復合裝藥空氣中爆炸沖擊波傳播特性

李 梅，蔣建偉，王 昕

(北京理工大學爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

提高彈藥毀傷威力一直是研究者不斷追求的目標，在裝藥類型、加工工藝一定的情況下，彈藥威力與裝藥結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。復合裝藥是近年來的熱點研究問題之一，它是將兩種或多種炸藥采用內(nèi)外層、上下層疊加等裝藥結(jié)構(gòu)方式組合起來的一種裝藥結(jié)構(gòu)，在低易損性戰(zhàn)斗部、可選擇戰(zhàn)斗部以及高效毀傷戰(zhàn)斗部中均展現(xiàn)出了可觀的應用前景。

研究人員圍繞復合裝藥在聚能、爆破、可選擇戰(zhàn)斗部中的應用問題均展開了研究。Andrews等[1]通過圓筒試驗發(fā)現(xiàn)，低爆速非理想/高爆速理想復合裝藥與高爆速炸藥的膨脹速度幾乎相同。Kato等[2-3]研究了加鎢粉的高密度炸藥和高爆速炸藥組成的復合裝藥結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)復合裝藥爆速明顯提高，壓強提高了兩倍多。Zhang等[4]和張先鋒等[5-6]指出內(nèi)外層復合裝藥的內(nèi)層裝藥形成了較為明顯的超壓爆轟現(xiàn)象，爆轟壓力最高可達65 GPa，遠遠大于炸藥的CJ爆轟壓力。向梅[7]和章少方[8]指出外層為鈍感炸藥與內(nèi)層為高能炸藥的復合裝藥，能夠得到比單一鈍感炸藥較高的能量輸出。Mayseless等[9]研究了內(nèi)外層復合裝藥聚能射流的形成特性，發(fā)現(xiàn)復合裝藥聚能射流的頭部速度提高約30%。Colclough[10]提出了一種可選擇戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)，通過2種起爆模式實現(xiàn)“高靜態(tài)超壓+后燃效應”和“高沖擊波超壓+高破片速度”2種毀傷模式。Slyke等[11]通過數(shù)值模擬研究指出內(nèi)外層復合裝藥半徑比對軸線處爆速影響較大，當外層裝藥厚度小于2 mm時，中心線爆速基本不變。

以上文獻顯示，復合裝藥可以實現(xiàn)炸藥的低易損性要求，可以提高聚能射流的頭部速度，提高炸藥的軸向驅(qū)動能力。但是，復合裝藥在提高徑向輸出威力及射流侵徹能力方面仍有待研究。本文中通過單一、內(nèi)外層復合裝藥的沖擊波超壓測試實驗，探索理想/理想復合裝藥、非理想/理想復合裝藥與單一理想、非理想裝藥的沖擊波超壓、沖量等特性參數(shù)，評價復合裝藥的徑向輸出威力。

1 實驗設計

1.1 實驗原理及場地布置

實驗系統(tǒng)組成及現(xiàn)場布置如圖1所示，由試驗彈、沖擊波超壓測試系統(tǒng)(壓電傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀)、支架、起爆系統(tǒng)等組成。試驗彈由圓柱形主裝藥(TNT、JO-8、TNT/JO-8、海薩爾、海薩爾/JO-8)、傳爆藥(JH-2)、8#電雷管、雷管座等組成。試驗彈直立放置在高1.5 m的彈架上，在距離藥柱軸心2、3、4 m處分別布置2個壓電傳感器，傳感器與試驗彈中心位于同一水平面。采用CY-YD-202型自由場壓電傳感器、YE6601型電荷放大器及配套的32通道PCI-506112型數(shù)據(jù)采集儀器記錄爆炸沖擊波壓力。試驗彈體周圍纏繞銅絲，裝藥起爆后，銅絲斷裂，產(chǎn)生斷靶信號，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集儀，記錄沖擊波壓力隨時間的變化曲線。

1.2 實驗方案

實驗工況如表1所示。實驗包含單一TNT裝藥、單一JO-8裝藥、單一海薩爾裝藥、TNT/JO-8復合裝藥、海薩爾/JO-8復合裝藥5個工況，由于單發(fā)實驗存在數(shù)據(jù)跳動，其中3個工況進行了重復實驗。試驗彈主裝藥為等體積圓柱形藥柱，藥柱直徑56 mm，高度60 mm，TNT、JO-8和海薩爾的裝藥密度分別為1.58、1.83、1.87 g/cm3。TNT/JO-8復合裝藥為外層圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)，內(nèi)層裝藥為TNT或海薩爾，外層為JO-8，內(nèi)層裝藥直徑?44.8mm，外層裝藥直徑56 mm。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2 實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)采集儀記錄的沖擊波壓力曲線存在不同程度的“零漂”現(xiàn)象，采用Origin軟件進行消除“零漂”處理，獲得了5種工況下不同距離處的沖擊波超壓曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，沖擊波曲線出現(xiàn)了強反射波現(xiàn)象，產(chǎn)生這現(xiàn)象的原因為：實驗中用于固定傳感器的支架為鋼管(見圖1)，其斷面為剛性壁面且直徑較大，使得入射沖擊波產(chǎn)生剛性壁面反射，反射波作用于壓電傳感器敏感面，獲得的沖擊波出現(xiàn)強反射波現(xiàn)象，但反射波對沖擊波超壓數(shù)據(jù)并無影響。

此外，實驗獲得的部分沖擊波波形出現(xiàn)了“削峰”現(xiàn)象。剔出被“削峰”數(shù)據(jù)，對重復性實驗獲得的沖擊波超壓取平均值，得到5種裝藥在2、3、4 m處的峰值超壓Δp2、Δp3、Δp4，如表2所示。

表2 沖擊波超壓測量結(jié)果Table 2 Measured results of shock wave overpressure

3 分析與討論

3.1 沖擊波超壓隨距離的變化

記錄各工況下，沖擊波超壓平均值及復合裝藥相對單一裝藥沖擊波超壓增益，如表3所示。由表3可知：(1) 理想/理想復合裝藥(TNT/JO-8)與同體積單一裝藥(TNT、JO-8)相比，在2 m距離處，沖擊波超壓下降約20%，在3 m距離處，沖擊波超壓相當；(2) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)與同體積單一JO-8裝藥相比，隨著距離的增加，沖擊波超壓增量越大，在4 m距離處，沖擊波超壓增加15%，與同體積單一海薩爾裝藥相比，沖擊波超壓下降約15%。結(jié)果表明：復合裝藥結(jié)構(gòu)對提高戰(zhàn)斗部徑向沖擊波超壓無明顯優(yōu)勢。

表3 沖擊波超壓及其增益Table 3 Shock wave overpressure and gain

3.2 沖擊波沖量隨距離的變化

對沖擊波超壓曲線進行積分，獲得各工況下，沖擊波沖量平均值及復合裝藥相對單一裝藥沖擊波沖量增益，如表4所示。由表4可知：(1) 理想/理想復合裝藥(TNT/JO-8)相比單一裝藥(TNT、JO-8)，在2 m距離處，沖擊波沖量增益約-10%，在3 m距離處，沖擊波沖量增益約+5%；(2) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)相比單一海薩爾裝藥，2 m距離處沖擊波沖量為負增益，3～4 m處為正增益，且隨距離的增加增益量增加，而在4 m距離處沖擊波增益約+20%；(3) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)相比單一JO-8裝藥，沖擊波沖量增益大于+10%，且距離越遠增益越大，3 m處沖擊波沖量增益約+25%。結(jié)果表明：采用復合裝藥結(jié)構(gòu)后，相同距離處沖擊波沖量相比單一裝藥提高，且隨距離的增加，沖量增益逐漸增大。而且，采用非理想/理想復合裝藥，更有利于提高戰(zhàn)斗部的徑向輸出威力。

3.3 結(jié)果分析

由3.1和3.2節(jié)可知，與同體積單一裝藥相比，內(nèi)外層復合裝藥的徑向沖擊波超壓無明顯優(yōu)勢，但沖擊波沖量顯著增加，且采用非理想/理想復合裝藥更有利于提高沖擊波沖量。產(chǎn)生這一現(xiàn)象與復合裝藥結(jié)構(gòu)和非理想炸藥自身的特點密切相關(guān)，具體分析如下。

表4 沖擊波沖量及其增益Table 4 Shock wave impulse and gain

(1) 內(nèi)外層理想/理想復合裝藥的徑向沖擊波超壓無增益。復合裝藥主要是利用內(nèi)外層炸藥的爆速差，是內(nèi)層裝藥在軸線方向產(chǎn)生超壓爆轟，增強其軸向的能量輸出，但基于能量守恒的原則，軸向輸出能量提高，徑向輸出能量必然降低，因此在復合裝藥結(jié)構(gòu)下，其徑向沖擊波超壓相比單一高能裝藥反而降低。

(2) 內(nèi)外層復合裝藥有利于提高徑向沖擊波沖量。復合裝藥利用其內(nèi)外層炸藥爆速的不同，使內(nèi)層炸藥產(chǎn)生超壓爆轟，且外層裝藥爆轟后，部分爆轟產(chǎn)物側(cè)向運動，增強了對內(nèi)層裝藥的約束。在外層炸藥的約束下，外側(cè)稀疏波進入較晚，使得沖擊波壓力隨時間、距離的衰減速度減慢，進而提高沖擊波的沖量，即提高了戰(zhàn)斗部的能量釋放率。

(3) 非理想/理想復合裝藥更有利于提高沖擊波沖量。非理想炸藥中的鋁粉主要是在C-J面之后參加反應，且反應過程在爆轟產(chǎn)物膨脹過程中逐漸完成[12]。因此，在復合裝藥結(jié)構(gòu)約束的基礎(chǔ)上，沖擊波持續(xù)時間越長，使得參加反應的鋁粉越多且燃燒越充分，進一步提高了戰(zhàn)斗部的能量釋放率，沖擊波沖量的增益更顯著。

4 結(jié) 論

通過沖擊波超壓測試實驗，得到了TNT/JO-8復合裝藥、海薩爾/JO-8復合裝藥、TNT、裝藥、JO-8裝藥、海薩爾裝藥在距爆心2、3、4 m處的沖擊波超壓曲線，通過積分獲得了相應距離處的沖擊波沖量，經(jīng)分析獲得主要結(jié)論如下：

(1)復合裝藥結(jié)構(gòu)能夠減緩戰(zhàn)斗部徑向沖擊波壓力的衰減速度，能夠提高遠距離處沖擊波沖量，增大殺傷威力；

(2)非理想/理想復合裝藥比理想/理想復合裝藥更有利于提高戰(zhàn)斗部的徑向輸出威力，且其徑向沖擊波沖量增益隨距離的增加而增大。

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