網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸驅(qū)動破片低速梯次飛散特性

李 鑫，王偉力，梁爭峰，趙超越，暢 波,梁安定

(1 海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院，武漢 430033；2 西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

動能攔截彈依靠彈目相對速度實(shí)現(xiàn)對高超聲速飛行器的高效毀傷，前提條件是精度足夠高以確保能夠有效碰撞。但鑒于目前引戰(zhàn)精度技術(shù)發(fā)展水平，若要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)碰撞毀傷存在一定的難度。殺傷增強(qiáng)裝置是一種可產(chǎn)生大質(zhì)量、分布均勻的破片彈幕新型戰(zhàn)斗部，裝填于動能攔截彈內(nèi)，當(dāng)彈目交會時，動能攔截殺傷增強(qiáng)裝置接到導(dǎo)彈啟動信號，內(nèi)部驅(qū)動裝藥爆炸推動多層大質(zhì)量的毀傷元拋撒，通過裝藥與毀傷元的匹配控制，實(shí)現(xiàn)多層毀傷元梯度拋撒，在空間形成“彈幕”，實(shí)現(xiàn)“彈幕”內(nèi)毀傷元之間和毀傷元層級之間等間距控制，形成密集的“動能碰撞點(diǎn)”，其最大的優(yōu)勢在于彌補(bǔ)了單純的依靠動能攔截彈直接碰撞引戰(zhàn)高精度的問題[1-2]。

目前，殺傷增強(qiáng)裝置朝著多環(huán)散布型結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)對來襲目標(biāo)較大范圍的高效攔截毀傷，中國工程物理研究院研究了采用燃?xì)獍l(fā)生器驅(qū)動方式拋撒動能塊，這種方式最大的好處是易于精確控制動能塊速度，但每個動能塊均需布設(shè)相應(yīng)的發(fā)射裝置，無效質(zhì)量占比較大，西安近代化學(xué)研究所優(yōu)化采用了柔性導(dǎo)爆索驅(qū)動結(jié)構(gòu)[3-5]，采用纏繞的方式將線裝藥纏繞至中心管溝槽內(nèi)，纏繞圈數(shù)由該圈破片所要達(dá)到的破片速度決定，但線裝藥在缺口處纏繞時易損傷，導(dǎo)致線裝藥出現(xiàn)熄爆現(xiàn)象，且線裝藥制備工藝較復(fù)雜，根據(jù)不同的速度要求需要配備多種規(guī)格的線裝藥形式。

文中提出了一種等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，制備了1發(fā)殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī)，開展了破片飛散特性數(shù)值仿真及原理樣機(jī)地面靜爆試驗(yàn)，驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)裝藥的傳爆特性，獲取了破片的空間分布及飛散速度，并基于試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了格尼方程修正系數(shù)，為殺傷增強(qiáng)裝置裝藥及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 殺傷增強(qiáng)裝置

1.1 網(wǎng)絡(luò)裝藥設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)破片低速梯次飛散，設(shè)計(jì)了一種典型的7圈2縱網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)形式，如圖 1所示，每圈裝藥徑向深度均相同，裝藥軸向高度由破片飛散速度決定，炸藥選用JO-9C，具有爆轟臨界直徑小、傳爆可靠的特點(diǎn)，在界面尺寸≥1 mm時能夠可靠起爆。網(wǎng)絡(luò)裝藥作用過程是兩個起爆點(diǎn)同時輸入信號，引爆2條縱向傳爆藥條，然后引爆7圈驅(qū)動裝藥條，最終加載破片以不同的速度沿徑向飛散。

圖1 網(wǎng)絡(luò)裝藥三維結(jié)構(gòu)圖

為提高炸藥裝填質(zhì)量，消除裝藥內(nèi)部裂紋、孔洞、間隙等瑕疵，傳統(tǒng)的壓裝工藝無法實(shí)現(xiàn)徑向裝藥結(jié)構(gòu)，因此采用等靜壓炸藥裝藥工藝[6]，具體裝藥過程是利用裝藥工裝將JO-9C炸藥澆鑄于殼體裝藥槽內(nèi)，然后采用鋁箔塑封袋包裝并抽真空和排氣處理，最后放置于充滿油的壓力容器中，對JO-9C炸藥進(jìn)行等靜壓裝藥成型，等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥殼體如圖2所示，裝藥密度為1.5 g/cm3，爆速約為7 000 m/s。

圖2 等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥殼體

由于殼體裝藥槽槽底部較薄，在炸藥爆轟加載瞬間殼體破碎，爆炸氣體產(chǎn)物溢出，因此相對于對稱平板夾層裝藥結(jié)構(gòu)，可將殺傷增強(qiáng)裝置簡化為半開口裝藥結(jié)構(gòu)，此時破片初速可估算為[7]。

(1)

文獻(xiàn)[8]研究認(rèn)為在0.001～0.03極小裝填比條件下，上式計(jì)算的破片速度較實(shí)際值偏低，提出采用格尼公式修正系數(shù)α對初速進(jìn)行修正，且得出α是裝填系數(shù)β的冪函數(shù)即α=0.464β-0.3。

根據(jù)修正后的破片速度格尼公式，計(jì)算的殺傷增強(qiáng)裝置網(wǎng)絡(luò)裝藥與破片飛散速度關(guān)系如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)裝藥與破片飛散速度關(guān)系

1.2 原理樣機(jī)

殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī)主要由殼體、網(wǎng)絡(luò)裝藥、破片、起爆藥等組成，制備的原理樣機(jī)如圖 3所示。其中，破片采用鎢合金材質(zhì)，根據(jù)表1中裝填系數(shù)，破片尺寸長×寬×高為12 mm×12 mm×20 mm，單枚質(zhì)量約為50 g，7層破片以首項(xiàng)為6，公差為6的等差數(shù)列進(jìn)行布設(shè)，即分別為6枚(第一層)、12枚(第二層)、18枚(第三層)、24枚(第四層)、30枚(第五層)、36枚(第六層)、42枚(第七層)，各層破片徑向均勻布設(shè)。

圖3 殺傷增強(qiáng)裝置原理樣機(jī)

為獲取試驗(yàn)過程每枚破片的飛散特性，對破片進(jìn)行編號處理，每枚破片坐標(biāo)表示為(m，n)，其中：m表示層數(shù)，層內(nèi)破片數(shù)量越多，m值越大，此處m取值為1～7；n表示每一層內(nèi)破片徑向位置，以紅線標(biāo)注為起始位置，記為0，紅線左側(cè)依次為1，2，3，4，…，且距離紅線越遠(yuǎn)，編號越大，同樣的，紅線右側(cè)依次為-1，-2，-3，-4，…，且距離紅線越遠(yuǎn)，編號絕對值越大。

2 破片飛散數(shù)值模擬

殺傷增強(qiáng)裝置破片飛散特性的數(shù)值仿真采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行，計(jì)算方法采用三維多物質(zhì)流固耦合MMALE算法。該計(jì)算模型由殼體、網(wǎng)絡(luò)裝藥、破片和空氣組成。仿真建模時考慮到工況的對稱特性進(jìn)行1/4模型三維建模，在對稱面和空氣域邊界等邊界設(shè)置相應(yīng)的位移約束條件和無反射邊界條件，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

殺傷增強(qiáng)裝置七層破片驅(qū)動飛散特性仿真結(jié)果如圖 5所示，從中可看出七層破片呈現(xiàn)出明顯的速度梯度，計(jì)算結(jié)果表明第一層至第七層破片平均初速分別為10.8 m/s,21.4 m/s,32.1 m/s,43.7 m/s,54.8 m/s,66.6 m/s,76.9 m/s，與理論計(jì)算值基本一致，誤差控制在6.5%以內(nèi)，證實(shí)了網(wǎng)絡(luò)裝藥設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

圖5 網(wǎng)絡(luò)炸藥爆炸驅(qū)動七層破片飛散特性

3 破片飛散特性試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)布局

原理樣機(jī)靜爆試驗(yàn)布局如圖 6所示，其主要由背景幕、彈架、原理樣機(jī)、高速攝影等組成。其中背景幕為白色帆布，背景幕長度方向?yàn)? m，高度方向?yàn)? m，正面畫同心等間距半圓弧，相鄰圓弧間隔距離245 mm，原理樣機(jī)水平放置，其軸線與背景幕上半圓弧圓心重合。為降低原理樣機(jī)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸后地面反射沖擊波對鎢合金破片飛散速度的影響，背景幕下沿距離地面高度應(yīng)不小于0.5 m。高速攝影儀器未在圖中顯示，其距離爆心約為50 m，且攝像頭與原理樣機(jī)軸線、背景幕上圓心處于同一直線上，高速攝影拍攝頻率為3 000 幀/s。

圖6 試驗(yàn)布局

根據(jù)高速攝影儀拍攝的相鄰兩幅或多幅破片的像距確定物距，以及高速攝影的拍攝幀數(shù)確定時間，據(jù)此可計(jì)算出每枚破片的飛散速度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.2.1 數(shù)據(jù)處理前說明

1)由高速攝影可以觀察到破片均沿著徑向方向飛散，且經(jīng)過相鄰圓弧間距離對應(yīng)的幅數(shù)相同，即時間是相等的，說明重力加速度對破片飛散速度影響較小，特別是速度越高影響越小，在數(shù)據(jù)處理過程中重力加速度可忽略不計(jì)。同時，從理論角度進(jìn)行分析，以破片飛散速度10 m/s為例，其飛行跨越相鄰兩個同心環(huán)(間距0.245 m)的時間約為0.024 5 s，則重力方向速度為0.24 m/s，值很小。

2)短時間內(nèi)空氣阻力對破片飛散速度的影響可忽略不計(jì)，這也可從高速攝影觀察得知。

3)高速攝影拍攝過程中，由于網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟產(chǎn)生火光，某些破片飛散過程并不能有效捕捉。

3.2.2 破片低速飛散速度

高速攝影拍攝的典型時刻破片飛散空間分布如圖7所示，所有破片飛散速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8所示。

圖7 典型時刻破片飛散空間分布

圖8 破片飛散速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖7可看出，殺傷增強(qiáng)裝置內(nèi)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸后，七層破片分別以不同速度沿徑向向外飛散，以45.0 ms時刻為例，可觀察到七層破片的空間分布，少量破片由于爆炸火光遮擋無法捕捉，其中七層破片分別位于不同圓環(huán)半徑處，且各層破片基本處于同一圓環(huán)內(nèi)，說明七層破片呈現(xiàn)出明顯的速度梯度。由圖 8進(jìn)一步可知從第一層至第七層破片平均飛散速度分別為8.2 m/s,17.8 m/s,26.2 m/s,36.9 m/s,47.3 m/s,56.2 m/s,66.4 m/s，相鄰層之間破片速度差為8.4～10.7 m/s，與理論計(jì)算值相比較低，分析原因是由于文獻(xiàn)[8]公式中修正系數(shù)是基于單層破片試驗(yàn)結(jié)果獲得的，而在多層破片驅(qū)動過程中，網(wǎng)絡(luò)裝藥層與層之間間隔距離短，炸藥爆轟波傳播過程可能對相鄰區(qū)破片飛散造成影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將修正系數(shù)優(yōu)化為α=0.73β-0.316，其考慮了相鄰層之間網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟的影響。

同時，計(jì)算各層內(nèi)破片飛散速度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.29 m/s,0.30 m/s,0.56 m/s,0.96 ms/,1.05 m/s,1.45 m/s,1.24 m/s，說明同層內(nèi)破片飛散一致性較好，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

1)等靜壓網(wǎng)絡(luò)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，裝藥尺寸可按照破片速度在爆轟臨界直徑以上任意設(shè)計(jì)，爆轟傳爆可靠，通過數(shù)值仿真及原理樣機(jī)靜爆試驗(yàn)驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)裝藥能夠?qū)崿F(xiàn)對多層破片低速梯次拋撒。

2)網(wǎng)絡(luò)裝藥爆炸驅(qū)動下七層破片沿徑向方向飛散，呈現(xiàn)出明顯的速度梯度，但由于相鄰層之間網(wǎng)絡(luò)裝藥爆轟波的影響，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值、仿真值存在偏差，考慮多層破片干擾情況下格尼方程修正系數(shù)優(yōu)化為α=0.73β-0.316。

3)各層內(nèi)破片飛散速度一致性好，標(biāo)準(zhǔn)偏差介于0.29～1.45 m/s，能夠滿足工程應(yīng)用要求。