飛片沖擊起爆系統(tǒng)設(shè)計與數(shù)值模擬*

楊偉苓，姜春蘭，李 明，王在成

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

近幾十年，隨著高性能武器彈藥的發(fā)展，彈藥的起爆方式也呈現(xiàn)多樣化[1]。為解決端部多個EFP或預(yù)制破片驅(qū)動問題，需要調(diào)整炸藥裝藥內(nèi)部的爆轟波波形。傳統(tǒng)的調(diào)整炸藥裝藥內(nèi)部爆轟波波形的方式有不同爆速炸藥組合、端面多點起爆等。采用不同爆速炸藥組合能達(dá)到調(diào)整爆轟波波形的目標(biāo)，但是這種方式使裝藥結(jié)構(gòu)尺寸增大且裝藥工藝要求較高;采用多點起爆方式雖然能調(diào)整炸藥裝藥內(nèi)部爆轟波波形的目的，但是多點起爆時間同步性較差。目前研究的飛片沖擊起爆技術(shù)在裝藥結(jié)構(gòu)尺寸有限的情況下，能可靠起爆長徑比較大的炸藥裝藥，達(dá)到調(diào)整炸藥裝藥內(nèi)部爆轟波波形的目的，滿足端部預(yù)制破片或多EFP戰(zhàn)斗部的要求。

1 飛片沖擊起爆系統(tǒng)設(shè)計

飛片沖擊起爆系統(tǒng)設(shè)計包括飛片的形狀及材料類型的選擇原則、飛片的傾角、飛片與炸藥裝藥間距的確定。

1.1 飛片的形狀及材料選擇原則

飛片類型可分為三種：V型飛片、錐型飛片和平板型飛片(見圖1)。三種飛片在被驅(qū)動時壓垮過程完全不同。V型飛片類似錐型罩各微元在爆轟波掃過時，發(fā)生一定的翻轉(zhuǎn)，飛行一定距離時各微元趨近同一平面撞擊炸藥裝藥。錐形飛片在爆轟波到達(dá)飛片時中心區(qū)域首先運動，隨著爆轟波的掃過，中心區(qū)域兩側(cè)的微元開始運動，由于中心區(qū)域兩側(cè)的微元質(zhì)量逐漸減小，加速度逐漸增大，兩側(cè)微元追趕先運動的微元，在一定距離內(nèi)，各微元運動到同一平面撞擊炸藥裝藥。平板型飛片各處微元的質(zhì)量相同，爆轟波掃過各微元的加速度相同，致使在一定距離內(nèi)不能同時到達(dá)同一平面撞擊炸藥裝藥。

在裝藥尺寸一定時，錐型飛片具有占用空間小，易于分配各微元質(zhì)量使其同時撞擊起爆炸藥裝藥的優(yōu)點。因此錐型飛片要優(yōu)于V型飛片和平板型飛片。

飛片的材料一般選用具有一定剛性、驅(qū)動時不易拉斷的金屬。飛片在滿足臨界起爆壓力的條件下，飛片面積、厚度、密度愈大，就愈易引爆炸藥[2]。

圖1 飛片類型

1.2 飛片傾斜角α的確定

由文獻(xiàn)[3]當(dāng)爆轟產(chǎn)物絕熱指數(shù)γ=3，炸藥能量利用率最大時M/C=81/32(M表示炸藥質(zhì)量、C表示飛片質(zhì)量)，平面剛性飛片的最大速度為：

式中：D為炸藥裝藥的爆速;γ為爆轟產(chǎn)物絕熱指數(shù)。

副裝藥起爆后以爆轟波波速掃過炸藥與飛片的接觸面加速飛片(見圖 2)，在副裝藥和飛片尺寸一定的情況下，飛片獲得的速度的大小與其自身密度有關(guān);而副裝藥的爆速也與其密度有關(guān)[4]，得：

圖2 飛片傾斜角

式中：D為驅(qū)動飛片副裝藥的爆速;k為修正系數(shù)，k=ρe/ρf副裝藥的密度與飛片材料密度之比。

1.3 飛片與主裝藥的間距

飛片的速度是經(jīng)過幾次加速逐漸增大、最后達(dá)到極值的。因此飛片和主裝藥的間距不能太短也不能太長。太短則速度尚未到達(dá)最后的峰值，太長則飛片的平整度受影響。飛片和主裝藥的間距應(yīng)選擇一個最佳值。

當(dāng)飛片速度u=umax時，由爆轟產(chǎn)物對飛片的一維驅(qū)動理論[3－5]，可計算飛片與主裝藥的距離 xF。

當(dāng) γ =3時由式(1)得u=0.3D，代入式(7)，解得?≈0.625，聯(lián)立式(6)、式(4)可求得：

由式(8)可知，欲使飛片獲得最大速度時，飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度之比應(yīng)取為1.25左右;利用式(1)～式(8)可以計算飛片獲得不同速度時，飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度之比的關(guān)系曲線(見圖3)。工程計算時，裝藥直徑一定，可以根據(jù)所需的飛片速度，根據(jù)圖3選擇飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度的比值設(shè)計飛片起爆系統(tǒng)。

圖3 飛片獲得的速度與最大速度之比與飛片和炸藥裝藥間距與副裝藥高度之比的關(guān)系

2 飛片沖擊起爆系統(tǒng)數(shù)值模擬

根據(jù)上述研究，設(shè)計了飛片沖擊起爆系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

2.1 飛片沖擊起爆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上一節(jié)的分析計算，結(jié)合端部多個成型裝藥結(jié)構(gòu)的實際尺寸選取炸藥與飛片的質(zhì)量比為 2.53、飛片的傾角α為4°，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖4。

圖4 飛片沖擊起爆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 有限元仿真模型方案及算法

本模型是軸對稱模型，為了減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間建立三維1/4實體模型，有限元計算模型主要包括：空氣域、殼體、主裝藥、飛片、副裝藥、端蓋(見圖5)。

計算模型：1)殼體與飛片接觸處無擋環(huán);2)殼體與飛片接觸處有擋環(huán)(擋環(huán)的作用起固定飛片的作用)。

計算算法：ALE(Arbitrary-Lagrange-Euler)多材料、流體/結(jié)構(gòu)耦合算法。

圖5 飛片起爆系統(tǒng)計算模型

2.3 材料模型及參數(shù)

1)殼體與飛片材料模型采用*MAT-ELASTIC，理想彈性模型假設(shè)材料應(yīng)力－應(yīng)變的關(guān)系符合胡克定律，即應(yīng)力只取決于應(yīng)變[6]。飛片在副裝藥的驅(qū)動下作用距離短，變形量小，近似以為符合胡克定律。飛片的材料選用20號鋼密度7.85g/cm3、彈性模量207GPa、泊松比 0.3。

2)炸藥選用B炸藥。沖擊起爆時主裝藥采用點火與增長模型，副裝藥采用高能炸藥燃燒模型。B炸藥具體參數(shù)見表1。

表1 B炸藥點火與增長模型參數(shù)[7]

2.4 數(shù)值計算結(jié)果及分析

圖6和圖7中的爆轟波形基本一致，合理的擋環(huán)尺寸，對固定飛片且保證沖擊起爆調(diào)整裝藥內(nèi)部的爆轟波形是有利的。

從圖6和圖7看出從副裝藥起爆到主裝藥中的波形到達(dá)另一端面的時間很小為26μs。飛片在與主裝藥分界面作用過程中，雖然飛片近似保持平整度，但是飛片沿著徑向各微元的速度是存在梯度的，從飛片的中心向邊緣速度逐漸增大，使得主裝藥的邊緣區(qū)域的界面壓力大于中心區(qū)域的界面壓力，邊緣區(qū)域率先起爆，而且起爆區(qū)域面積的大小也很理想。起爆區(qū)域越大，調(diào)整波形需要主裝藥的高度就越低。適當(dāng)設(shè)計飛片的傾角和質(zhì)量分布對于增大起爆區(qū)域的面積是非常有利的。

根據(jù) BKW 計算程序[8]理論計算得，密度為1.717g/cm3的 B 炸藥，爆速為 7780m/s，在單點中心起爆的條件下，其C-J面爆轟壓力為25.7GPa。飛片沖擊起爆波陣面上中心區(qū)域壓力比較高近似35GPa，其余區(qū)域波陣面壓力近似為C-J面壓力。

圖6 飛片沖擊主裝藥26μs波形圖(殼體無擋環(huán))

圖7 飛片沖擊主裝藥26μs波形圖(殼體帶擋環(huán))

3 結(jié)論

1)文中研究的飛片沖擊起爆系統(tǒng)實質(zhì)是在主裝藥端面產(chǎn)生一個環(huán)形起爆區(qū)域，環(huán)形起爆區(qū)域直徑的大小、環(huán)形起爆區(qū)域面積的大小，受飛片與主裝藥端面的距離和飛片與炸藥沖擊時作用面大小影響。環(huán)形起爆區(qū)域面積越大、直徑越大，飛片起爆系統(tǒng)設(shè)計就越合理。

2)飛片和主裝藥間距近似等于1.25倍的副裝藥高度時，飛片的速度u=umax;在工程設(shè)計中，對于飛片沖擊起爆系統(tǒng)設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

3)采用飛片沖擊起爆方式在裝藥設(shè)計中能較好調(diào)整波形且使波陣面中心區(qū)域的壓力升高;該起爆系統(tǒng)還能可靠起爆裝藥直徑與裝藥高度之比很大的炸藥裝藥，并產(chǎn)生較理想的平面波。

[1]馬貴春，譚迎新，張景林，等.飛片沖擊起爆試驗裝置中炮筒材料的研究[J].爆炸與沖擊，2000，2(17)：274－277.

[2]林桂卿，沙德正，周箭隆.飛片起爆技術(shù)研究[J].兵工學(xué)報，1992(1)：70－74.

[3]Φ.A.Βaym.爆轟物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1963.

[4]楊偉苓.網(wǎng)絡(luò)化封鎖彈藥系統(tǒng)總體技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2011：68.

[5]章冠人，陳大年.凝聚態(tài)炸藥起爆動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991.

[6]LSTC.LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL Version 971[Z].2006.

[7]史銳，徐更光.炸藥水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].含能材料，2009，17(2)：147－151.

[8]張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2009：158－160.