網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的設(shè)計(jì)技術(shù)＊

張友君，谷 巖，裴曉陽，杜金梅，楊 佳，喻 寅

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

高能炸藥具有較高的化學(xué)釋放能和較快的反應(yīng)速度，是一種常用的高壓沖擊波能源。在化爆加載中，利用高能炸藥爆轟釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w片的動(dòng)能，已有了一系列的化爆加載裝置，如接觸爆炸、空腔增壓、多級(jí)飛片增壓、二維會(huì)聚增壓等方法［1］。目前的化爆加載裝置大都采用平面波透鏡傳爆主炸藥的方式驅(qū)動(dòng)飛片，這種裝置獲得的飛片擊靶速度為數(shù)千米每秒，相應(yīng)的沖擊加載壓力范圍為幾十至幾百吉帕。而在研究材料的損傷與斷裂、低壓沖擊相變以及彈塑性形變特性等動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，需要使待測(cè)樣品受到的沖擊應(yīng)力位于較低的區(qū)間。目前，獲得數(shù)百米每秒擊靶速度或產(chǎn)生幾吉帕壓力大多使用一級(jí)氣體炮，而爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、容易與測(cè)試儀器同步工作（如原位實(shí)時(shí)測(cè)量、高速攝影）等［2］，因此研究化爆驅(qū)動(dòng)飛片在低速和穩(wěn)定狀態(tài)下的加載技術(shù)十分必要。

在平面波透鏡結(jié)構(gòu)的加載裝置中，為了在材料中獲得較低的沖擊壓力，可采用低爆速炸藥或加惰性材料衰減層等方法［3］。В.И.Цыпкцнн［4］對(duì)TNT炸藥爆轟產(chǎn)物經(jīng)過不同厚度空氣隙驅(qū)動(dòng)10mm銅飛片的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明隨著空氣隙的增大，飛片速度下降，但空氣隙增加到一定厚度時(shí)飛片速度難以再繼續(xù)下降。趙劍衡等［5］結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了在炸藥透鏡和飛片之間引入空腔對(duì)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的影響，結(jié)果表明引入空腔的爆轟加載裝置可以推動(dòng)6mm銅飛片達(dá)到約1km／s的速度。張萬甲［6］、G.I.Kanel等［7］設(shè)計(jì)了組合飛片作為低壓爆轟加載裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明組合飛片作為低壓爆轟加載的原理是可行的，但設(shè)計(jì)較復(fù)雜。金柯等［8］對(duì)爆轟產(chǎn)物與飛片之間預(yù)留空氣隙和使用組合飛片的方式分別進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明增加空氣隙或使用組合飛片可以使中等阻抗飛片降至1～2km／s。綜上所述，采用平面波透鏡結(jié)構(gòu)的爆轟加載裝置，很難獲得低于1km／s飛片速度的加載能力。

本文中，通過網(wǎng)絡(luò)爆轟技術(shù)設(shè)計(jì)一種新型低速低沖擊應(yīng)力的加載裝置。結(jié)合數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)量與標(biāo)定，對(duì)網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的速度、平面性及裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，擬為低壓動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)手段。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的過程中，可用不可壓縮飛片模型估算飛片受到壓縮波驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到飛片速度u的關(guān)系式［3］

式中：m為裝藥質(zhì)量，M為飛片質(zhì)量，l為裝藥長(zhǎng)度，D為爆轟波速度，t為飛片飛行時(shí)間。

當(dāng)t趨近于無窮時(shí)，可以得到飛片的極限速度umax

由式（2）可知，η越小，飛片速度越低。在炸藥成分與飛片質(zhì)量一定的情況下，要降低飛片速度，必須降低裝藥質(zhì)量或裝藥長(zhǎng)度。在傳統(tǒng)的平面波透鏡化爆加載裝置中，需要一定的裝藥長(zhǎng)度才能保證點(diǎn)源發(fā)出的散心爆轟波改造成為平面爆轟波，這個(gè)總長(zhǎng)度一般都在幾十毫米。同時(shí)，在平面波透鏡的加載裝置中，通常還要再加一段主炸藥，厚度在數(shù)十毫米范圍，主裝藥長(zhǎng)度過短就會(huì)影響飛片擊靶的平面性。因此使用平面波透鏡結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)飛片的裝置很難降低飛片速度。

1.2 裝置設(shè)計(jì)

為了得到較低的飛片擊靶速度，本文中提出并使用平面網(wǎng)絡(luò)爆轟技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)爆轟是在大口徑裝藥的端面上布置多個(gè)起爆點(diǎn)，這些起爆點(diǎn)由炸藥網(wǎng)絡(luò)線連接，當(dāng)雷管引爆時(shí)，通過炸藥網(wǎng)絡(luò)線的傳爆使多個(gè)起爆點(diǎn)同時(shí)起爆，由此獲得平面范圍內(nèi)的爆轟波輸出。利用網(wǎng)絡(luò)起爆可以降低裝藥厚度，通常主炸藥厚度在1mm以下。

在一維應(yīng)變動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)中，對(duì)加載裝置有兩個(gè)基本要求。首先，壓力可調(diào)，有一定的壓力調(diào)節(jié)范圍；其次，所產(chǎn)生的沖擊波有一定的平面尺寸和平面度，以便物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)量［3］。本文的網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)滿足這兩個(gè)基本要求。

根據(jù)上述基本原理，網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片加載的裝置如圖1所示。它由雷管、炸藥網(wǎng)絡(luò)板、衰減層、有機(jī)玻璃板、飛片、空腔和靶系統(tǒng)等組成。此處的炸藥網(wǎng)絡(luò)板包括了多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)和主裝藥。

炸藥網(wǎng)絡(luò)板中裝藥厚度0.8mm，邊長(zhǎng)95mm。衰減層采用沖擊阻抗較高的45鋼板，厚度可視所需飛片速度調(diào)節(jié)。為使多點(diǎn)爆轟波被改造成為準(zhǔn)一維平面波，經(jīng)過計(jì)算取有機(jī)玻璃板厚10mm。飛片為?100mm的圓板，厚度3mm，材料為無氧銅。

圖1 網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of network detonation－loading device

1.3 數(shù)值模擬

使用數(shù)值計(jì)算檢驗(yàn)了網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)的可行性。裝置材料采用彈塑性流體模型，炸藥爆轟產(chǎn)物的描述選用JWL狀態(tài)方程，表達(dá)式為［9］

式中：A、B、ω、R1、R2為常數(shù)，e為比內(nèi)能。炸藥 GI－920的CJ參數(shù)為：ρ＝1.540g／cm3，D＝7.35km／s，e＝4.29MJ／kg，狀態(tài)方程參數(shù)為：A＝2 714.0GPa，B＝17.930GPa，R1＝7.00，R2＝1.60，ω＝0.35。

圖2（a）給出了飛片后自由面粒子速度歷史隨45鋼板厚度變化的計(jì)算結(jié)果，炸藥在時(shí)刻零起爆。圖2（b）給出了飛片穩(wěn)定飛行后的擊靶速度隨鋼板厚度的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，當(dāng)鋼板厚度從1mm增加到10mm時(shí)，飛片的擊靶速度相應(yīng)從330m／s減小到210m／s，并且飛片飛行距離在2mm內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定的速度平臺(tái)。應(yīng)力波在飛片中來回反射可造成飛片自由面速度振蕩；鋼板厚度與飛片速度之間并不完全成線性關(guān)系，隨著鋼板厚度持續(xù)增加，擊靶速度繼續(xù)減小的幅度十分有限。如果使用該飛片撞擊相同材料的無氧銅樣品可以達(dá)到3.8～6.2GPa沖擊應(yīng)力，因此初步計(jì)算認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的裝置具有可行性，并且通過改變衰減層鋼板的厚度可以使飛片的速度發(fā)生連續(xù)性的變化，得到不同的沖擊應(yīng)力。

圖2 飛片速度隨衰減層45鋼板厚度的變化規(guī)律Fig.2 Simulation results of flyer velocity as a function of steel thickness

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與標(biāo)定

為了對(duì)飛片飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將靶板設(shè)計(jì)為可安裝測(cè)量探針的基板。探針基板為?80mm的LY12鋁，可布局多路多圈的測(cè)量探針。飛片與探針基板間的空腔距離為約2mm。為了準(zhǔn)確測(cè)量和標(biāo)定，使用DPS測(cè)速系統(tǒng)［10］。通過多路多圈的DPS探針布置（見圖3），可以得出飛片直徑40mm內(nèi)的平面性分布。其中，探針1～9從內(nèi)至外分別分布于圓心、?20mm和?40mm，主要是測(cè)量飛片速度和評(píng)估飛片擊靶的平面性。探針10、11和12分別對(duì)應(yīng)炸藥網(wǎng)絡(luò)爆轟的一波點(diǎn)、二波點(diǎn)和四波點(diǎn)，主要測(cè)量網(wǎng)絡(luò)起爆點(diǎn)對(duì)爆轟波傳播均勻性的影響。在位于?40mm的圓上設(shè)計(jì)了4個(gè)?6mm的圓孔用于排出飛片飛行時(shí)的壓縮氣流，避免對(duì)DPS測(cè)量的影響。

進(jìn)行了兩發(fā)典型加載狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與部分結(jié)果見表1，DPS測(cè)量結(jié)果見圖4。表中，h1、h2、h3和h4分別為飛片厚度、有機(jī)玻璃厚度、45鋼板厚度和空腔距離。可以發(fā)現(xiàn)，在2mm空腔距離內(nèi)，飛片已經(jīng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的最大速度飛行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)1、2的飛片速度分別為v1＝（299±4）m／s，v2＝（221±3）m／s。多點(diǎn)測(cè)量表明，?40mm內(nèi)飛片的擊靶速度相對(duì)誤差在1.5%以內(nèi)，飛片飛行速度均勻性很好。

圖3 DPS探針布局Fig.3 Position of DPS probes

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的加載狀態(tài)和部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 Experimental parameters and results of the calibrated equipment

圖4 不同測(cè)點(diǎn)處飛片后自由面速度歷史Fig.4 Free surface velocity histories for flyers at different points

為了分析飛片的擊靶平面性，對(duì)飛片后自由面速度歷史進(jìn)行積分處理。在空腔的某個(gè)面上飛片最早和最晚到達(dá)的時(shí)間差即為這個(gè)面上飛片的擊靶波形差。實(shí)驗(yàn)1、2中當(dāng)飛片分別到達(dá)1.9和1.7mm的空腔距離時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)分布見圖5所示。實(shí)驗(yàn)1、2中飛片擊靶波形差在?20mm范圍內(nèi)分別為146和224ns，到?40mm時(shí)，飛片擊靶波形差分別為224和468ns，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移差在0.04～0.08mm之間，表明飛片在?40mm的范圍內(nèi)具有較好的平面性。利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，時(shí)間t隨半徑r呈拋物線分布，實(shí)驗(yàn)1、2的t（r）關(guān)系分別為t1（r）＝3.1×10－4r2＋48.795 4、t2（r）＝8.7×10－4r2＋51.519 5，t和r的單位分別為μs和mm。由擊靶波形差可計(jì)算得?40mm范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)1、2飛片的擊靶傾角分別為0.189°和0.298°，與一級(jí)輕氣炮約0.5°和二級(jí)輕氣炮約1°相比［11］，本文的飛片驅(qū)動(dòng)裝置的擊靶波形完全可以滿足一維平面沖擊加載的要求。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)表明：網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的速度可以在一定范圍內(nèi)可調(diào)，飛片擊靶均勻性和平面性較好，飛片在2mm的空腔距離內(nèi)能夠達(dá)到穩(wěn)定飛行狀態(tài)。

圖5 飛片擊靶波形Fig.5 The flyer front surface

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。首先，對(duì)飛片穩(wěn)定時(shí)的平均速度幅值進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)1、2的飛片擊靶速度實(shí)驗(yàn)值分別為299和221m／s，相應(yīng)的計(jì)算值為302和220m／s，實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)算的相對(duì)誤差小于2%。其次，對(duì)飛片飛行過程的速度歷史進(jìn)行比較，圖6給出了飛片中心測(cè)點(diǎn)1的后自由面速度－時(shí)間曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，兩者符合程度很好。

圖6 后自由面速度剖面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between experimental and calculated free－surface velocity profile

3 結(jié) 論

基于網(wǎng)絡(luò)爆轟的原理，提出并設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片的加載技術(shù)，并對(duì)典型加載裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和標(biāo)定，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，得到以下主要結(jié)論：

使用網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)，可以有效降低傳統(tǒng)平面波透鏡加載裝置中的主炸藥裝藥厚度，極大地降低飛片運(yùn)動(dòng)速度，使低壓下的材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究得到新的加載手段；網(wǎng)絡(luò)爆轟驅(qū)動(dòng)飛片在一定范圍內(nèi)的擊靶均勻性和平面性較好，完全滿足一維應(yīng)變平面沖擊波加載的需求；通過改變衰減層的厚度，飛片速度可以實(shí)現(xiàn)在200～350m／s間連續(xù)可調(diào)。

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