約束空間內(nèi)殼裝炸藥殉爆及防護(hù)*

張所碩，聶建新，張 劍，孫曉樂，郭學(xué)永，張 韜

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；3.92228 部隊(duì)，北京 100072；4.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760）

隨著現(xiàn)代軍事裝備的發(fā)展，為提高己方作戰(zhàn)平臺(tái)的生存能力，各國越來越重視彈藥安全性問題。其中，殉爆（sympathetic detonation，SD）安全性是彈藥重要的性能指標(biāo)之一，北約組織對彈藥的殉爆試驗(yàn)條件和殉爆安全性評價(jià)方法建立了標(biāo)準(zhǔn)，要求彈藥的殉爆反應(yīng)等級不得高于爆炸[1-3]。而彈藥在其壽命周期內(nèi)，大多數(shù)時(shí)間均處于包裝箱內(nèi)，且處于密集堆垛狀態(tài)，包裝箱成為彈藥的約束條件，若發(fā)生殉爆現(xiàn)象，將導(dǎo)致彈藥受到的沖擊載荷增強(qiáng)，使得被發(fā)彈藥被殉爆概率增大[4]，從而對己方人員和設(shè)施造成嚴(yán)重打擊，造成災(zāi)難性后果。因此研究彈藥在包裝箱內(nèi)的殉爆過程和防殉爆方法，對于彈藥的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對炸藥殉爆現(xiàn)象進(jìn)行了較多試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。在試驗(yàn)研究方面，Kubota 等[5]通過RDX 基炸藥的隔板殉爆試驗(yàn)，研究了不同有機(jī)玻璃隔板厚度下被發(fā)裝藥的殉爆情況，獲得了炸藥的臨界隔板厚度。陳朗等[6]開展了裸裝固黑鋁炸藥的殉爆試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，獲得了固黑鋁炸藥的臨界殉爆距離范圍，并分析了被發(fā)炸藥內(nèi)部壓力的成長過程。王晨等[7]開展了殼裝固黑鋁炸藥殉爆試驗(yàn)，通過殘留炸藥、見證板和被發(fā)裝藥殼體破壞情況，判斷裝藥的殉爆反應(yīng)等級，從而確定炸藥的臨界殉爆距離；并通過數(shù)值模擬分析了殼體厚度對裝藥殉爆距離的影響。由于傳統(tǒng)殉爆試驗(yàn)存在采集數(shù)據(jù)量少、無法獲取殉爆過程中的數(shù)據(jù)，通常僅能給出殉爆距離和反應(yīng)等級數(shù)據(jù)的問題，吉倩等[8]設(shè)計(jì)了一種適用于殉爆試驗(yàn)的多通道并行采集存儲(chǔ)測試系統(tǒng)，可有效采集殉爆過程中被發(fā)裝藥的沖擊波壓力和振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。胡宏偉等[9]開展了殼裝炸藥水下殉爆試驗(yàn)，獲得了裝藥在水下環(huán)境的殉爆距離和殉爆安全距離數(shù)據(jù)，并基于氣泡能分析了被發(fā)裝藥的反應(yīng)率。

在彈藥殉爆數(shù)值模擬方面，Howe 等[10]采用二維數(shù)值模擬方法對殼裝炸藥殉爆試驗(yàn)進(jìn)行了研究，分析了殉爆距離、殼體尺寸和隔板對被發(fā)炸藥殉爆結(jié)果的影響。Chen 等[11]利用數(shù)值模擬中的單元分離法和節(jié)點(diǎn)隨機(jī)失效技術(shù)，模擬了殉爆試驗(yàn)中主發(fā)裝藥殼體破裂生成自然破片的過程，研究了不同殉爆距離下自然破片對被發(fā)裝藥的隨機(jī)起爆現(xiàn)象。Kim 等[12]開展了155 mm 炮彈的全尺寸殉爆試驗(yàn)，并在殉爆試驗(yàn)的數(shù)值模擬中，采用了Mott 概率分布模型模擬金屬殼體破裂形成自然破片的過程，破片尺寸分布的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好。張立建等[13]采用數(shù)值模擬方法研究了尺寸效應(yīng)和裝藥距離對殼裝B 炸藥殉爆過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)： ? 60 mm 和 ? 120 mm 兩種裝藥尺寸產(chǎn)生的破片長寬比基本一致；多枚小破片撞擊被發(fā)彈后，壓力疊加導(dǎo)致被發(fā)彈發(fā)生殉爆；單枚大破片撞擊被發(fā)彈后，較強(qiáng)的壓力波匯聚效應(yīng)導(dǎo)致被發(fā)彈被起爆；增加彈間距可以降低破片撞擊被發(fā)彈的概率。田斌等[14]通過理論分析和數(shù)值模擬研究了主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥之間隔板的材料、結(jié)構(gòu)對防護(hù)效果的影響，其結(jié)果表明，鋼板-泡沫鋁-鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)隔板可有效避免被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆。

綜上所述，針對彈藥的殉爆特性、殉爆影響因素和殉爆數(shù)值模擬方法的研究已取得了較多成果。但是，現(xiàn)有彈藥殉爆研究多集中在無約束條件下的殉爆試驗(yàn)和數(shù)值模擬，與彈藥的服役條件和部隊(duì)的實(shí)際需求有較大差距。因此，本文中擬進(jìn)行包裝箱約束條件下的彈藥殉爆試驗(yàn)和防護(hù)方法研究，通過試驗(yàn)研究殼裝聚黑鋁炸藥（JHL-2）在包裝箱內(nèi)的殉爆現(xiàn)象，綜合考慮被發(fā)裝藥殘留炸藥和殼體破碎情況，判斷被發(fā)裝藥的殉爆反應(yīng)情況；應(yīng)用非線性有限元軟件LS-DYNA，建立殼裝炸藥箱內(nèi)殉爆計(jì)算模型，對殼裝聚黑鋁炸藥箱內(nèi)殉爆過程開展數(shù)值模擬研究，并進(jìn)行包裝箱防殉爆設(shè)計(jì)，最后開展試驗(yàn)驗(yàn)證。研究成果可為彈藥防殉爆包裝箱設(shè)計(jì)提供參考。

1 殉爆試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)件為戰(zhàn)斗部模擬件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考某彈藥戰(zhàn)斗部，如圖1 所示。裝藥頭部為模擬引信結(jié)構(gòu)，與殼體通過螺紋連接,殼體和模擬引信材料均為40Cr。試驗(yàn)采用的炸藥為JHL-2（RDX/Al/粘結(jié)劑=65.5/30/4.5），密度為1.85 g/cm3，裝藥尺寸為 ? 52 mm×204 mm。殼裝炸藥實(shí)物如圖2 所示。

圖1 裝藥殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the charge structure

試驗(yàn)所用彈藥包裝箱內(nèi)部尺寸為865 mm×380 mm×130 mm，側(cè)面厚度為10 mm，箱蓋厚度為26 mm，箱底厚度為30 mm，內(nèi)部可放置3 發(fā)彈藥。包裝箱主體材料為玻璃鋼，內(nèi)部無防護(hù)設(shè)計(jì)，僅在兩端有定位和固定彈藥用的木質(zhì)托架。

1.2 試驗(yàn)布置

殉爆試驗(yàn)示意圖如圖3 所示，彈藥包裝箱上下碼放，上層包裝箱內(nèi)為主發(fā)裝藥1 和被發(fā)裝藥2、3，下層包裝箱內(nèi)為被發(fā)裝藥4、5 和模擬沙彈，其中主發(fā)裝藥采用8#電雷管起爆?，F(xiàn)場布置如圖4 所示。

圖3 殉爆試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Setup of SD test

1.3 殉爆試驗(yàn)結(jié)果及討論

殉爆試驗(yàn)后，包裝箱和殼裝炸藥的破壞情況如圖5 所示。上下包裝箱被完全炸毀，僅回收到少量箱體殘骸，如圖5(a)所示。被發(fā)裝藥2、3、4 僅回收到少量破片，如圖5(b)所示；被發(fā)裝藥5 飛出落在距離殉爆位置約20 m 處，模擬引信與殼體于螺紋連接處斷裂，內(nèi)部裝藥未發(fā)生反應(yīng)，整體結(jié)構(gòu)完整，如圖5(c)所示。根據(jù)試驗(yàn)后回收到的樣品判斷，被發(fā)裝藥2、3、4 發(fā)生了爆轟反應(yīng)，而被發(fā)裝藥5 未發(fā)生反應(yīng)。

各裝藥之間的距離如圖6 所示，被發(fā)裝藥2、3、4、5 與主發(fā)裝藥1 的距離分別為38、152、130 和159 mm。被發(fā)裝藥3 和5 與主發(fā)裝藥1的距離僅相差7 mm，但被發(fā)裝藥3 的反應(yīng)等級為爆轟，而被發(fā)裝藥5 未發(fā)生反應(yīng)，兩者反應(yīng)等級相差較大，表明發(fā)生殉爆時(shí)，處于同一包裝箱內(nèi)的裝藥更易發(fā)生殉爆，需在包裝箱內(nèi)進(jìn)行防殉爆改進(jìn)設(shè)計(jì)，且包裝箱對被發(fā)裝藥5 具有一定防護(hù)作用。對比被發(fā)裝藥4 和5，二者均處于下層包裝箱內(nèi)，與主發(fā)裝藥的距離相差29 mm，反應(yīng)等級分別為爆轟和未反應(yīng)，表明裝藥之間的距離對殉爆結(jié)果影響較大。為了防止彈藥處于堆垛狀態(tài)時(shí)發(fā)生箱間彈藥殉爆，進(jìn)行箱間彈藥防殉爆研究尤為重要。

圖6 各裝藥間距離示意圖Fig.6 Diagram of the distance between explosive charges

2 殉爆數(shù)值模擬和包裝箱防殉爆設(shè)計(jì)

2.1 殉爆試驗(yàn)的數(shù)值模擬

采用非線性有限元計(jì)算方法對殼裝JHL-2 炸藥箱內(nèi)殉爆試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證模型的正確性，分析殉爆過程。

2.1.1 數(shù)值模型及裝藥參數(shù)

為簡化計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)布置建立二維流固耦合計(jì)算模型，有限元模型如圖7 所示。在主發(fā)裝藥中心設(shè)置起爆點(diǎn)，模擬雷管起爆。為縮短計(jì)算時(shí)間，計(jì)算過程中箱體和殼體碎片運(yùn)動(dòng)到空氣域外后，將被刪除。數(shù)值模型中未考慮模擬沙彈。

圖7 殉爆試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Numerical simulation model of SD test

采用歐拉法模擬炸藥裝藥和空氣，采用拉格朗日法描述殼體和箱體的變形破壞，采用流固耦合法描述炸藥與殼體、箱體之間的相互作用。在計(jì)算模型底部設(shè)置剛性墻邊界條件，模擬殉爆試驗(yàn)中地面的約束作用。

殉爆試驗(yàn)的數(shù)值計(jì)算中，主發(fā)炸藥采用爆轟產(chǎn)物的JWL 狀態(tài)方程描述：

式中：p為爆轟產(chǎn)物的壓力，V為爆轟產(chǎn)物的相對比容，A、B、R1、R2和ω 為JWL 狀態(tài)方程的待定參數(shù)，E為初始比內(nèi)能。JHL-2 炸藥的JWL 方程參數(shù)如表1 所示，其中：ρ0為炸藥初始密度，D為炸藥爆速，pCJ為炸藥爆壓。

表1 JHL-2 炸藥的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)[15]Table 1 Parameters of JWL equation of state for JHL-2[15]

采用點(diǎn)火增長模型描述被發(fā)炸藥的沖擊起爆過程，點(diǎn)火增長模型反應(yīng)速率方程為[16]：

式中：F為反應(yīng)度，t為時(shí)間，ρ 為密度，I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為常數(shù)。JHL-2 炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)如表2 所示，該參數(shù)由PBXN-109（RDX/Al/粘結(jié)劑=64/20/16）的參數(shù)[17]以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整得到。

表2 JHL-2 炸藥反應(yīng)速率方程參數(shù)Table 2 Reaction rate equation parameters of JHL-2

2.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果及討論

圖8 所示為上層箱體內(nèi)裝藥的殉爆過程。主發(fā)裝藥起爆后，裝藥殼體不斷膨脹，并破裂形成破片，50 μs 時(shí)，主發(fā)裝藥殼體撞擊到被發(fā)裝藥2，上層箱體出現(xiàn)失效；65 μs 時(shí)被發(fā)裝藥2 開始反應(yīng)，其殼體不斷膨脹；110 μs 時(shí)，被發(fā)裝藥2 的殼體撞擊被發(fā)裝藥3，導(dǎo)致其發(fā)生殉爆。最終，上層箱體內(nèi)被發(fā)裝藥2、3 均發(fā)生殉爆。

圖8 無防護(hù)措施時(shí)上層包裝箱內(nèi)殉爆過程Fig.8 SD process in the upper packaging box without protective design

圖9 所示為下層箱體內(nèi)裝藥的殉爆過程。下層包裝箱在上層包裝箱和裝藥殼體破片的撞擊下發(fā)生破裂，并撞擊到被發(fā)裝藥4 和5；被發(fā)裝藥4 在裝藥1 和2 爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)作用下，向下運(yùn)動(dòng)并撞擊下層包裝箱的底部。由于地面的約束作用，下層包裝箱的底部發(fā)生破裂，被發(fā)裝藥4 和5 均發(fā)生了一定的變形；900 μs 時(shí)，被發(fā)裝藥4 內(nèi)部炸藥壓力升高，發(fā)生反應(yīng)，裝藥殼體發(fā)生膨脹變形；1 005 μs 時(shí)，裝藥4 的殼體破裂形成破片，并撞擊到被發(fā)裝藥5；隨后，被發(fā)裝藥5 在爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)下開始向外飛散。

圖9 無防護(hù)措施時(shí)下層包裝箱內(nèi)殉爆過程Fig.9 SD process in the lower packaging box without protective design

根據(jù)被發(fā)裝藥受沖擊方向，提取裝藥內(nèi)部不同位置單元的壓力曲線和各被發(fā)裝藥殼體單元的速度時(shí)程曲線，從而綜合判斷被發(fā)裝藥的反應(yīng)等級。裝藥壓力提取點(diǎn)分布如圖10 中1～20 號(hào)點(diǎn)所示，殼體單元速度提取點(diǎn)位置分布如圖10 中A～L點(diǎn)所示，壓力曲線如圖11 所示，速度曲線如圖12 所示。

圖10 監(jiān)測點(diǎn)位置分布Fig.10 Location distribution of gauge points

圖11 無防護(hù)措施時(shí)被發(fā)裝藥內(nèi)部壓力曲線Fig.11 Pressure curves of acceptor charges without protective design

圖12 無防護(hù)措施時(shí)裝藥殼體單元速度曲線Fig.12 Velocity curves of acceptor charges’ shell elements without protective design

受到?jīng)_擊作用后，被發(fā)裝藥2、3 和4 內(nèi)部壓力發(fā)生突躍變化，并不斷升高超過20 GPa，壓力峰值達(dá)到25.9 GPa。而被發(fā)裝藥5 內(nèi)部壓力較低，壓力峰值為291 MPa，并沿裝藥內(nèi)部不斷降低。被發(fā)裝藥2、3 和4 殼體單元的速度峰值均超過1 000 m/s，在撞擊相鄰裝藥后，殼體單元速度下降，而被發(fā)裝藥5 的殼體單元速度峰值為140 m/s，且達(dá)到峰值后不斷降低。

繪制被發(fā)裝藥內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)1～20 的壓力峰值隨位置變化的曲線，如圖13 所示。圖中橫坐標(biāo)為各監(jiān)測點(diǎn)與炸藥最先受到?jīng)_擊位置的距離。

圖13 無防護(hù)措施時(shí)被發(fā)裝藥內(nèi)部壓力隨空間位置變化曲線Fig.13 Curves of pressure inside the acceptor charges at spatial positions

由圖13 可知，被發(fā)裝藥2、3 和4 內(nèi)部的反應(yīng)壓力沿裝藥直徑方向不斷升高，其中上層包裝箱內(nèi)被發(fā)裝藥3 的壓力高于被發(fā)裝藥2 的壓力，這是由于在同一包裝箱內(nèi)，被發(fā)裝藥2 僅受到主發(fā)裝藥1 的爆炸沖擊作用，而被發(fā)裝藥3 受到了主發(fā)裝藥1 和被發(fā)裝藥2 的毀傷疊加作用；而由于包裝箱的阻隔防護(hù)作用，下層包裝箱內(nèi)的被發(fā)裝藥4 的壓力低于被發(fā)裝藥2 和3 的壓力。下層包裝箱內(nèi)被發(fā)裝藥5 內(nèi)部的壓力峰值低于300 MPa，且呈緩慢降低趨勢。

綜合裝藥內(nèi)部壓力和殼體單元速度時(shí)程曲線判斷，在無防護(hù)措施條件下，被發(fā)裝藥2、3 和4 發(fā)生了爆轟反應(yīng)，而被發(fā)裝藥5 未發(fā)生反應(yīng)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

根據(jù)對殉爆過程的數(shù)值模擬結(jié)果可知，同一包裝箱內(nèi)，主發(fā)裝藥1 被起爆后，殼體膨脹變形撞擊到被發(fā)裝藥2，導(dǎo)致被發(fā)裝藥2 發(fā)生爆轟反應(yīng)；隨后，被發(fā)裝藥2 的殼體撞擊到被發(fā)裝藥3，導(dǎo)致被發(fā)裝藥3 發(fā)生爆轟反應(yīng)。被發(fā)裝藥4 在裝藥1、2 殼體破片撞擊作用下并未立即發(fā)生反應(yīng)，而是在破片撞擊和地面撞擊共同作用下發(fā)生了爆轟反應(yīng)。

2.2 包裝箱防殉爆設(shè)計(jì)

由2.1 節(jié)對殉爆過程的數(shù)值模擬分析可知，在包裝箱內(nèi)，導(dǎo)致被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆的主要原因?yàn)楦咚倨破淖矒?。殉爆過程中，破片對被發(fā)裝藥的撞擊涉及破片數(shù)量、形狀、尺寸和撞擊角度等參數(shù)，可用破片撞擊起爆帶蓋板炸藥的臨界起爆條件[18]近似描述被發(fā)裝藥的沖擊起爆條件，即：

式中：v為破片速度，df為破片直徑，k為破片頭部形狀系數(shù)，α 為與炸藥相關(guān)的常數(shù)，β 為取決于蓋板材料的常數(shù)，h為蓋板厚度，θ 為破片飛行方向與蓋板法線方向的夾角。

式（3）考慮了撞擊過程中破片的形狀、尺寸和撞擊角度等參數(shù)。從安全性防護(hù)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，難以控制殉爆過程中主發(fā)殼裝炸藥產(chǎn)生的破片參數(shù)，但可通過降低破片撞擊速度對被發(fā)裝藥進(jìn)行防護(hù)。此外，有研究[19-20]表明，隨著破片數(shù)量的增加，裝藥的沖擊起爆速度閾值將減小。

因此，通過在箱內(nèi)設(shè)置隔板的方式，以期衰減破片速度和減少撞擊被發(fā)裝藥的破片數(shù)量，從而避免被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆。結(jié)合包裝箱的結(jié)構(gòu)，防殉爆設(shè)計(jì)方法為：在相鄰裝藥間設(shè)置隔板，防止同一包裝箱內(nèi)的裝藥發(fā)生殉爆；在箱底設(shè)置隔板，防止相鄰包裝箱裝藥發(fā)生殉爆。

考慮到彈藥實(shí)際使用過程中，要求包裝箱需具備質(zhì)量輕、成本低、材料來源廣泛及彈藥取放方便等特點(diǎn)，對比木材、鋁和鋼這3 種常見材料的密度，如表3 所示。本文中在裝藥間設(shè)置20 mm 厚木隔板，在箱底設(shè)置2 mm 厚鋁隔板。進(jìn)行防殉爆設(shè)計(jì)后的包裝箱結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

表3 3 種常見材料的密度Table 3 Density of three commonly used materials

圖14 防殉爆設(shè)計(jì)后的包裝箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Packaging box structure with anti-SD design

2.3 防殉爆設(shè)計(jì)有效性的數(shù)值模擬

對防殉爆設(shè)計(jì)后的包裝箱進(jìn)行殉爆數(shù)值模擬，有限元模型如圖15 所示。

圖15 防殉爆設(shè)計(jì)后的數(shù)值計(jì)算模型Fig.15 Numerical simulation model with anti-SD design

圖16 所示為上層箱體內(nèi)裝藥的殉爆過程。主發(fā)裝藥起爆后，殼體撞擊隔板和箱體，裝藥1、2 之間的木隔板發(fā)生失效，箱底鋁隔板發(fā)生形變，60 μs 時(shí)，主發(fā)裝藥殼體破片撞擊到被發(fā)裝藥2；110 μs 時(shí)，被發(fā)裝藥2 內(nèi)部壓力升高，開始發(fā)生反應(yīng)；155 μs 時(shí)，被發(fā)裝藥2 的殼體撞擊到被發(fā)裝藥3，至340 μs，被發(fā)裝藥3 被裝藥2 的反應(yīng)產(chǎn)物包圍，其殼體和裝藥均發(fā)生了形變，但被發(fā)裝藥3 未發(fā)生反應(yīng)。

圖16 有防護(hù)措施時(shí)上層包裝箱內(nèi)的殉爆過程Fig.16 SD process in the upper packaging box with protective design

圖17 所示為下層箱體內(nèi)裝藥的殉爆過程。110 μs 時(shí)，主發(fā)裝藥的爆轟產(chǎn)物和破片沖擊上層箱體，上層箱體發(fā)生形變和破壞，并沖擊到下層箱體，由于被發(fā)裝藥4 和5 之間木隔板的支撐作用，下層箱體未發(fā)生大變形，而是在木隔板處發(fā)生剪切破壞。275 μs時(shí)，裝藥1 和2 的爆轟產(chǎn)物、殼體破片和上層箱體不斷沖擊下層箱體，被發(fā)裝藥4 和5 受到?jīng)_擊作用向下運(yùn)動(dòng)。至695 μs，被發(fā)裝藥4 和5 撞擊箱底部，并有一定變形，下層箱體結(jié)構(gòu)被破壞，箱內(nèi)兩塊木隔板向右側(cè)傾倒，并發(fā)生破壞失效。1 200 μs 時(shí)，裝藥3 在裝藥1 和2 爆轟產(chǎn)物的作用下向外飛散，但被發(fā)裝藥3、4 和5 均未發(fā)生反應(yīng)。

圖17 有防護(hù)措施時(shí)下層包裝箱內(nèi)的殉爆過程Fig.17 Process of SD in the lower packaging box with protective design

提取裝藥內(nèi)部壓力曲線和殼體單元的速度時(shí)程曲線，壓力曲線如圖18 所示，速度曲線如圖19所示。

圖18 有防護(hù)措施時(shí)裝藥內(nèi)部的壓力曲線Fig.18 Pressure curves of acceptor charges with protective design

圖19 有防護(hù)措施時(shí)裝藥殼體單元的速度曲線Fig.19 Velocity curves of acceptor charges’ shell elements with protective design

被發(fā)裝藥2 內(nèi)部的反應(yīng)壓力峰值為14.3 GPa，與該炸藥的爆壓26 GPa 相比，說明其未達(dá)到穩(wěn)定爆轟；而被發(fā)裝藥3、4 和5 內(nèi)部壓力較低，壓力峰值分別為934、216 和305 MPa。被發(fā)裝藥2 殼體單元的速度峰值為895 m/s，被發(fā)裝藥3、4 和5 殼體單元的速度峰值分別為80、103 和120 m/s。

繪制各被發(fā)裝藥內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)的壓力峰值隨位置變化的曲線，如圖20 所示。圖中橫坐標(biāo)為監(jiān)測點(diǎn)與炸藥最先受到?jīng)_擊位置的距離。由圖20 可知，4 發(fā)被發(fā)裝藥中，僅被發(fā)裝藥2 的壓力超過8 GPa，且隨監(jiān)測點(diǎn)距離的增大整體呈上升趨勢；其余被發(fā)裝藥的壓力均低于1 GPa，且沿著直徑方向隨著監(jiān)測點(diǎn)距離的增大其壓力緩慢降低。

圖20 有防護(hù)措施時(shí)被發(fā)裝藥內(nèi)部壓力隨空間位置變化曲線Fig.20 Curves of pressure inside the acceptor charges at spatial positions

綜合裝藥內(nèi)部壓力和殼體單元速度時(shí)程曲線判斷，在有防護(hù)措施條件下，被發(fā)裝藥2 發(fā)生爆炸及以下反應(yīng)，而被發(fā)裝藥3、4 和5 未發(fā)生反應(yīng)。表明針對包裝箱的防殉爆設(shè)計(jì)可有效降低殉爆的反應(yīng)等級和發(fā)生殉爆的試驗(yàn)件數(shù)量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，開展了有防護(hù)措施條件下的殉爆試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)布置均與前文相同，僅在相鄰裝藥間添加20 mm 厚的木隔板，在箱體添加2 mm 厚的鋁隔板，包裝箱內(nèi)布置如圖21 所示。

圖21 有防護(hù)措施時(shí)殉爆試驗(yàn)的箱內(nèi)布置圖Fig.21 Setup of the box for the SD experiment with protective measures

圖22 為添加隔板后的殉爆試驗(yàn)現(xiàn)場圖，上層包裝箱被炸毀，下層箱體結(jié)構(gòu)相對完整，圖22(a)中可見上下層包裝箱內(nèi)的鋁板，上層包裝箱內(nèi)的鋁板在主發(fā)裝藥位置處發(fā)生破壞，而下層包裝箱內(nèi)的鋁板結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生大面積失效破壞。圖22(b)為回收到的被發(fā)裝藥2 的殼體碎片，被發(fā)裝藥2 的殼體未形成小尺寸破片，殼體形成軸向撕裂狀長條形破片，仍具有側(cè)面圓柱的圓弧特征，表明被發(fā)裝藥2 的反應(yīng)等級為爆燃至爆炸。圖22(c)為回收到的被發(fā)裝藥2 的模擬引信和被發(fā)裝藥3、4、5，被發(fā)裝藥3、4、5 整體結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)部裝藥未發(fā)生反應(yīng)。

圖22 加隔板后的殉爆試驗(yàn)結(jié)果Fig.22 Result of SD experiment after partitions included

總結(jié)殉爆試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)在添加隔板后的殉爆中，被發(fā)裝藥2 發(fā)生爆燃至爆炸反應(yīng)，被發(fā)裝藥3、4、5 未發(fā)生反應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，在木隔板和鋁隔板的防護(hù)作用下，發(fā)生殉爆反應(yīng)的被發(fā)裝藥數(shù)量由3 發(fā)降低為1 發(fā)，在彈藥包裝箱內(nèi)添加隔板可有效降低殉爆反應(yīng)的毀傷能力。

4 結(jié) 論

箱內(nèi)殉爆試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果表明，在無防護(hù)條件下，含主發(fā)裝藥的上層箱內(nèi)有2 發(fā)、下層箱內(nèi)有1 發(fā)被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆；在裝藥間設(shè)置20 mm 木隔板，在箱底設(shè)置2 mm 鋁板后，僅有與主發(fā)裝藥相鄰的被發(fā)裝藥發(fā)生爆燃至爆炸反應(yīng)。在箱內(nèi)添加隔板可有效防止箱內(nèi)殉爆和箱間殉爆現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而降低彈藥殉爆導(dǎo)致的額外傷害。