爆炸點火快速分離過程的理論與實驗研究

姬 龍，黃正祥，顧曉輝，鄭應(yīng)民

（南京理工大學(xué) 智能彈藥國防重點學(xué)科實驗室，南京210094）

快速分離技術(shù)的研究一直以來受到人們的廣泛關(guān)注，運(yùn)用領(lǐng)域不斷延伸，如帶探測破－破式串聯(lián)戰(zhàn)斗部中前級戰(zhàn)斗部的快速分離，破－穿式串聯(lián)戰(zhàn)斗部中隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的快速隨進(jìn)，艦艇巡航途中快速發(fā)射魚雷、導(dǎo)彈對目標(biāo)實施有效攻擊等，都要求在最短的時間內(nèi)將發(fā)射物體加速到最大速度，一定距離內(nèi)縮短發(fā)射物體的反應(yīng)時間.

傳統(tǒng)的分離發(fā)射機(jī)制和作用原理中，火藥裝藥點火方式主要采用電底火點火、點火頭點火、等離子體點火、爆轟點火等，其中電底火點火和點火頭點火技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟且應(yīng)用廣泛，但點火時間延時為幾ms到十幾ms，很難滿足快速發(fā)射的要求[1]；李海元[2]和薛奡煒[3]等通過理論計算和實驗研究，得出等離子體點火可以顯著縮短火藥的點火延遲時間，可控制在ms級以內(nèi)，但其點火時需要特定裝置，適用范圍有限；張丁山[4]等采用爆轟點火方式可以實現(xiàn)點火延遲時間為0.3ms的目標(biāo)，但其應(yīng)用于引燃主裝藥，其后續(xù)的燃燒發(fā)射過程還需要一定延遲時間.目標(biāo)機(jī)動性的不斷加強(qiáng)對點火延遲時間提出更高要求.為了實現(xiàn)從點火到分離發(fā)射的延遲時間控制在ms量級以內(nèi)，有必要在原有技術(shù)上進(jìn)行深入研究.

本文設(shè)計了一種快速分離實驗裝置，采用爆炸點火方式，快速點燃發(fā)射藥，靠發(fā)射藥氣體的推力剪斷剪切環(huán)，實現(xiàn)前級分離體的快速發(fā)射.利用密閉爆發(fā)器原理和經(jīng)典內(nèi)彈道理論建立快速分離發(fā)射理論模型，并通過數(shù)值計算得到各物理參數(shù)的變化規(guī)律.

1 快速分離理論模型

快速分離發(fā)射主要是利用導(dǎo)爆索爆炸點火點燃發(fā)射藥，使發(fā)射藥迅速燃燒產(chǎn)生大量的高壓氣體，待藥室內(nèi)壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時實現(xiàn)前級分離體的快速分離發(fā)射.模擬裝置如圖1所示.

圖1 快速分離裝置示意圖

通過上述分析將分離過程分為2個階段：第一階段為發(fā)射藥開始燃燒到發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限，即快速燃燒階段；第二階段為剪切環(huán)被剪斷至前級分離體增速到最大速度，即快速發(fā)射階段.在此過程中，假設(shè)：剪切環(huán)瞬間剪斷，即達(dá)到剪切環(huán)破壞極限后，前級分離體開始運(yùn)動.

1.1 快速燃燒階段

此階段中，藥室空腔體積沒有發(fā)生變化，并且發(fā)射藥氣體也沒有對外做功，所以可近似看作密閉爆發(fā)器，運(yùn)用其原理對此過程進(jìn)行分析.

將幾何燃燒定律條件下定容燃燒的p-t理論曲線和密閉爆發(fā)器實測p－t曲線進(jìn)行對比，從而得到理論p－t曲線的斜率dp/dt的表達(dá)式，即p－t曲線應(yīng)滿足的微分方程[5]：

式中，pB為點火壓力；f為火藥力；ω為發(fā)射藥質(zhì)量；ψ為火藥已燃百分?jǐn)?shù)；S為藥室橫截面積；lψ為藥室自由容積長；pH為初始剪切壓力；βH為達(dá)到pH時對應(yīng)的β值；σ為火藥相對燃燒面積；e1為1/2火藥起始厚度；u1為燃速系數(shù)；χ、μ和λ為火藥形狀特征量；n為燃速指數(shù)；Z為火藥已燃相對厚度；α為發(fā)射藥燃?xì)庥嗳荩沪裵為發(fā)射藥密度；Fτmax為剪斷剪切環(huán)所需的最大剪切力.

通過選取合適的pB和u1可以較好地反映爆炸點火時發(fā)射藥燃燒規(guī)律，并將式（2）～式（5）代入方程（1）進(jìn)行求解，可得第一階段各參量的數(shù)值.

1.2 快速發(fā)射階段

當(dāng)發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時，剪切環(huán)發(fā)生瞬間剪切，前級分離體開始加速運(yùn)動，在上階段條件基礎(chǔ)上建立動態(tài)下內(nèi)彈道方程組[5～7]：

式中，Ik為壓力全沖量；φ為次要功計算系數(shù)；m為前級分離體質(zhì)量；θ＝k－1，k為絕熱指數(shù)；Z0、ψ0、σ0為達(dá)到剪切環(huán)破壞極限時各參數(shù)的取值.

由此解出發(fā)射過程中前級分離體速度v、行程l、膛內(nèi)壓力p之間的關(guān)系.

1.3 數(shù)值求解

運(yùn)用上述建立的快速分離發(fā)射內(nèi)彈道理論模型，忽略前級分離體剪切過程對內(nèi)彈道性能的影響，選取雙基圓片狀發(fā)射藥，e1＝0.07 mm，f＝1 180kJ/kg，ω＝3g，ρp＝1 650kg/m3，分離體的質(zhì)量m＝260g，材料為超硬鋁（7A04），且Fτmax＝125 MPa.利用Matlab中四階Runge－Kutta法編程計算，結(jié)果如圖2～圖4所示.

圖2 快速分離發(fā)射時期膛內(nèi)p－t曲線

圖3 前級分離體在膛內(nèi)的v－l關(guān)系曲線

圖4 前級分離體在膛內(nèi)的v－t關(guān)系曲線

從圖2～圖4得出快速分離發(fā)射內(nèi)彈道時期膛壓、前級分離體速度以及膛內(nèi)運(yùn)動的規(guī)律.由圖2可得，膛內(nèi)壓力達(dá)到剪切環(huán)剪切壓力所用時間約為125μs.由圖3可得，前級分離體發(fā)射時的位移與速度關(guān)系，前級分離體分離速度為200m/s.圖4表明前級分離體在125μs時開始運(yùn)動，到1 ms時前級分離體速度達(dá)到最大值200m/s.

2 快速分離實驗研究

根據(jù)理論計算結(jié)果，本文通過靜態(tài)臺架實驗對其進(jìn)行驗證，模擬爆炸點火方式下前級分離體快速分離發(fā)射過程，通過測試儀對分離時間和分離速度進(jìn)行測試，利用高速攝像進(jìn)行驗證.

2.1 實驗原理

實驗采用電雷管引爆Φ2.88mm鉛制導(dǎo)爆索，通過導(dǎo)爆索爆炸點燃雙基片狀發(fā)射藥，待發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)剪斷壓力時，前級分離體開始增速運(yùn)動.為了精確測試快速分離時間，現(xiàn)選用光電耦合器，實現(xiàn)電雷管起爆與測試儀信號輸入同步，見圖5.

圖5 模擬實驗裝置布局示意圖

2.2 實驗結(jié)果及分析

通過上述實驗，對快速分離發(fā)射裝置的分離時間和分離速度進(jìn)行測試，實驗結(jié)果見表1.

表1 分離時間與分離速度實驗結(jié)果表

從表1可得，通過瞬態(tài)測試儀測試快速分離時間為197～216μs，發(fā)射速度為192～199m/s；由高速攝像測得前級分離體的發(fā)射速度為190～195m/s.與圖2～圖4中數(shù)值解進(jìn)行比較，其分離時間為125μs，兩者差異較大.這主要是由于瞬態(tài)測試儀測得的分離時間為：從雷管接收到點火信號到發(fā)射藥氣體壓力達(dá)到剪切環(huán)剪切壓力時所用時間，包括雷管延時和導(dǎo)爆索傳爆時間，所以測試時間偏長.通過計算，導(dǎo)爆索傳爆時間tA＝16μs，電雷管延時時間tB＝50μs.由此可得測試分離時間為131～150μs，與計算結(jié)果相比偏差為4%～13%.測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)測試時間有波動，這主要是由測試手段、測試儀響應(yīng)快慢、干擾等多方面因素引起的，發(fā)射時間極短，測試靈敏度要求高，易受干擾.這種誤差范圍內(nèi)的波動是允許的.

由此可見，采用快速分離發(fā)射裝置，利用爆炸點火點燃發(fā)射藥的方式，可以有效提高分離時間.這主要是由于傳統(tǒng)分離發(fā)射裝置中，熱傳導(dǎo)方式在點火能量傳播過程中占主要地位，不能使發(fā)射藥完全同時點燃，只能點燃一部分逐層傳遞，發(fā)射藥氣體的生成速率不高，導(dǎo)致氣體壓力剪斷剪切環(huán)時間增長；而爆炸點火方式是利用雷管引爆導(dǎo)爆索，由導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生爆轟能量點燃發(fā)射藥，甚至部分發(fā)射藥發(fā)生爆燃，穿透和侵蝕作用較為顯著，發(fā)射藥幾乎同時燃燒，并且導(dǎo)爆索附近的發(fā)射藥在其爆炸作用下碎裂，起始燃面增加，燃速增大，點燃較為容易，從而發(fā)射藥氣體的生產(chǎn)速率陡升，在較短的時間內(nèi)氣體壓力超過剪切環(huán)最大抗剪切力，實現(xiàn)快速分離.

同時，在前級分離體剪斷剪切環(huán)時，發(fā)射藥氣體壓力較大，前級分離體獲得較大初始加速度，在較短的發(fā)射筒行程內(nèi)，快速增速，在分離時，達(dá)到預(yù)期發(fā)射速度.由圖3、圖4得數(shù)值解中發(fā)射速度v＝200m/s，與測試結(jié)果基本吻合.由此可證明，快速分離發(fā)射理論模型是正確的，為快速分離優(yōu)化設(shè)計提供了理論支持.

3 結(jié)論

①快速分離發(fā)射裝置在一定條件下，可實現(xiàn)分離時間在200μs左右，發(fā)射速度為200m/s，滿足分離戰(zhàn)斗部技術(shù)要求.

②利用密閉爆發(fā)器原理和發(fā)射時期內(nèi)彈道理論，對分離時間和分離速度進(jìn)行數(shù)值計算，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，與實際接近，可近似反映出特定實驗裝置內(nèi)，爆炸點火方式下內(nèi)彈道變化諸元.為今后工程優(yōu)化設(shè)計提供理論支持.

③本實驗裝置利用爆炸點火方式點燃發(fā)射藥，可以大幅度提高前級分離體的分離時間與發(fā)射速度，為實現(xiàn)快速分離發(fā)射研究提供依據(jù).

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