炸藥驅(qū)動(dòng)銅管加速能力試驗(yàn)研究

王新穎，王樹山，胡 賽，梁振剛

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

炸藥驅(qū)動(dòng)銅管加速能力試驗(yàn)研究

王新穎1，2，王樹山2，胡 賽2，梁振剛1

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

選用TNT、JH-16及CL20基含鋁炸藥進(jìn)行Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)，獲得3種炸藥加載條件下圓筒壁膨脹過程及最大膨脹速度，分析給出三種炸藥的Gurney系數(shù)。結(jié)果表明：三種炸藥驅(qū)動(dòng)銅管做功能力CL20基含鋁炸藥最大，JH16次之；CL20基含鋁炸藥和JH16爆炸加載的破片初速比TNT爆炸加載的破片分別高36.3%和23.0%；用炸藥爆速計(jì)算炸藥Gurney系數(shù)的公式同樣適用于含鋁炸藥。

爆轟驅(qū)動(dòng)；圓筒試驗(yàn)；Gurney系數(shù)；破片初速

炸藥是常規(guī)戰(zhàn)斗部中主要的能量釋放物質(zhì)，是戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生破壞與殺傷作用的毀傷能源，是實(shí)現(xiàn)高效毀傷的基礎(chǔ)，也是決定其威力的關(guān)鍵因素。從公元10世紀(jì)發(fā)明的黑火藥和19世紀(jì)末沿用至今裝填彈藥的TNT炸藥，到二次大戰(zhàn)中受到各國普遍重視的RDX，再到1987年以來以CL20為代表的高能量密度化合物，炸藥技術(shù)的所有領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步[1-3]。

炸藥驅(qū)動(dòng)銅管加速的能力一直是戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)研發(fā)所關(guān)心的重要問題[4]，自Kury等人[5]提出圓筒試驗(yàn)(CylinderTest)以來，圓筒試驗(yàn)在標(biāo)定炸藥Gurney能和殺爆戰(zhàn)斗部破片初速測試試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。沈飛等[6-7]通過圓筒試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法分析了RDX基含鋁炸藥的驅(qū)動(dòng)能力。本文參考《GJB772.302-90炸藥試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)》，選用TNT、JH16及CL20基含鋁炸藥進(jìn)行Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)，研究其驅(qū)動(dòng)銅管加速運(yùn)動(dòng)的能力。

1 圓筒試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)，試驗(yàn)用銅管為無氧銅，其參數(shù)見表1。試驗(yàn)用裝藥為TNT、JH16和CL20基含鋁炸藥，具體配方及密度如表2所示。

表1 圓筒殼體參數(shù)

表2 炸藥配方及密度

試驗(yàn)裝置原理如圖1所示，狹縫位置距離起爆端295mm，采用GSJ高速掃描相機(jī)記錄圓筒壁在狹縫兩端的膨脹過程，掃描速度1.5mm/μs，并通過固定在圓筒兩端的電探針測定炸藥的實(shí)際爆速，現(xiàn)場如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)原理示意圖

圖2 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場圖

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)獲得圓筒壁膨脹過程的掃描底片如圖3所示，圖上縱向是時(shí)間掃描，橫向?yàn)榕蛎洉r(shí)的半徑。

(a)TNT裝藥

(b)JH-16裝藥

(c)CL20基含鋁炸藥

將底片用專業(yè)底片掃描儀掃描得到高精度掃描圖像，對(duì)邊界處理后得到圓筒外界面膨脹軌跡和界面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再根據(jù)圖像放大率和掃描速度處理數(shù)據(jù)，得到圓筒外界面膨脹距離和時(shí)間數(shù)據(jù)，繪制出圓筒壁膨脹位移-時(shí)間曲線，如圖4所示。

圖4 不同炸藥裝藥圓筒壁膨脹位移-時(shí)間曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨脹速度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用文獻(xiàn)[8]的處理方法，認(rèn)為圓筒壁在爆炸沖擊波和氣體膨脹產(chǎn)物兩種力的共同作用下發(fā)生膨脹運(yùn)動(dòng)。沖擊波使得圓筒壁初期膨脹速度迅速增加，但持續(xù)時(shí)間較短；氣體爆轟產(chǎn)

(1)

式中：R和R0分別為圓筒t時(shí)刻膨脹半徑和初始半徑；Vs為沖擊波驅(qū)動(dòng)力對(duì)圓筒壁的膨脹速度；τs為沖擊波驅(qū)動(dòng)力對(duì)圓筒壁的加速時(shí)間段；Igas為氣體爆轟產(chǎn)物膨脹力波動(dòng)的幅度；τ1和τ2分別為爆轟產(chǎn)物膨脹力波動(dòng)時(shí)上升和下降的時(shí)間常數(shù)。

將式(1)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得到圓筒壁的膨脹速度u計(jì)算公式。

(2)

將試驗(yàn)獲得的不同炸藥裝藥條件下的圓筒壁膨脹位移-時(shí)間數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行擬合，運(yùn)用Origin軟件非線性擬合工具，對(duì)公式(1)進(jìn)行編輯后，設(shè)置參數(shù)初始值后迭代至收斂，擬合曲線與試驗(yàn)曲線重合，得到擬合參數(shù)見表3。

表3 炸藥爆速及圓筒壁膨脹位移曲線擬合參數(shù)

將表3中參數(shù)帶入式(2)中，可得不同炸藥裝藥條件下的圓筒壁膨脹速度-時(shí)間曲線，如圖5所示。若將沖擊波和氣體爆轟產(chǎn)物對(duì)圓筒壁膨脹速度的影響分開來表示，即將式(2)中的兩項(xiàng)分開，則圓筒壁膨脹速度-時(shí)間曲線如圖6所示。由圖5和圖6可以看出，圓筒壁先在沖擊波作用下，其膨脹速度迅速增大到600m/s左右；隨后沖擊波對(duì)圓筒壁速度增加幾乎沒有影響，而主要是氣體爆轟產(chǎn)物在加速圓筒壁的膨脹。

傳統(tǒng)計(jì)算破片初速的方法為Gurney[9]提出的Gurney公式。

(3)

圖5 圓筒壁膨脹速度隨時(shí)間變化曲線

圖6 兩種力對(duì)TNT炸藥驅(qū)動(dòng)圓筒壁膨脹速度的影響

表4 破片初速及炸藥Gurney系數(shù)

2.2 Gurney系數(shù)

文獻(xiàn)[10]中給出了通過炸藥爆速D求炸藥Gurney系數(shù)的公式，通過該公式計(jì)算出的炸藥Gurney系數(shù)見表5。

(4)

式中D為炸藥爆速，單位mm/μs。

表5 不同炸藥Gurney系數(shù)對(duì)比值

由表5可見，JH-16和CL20基含鋁炸藥爆炸加載下，Gurney系數(shù)分別比TNT高20.2%和24.5%。公式(4)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)反求的Gurney系數(shù)結(jié)果相近，且與炸藥實(shí)際Gurney值極其接近，公式(3)和公式(4)對(duì)于含鋁炸藥計(jì)算也適用。

3 結(jié)論

(1)通過Ф50mm圓筒試驗(yàn)，獲得了三種炸藥對(duì)銅管驅(qū)動(dòng)膨脹曲線，三種炸藥驅(qū)動(dòng)銅管做功能力CL20基含鋁炸藥最大，JH-16次之；CL20基含鋁炸藥和JH-16爆炸加載的破片初速比TNT爆炸加載的破片分別高36.3%和23.0%。

(2)用炸藥爆速計(jì)算炸藥Gurney系數(shù)的公式不僅可用于傳統(tǒng)單質(zhì)炸藥，對(duì)于含鋁炸藥同樣適用。

[1]王曉峰.軍用混合炸藥的發(fā)展趨勢[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2011，34(4)：1-4.

[2]孫承緯，衛(wèi)玉章，周之奎.應(yīng)用爆轟物理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[3]孫業(yè)斌，惠君明，曹欣茂，等.軍用混合炸藥[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[4]陳朗，龍新平，馮長根，等.含鋁炸藥爆轟[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[5]Kury J W,Horning H C.Lee E L,et a1.Metal Acceleration by Chemical Explosives [A],4th Symp(Int) on Detonation[C].White Oak,MD,1965:3-13.

[6]沈飛，王輝，袁建飛，等.鋁含量對(duì)RDX基含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2013，36(3)：50-53.

[7]沈飛，王輝，袁建飛，等.RDX基含鋁炸藥不同尺寸的圓筒試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].含能材料，2013，21(6)：777-780.

[8]Lindsay C M,Butler G C,Rumchik C G,et al.Increasing the utility of the copper cylinder expansion test[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2010,35(5):433-439.

[9]Gurney G W.The initial velocities of fragments from bombs，shells and grenades[R].Ballistics Research Laboratories Report，1943.

[10]隋樹元，王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Experimental Study on Driving Metal Accelerating Ability of Different Explosives

WANG Xinying1,2，WANG Shushan2， HU Sai2，LIANG Zhengang1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China;2.College of mechanical and electrical engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

TNT,JH-16 and the CL20-based aluminized explosives were used in theΦ50mm standard cylinder test,and the scanning photos of the expansion process of cylindrical wall are obtained.By fitting data we gain the maximum expansion speed of the cylindrical wall under the three kinds of explosives loading conditions,and then calculate the Gurney coefficient of three kinds of explosives.The results show that the driving metal ability of CL20-based aluminized explosive ranks the first among the three,the second is JH-16,respectively higher than TNT explosive by 36.3% and 23%;Calculation formula of Gurney coefficient of explosives for detonation velocity is also suitable for aluminized explosive.

detonation driven;cylinder test;gurney coefficient;fragment velocity

2014-12-15

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(L2014076)

王新穎(1980—)，女，講師，研究方向：武器毀傷與評(píng)估；通訊作者：梁振剛(1973—)，男，講師，研究方向：彈箭CAD、武器系統(tǒng)仿真.

1003-1251(2015)04-0047-04

TJ55

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