)系

        1.2 原理樣機(jī)

        殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī)主要由殼體、網(wǎng)絡(luò)裝藥、破片、起爆藥等組成,制備的原理樣機(jī)如圖 3所示。其中,破片采用鎢合金材質(zhì),根據(jù)表1中裝填系數(shù),破片尺寸長(zhǎng)×寬×高為12 mm×12 mm×20 mm,單枚質(zhì)量約為50 g,7層破片以首項(xiàng)為6,公差為6的等差數(shù)列進(jìn)行布設(shè),即分別為6枚(第一層)、12枚(第二層)、18枚(第三層)、24枚(第四層)、30枚(第五層)、36枚(第六層)、42枚(第七層),各層破片徑向均勻布設(shè)。

        圖3 殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī)

        為獲取試驗(yàn)過(guò)程每枚破片的飛散特性,對(duì)破片進(jìn)行編號(hào)處理,每枚破片坐標(biāo)表示為(m,n),其中:m表示層數(shù),層內(nèi)破片數(shù)量越多,m值越大,此處m取值為1~7;n表示每一層內(nèi)破片徑向位置,以紅線標(biāo)注為起始位置,記為0,紅線左側(cè)依次為1,2,3,4,…,且距離紅線越遠(yuǎn),編號(hào)越大,同樣的,紅線右側(cè)依次為-1,-2,-3,-4,…,且距離紅線越遠(yuǎn),編號(hào)絕對(duì)值越大。

        2 破片飛散數(shù)值模擬

        殺傷增強(qiáng)裝置破片飛散特性的數(shù)值仿真采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行,計(jì)算方法采用三維多物質(zhì)流固耦合MMALE算法。該計(jì)算模型由殼體、網(wǎng)絡(luò)裝藥、破片和空氣組成。仿真建模時(shí)考慮到工況的對(duì)稱特性進(jìn)行1/4模型三維建模,在對(duì)稱面和空氣域邊界等邊界設(shè)置相應(yīng)的位移約束條件和無(wú)反射邊界條件,計(jì)算模型如圖4所示。

        圖4 仿真模型

        殺傷增強(qiáng)裝置七層破片驅(qū)動(dòng)飛散特性仿真結(jié)果如圖 5所示,從中可看出七層破片呈現(xiàn)出明顯的速度梯度,計(jì)算結(jié)果表明第一層至第七層破片平均初速分別為10.8 m/s,21.4 m/s,32.1 m/s,43.7 m/s,54.8 m/s,66.6 m/s,76.9 m/s,與理論計(jì)算值基本一致,誤差控制在6.5%以內(nèi),證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裝藥設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

        圖5 網(wǎng)絡(luò)炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)七層破片飛散特性

        3 破片飛散特性試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 試驗(yàn)布局

        原理樣機(jī)靜爆試驗(yàn)布局如圖 6所示,其主要由背景幕、彈架、原理樣機(jī)、高速攝影等組成。其中背景幕為白色帆布,背景幕長(zhǎng)度方向?yàn)? m,高度方向?yàn)? m,正面畫(huà)同心等間距半圓弧,相鄰圓弧間隔距離245 mm,原理樣機(jī)水平放置,其軸線與背景幕上半圓弧圓心重合。為降低原理樣機(jī)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸后地面反射沖擊波對(duì)鎢合金破片飛散速度的影響,背景幕下沿距離地面高度應(yīng)不小于0.5 m。高速攝影儀器未在圖中顯示,其距離爆心約為50 m,且攝像頭與原理樣機(jī)軸線、背景幕上圓心處于同一直線上,高速攝影拍攝頻率為3 000 幀/s。

        圖6 試驗(yàn)布局

        根據(jù)高速攝影儀拍攝的相鄰兩幅或多幅破片的像距確定物距,以及高速攝影的拍攝幀數(shù)確定時(shí)間,據(jù)此可計(jì)算出每枚破片的飛散速度。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        3.2.1 數(shù)據(jù)處理前說(shuō)明

        1)由高速攝影可以觀察到破片均沿著徑向方向飛散,且經(jīng)過(guò)相鄰圓弧間距離對(duì)應(yīng)的幅數(shù)相同,即時(shí)間是相等的,說(shuō)明重力加速度對(duì)破片飛散速度影響較小,特別是速度越高影響越小,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中重力加速度可忽略不計(jì)。同時(shí),從理論角度進(jìn)行分析,以破片飛散速度10 m/s為例,其飛行跨越相鄰兩個(gè)同心環(huán)(間距0.245 m)的時(shí)間約為0.024 5 s,則重力方向速度為0.24 m/s,值很小。

        2)短時(shí)間內(nèi)空氣阻力對(duì)破片飛散速度的影響可忽略不計(jì),這也可從高速攝影觀察得知。

        3)高速攝影拍攝過(guò)程中,由于網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟產(chǎn)生火光,某些破片飛散過(guò)程并不能有效捕捉。

        3.2.2 破片低速飛散速度

        高速攝影拍攝的典型時(shí)刻破片飛散空間分布如圖7所示,所有破片飛散速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖8所示。

        圖7 典型時(shí)刻破片飛散空間分布

        圖8 破片飛散速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        由圖7可看出,殺傷增強(qiáng)裝置內(nèi)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸后,七層破片分別以不同速度沿徑向向外飛散,以45.0 ms時(shí)刻為例,可觀察到七層破片的空間分布,少量破片由于爆炸火光遮擋無(wú)法捕捉,其中七層破片分別位于不同圓環(huán)半徑處,且各層破片基本處于同一圓環(huán)內(nèi),說(shuō)明七層破片呈現(xiàn)出明顯的速度梯度。由圖 8進(jìn)一步可知從第一層至第七層破片平均飛散速度分別為8.2 m/s,17.8 m/s,26.2 m/s,36.9 m/s,47.3 m/s,56.2 m/s,66.4 m/s,相鄰層之間破片速度差為8.4~10.7 m/s,與理論計(jì)算值相比較低,分析原因是由于文獻(xiàn)[8]公式中修正系數(shù)是基于單層破片試驗(yàn)結(jié)果獲得的,而在多層破片驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)裝藥層與層之間間隔距離短,炸藥爆轟波傳播過(guò)程可能對(duì)相鄰區(qū)破片飛散造成影響,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將修正系數(shù)優(yōu)化為α=0.73β-0.316,其考慮了相鄰層之間網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟的影響。

        同時(shí),計(jì)算各層內(nèi)破片飛散速度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.29 m/s,0.30 m/s,0.56 m/s,0.96 ms/,1.05 m/s,1.45 m/s,1.24 m/s,說(shuō)明同層內(nèi)破片飛散一致性較好,能夠滿足工程應(yīng)用要求。

        4 結(jié)論

        1)等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,裝藥尺寸可按照破片速度在爆轟臨界直徑以上任意設(shè)計(jì),爆轟傳爆可靠,通過(guò)數(shù)值仿真及原理樣機(jī)靜爆試驗(yàn)驗(yàn)證,網(wǎng)絡(luò)裝藥能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多層破片低速梯次拋撒。

        2)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)下七層破片沿徑向方向飛散,呈現(xiàn)出明顯的速度梯度,但由于相鄰層之間網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟波的影響,試驗(yàn)值與理論計(jì)算值、仿真值存在偏差,考慮多層破片干擾情況下格尼方程修正系數(shù)優(yōu)化為α=0.73β-0.316。

        3)各層內(nèi)破片飛散速度一致性好,標(biāo)準(zhǔn)偏差介于0.29~1.45 m/s,能夠滿足工程應(yīng)用要求。

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