起爆方式對線性成型裝藥爆炸威力的影響

周 濤，王康康，杜忠華，劉 杰

（1．西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065；2．南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

引 言

線性成型裝藥是聚能裝藥的一種，裝藥爆炸后藥型罩在爆轟產(chǎn)物的作用下翻轉(zhuǎn)，在對稱面上形成具有一定長度的線性爆炸成型侵徹體。線性成型裝藥在軍事和民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如航天飛機(jī)及導(dǎo)彈的分離裝置和自毀系統(tǒng)，或制作成條狀的反坦克履帶地雷，爆破拆除和水下切割等。

國內(nèi)外線性聚能裝藥的起爆方式大多數(shù)采用端面起爆［1］，這種起爆形成的爆炸成型侵徹體會向起爆端面的另一方向匯聚。不同的起爆方式直接影響線性成型侵徹體的幾何形態(tài)、飛散速度和方向，進(jìn)而影響其毀傷效果，因此，可以根據(jù)實(shí)際目標(biāo)特性選擇合適的起爆方式。茍瑞君等［2］探討了試驗(yàn)材料和手段對線性成型裝藥爆炸威力測試結(jié)果的影響，但僅對端面點(diǎn)起爆和棱上中點(diǎn)起爆兩種起爆方式進(jìn)行了研究。杜忠華等［3］研究了單棱和多棱線性同步起爆下線性爆炸成型彈丸（LEFP）的成型機(jī)理，并對LEFP 侵徹半無限鋼靶進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［4－6］從理論和數(shù)值模擬兩方面探討了起爆方式對聚能裝藥射流的影響。

為了全面研究不同起爆方式對線性成型裝藥爆炸威力的影響，實(shí)現(xiàn)線性成型裝藥威力的可控性，本研究設(shè)計了5種起爆方式，并研究了各種起爆方式下形成侵徹體的侵徹性能，針對試驗(yàn)中出現(xiàn)的多點(diǎn)起爆時的起爆誤差進(jìn)行了研究。

1 爆轟機(jī)理

1．1 爆轟波的驅(qū)動

為了計算炮彈和炸彈破片的初速，Gurney［7］提出了爆轟驅(qū)動理論。在一些簡化條件下，得到殼體破裂時破片的速度：

式中：MA為藥型罩微元的質(zhì)量；CpA為罩微元相對應(yīng)的平板加速公式的炸藥質(zhì)量（定義為微元A 所對應(yīng)的沿y 方向的柱狀炸藥）；為炸藥的Gurney常數(shù)。

滑移爆轟是指波陣面基本垂直于被驅(qū)動平板或圓管的爆轟傳播方式，平板或圓管在爆轟產(chǎn)物壓力下做橫向運(yùn)動?；票Z產(chǎn)物對金屬平板的驅(qū)動如圖1所示，一定厚度的炸藥層覆蓋在無限大金屬平板上，自無限遠(yuǎn)處傳來的爆轟波陣面垂直于板面。采用運(yùn)動波陣面為參考系，波后產(chǎn)物膨脹壓迫平板向下運(yùn)動和彎曲。

圖1 滑移爆轟驅(qū)動平板的運(yùn)動Fig．1 Sliding detonation driving plate

其上任一微元A 的翻轉(zhuǎn)速度VAo，在O－SZ 坐標(biāo)系中S、Z 方向上的分量可表示為：

式中：δ為微元A 的壓垮角；D 為炸藥爆速。

1．2 大威力EFP的成型

線性聚能裝藥在兩端面等強(qiáng)度同時點(diǎn)起爆，爆轟波未發(fā)生對撞時，可看成線性裝藥一端起爆，藥型罩在爆轟產(chǎn)物的壓力作用下進(jìn)行壓垮、變形及翻轉(zhuǎn)，形成LEFP，爆轟波傳播過程見圖2。藥型罩上任一微元獲得的翻轉(zhuǎn)速度為［8］：

式中：VA01與VA02是由爆轟波速不同方向的分量壓垮藥型罩微元產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)速度。

圖2 端面點(diǎn)起爆爆轟波的傳播過程Fig．2 The propagation process of detonation wave by end point initiation

圖中DS為爆轟波對微元A 的爆速。在整個無限長裝藥結(jié)構(gòu)上，Z 的變化范圍為：Z∈［0，∞）。

若微元A 位于起爆點(diǎn)對應(yīng)的藥型罩上，則Z＝0，Ds1＝1，Ds2＝0

若傳播距離大于Rm＝（2～3．5）d，即Z→∞，Ds1＝0，Ds2＝1

若傳播距離小于Rm＝（2～3．5）d，以式（5）表示。

當(dāng)同強(qiáng)度爆轟波在線性裝藥中發(fā)生對撞后，在對撞面兩側(cè)的爆轟產(chǎn)物中分別產(chǎn)生與爆轟波方向相反的沖擊波，對爆轟產(chǎn)物進(jìn)行壓縮，致使產(chǎn)物壓力大幅度提高。翻轉(zhuǎn)后藥型罩的中部重新獲得新的能量，運(yùn)動速度將增大。隨著稀疏波的入侵，沖擊波傳播速度減弱，LEFP 從裝藥中部到兩端獲得能量逐漸減小，形成一定的速度梯度。由于LEFP為中間對稱結(jié)構(gòu)，爆轟波對撞后，中部速度大，加快了運(yùn)動速度，而兩側(cè)速度逐漸減小，這樣LEFP在y方向上（見圖2）重新被拉伸且向?qū)ΨQ軸重新閉合，將LEFP變成大威力EFP。

由此可見，起爆點(diǎn)位置和數(shù)量不同，線性成型裝藥形成侵徹體的速度和形狀也不相同，侵徹能力也相差很大。

2 實(shí) 驗(yàn)

2．1 單點(diǎn)和兩點(diǎn)起爆

裝藥為壓裝8 701炸藥，壓藥密度1．70g／cm3。裝藥長120mm、寬22mm、高20mm；線性裝藥藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚35mm。

第1組起爆方式為一端起爆，第2組起爆方式為上端面中心點(diǎn)起爆，第3組起爆方式為兩端同時起爆。對于兩端同時起爆，使用同步儀和微秒級雷管控制同步起爆時間誤差。試驗(yàn)裝置示意圖見圖3。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig．3 Sketch of experiment device

2．2 多點(diǎn)起爆

裝藥為注裝B炸藥（RDX 與TNT 質(zhì)量比60∶40），裝 藥 密 度1．68g／cm3，裝 藥 長100mm、寬50mm、高60mm；藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚40mm。

采用柔性起爆網(wǎng)絡(luò)，鉛導(dǎo)爆索21根，等距離分布，尺寸為Φ3mm×（280～300）mm。起爆端用引信起爆傳爆藥柱，再同時起爆鉛導(dǎo)爆索，實(shí)現(xiàn)同時起爆傳爆藥柱及裝藥。傳爆藥為R791（聚黑14），藥柱尺寸為Φ10mm×10mm，密度1．62g／cm3。起爆方式為上端面中心線多點(diǎn)起爆，試驗(yàn)炸高為10倍裝藥寬度。

2．3 多點(diǎn)對碰起爆

上端面兩棱多點(diǎn)對碰起爆由于起爆點(diǎn)較多，起爆誤差較大，因此，采用導(dǎo)爆索起爆和網(wǎng)絡(luò)起爆。導(dǎo)爆索起爆上端蓋和網(wǎng)絡(luò)起爆上端蓋見圖4。

圖4 導(dǎo)爆索起爆上端蓋和網(wǎng)絡(luò)起爆上端蓋Fig．4 The upper cover under detonating cord initiation and network initiation

線性裝藥為注裝B 炸藥，裝藥密度1．60g／cm3，裝藥長100mm、寬40mm、高50mm；藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚40mm。

導(dǎo)爆索起爆裝置由起爆器、鉛導(dǎo)爆索和傳爆藥柱組成。鉛導(dǎo)爆索16根，尺寸為Φ3mm×100mm；傳爆藥柱為鈍化RDX，密度1．58g／cm3。兩棱對碰起爆裝藥結(jié)構(gòu)見圖5。網(wǎng)絡(luò)起爆溝槽內(nèi)裝有鈍化RDX，密度1．588g／cm3。

圖5 導(dǎo)爆索起爆和網(wǎng)絡(luò)起爆裝藥結(jié)構(gòu)Fig．5 The charge structure of detonating cord initiation and network initiation

3 結(jié)果與討論

3．1 單點(diǎn)和兩點(diǎn)起爆試驗(yàn)

第1組試驗(yàn)設(shè)置3組炸高，爆炸試驗(yàn)后部分靶板照片見圖6；設(shè)最大侵徹深度為Hmax，切口起點(diǎn)距起爆點(diǎn)偏移量為A，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖6 端面起爆后靶板照片F(xiàn)ig．6 Photographs of targets under single end initiation

表1 一端起爆試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results under single end initiation

由圖6 和表1 可以看出，線性裝藥端面起爆時，形成的線性侵徹體會向一端傾斜，切口起始處距起爆端面有一定的距離。切口在起爆端處侵徹深度較淺，在距起爆端面最遠(yuǎn)處侵徹深度達(dá)到最大。切口全長基本不隨炸高變化，且略大于藥柱長度。

當(dāng)線性裝藥端面起爆后，炸藥有一段爆轟成長過程，最后達(dá)到穩(wěn)定爆轟。爆轟波在成長過程中，爆速、爆壓都較小，金屬藥型罩的壓垮速度也較慢，因此形成的侵徹體速度小，對靶板的切割深度也小。端面起爆端的爆轟成長是不可避免的，起爆深度的長短與輸入沖擊波的壓力有關(guān)，壓力大，起爆深度小。爆轟波經(jīng)過成長期后，很快展開并垂直于棱面，形成滑移爆轟。爆轟波以滑移爆轟波的形式向另一端傳播，形成的侵徹體較均勻。當(dāng)爆轟波到達(dá)另一端端蓋時，撞擊剛性壁面，發(fā)生反射，使得爆轟壓力達(dá)到滑移爆轟波的2倍，但由于邊界稀疏波影響，使得端面爆轟壓力大大降低，稍大于滑移爆轟波波陣面壓力。

第2組試驗(yàn)設(shè)置3組炸高爆炸試驗(yàn)后部分靶板的照片見圖7；設(shè)最大侵徹深度為Hmax，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖7 上端面中心點(diǎn)起爆后靶板照片F(xiàn)ig．7 Photographs of targets under center－point initiation on upper surface

表2 上端面中心點(diǎn)起爆試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results under center－point initiation on upper surface

由圖7和表2可以看出，當(dāng)線性裝藥上端面中心點(diǎn)起爆時，形成的侵徹體從中間向兩邊發(fā)散。切口總體呈兩邊深、中間稍淺，侵徹威力和端面起爆相差不大，而且切口全長大于藥柱長度。

上端面中心點(diǎn)起爆形成的爆轟波開始是在起爆點(diǎn)處以球面波的形式向外傳播的，若裝藥長度足夠大，離起爆點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，可以認(rèn)為是滑移爆轟波作用驅(qū)動金屬罩的壓跨，故侵徹體長度要大于藥柱長度。在起爆點(diǎn)附近的截面，由于爆轟波成長不完全，其侵徹效果稍差。

第3組試驗(yàn)設(shè)置2組炸高，爆炸試驗(yàn)后部分靶板照片見圖8；設(shè)最大侵徹深度為Hmax，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖8 兩端同時起爆后的靶板照片F(xiàn)ig．8 Photographs of targets under two ends initiation simultaneously

表3 兩端同時起爆試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results under center－point initiation on upper end surface

由圖8和表3可以看出，當(dāng)線性裝藥兩端同時起爆時，形成的侵徹體為桿狀，兩側(cè)略有發(fā)散。桿狀侵徹體的侵徹速度較高，侵徹能力很強(qiáng)，而且在大炸高下仍然具有很強(qiáng)的侵徹能力，并且可以通過控制兩起爆點(diǎn)之間的時差，來控制侵徹體頭部偏向。但是桿狀侵徹體的毀傷范圍較小。

兩端同時起爆線裝藥的結(jié)構(gòu)示意圖見圖9。

圖9 兩端同時起爆線性裝藥的結(jié)構(gòu)示意圖Fig．9 Schematic diagram of linear charge structure under two ends initiation simultaneously

當(dāng)線性裝藥兩端同時起爆后，爆轟波經(jīng)歷一段時間后波陣面基本呈平面爆轟波，碰撞之前波陣面壓力緩慢增大，碰撞后碰撞區(qū)壓力陡然升高，碰撞區(qū)爆轟產(chǎn)物的密度產(chǎn)生突躍，接觸的藥型罩上形成高速凸起，整個藥型罩在Y 方向速度梯度驟然增加。

侵徹體成型分為兩個方向的變形：縱向變形即藥型罩沿其軸線Y 方向的變形；橫向變形即藥型罩沿裝藥長度Z 方向的變形。藥型罩在縱向上變形大體經(jīng)歷翻轉(zhuǎn)、壓縮和拉伸的過程，藥型罩在爆轟波及爆轟產(chǎn)物的作用下，受到強(qiáng)烈壓縮，產(chǎn)生塑性變形，在沿軸線方向運(yùn)動的同時，也向軸線匯聚。藥型罩的橫向變形是LEFP 的主要特征，起爆后藥型罩兩端受滑移爆轟波和爆轟產(chǎn)物的作用，壓縮變形，藥型罩從兩端開始向前運(yùn)動；爆轟波傳到接觸面，在接觸面進(jìn)行碰撞，壓力驟然升高，推動碰撞區(qū)藥型罩加速，藥型罩在碰撞區(qū)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、產(chǎn)生凸起，兩端在中間凸起藥型罩高速運(yùn)動的帶動下，沿接觸面位置開始靠攏，在飛行中逐漸形成大威力EFP。

3．2 上端面中心線多點(diǎn)起爆試驗(yàn)

起爆后靶板被穿透并被撕裂成兩塊。靶板切口長220mm，略大于裝藥長度（200mm），試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 上端面中心線多點(diǎn)起爆后的靶板照片F(xiàn)ig．10 Photograph of target under multi－point initiation in center line of upper surface

由圖10可以看出，整個切口不平滑和不規(guī)則，可被分為兩部分。左邊部分切口雜亂無章、參差不齊，這是因?yàn)樵诙帱c(diǎn)同時起爆時，左邊的起爆點(diǎn)不同步，產(chǎn)生起爆誤差，使侵徹體發(fā)生不規(guī)則的變化，變得散亂，最終使得左邊切口不齊整。右邊部分出現(xiàn)明顯深淺不一的束形切槽，切槽貫穿靶板，分布均勻，是相鄰爆轟波對撞形成的凸起侵徹的結(jié)果。

由于受邊界稀疏波和兩端爆轟波成長期的影響，侵徹體兩端在飛行過程中被拉長，使侵徹體撞擊靶板后，切口長度大于裝藥長度。上端面中心線多點(diǎn)起爆時，在炸藥中可以形成平面波，平面波作用在金屬罩上產(chǎn)生的壓力較大，形成侵徹體的頭部速度大、有效長度長、斷裂時間晚，侵徹深度要比端面起爆和上端面中心點(diǎn)起爆大。

3．3 上端面兩棱多點(diǎn)對碰起爆試驗(yàn)

炸高為15倍裝藥寬度時，導(dǎo)爆索起爆和網(wǎng)絡(luò)起爆試驗(yàn)結(jié)果見圖11。

由圖11看出，兩種方式起爆后切口均不規(guī)則，有較為嚴(yán)重的分坑效果；侵深分布不規(guī)律，導(dǎo)爆索起爆后侵徹深度最深為19mm，網(wǎng)絡(luò)起爆后侵徹深度最深為32mm，切口全長145mm。

由圖11還可以看出，切口均出現(xiàn)嚴(yán)重的分坑集束現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谕粭l棱線上多個起爆點(diǎn)起爆時，起爆點(diǎn)之間的誤差引起的，并導(dǎo)致爆轟波的非正規(guī)碰撞，致使某些區(qū)域壓強(qiáng)較大，侵徹效果較好，而某些區(qū)域壓強(qiáng)較小，侵徹效果不明顯，出現(xiàn)分坑集束現(xiàn)象。兩棱上相對應(yīng)的起爆點(diǎn)之間的起爆誤差會導(dǎo)致侵徹體在橫向上形態(tài)不對稱，靶板切口寬度沿縱向分布不均，影響侵徹效果。兩棱多點(diǎn)起爆后，若起爆誤差較小，可近似認(rèn)為兩棱線起爆，爆轟波在兩棱中間發(fā)生碰撞，形成超壓，能夠增強(qiáng)侵徹體的侵徹效果。網(wǎng)絡(luò)起爆侵徹深度明顯大于導(dǎo)爆索起爆，這是由起爆誤差決定的，起爆誤差越大，侵徹效果越差。導(dǎo)爆索起爆時，起爆誤差由起爆器、鉛導(dǎo)爆索和傳爆藥3方面決定，起爆誤差較大。網(wǎng)絡(luò)起爆時，起爆誤差由刻槽精度和傳爆藥決定，相比下，其起爆誤差要小于導(dǎo)爆索起爆。

目前能夠減少起爆誤差的主要方法有：高精密網(wǎng)絡(luò)起爆技術(shù)；高精度微秒級或納米級雷管；提高裝藥的加工精度。

4 結(jié) 論

（1）起爆方式是影響線性成型裝藥起爆威力的主要因素。端面起爆可以形成偏向的線性EFP；上端面中心點(diǎn)起爆和上端面中心線多點(diǎn)起爆可以形成正向線性EFP；兩端同時起爆可以形成大威力EFP；上端面兩棱多點(diǎn)對碰起爆可以通過控制橫向和軸向的起爆時差形成散點(diǎn)EFP。

（2）網(wǎng)絡(luò)起爆的起爆誤差要小于導(dǎo)爆索起爆。多點(diǎn)起爆時，起爆誤差是影響線性成型裝藥侵徹威力的主要因素，盡可能減小起爆誤差，能大大增強(qiáng)線性成型裝藥的侵徹威力。

［1］ 羅勇，沈兆武，崔曉榮．線性聚能切割器的應(yīng)用研究［J］．含能材料，2006，14（3）：236－240．LUO Yong，SHEN Zhao－wu，CUI Xiao－rong．Application study on blasting with linear cumulative cutting charge in rock［J］．Chinese Journal of Energetic Materials，2006，14（3）：236－240．

［2］ 茍瑞君，趙國志，杜忠華．線性成型裝藥的威力研究［J］．爆破器材，2005，34（5）：25－27．GOU Rui－jun，ZHAO Guo－zhi，DU Zhong－h(huán)ua．Study on the power of linear shaped charge［J］．Explosive Materials，2005，34（5）：25－27．

［3］ 杜忠華，段衛(wèi)毅．起爆方式對LEFP成型及侵徹影響的數(shù)值模擬研究［J］．南京理工大學(xué)學(xué)報，2009，33（6）：756－759．DU Zhong－h(huán)ua，DUAN Wei－yi．Numerical simulationon formation and penetration effect of LEFP by blast ways［J］．Journal of Nanjing University of Science and Technology，2009，33（6）：756－759．

［4］ 易建坤，姜新權(quán)，彭浩．起爆方式對線性聚能裝藥射流形成的影響［J］．火炸藥學(xué)報，2006，29（3）：57－61．YI Jian－kun，JIANG Xin－quan，PENG Hao．Effect of initation ways on jet formation of linear shaped charge［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（3）：57－61．

［5］ Rondot F．Tracking the poorness of a linear shaped［C］∥23th International Symposium on Ballistic．Tarragona：Intemational Ballistic Committee，2007：169－176．

［6］ 方維鳳，張超．LEFP侵徹性能研究［J］．兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（6）：55－57．FANG Wei－feng，ZHANG Chao．Penetration capability of LEFP［J］．Ordnance Material Science and Engineering，2011，34（6）：55－57．

［7］ 王樹魁，貝靜芬．成形裝藥原理及其應(yīng)用［M］．北京：兵器工業(yè)出版社，1992．

［8］ 茍瑞君．線性爆炸成型侵徹體形成機(jī)理研究［D］．南京：南京理工大學(xué)，2006．GOU Rui－jun．Forming mechanism of linear explosively formed penetrator［D］．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2006．