拋撒藥殼體對一次起爆型云爆彈威力的影響規(guī)律*

高洪泉，盧芳云，王少龍，羅永鋒，顏 澎，袁 偉，胡 健

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院技術(shù)物理研究所，湖南 長沙 410073;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085)

在一次起爆型云爆彈(single event FAE，SEFAE)中，燃料的拋撒和引爆一次完成。由于SEFAE裝置結(jié)構(gòu)簡單、爆轟可靠性高，因而成為當(dāng)前FAE類武器研究的熱點［1-7］。SEFAE戰(zhàn)斗部一般采用整體型薄殼結(jié)構(gòu)［3］，主體部分為圓柱體薄壁圓筒，在中心裝藥爆炸驅(qū)動下，燃料徑向分散，形成軸對稱的燃料空氣混合物，進(jìn)而引發(fā)燃料空氣混合物的爆轟。

研究SEFAE拋撒藥殼體(內(nèi)殼體)對威力的影響具有重要的意義。宋志東等［4］就FAE戰(zhàn)斗部外殼體對燃料拋撒速度的影響進(jìn)行了數(shù)值仿真，在滿足強(qiáng)度的情況下，外殼體材料的屈服強(qiáng)度越小越有利于燃料拋撒速度的提高，但內(nèi)殼體材料并不是屈服強(qiáng)度越小越好，而是應(yīng)滿足一定的屈服強(qiáng)度要求。郭學(xué)永等［6］就FAE裝置外殼體對云霧狀態(tài)的控制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)同量級鋼殼體FAE所形成的云霧，大于鋁殼體FAE所形成的云霧且鋼殼彈的彈片飛行距離和殺傷能力都優(yōu)于鋁殼彈。

本文中，就內(nèi)殼體對SEFAE威力的影響進(jìn)行研究。在對內(nèi)殼體破裂進(jìn)行理論計算的基礎(chǔ)上，對中心拋撒藥結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1)和中心與周邊輔助拋撒藥結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2)這2種典型的SEFAE結(jié)構(gòu)(如圖1所示)進(jìn)行靜爆威力實驗。其中，中心與周邊輔助拋撒藥結(jié)構(gòu)采用了同時起爆技術(shù)，可增大拋撒驅(qū)動能量，提高了燃料濃度分布的均勻性。實驗中，應(yīng)用高速錄像觀測爆炸過程，應(yīng)用壁面壓力傳感器測量地面超壓，通過對火球大小和超壓的對比分析，就FAE裝置結(jié)構(gòu)、拋撒藥殼體強(qiáng)度對威力的影響進(jìn)行了探討。

1 內(nèi)殼體的運動變形理論分析

圖1 典型SEFAE裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The figures of the typical SEFAE device

拋撒藥起爆后，內(nèi)殼體在爆炸產(chǎn)物驅(qū)動下迅速向外膨脹，在達(dá)到某一半徑時，殼體破裂形成碎片。此時，爆炸產(chǎn)物一方面繼續(xù)驅(qū)動破片向外加速運動，同時逸出殼體并繞流到破片前方，引燃引爆燃料。由于后續(xù)階段的加速效應(yīng)在整個殼體加速過程中所占份額很小，在分析中可忽略不計。

在爆炸產(chǎn)物驅(qū)動殼體的后期，由于殼體內(nèi)爆炸產(chǎn)物壓力的降低，殼體的強(qiáng)度及塑性變形對能量的消耗已不可忽略。為近似地求得殼體的運動速度，做如下假設(shè)［9］:(1)假設(shè)裝藥為瞬時爆轟，殼體在爆轟產(chǎn)物作用下僅做徑向運動，忽略實際爆轟過程中的軸向運動;(2)忽略彈性變形，假定材料服從理想剛塑性模型，且遵守體積不變的假定;(3)殼體在周向拉應(yīng)力作用下發(fā)生拉裂，裂紋不能進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū)域。

圖2 受載殼體微元的受力和變形Fig.2 Stress and strain of the inner shell

建立質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程，展開并略去高階小量得到

設(shè)a和b為殼體的內(nèi)徑和外徑，則殼體邊界條件為

設(shè)殼體內(nèi)徑的徑向速度為ua，通過質(zhì)量、動量守恒方程以及邊界條件，得到

根據(jù)材料不可壓縮條件b2－a2=b20－，由式(5)～(9)可以得到ua關(guān)于時間t的導(dǎo)數(shù)˙ua

由式(10)可知:拋撒藥殼體速度受殼體強(qiáng)度、密度、厚度、殼體破裂半徑等諸多因素影響。隨著殼體延展性的增強(qiáng)，殼體的破裂半徑a、殼體徑向速度ua將會顯著增加，燃料的拋撒速度也將提高，同時燃料的點火時間得到延長，導(dǎo)致火球直徑增大，整個SEFAE實驗裝置威力增加;隨著殼體的屈服強(qiáng)度增加，殼體、燃料的拋撒速度降低，火球的直徑也將減小，從而降低SEFAE實驗裝置的威力;內(nèi)殼體破碎的均勻性也對實驗裝置的火球直徑、威力產(chǎn)生影響，如果殼體的破碎的均勻性較好，相應(yīng)的SEFAE裝置的威力就較大。

2實驗

2.1 實驗裝置

根據(jù)工程經(jīng)驗［3］，2種結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部比藥量(拋撒藥與燃料質(zhì)量之比)為30%。結(jié)構(gòu)2的SEFAE裝置采用導(dǎo)爆索將中心和周邊拋撒藥同時起爆。為考核拋撒藥殼體對SEFAE裝置威力的影響，分別采用強(qiáng)度較低的PVC塑料管和厚度為0.3 mm且延展性較好的無縫鋼管作為內(nèi)殼體，裝置外殼體采用厚1 mm的鋼殼。

實驗共4發(fā)，其中不同裝藥結(jié)構(gòu)、不同拋撒藥殼體的各1發(fā)，炸高均取1.2 m。測試儀器采用幀數(shù)為25 000 s－1的高速攝像儀對爆炸過程攝像，采用自存儲式數(shù)字壓力記錄儀測試地面超壓，每條主力學(xué)線上布置8 個測點，測點距炸藥垂心的距離分別為 5、6、8、10、12、14、17、20 m，如圖3 所示。

圖3 測試現(xiàn)場布置圖Fig.3 Scheme of the experimentmeasurement

2.2 實驗現(xiàn)象分析與討論

表1 不同SEFAE裝置的爆炸火球參數(shù)Table 1 The fireball parameters of different SEFAE

分析高速錄像數(shù)據(jù)，得到SEFAE裝置爆炸的最大火球參數(shù)如表1所示，其中tm為火球最大半徑時刻，dm為火球最大直徑，τs為火球持續(xù)時間。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出:(1)TNT炸藥火球到達(dá)最大直徑的時間最短，為9 ms，而2種SEFAE裝置的火球到達(dá)最大直徑的時間都較長，為TNT火球到達(dá)最大直徑時間的約2倍或2倍以上;(2)結(jié)構(gòu)1采用PVC管比采用等厚度的鋼殼火球直徑大;(3)結(jié)構(gòu)2采用鋼內(nèi)殼比采用等厚度PVC管的火球直徑大、持續(xù)時間也較長，并延長了火球到達(dá)最大直徑的時刻;(4)2種不同結(jié)構(gòu)相比較，采用PVC管時，火球的直徑、到達(dá)最大直徑的時刻、火球持續(xù)時間等參數(shù)變化不大，而采用鋼內(nèi)殼時，結(jié)構(gòu)2的火球直徑明顯增加，火球到達(dá)最大直徑的時刻延長，火球持續(xù)時間也較長。

對上述現(xiàn)象進(jìn)行分析后認(rèn)為:(1)鋼內(nèi)殼的延展性較好，導(dǎo)致殼體的破裂時間、破裂半徑增加，加速了燃料的拋撒速度，從而使得火球直徑增大，與殼體破裂理論的分析結(jié)果一致;(2)鋼內(nèi)殼的屈服強(qiáng)度相對較大，破裂的均勻性比PVC管差，使得燃料的混合和拋撒均勻性減弱，從而有減小火球的直徑的趨勢。因此，對于不同的SEFAE結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用延展性、強(qiáng)度與SEFAE結(jié)構(gòu)相匹配的殼體材料。

2.3 爆炸場參數(shù)測試結(jié)果及分析

采用TNT當(dāng)量法對FAE裝置進(jìn)行威力評價［8］，為彌補爆炸拋撒的不均勻性帶來的影響，對2路測試線上得到的TNT當(dāng)量進(jìn)行平均，得到表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著距爆心距離的增大，SEFAE的TNT當(dāng)量先增加再減小，彈在距爆心5～20 m范圍內(nèi)，其TNT當(dāng)量都大于1.2。

對于結(jié)構(gòu)1，采用 PVC內(nèi)殼體時，在6、10、12、14 m處的測試結(jié)果都在2倍TNT當(dāng)量以上，在12 m位置處達(dá)到最大值2.73;采用鋼內(nèi)殼時，在10、12 m處TNT當(dāng)量在2倍以上，在12 m處達(dá)到最大值2.36，略低于采用PVC管的情形。對以上現(xiàn)象分析后認(rèn)為:雖然鋼殼體破裂半徑的增加加速了燃料的拋撒速度，但降低了燃料的拋撒與混合的均勻性;采用PVC殼體可以提高燃料的拋撒與混合的均勻性，進(jìn)而提高SEFAE的威力。因此，不能簡單通過以犧牲燃料的拋撒與混合均勻性增大燃料拋撒速度去提高SEFAE裝置的威力。

表2 不同距離處的TNT當(dāng)量值Table 1 The TNT equivalentmass varied w ith distance

對于結(jié)構(gòu)2，采用鋼內(nèi)殼時，在8～17 m范圍內(nèi)的測試結(jié)果都在2倍TNT當(dāng)量左右，在14 m處達(dá)到最大值3.17;采用PVC管內(nèi)殼時，在8～14 m范圍內(nèi)的測試結(jié)果在2倍TNT當(dāng)量左右，在14 m處達(dá)到最大值2.3?？梢哉J(rèn)為是由于鋼殼較PVC管具有更大的破裂半徑，從而提高了液體燃料拋撒速度，增加了火球直徑，導(dǎo)致了高壓區(qū)略有外延。

3結(jié)論

在對拋撒藥殼體破裂過程進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，采用2種不同拋撒藥殼體、不同結(jié)構(gòu)的SEFAE裝置進(jìn)行了對比實驗研究，結(jié)果表明:對于結(jié)構(gòu)2裝置，采用延展性較好的殼體可以提高燃料的拋撒速度，從而提高SEFAE裝置的威力;而對于結(jié)構(gòu)1裝置，采用延展性較好的殼體雖能提高燃料的拋撒速度，但殼體的強(qiáng)度過高，不利于提高SEFAE裝置的威力。因此，對于不同結(jié)構(gòu)的SEFAE裝置，必須兼顧燃料的拋撒均勻性、混合均勻性、拋撒速度等指標(biāo)，才能有效提高SEFAE的威力。

［1］許學(xué)忠，裴明敬，王宇輝，等.一次起爆F(xiàn)AE的燃料擴(kuò)散特征［J］.火炸藥學(xué)報，2000，23(1):47-49.

XU Xue-zhong，PEIMing-jing，WANG Yu-hui，et al.Dispersion characteristics of single-event［J］.Chinese Journal of Explosive ＆ Propellants，2000，23(1):47-49.

［2］闞金玲，劉家驄.一次引爆云爆劑的爆炸特性［J］.爆炸與沖擊，2006，26(5):404-409.

KAN Jin-ling，LIU Jia-cong.The blast characteristic of SEFAE［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26(5):404-409.

［3］張?zhí)?FAE整體型戰(zhàn)斗部原理設(shè)計的探討［D］.南京:南京理工大學(xué)，2004.

［4］宋志東，李運華，周倫，等.殼體對云爆彈燃料拋撒影響的仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(24):265-267.

SONG Zhi-dong，LIYun-hua，ZHOU Lun，et al.Simulation analysis on effect of shell to spill of liquid fuel of FAE［J］.Journal of System Simulation，2007，19(24):265-267.

［5］張奇，白春華，劉慶明，等.一次起爆型燃料空氣炸藥裝置結(jié)構(gòu)的試驗研究［J］.兵工學(xué)報，2001，22(4):129-131.

ZHANG Qi，BAIChun-hua，LIU Qing-ming，et al.Experimental investigation of explosion effects of fuel air explosive by various device structures［J］.Acta Armamentarii，2001，22(4):129-131.

［6］郭學(xué)永，惠君明.裝置參數(shù)對FAE云霧狀態(tài)的影響［J］.含能材料，2002，10(4):161-164.

GUO Xue-yong，HUIJun-ming.Influence of equipment parameters on FAE cloud status［J］.Energetic Materials，2002，10(4):161-164.

［7］蒲加順，白春華，梁慧敏，等.多元混合燃料分散爆轟研究［J］.火炸藥學(xué)報，1998(1):2-6.

PU Jia-shun，BAIChun-hua，LIANG Hui-min，et al.Dispersed detonation ofmultinary fuelmixture［J］.Chinese Journal of Explosive＆ Propellants，1998(1):2-6.

［8］顏澎，王少龍，徐明利，等.一種改進(jìn)的爆炸超壓測試與威力評估方法［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2008，22(6):43-48.

YAN Peng，WANG Shao-long，XUMing-li，etal.An improvedmethod for explosion overpressuremeasurementand power evaluation［J］.Journal of Test and Measurement Technology，2008，22(6):43-48.

［9］張慶明.爆轟物理學(xué)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2006:314-317.