殼體形狀對(duì)云爆戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)尺寸的影響

許志峰， 尹俊婷， 何 超， 劉 揚(yáng)

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

0 引 言

云爆戰(zhàn)斗部是內(nèi)部裝填有高能活性燃料， 通過拋撒炸藥的爆炸驅(qū)動(dòng)加載作用[1-3]， 高能燃料被拋撒到空氣中， 形成一定空間覆蓋范圍的活性云團(tuán)[4-6]， 再經(jīng)起爆炸藥二次起爆， 活性云團(tuán)產(chǎn)生體爆轟的殺傷性武器[7-10]. 體爆轟的爆炸方式產(chǎn)生的沖擊波具有沖量高[11]、 持續(xù)作用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[12]； 其與固體炸藥爆轟場(chǎng)相比， 體爆轟場(chǎng)產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值雖不高[12]， 但沖擊波衰減得慢[13]， 低壓(≥0.029 MPa)作用范圍遠(yuǎn)高于同質(zhì)量的固體炸藥[13]， 超過0.029 MPa的超壓區(qū)域可以對(duì)人員造成中等殺傷效果[14]， 在戰(zhàn)場(chǎng)上足以對(duì)人員造成足夠的傷害[12]， 使其喪失作戰(zhàn)能力， 因此， 云爆戰(zhàn)斗部是戰(zhàn)場(chǎng)上以人為目標(biāo)的有效殺傷性武器之一.

云爆戰(zhàn)斗部的云團(tuán)尺寸影響著起爆后爆轟波的發(fā)展及傳播[15]， 進(jìn)而影響爆轟場(chǎng)沖擊波超壓大小及低壓(≥0.029 MPa)作用范圍. 田園[15]等研究了云團(tuán)形態(tài)對(duì)爆轟壓力場(chǎng)的影響， 研究結(jié)果表明， 沖擊波超壓的衰減隨云團(tuán)徑向尺寸的增加而減慢， 對(duì)于相同質(zhì)量的裝藥量， 扁平形狀的云團(tuán)形態(tài)可達(dá)到最好的破壞效應(yīng)， 低壓(≥0.029 MPa)作用范圍可達(dá)到最大. 因此， 云團(tuán)尺寸是云爆戰(zhàn)斗部重要設(shè)計(jì)參量之一， 對(duì)云團(tuán)尺寸的控制技術(shù)是云爆戰(zhàn)斗部關(guān)鍵技術(shù)之一.

關(guān)于燃料拋撒后云團(tuán)尺寸的影響因素， 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展大量工作. 郭俊[16]等研究了端蓋對(duì)FAE戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)的影響， 研究結(jié)果表明， 端蓋的材料屈服強(qiáng)度和厚度越大， 對(duì)燃料的軸向拋撒限制效果越好， 有利于燃料的拋撒. 李席[17]等研究了燃料種類和比藥量對(duì)液固復(fù)合燃料空氣炸藥云團(tuán)狀態(tài)的影響. 研究結(jié)果表明， 在一定范圍內(nèi)， 比藥量只影響燃料軸向拋撒. 惠君明[18]等對(duì)燃料拋撒與云團(tuán)狀態(tài)的控制進(jìn)行了研究， 研究結(jié)果表明， 控制云團(tuán)狀態(tài)的因素主要是： 彈體結(jié)構(gòu)、 高徑比、 拋撒炸藥、 延遲時(shí)間等. 郭學(xué)永[19]等研究了長(zhǎng)徑比對(duì)FAE云團(tuán)狀態(tài)的影響， 研究結(jié)果表明， 長(zhǎng)徑比不是FAE云團(tuán)最終形態(tài)的主要影響因素. 最終的云團(tuán)形態(tài)與裝填的燃料量有關(guān). 以上研究所采用的戰(zhàn)斗部殼體均為圓柱形， 對(duì)于非圓柱形殼體對(duì)拋撒云團(tuán)尺寸的影響研究尚未見公開報(bào)道.

云爆戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝填的燃料為固液相， 戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)腔形狀決定了燃料的初始形狀， 燃料初始形狀是拋撒后云團(tuán)尺寸的主要影響因素之一. 戰(zhàn)斗部在武器平臺(tái)上應(yīng)用時(shí)， 為了具有較好的氣動(dòng)外形， 殼體外形通常為非圓柱形. 張明星[20]等介紹了遠(yuǎn)程火箭彈武器平臺(tái)， 所裝備的戰(zhàn)斗部采用圓錐圓柱結(jié)合殼體外形(簡(jiǎn)稱柱錐形)， 雷娟棉[21]等介紹了高制導(dǎo)航彈武器平臺(tái)， 所裝備的戰(zhàn)斗部采用圓錐殼體外形. 因此， 研究非圓柱形殼體結(jié)構(gòu)對(duì)拋撒云團(tuán)尺寸的影響具有實(shí)際意義， 本文通過設(shè)計(jì)相同裝藥量不同殼體形狀的云爆戰(zhàn)斗部， 對(duì)比分析拋撒實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 研究殼體形狀對(duì)云爆戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)尺寸的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用的云爆戰(zhàn)斗部共3發(fā)， 戰(zhàn)斗部外形尺寸如圖 1～圖 3 所示， 云爆劑裝藥量均為300 kg量級(jí)， 戰(zhàn)斗部的殼體均采用ZL-114A材料(GB/T 1173)， 戰(zhàn)斗部的長(zhǎng)度均為1 m級(jí)， 殼體外形分別采用圓錐形殼體(圓錐角10.6°)、 柱錐形殼體(圓錐角18.1°)和圓柱形殼體(圓錐角0°)， 戰(zhàn)斗部殼體壁厚均為5 mm量級(jí). 3發(fā)戰(zhàn)斗部采用的拋撒藥均為TNT， 拋撒藥尺寸質(zhì)量均為3 kg量級(jí). 實(shí)驗(yàn)時(shí)， 戰(zhàn)斗部離地面高度均為1 m量級(jí)， 彈軸線垂直于地面.

云爆劑及TNT由西安近代化學(xué)研究所提供.

圖 1 圓錐形殼體外形Fig.1 Conical shell shape

圖 2 柱錐形殼體外形Fig.2 Conical and cylindrical shell shape

圖 3 圓柱形殼體外形Fig.3 Cylindrical shell shape

2 結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)的3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部不同時(shí)刻(0 ms, 25 ms, 50 ms)拋撒云團(tuán)尺寸如圖 4～圖 6 所示. 50 ms時(shí)三種形狀的殼體拋撒形成的云團(tuán)均為扁平圓柱形.

圖 4 圓錐形殼體Fig.4 Conical shell

圖 5 柱錐形殼體Fig.5 Conical and cylindrical shell

圖 6 圓柱形殼體Fig.6 Cylindrical shell

本次實(shí)驗(yàn)的3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部拋撒實(shí)驗(yàn)分別開展， 圖 4～圖 6 所示照片對(duì)云爆戰(zhàn)斗部取景主要是為了觀察拋撒云團(tuán)形態(tài). 實(shí)驗(yàn)前在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地放置了固定距離的標(biāo)桿作為比例尺， 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過比例尺對(duì)拋撒云團(tuán)直徑進(jìn)行等比例換算， 可得出拋撒云團(tuán)直徑隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)， 如圖 7 所示， 拋撒云團(tuán)的高度隨時(shí)間的變化如圖 8 所示.

圖 7 云團(tuán)直徑隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of cloud diameter with time

圖 8 云團(tuán)高度隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of cloud height with time

文獻(xiàn)[22]中報(bào)道了云爆劑爆炸拋撒的運(yùn)動(dòng)特征， 研究結(jié)果表明， 拋撒炸藥起爆后， 燃料沿徑向射流運(yùn)動(dòng)， 40 ms左右， 射流完全消失， 燃料與空氣混合形成云團(tuán)， 燃料后續(xù)的運(yùn)動(dòng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng). 從圖 7 中可以看出， 圓柱形殼體和柱錐形殼體拋撒40 ms前云團(tuán)直徑隨時(shí)間變化較大， 可見燃料沿徑向做射流運(yùn)動(dòng)， 40 ms后射流運(yùn)動(dòng)逐漸消失[22]， 燃料與空氣混合形成云團(tuán)， 后續(xù)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng). 從數(shù)據(jù)中可以看出， 燃料在射流運(yùn)動(dòng)過程中云團(tuán)尺寸變化快， 當(dāng)燃料處于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)云團(tuán)尺寸的增加變得緩慢， 因此， 云團(tuán)尺寸主要由射流運(yùn)動(dòng)決定. 在云爆戰(zhàn)斗部實(shí)際應(yīng)用中， 拋撒后50 ms已經(jīng)達(dá)到了可以進(jìn)行二次起爆的時(shí)間， 因此， 本文研究從起爆開始到拋撒50 ms時(shí)的云團(tuán)尺寸數(shù)據(jù).

本文試驗(yàn)研究出現(xiàn)的現(xiàn)象及分析原因如下：

1) 由圖 7 可知， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)的直徑均隨時(shí)間增加而增大. 在45 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑最大， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑居中， 柱錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑最小. 在45 ms后， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑超過圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑， 成為最大. 分析3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)直徑的增長(zhǎng)趨勢(shì)， 在25 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑增大速度較大， 在25 ms以后， 這種殼體拋撒云團(tuán)直徑增大速度逐漸減小， 而圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑增大速度未出現(xiàn)隨時(shí)間逐漸減小的趨勢(shì)， 因此， 在45 ms后， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑成為最大. 出現(xiàn)該結(jié)果可能的原因之一為： 拋撒炸藥起爆后， 殼體破裂， 云爆劑的拋撒初始方向?yàn)闅んw法線方向， 柱錐形殼體圓錐角最大， 圓錐形殼體圓錐角居中， 圓柱形殼體圓錐角最小， 隨著殼體圓錐角的增加， 沿著戰(zhàn)斗部徑向的速度分量減小， 因此， 在 25 ms 之前， 出現(xiàn)拋撒云團(tuán)直徑增大幅度隨著殼體圓錐角增大而減小的現(xiàn)象. 在25 ms以后， 拋撒云團(tuán)直徑增大幅度的快慢主要由徑向運(yùn)動(dòng)射流存在時(shí)間的長(zhǎng)短而定. 由于圓錐形殼體的最大直徑比圓柱形殼體和柱錐形殼體都大， 在最大直徑的截面上， 云爆劑的質(zhì)量多， 形成射流的質(zhì)量大， 從而慣性高， 射流存在時(shí)間長(zhǎng)， 速度衰減得慢， 在45 ms之后， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑成為最大， 在50 ms時(shí)， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑比圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑大8%， 比柱錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑大41%.

2) 由圖 8 可知， 13 ms以前， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)的高度增大速度較大， 而且3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)高度隨時(shí)間變化的曲線基本重合. 在13 ms以后， 3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)的高度增大速度大幅度減小. 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)高度最小， 圓柱形殼體拋撒云團(tuán)高度居中， 柱錐形殼體拋撒云團(tuán)高度最大. 出現(xiàn)這種結(jié)果可能的原因之一為： 3發(fā)云爆戰(zhàn)斗部殼體長(zhǎng)度相同， 拋撒藥的尺寸也相同， 因此， 拋撒藥與殼體兩端之間的云爆劑厚度相同. 拋撒炸藥起爆后， 拋撒藥與殼體兩端的云爆劑被加速， 沿軸向運(yùn)動(dòng)， 由于3發(fā)戰(zhàn)斗部的拋撒藥與殼體兩端的云爆劑厚度相同， 拋撒藥尺寸也相同， 拋撒藥與殼體兩端之間的云爆劑加載模式相近， 因此， 在13 ms以前， 出現(xiàn)3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)高度基本重合的現(xiàn)象. 在13 ms以后， 云團(tuán)高度主要由沿著徑向運(yùn)動(dòng)的云爆劑在軸向上霧化的程度決定. 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)徑向射流存在時(shí)間最長(zhǎng)， 軸向上霧化的量最少， 因此， 云團(tuán)高度最小.

3) 結(jié)合3發(fā)戰(zhàn)斗部拋撒云團(tuán)直徑和高度來分析， 在45 ms以后， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑最大， 有利于提高云團(tuán)的毀傷面積， 而拋撒云團(tuán)高度最小， 提高了云團(tuán)能量密度， 進(jìn)一步提高了云團(tuán)的爆炸威力.

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié) 論

1) 本文實(shí)驗(yàn)的3發(fā)戰(zhàn)斗部， 在45 ms之前， 圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑最大， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑居中， 柱錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑最小. 但圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑增長(zhǎng)速度減小得慢， 在50 ms時(shí)， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑成為最大， 比圓柱形殼體拋撒云團(tuán)直徑大8%， 比柱錐形殼體拋撒云團(tuán)直徑大41%. 拋撒云團(tuán)直徑增大有利于提高戰(zhàn)斗部的毀傷面積.

2) 本次實(shí)驗(yàn)的3發(fā)戰(zhàn)斗部， 13 ms以前， 拋撒云團(tuán)高度隨時(shí)間變化的曲線基本重合. 在13 ms以后， 圓錐形殼體拋撒云團(tuán)高度最小， 拋撒云團(tuán)高度減小提高云團(tuán)的能量密度， 可以進(jìn)一步提高了云團(tuán)的爆炸威力. 研究結(jié)果為云爆戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考.

3.2 展 望

1) 對(duì)于圓錐形殼體的戰(zhàn)斗部， 拋撒云團(tuán)直徑最大時(shí)的殼體圓錐角， 還需要后續(xù)進(jìn)一步開展深入研究.

2) 當(dāng)云爆劑裝藥量改變時(shí)， 拋撒云團(tuán)直徑最大時(shí)對(duì)應(yīng)的殼體形狀， 還需要后續(xù)進(jìn)一步開展深入研究.