多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及其同步性誤差分析

沈慧銘， 李偉兵， 王曉鳴， 李文彬

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210094)

1 引 言

剛性爆炸網(wǎng)絡(luò)通常是以剛性基板為載體的溝槽型爆炸網(wǎng)絡(luò)，其輸出點(diǎn)通常呈環(huán)形或平面狀分布，以達(dá)到環(huán)起爆或面起爆的目的，常應(yīng)用于多模式SC(Selectable Charge)戰(zhàn)斗部的研究。相對(duì)于點(diǎn)起爆而言，環(huán)起爆或面起爆可以激發(fā)炸藥潛能，在炸藥內(nèi)部形成超壓從而更快的壓垮藥型罩，形成頭部速度較高的毀傷元，提高戰(zhàn)斗部的侵徹能力。當(dāng)采用多點(diǎn)起爆的方式來引爆主裝藥，若起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性精度不高則對(duì)侵徹體的侵徹能力影響非常大，侵徹效果甚至不及單點(diǎn)起爆方式，所以聚能裝藥多模式戰(zhàn)斗部對(duì)多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性精度都有明確的要求[1-2]。為了提高起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性，研究人員提出了不同的方法，如李曉剛等[3]采用超細(xì)化HMX炸藥作為溝槽裝藥，研究表明細(xì)化后的炸藥裝藥均勻性好，可以顯著提高提高爆炸網(wǎng)絡(luò)的同步性。溫玉全等[4]研究了以RDX為主體的橡皮炸藥用作溝槽炸藥的可行性，得到了RDX橡皮炸藥在溝槽通道中爆轟傳爆的各種臨界尺寸，同時(shí)，他還采用精密壓裝裝藥技術(shù)將傳爆藥更均勻的壓在溝槽中，用以提高爆炸網(wǎng)絡(luò)的同步性精度[5]。胡華權(quán)[6]設(shè)計(jì)出一種在剛性基板外端聯(lián)結(jié)導(dǎo)爆索的剛性和柔性相結(jié)合的起爆網(wǎng)絡(luò)，利用柔性導(dǎo)爆索可彎曲的特點(diǎn)消除炸藥傳爆過程中的拐角誤差以提高同步性。鄭宇等[7]采用導(dǎo)爆索和擴(kuò)爆頭設(shè)計(jì)了一種用于形成桿式射流的六點(diǎn)同步起爆裝置，由于導(dǎo)爆索的誤差較大所以對(duì)成型影響很大。段卓平等[8]設(shè)計(jì)了一種用于大口徑裝藥24點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，狹縫攝影表明該起爆網(wǎng)絡(luò)可以在裝藥中產(chǎn)生喇叭狀爆轟波。張鄭偉[9]等針對(duì)柔性起爆網(wǎng)絡(luò)提出了導(dǎo)爆索分束的方法，分束結(jié)構(gòu)可減少轉(zhuǎn)換接頭的尺寸和內(nèi)部裝藥量，有助于提高和保證爆轟波輸出的同步性。前人的研究側(cè)重傳爆炸藥的性能的提高或者優(yōu)化起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面，而對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)和將起爆網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)彈效果的檢驗(yàn)則少有報(bào)道。

基于此，本研究在前期對(duì)多點(diǎn)起爆代替環(huán)起爆研究的基礎(chǔ)上[10]，設(shè)計(jì) 8點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)，采用新型的納米顆粒炸藥作為傳爆藥，分析起爆網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)，如基板厚度、刻槽寬度以及起爆威力的影響，計(jì)算起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性精度，并進(jìn)行了實(shí)彈檢驗(yàn)。

2 起爆網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起爆網(wǎng)絡(luò)由基板、端蓋和傳爆藥三部分構(gòu)成，采用典型的板式傳爆結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以基板為主體，其上刻八條長(zhǎng)度相同的溝槽，傳爆藥壓裝于溝槽內(nèi)，雷管插入雷管座，從中心點(diǎn)處引爆溝槽中的傳爆藥，爆轟波通過溝槽傳播至被發(fā)主裝藥端面引爆主裝藥，起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆點(diǎn)數(shù)與溝槽刻槽數(shù)一致。

端蓋材料為45#鋼，中心處加工有直徑7.2 mm的定位孔用于插入8號(hào)火雷管，為起爆網(wǎng)絡(luò)的輸入端；基板材料為45#鋼，基板直徑d2=60 mm，厚度H，端面溝槽的槽寬和槽深均為d1，方形槽，并由底部打通，作為起爆網(wǎng)絡(luò)的輸出端，槽長(zhǎng)L=25 mm，即起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆直徑為d3=2L=50 mm，其他具體尺寸如圖2所示。傳爆藥為RDX和HMX的混合物(RDX/HMX=45%/45%，10%的含能粘結(jié)劑，爆速5500 m·s-1，密度1.62 g·cm-3)，炸藥顆粒的直徑小于100 nm。

圖1 典型的板式傳爆裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of a typical plate booster device

圖2 起爆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(單位： mm)

Fig.2 Structure of explosive circuit(unit： mm)

3 起爆網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

該起爆網(wǎng)絡(luò)要形成多點(diǎn)環(huán)形起爆必須保證中心處向下的爆轟波不能引爆主裝藥，所以起爆網(wǎng)絡(luò)必須具備一定的隔爆能力，基板越厚則隔爆能力越強(qiáng)，但聚能戰(zhàn)斗部在武器系統(tǒng)中可利用空間有限，所以應(yīng)選擇滿足隔爆條件的最小厚度；刻槽寬度d1(方形槽，寬度等于深度)影響傳爆藥的傳爆能力，設(shè)計(jì)上一般盡量減小刻槽寬度以降低溝槽裝藥的藥量，但應(yīng)大于傳爆炸藥的臨界起爆直徑，才能保證炸藥穩(wěn)定傳播；少量的溝槽炸藥是否有足夠威力起爆被發(fā)主裝藥決定著該起爆網(wǎng)絡(luò)是否起作用。所以對(duì)于上節(jié)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有三個(gè)關(guān)鍵的參量需要考慮：刻槽寬度d1、基板厚度H以及起爆威力。

3.1 刻槽寬度(d1)

采用如圖3所示的方法確定該納米顆粒炸藥的臨界起爆直徑，在長(zhǎng)條狀的板上刻有1.2 mm×1.2 mm、1.0 mm×1.0 mm、0.8 mm×0.8 mm、0.6 mm×0.6 mm，4種寬度的溝槽，每段長(zhǎng)30 mm，采用了精密壓裝裝藥，將納米顆粒炸藥與含能粘結(jié)劑混合成膠狀放置于溝槽，將透模與網(wǎng)絡(luò)基板固定，在抽真空的條件下進(jìn)行加壓，一段時(shí)間后卸下模具，溝槽炸藥置于真空烤箱，12 h后取出，最后進(jìn)行表面處理，可以較好地保證裝藥的均勻性，用雷管從頂端引爆，炸藥從上而下傳爆，若炸藥在某一溝槽內(nèi)熄爆，則上一溝槽的寬度即為該炸藥的臨界起爆直徑。共進(jìn)行3發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中1代表傳爆，0代表熄爆。

圖3 炸藥臨界起爆尺寸測(cè)試示意圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig.3 Test diagram of explosive critical initiation size and test result

表1 臨界起爆直徑測(cè)量結(jié)果

Table 1 Measurement results of critical initiation diameter

d1/mmNo.1No.2No.31.21111.01000.80000.6000

Note： 1 represents detonation； 0 represents detonation failure.

通過觀察試驗(yàn)中鋼板溝槽有翹邊以及被爆炸火焰熏黑來判斷炸藥是否爆轟，若炸藥只是燃燒，45#鋼板溝槽不會(huì)產(chǎn)生翹邊。由表1看出，在刻槽寬度為1.2 mm，3發(fā)試驗(yàn)爆轟波都可以傳播，當(dāng)刻槽寬度為1 mm時(shí)，第一發(fā)試驗(yàn)炸藥中爆轟波可以傳爆，第二發(fā)和第三發(fā)均不能傳爆，而炸藥的臨界尺寸為爆轟波100%能穩(wěn)定傳播的最小裝藥寬度，所以該炸藥的臨界起爆直徑為1.2 mm，設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)絡(luò)中刻槽寬度定為1.2 mm。

3.2 基板厚度(H)及起爆威力分析

利用AUTODYN-3D有限元分析軟件[11]模擬不同基板厚度H(1，2，3，4 mm和5 mm)下起爆網(wǎng)絡(luò)對(duì)爆轟波壓力的削減情況，采用TrueGrid網(wǎng)格劃分軟件[11]建立起爆網(wǎng)絡(luò)的三維模型，如圖4所示。算法采用Lagrange算法[12]，雖然該方法網(wǎng)格在計(jì)算過程中會(huì)發(fā)生較大的扭曲變形，但該方法可以對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的整體或局部的變化都描述的比較清晰，能清楚的顯示節(jié)點(diǎn)的壓力，動(dòng)能等物理量。為了判斷被發(fā)主裝藥是否被引爆，設(shè)置了多個(gè)歷史變量測(cè)點(diǎn)，如圖4所示，將測(cè)點(diǎn)的壓力值與被發(fā)主裝藥的起爆閥值比較，來判斷被發(fā)主裝藥是否被引爆。被發(fā)主裝藥采用常用的8701炸藥，具體材料模型及參數(shù)[12]見表2。

圖5為各測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，從圖5可知，起爆點(diǎn)從中心處開始起爆到爆轟波傳播到主裝藥所用時(shí)間為3.191 μs，起爆網(wǎng)絡(luò)由中心點(diǎn)起爆，爆轟波通過溝槽徑向傳播，同時(shí)軸向應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)基板向主裝藥方向移動(dòng)，在2.26 μs時(shí)刻，gauge1#產(chǎn)生了壓力突躍，峰值約2.25 GPa，此時(shí)基板在中心位置與被發(fā)主裝藥碰撞，隨著爆轟波的傳播，gauge2#、3#、4#相繼產(chǎn)生壓力峰值，最大壓力峰值不超過2.3 GPa，小于8701炸藥的起爆閾值pC=2.9 GPa[13]，主裝藥不會(huì)起爆。在3.191 μs時(shí)刻爆轟波到達(dá)爆炸網(wǎng)絡(luò)的輸出孔，此時(shí)位于輸出孔處的測(cè)點(diǎn)gauge5#，壓力增長(zhǎng)至46.41 GPa，被發(fā)主裝藥起爆，形成一點(diǎn)輸入 8點(diǎn)輸出的環(huán)起爆模式。測(cè)點(diǎn)4在4.1 μs時(shí)刻的壓力曲線峰值大于觀測(cè)點(diǎn)5、6的壓力值，這是因?yàn)樵?.1 μs時(shí)刻主裝藥已被引爆，主裝藥中的爆轟波傳播到測(cè)點(diǎn)4時(shí)與基座壁面發(fā)生斜反射，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)4的爆轟波壓力突躍，而觀測(cè)點(diǎn)5、6沒有發(fā)生斜反射的條件。表3為不同的基板厚度下各測(cè)點(diǎn)的壓力值，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)基板厚度為1 mm和2 mm時(shí)，gauge1#～4#測(cè)得的壓力分別為5.17 GPa和3.65 GPa，均高于8701炸藥的臨界起爆壓力，當(dāng)基板厚度增加到3 mm時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力值為2.28 GPa，小于臨界起爆壓力值，傳爆藥不會(huì)在中心點(diǎn)處引爆被發(fā)主裝藥，所以設(shè)計(jì)起爆網(wǎng)絡(luò)中45#鋼基板的厚度至少取3 mm，為了起爆網(wǎng)絡(luò)隔爆的可靠性，確定基板厚度為3.8 mm。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)三維有限元模型及測(cè)點(diǎn)布置

Fig.4 3D finite element model of explosive circuit and arrangement of gauge points

表2 各材料參數(shù)及材料模型

Table 2 Material parameters and material models

namematerialdensity/g·cm-3materialmodelequationofstateparentplate45#7.83JOHNSON_COOKGRUNEISENboosterexplosiveRDX/HMX1.62HIGH_EXPLOSIVE_BURNGRUNEISENmaincharge87011.7HIGH_EXPLOSIVE_BURNGRUNEISEN

從表3還可知，輸出孔處測(cè)點(diǎn)gauge5#～6#的壓力值大于被發(fā)主裝藥的臨界起爆壓力，所以1.2 mm×1.2 mm方形孔裝藥量的傳爆藥有足夠威力引爆被發(fā)主裝藥，同時(shí)，3.1節(jié)中的45#鋼溝槽翹邊也印證該納米顆粒炸藥有足夠的起爆威力。

圖5 測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

Fig.5 Pressure-time curves of six gauge points

表3 不同基板厚度下測(cè)點(diǎn)的壓力值

Table 3 Pressure values of the gauge points with different thickness substrate

H/mmpressure/GPagauge1#-4#gauge5#-6#15.1738.6623.6543.332.346.441.6946.550.8647.08

4 起爆網(wǎng)絡(luò)同步性

4.1 理論分析

剛性起爆網(wǎng)絡(luò)傳爆所用時(shí)間分為兩部分：第一部分是從輸入端到輸出端爆轟波傳播所需要的時(shí)間，第二部分是爆轟波通過拐角由于爆速差導(dǎo)致的時(shí)間延遲。而導(dǎo)致起爆網(wǎng)絡(luò)同步性誤差的原因主要有傳爆藥的裝藥密度、基板機(jī)械加工精度、傳爆藥的爆速誤差、爆轟拐角誤差[7]等。對(duì)設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步性分析，首先假設(shè)該起爆網(wǎng)絡(luò)傳爆時(shí)間為t，則：

(1)

式中，L1為輸入端到輸出端的長(zhǎng)度，mm；D為傳爆藥的爆速，m·s-1；n為輸入端到輸出端經(jīng)過的90°拐角個(gè)數(shù)，n=1；tπ/2為爆轟波沿直角傳播的延遲時(shí)間, ns。

起爆網(wǎng)絡(luò)同步性誤差時(shí)間Δt可以用誤差分析[14]法得到：

(2)

式中，ΔL1為輸入端到輸出端溝槽的長(zhǎng)度誤差，mm； ΔD炸藥爆速差, m·s-1，取決于溝槽裝藥均勻性、裝藥截面尺寸以及裝藥密度； Δtπ/2為爆轟波拐過直角傳播延遲時(shí)間偏差,ns。

對(duì)公式(1)進(jìn)行偏微分：

(3)

(4)

(5)

對(duì)于本研究設(shè)計(jì)的剛性8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，基板刻槽總長(zhǎng)度L1=30 mm(起爆半徑25 mm，基板厚度5 mm)； 基板加工精度為0.01 mm，即ΔL1=0.01 mm； 炸藥的爆速D=5500 m·s-1，爆速差ΔD=76 m·s-1，假設(shè)爆轟波拐過直角傳播延遲時(shí)間偏差Δtπ/2=10 ns[15]。

將參數(shù)代入式(2)，理論上可以計(jì)算出設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性誤差時(shí)間為：

Δt=±76.1 ns

即該同步起爆網(wǎng)絡(luò)八個(gè)輸出端的同步性誤差最大值理論上不超過152.2 ns。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6為設(shè)計(jì)的8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)成品圖，采用6通道PXI(PCI extensions for instrumentation)測(cè)時(shí)儀測(cè)量起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性誤差時(shí)間。測(cè)時(shí)儀采集精度為2 ns，任取 8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)中的六個(gè)輸出點(diǎn)測(cè)量，如圖7所示，測(cè)試方式為“斷斷靶”形式，每個(gè)通道的2個(gè)回路都選擇“通觸發(fā)”啟動(dòng)邏輯。起爆前6個(gè)通道的回路都處于被斷開狀態(tài)。起爆后，雷管首先起爆產(chǎn)生電離導(dǎo)通觸發(fā)線，計(jì)時(shí)儀開始計(jì)時(shí)，當(dāng)爆轟波傳到溝槽炸藥末端時(shí)，爆炸產(chǎn)生電離將第二回路導(dǎo)通，計(jì)時(shí)結(jié)束。6個(gè)通道同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)刻由爆轟波傳到溝槽末端時(shí)間決定，通過比較計(jì)時(shí)結(jié)束值即可考察多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性。共2發(fā)實(shí)驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果如表4所示，因?yàn)橛幸宦吠ǖ罁p壞，只測(cè)得5路數(shù)值。取用時(shí)最少的一路作為標(biāo)準(zhǔn)值，其他各路與其比較為表中的相對(duì)時(shí)間。

第一發(fā)試驗(yàn)的通道4未測(cè)到結(jié)果?？赡苁怯捎谟|發(fā)線未貼合緊密，炸藥爆炸產(chǎn)生的電離只導(dǎo)通一處觸發(fā)線，導(dǎo)致計(jì)時(shí)儀一直在計(jì)時(shí)。從兩次試驗(yàn)9組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械加工及壓藥工藝等原因，起爆網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)輸出端經(jīng)歷的時(shí)間都不相同，但跳動(dòng)不大，9組數(shù)據(jù)中，最大偏差時(shí)間為210 ns，其余6組數(shù)據(jù)均為170 ns左右?；緷M足要求(起爆網(wǎng)絡(luò)同步起爆精度控制在200 ns以內(nèi)，聚能裝藥多模式戰(zhàn)斗部可以形成外形良好的侵徹體[2])。

圖6 8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)成品圖

Fig.6 Product graphic of 8 multi-point synchronous explosive circuit

圖7 8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)起爆精度測(cè)試圖

Fig.7 Test pattern of initiating bursting precision for 8 multi-point synchronous explosive circuit

表4 同步性測(cè)量結(jié)果

Table 4 Synchronization test result

No.relativetime/nsfirstexplosivecircuitsecondexplosivecircuit1 0 02 1661703 1741684 8888881305 164210

4.3 實(shí)彈檢驗(yàn)

將該起爆網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于某基準(zhǔn)彈進(jìn)行實(shí)彈檢驗(yàn)，并使用X光機(jī)拍攝下不同時(shí)刻侵徹體的成型形狀，以此來觀察起爆網(wǎng)絡(luò)在實(shí)彈中的效果?；鶞?zhǔn)彈結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)布置如圖8所示，8點(diǎn)起爆、起爆直徑為50 mm，X光拍攝了基準(zhǔn)彈在10 μs和30 μs時(shí)刻的侵徹體成型形狀，并與相同條件下(相同裝藥結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)彈、8點(diǎn)起爆、起爆直徑50 mm、起爆網(wǎng)絡(luò)偏差時(shí)間為Δt=210 ns)通過有限元軟件模擬的侵徹體成型形狀進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示，從侵徹體外部形狀、頭部速度、長(zhǎng)徑比來看，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果都吻合較好，從圖9可以看出，侵徹體頭部有向下偏離軸線的現(xiàn)象，表明同步起爆網(wǎng)絡(luò)存在同步性偏差，但總體來看侵徹體成型良好，橫向偏移量不大，因?yàn)樯淞鲗?duì)同步性要求要比EFP(explosively formed projectile)或桿式射流高得多，所以該同步起爆網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足EFP和桿式射流的同步性要求。設(shè)計(jì)的剛性8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)可以形成成型良好，橫向偏移較小的射流戰(zhàn)斗部，滿足聚能戰(zhàn)斗部的使用要求。

a. dimension of reference ammunition b. reference ammunition c. experiment site

圖8 基準(zhǔn)彈和8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)

Fig.8 Reference ammunition and 8 multi-point synchronous explosive circuit

t=10 μsv=9365.3 m·s-1L/D=4.7t=30 μsv=9373.6 m·s-1L/D=9.7

a. simulation results

t=10 μsv=9427.3 m·s-1L/D=4.6t=30 μsv=9435.2 m·s-1L/D=10

b. X ray results

圖9 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

Fig.9 Comparison of experiment and simulation

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了剛性8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為： 刻槽寬度為1.2 mm，基板厚度為3.8 mm。

(2)理論分析起爆網(wǎng)絡(luò)同步性，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的同步起爆網(wǎng)絡(luò)八個(gè)輸出端的同步性誤差最大值理論上不超過152.2 ns。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，所設(shè)計(jì)的起爆網(wǎng)絡(luò)同步起爆精度約為170 ns，滿足聚能裝藥多模式戰(zhàn)斗部形成外形良好的侵徹體的要求。

(3)實(shí)彈檢驗(yàn)表明，剛性8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)可以形成成型良好，橫向偏移較小的射流戰(zhàn)斗部，滿足聚能戰(zhàn)斗部的使用要求。

本研究所采用的納米顆粒炸藥中存在10%的粘結(jié)劑，使得炸藥的爆速和密度下降，對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性精度有一定的負(fù)影響。下一步工作可以通過改進(jìn)粘結(jié)劑的性能進(jìn)一步提高起爆網(wǎng)絡(luò)的同步性精度。

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