聚能射流對帶殼澆注PBX裝藥的撞擊響應(yīng)

王利俠, 谷鴻平, 丁 剛, 劉豐旺, 孫興昀

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

反導(dǎo)戰(zhàn)斗部一般采用破片毀傷元對來襲導(dǎo)彈殼體侵徹使結(jié)構(gòu)失效或使戰(zhàn)斗部引爆解體，相關(guān)文獻(xiàn)大多為破片對覆蓋薄鋼板或鋁板的B炸藥沖擊起爆研究[1-5]。隨著來襲深鉆地彈的鋼殼厚度增加和鈍感澆注高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)的廣泛使用[6-8]，利用破片引爆來襲戰(zhàn)斗部難度增加，探索新型反導(dǎo)戰(zhàn)斗部毀傷元已經(jīng)越來越受重視，聚能射流以更高侵徹能力和更強(qiáng)打擊動能逐步被認(rèn)為是反導(dǎo)戰(zhàn)斗部最具潛力的毀傷元之一。另外，從彈藥安全性考慮，研究聚能射流對澆注PBX的沖擊起爆及響應(yīng)問題，對于可靠起爆和避免彈藥在射流意外刺激下的爆炸具有重要參考價(jià)值。

關(guān)于聚能射流對炸藥沖擊起爆國內(nèi)外已進(jìn)行了大量研究[9-11]，得出了炸藥起爆機(jī)理等規(guī)律性結(jié)論?，F(xiàn)有課題大多是針對B炸藥的射流沖擊問題研究[12-13]，相比較PBX尤其是帶殼PBX的射流撞擊響應(yīng)研究少一些。本研究采用了兩種形態(tài)和速度的聚能射流作為帶殼PBX的刺激源，一種是直徑稍細(xì)、速度為7000～8000 m·s-1的高速射流，另一種為直徑較粗、速度為4000～5000 m·s-1長桿狀射流，用以撞擊厚殼壁裝有PBX模擬來襲戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)，采用高速攝影即時(shí)觀察射流起爆炸藥的引爆過程，分析了鋼板厚度、射流速度和射流強(qiáng)度參數(shù)等對澆注PBX的起爆臨界性和不同強(qiáng)度射流對帶殼PBX的沖擊響應(yīng)特性；然后采用LS-DYNA軟件[14]對高速射流形成及其引爆PBX的過程進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，獲得了高速射流穿過不同厚度覆蓋板對PBX的引爆能量值。研究結(jié)果可為未來反導(dǎo)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)、彈藥易損性等研究提供相關(guān)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 聚能裝藥

采用西安近代化學(xué)研究所研制的彈藥直徑Ф82 mm的標(biāo)準(zhǔn)聚能裝藥，該聚能裝藥的主裝藥為JO-8炸藥、密度1.81 g·cm-3、爆速約8700 m·s-1；其中聚能裝藥XⅠ的藥型罩直徑75 mm、錐角為60°，所形成的射流速度高達(dá)7036 m·s-1； 聚能裝藥XⅡ的藥型罩直徑為75 mm、罩頂與罩口部連線錐角為75°，其形成的桿狀射流(JPC, jetting projectile charge)速度約5000 m·s-1。

2.2 模擬帶殼裝藥

為模擬來襲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部,設(shè)計(jì)了圖1所示的覆蓋45#鋼板的模擬帶殼裝藥(簡稱試驗(yàn)樣品),裝藥為PBX,其配方(質(zhì)量比)RDX∶Al∶高氯酸銨(AP)∶惰性黏結(jié)劑=25∶33∶30∶12,采用真空振動澆注工藝成型; 藥柱密度約1.85 g·cm-3,尺寸Ф100 mm×200 mm,藥柱放置在10 mm厚有端蓋的45#鋼殼體內(nèi)。

圖1 試驗(yàn)樣品示意圖

Fig.1 Diagram of test sample

2.3 射流撞擊試驗(yàn)

圖2為射流撞擊試驗(yàn)裝置示意圖,包括聚能裝藥、炸高筒、覆蓋板、模擬裝藥樣品、驗(yàn)證板等。設(shè)置炸高為400 mm,覆蓋鋼板厚度采用“升-降”法進(jìn)行調(diào)整,其中高速射流穿過覆蓋鋼板厚度為210,255 mm; 桿式射流穿過覆蓋鋼板厚度165,210 mm后與樣品炸藥相撞擊,PBX相繼受到前驅(qū)沖擊波及射流雙重作用而被引爆(或引燃),通過高速攝像圖像及樣品下方驗(yàn)證板上凹痕判斷炸藥是否被引爆而發(fā)生反應(yīng),分析PBX在射流撞擊下的起爆反應(yīng)程度及響應(yīng)情況。

采用美國Phantom公司生產(chǎn)的V7高速相機(jī)拍攝聚能裝藥的射流產(chǎn)生、穿透覆蓋板及引爆(或引燃)PBX過程,拍攝頻率約5000幅/s,相機(jī)架設(shè)距離爆心大于50 m。起始拍攝信號與雷管引爆聚能裝置的信號同步。

圖2 射流撞擊試驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2 Configuration of jet impact test set

3 結(jié)果與分析

3.1 射流撞擊炸藥點(diǎn)火響應(yīng)過程

圖3為高速射流垂直撞擊穿透覆蓋PBX樣品的210,255 mm厚45#鋼板,不同時(shí)刻引爆PBX的高速攝影照片。

圖4為桿式射流垂直撞擊穿透覆蓋PBX樣品的165,210 mm厚45#鋼板后,不同時(shí)刻引燃PBX的高速攝影照片。

a. 210 mm

b. 255 mm

圖3 高速射流穿過不同厚度蓋板撞擊PBX不同時(shí)刻高速攝影圖像

Fig.3 High-speed photography of PBX explosive impacted by high speed jet through different thickness shield plate at different moments

a. 165 mm

b. 210 mm

圖4 桿狀射流穿過不同蓋板撞擊PBX不同時(shí)刻高速攝影圖像

Fig.4 High-speed photography of PBX explosive impacted by JPC through different thickness shield plate at different moments

從圖3和圖4高速攝影結(jié)果可以看出,聚能裝藥XⅠ起爆后約在0.4,0.6 ms高速射流穿過厚度分別為210,255 mm的覆蓋板; 聚能裝藥XⅡ起爆后約0.6,0.8 ms桿狀射流穿透厚度分別為165,210 mm的覆蓋板,剩余射流瞬間觸及靶內(nèi)炸藥并出現(xiàn)明亮火光,表明PBX裝藥此刻發(fā)生點(diǎn)火引爆反應(yīng); 且高速射流穿過厚210 mm覆蓋板后使PBX爆炸的火球燃燒擴(kuò)展范圍或半徑、反應(yīng)速度及激烈程度比射流穿透厚255 mm蓋板時(shí)的大得多、劇烈得多。根據(jù)拍攝結(jié)果可知聚能裝藥XⅠ相應(yīng)于210,255 mm厚的覆蓋板,從聚能裝藥起爆至高速射流形成、穿靶到PBX完全爆炸(或燃燒)耗時(shí)約1.2,2.0 ms; 而聚能裝藥XⅡ的對應(yīng)165,210 mm厚度覆蓋板從聚能裝藥起爆到桿式射流形成、穿靶至炸藥充分引燃至少耗時(shí)3.0 ms,超過高速射流的50%。過后火球的爆炸或燃燒均趨于穩(wěn)定,火球覆蓋空間雖還在擴(kuò)大,此時(shí)擴(kuò)張空間變化小,且桿式射流引燃火球擴(kuò)展范圍或半徑比射流的減小約2/3。

由高速攝像過程觀察到由于射流的撞擊引爆PBX爆炸產(chǎn)物的擴(kuò)散和燃燒開始最快,隨著其拓延范圍或半徑的不斷增大、壓力逐步釋放及能量衰減,擴(kuò)散的速度會越來越小,隨后經(jīng)過短暫穩(wěn)定后爆炸火球開始變暗、收縮至熄滅; 而且不同射流引爆炸藥的火球光亮度差異明顯,高速射流引爆炸藥的火球亮度強(qiáng)于桿狀射流。

3.2 不同速度射流對炸藥撞擊響應(yīng)影響分析

非均質(zhì)炸藥的射流沖擊起爆通常采用Held的修正判據(jù)[15-16],即:

Icr=u2d

(1)

由于射流侵徹過程滿足伯努利理想流體理論[17],則射流侵徹炸藥速度為:

(2)

式中,d為射流直徑,mm;ν為射流速度,m·s-1;ρe為炸藥密度,g·cm-3;ρj為射流密度,g·cm-3;Icr為炸藥相應(yīng)的臨界判據(jù)值,mm3·μs-2。

由式(1)、(2)可見,射流對炸藥的臨界判據(jù)值Icr主要與射流速度、射流直徑等參數(shù)相關(guān)。

高速射流著靶前速度大于7000 m·s-1,圖5為射流穿過厚度210,255 mm覆蓋板沖擊PBX產(chǎn)生響應(yīng)試驗(yàn)后驗(yàn)證板凹痕及裝藥端蓋被剪切開裂結(jié)果,圖6a和圖6b顯示了對應(yīng)試驗(yàn)樣品殼體破裂破片地面打擊凹坑及變形后的情況。

桿狀射流著靶前速度大于5000 m·s-1,圖7為其穿過165,210 mm覆蓋板撞擊PBX試驗(yàn)后驗(yàn)證板炸痕和及剪切掉落的端蓋結(jié)果,圖8a和圖8b顯示了相對應(yīng)的試驗(yàn)樣品殼體變形后狀態(tài)。

a. 210 mm b. 255 mm

圖5 高速射流穿過不同厚度蓋板引爆PBX后驗(yàn)證板和沖落端蓋

Fig.5 Witness plates and end-cover of charge after PBX explosive impacted by high speed jet through different thickness shield plate

a. 210 mm b. 255 mm

圖6 高速射流穿過不同厚度蓋板引爆PBX后樣品殼體

Fig.6 Shell after PBX explosive impacted by high speed jet through different thickness shield plate

a. 165 mm b. 210 mm

圖7 桿狀射流穿過不同厚度蓋板引爆PBX后驗(yàn)證板和沖落端蓋

Fig.7 Witness plates and end-cover after PBX explosive impacted by JPC through different thickness shield plate

a. 165 mm b. 210 mm

圖8 桿狀射流穿過不同厚度蓋板引爆PBX后樣品殼體

Fig.8 Shell after PBX explosive impacted by JPC through different thickness shield plate

參考2105C[18]對遇到射流強(qiáng)刺激后的彈藥反應(yīng)程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)及類型,判斷試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,對圖5a驗(yàn)證板炸痕推斷高速射流穿過210 mm厚鋼靶引爆PBX的響應(yīng)為第Ⅱ類猛烈類型的爆炸響應(yīng),炸藥反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波,炸藥快速燃燒產(chǎn)生局部高壓,導(dǎo)致樣品殼體結(jié)構(gòu)破裂成小碎片及大塊破片,破片對混凝土地面毀壞嚴(yán)重(見圖6a),且驗(yàn)證板上15 mm深的凹坑和背面4條裂紋也能推斷反應(yīng)的猛烈程度; 圖5b驗(yàn)證板上凹痕深僅為4.6 mm,即隨覆蓋板增厚至255 mm,射流對炸藥引爆為Ⅳ等猛烈爆炸響應(yīng),PBX爆燃導(dǎo)致的壓力釋放通過殼體壁端蓋緊固螺紋脫落而發(fā)生了剪切破壞; 圖6b試驗(yàn)樣品殼體結(jié)構(gòu)未破裂成破片,只發(fā)生了變形呈鼓狀,前、后端蓋被沖出,部分燃燒著或未完全燃燒的炸藥撒向爆心四周,并傳播火焰。桿狀射流穿過覆蓋板作用炸藥后,圖7鑒證板上凹痕僅淺至2～3 mm,應(yīng)屬于第V類爆炸響應(yīng)事件,炸藥點(diǎn)火并燃燒,圖8兩發(fā)樣品殼體完整僅發(fā)生變形,燃燒氣體緩慢釋放,殼體端蓋裂開被拋出10 m多遠(yuǎn)距離,殼體內(nèi)壁和爆心有炸藥殘留物和火焰?zhèn)鞑?殼體發(fā)生塑性變形成倒錐的口杯狀而非射流引爆時(shí)的鼓狀,徑向最大位移減35%。

綜上所述,高速射流具有足夠剩余能量引爆覆蓋210～255 mm厚鋼板的帶殼PBX樣品,而桿狀射流穿過165～210 mm覆蓋板后能量衰減較多,無法使帶殼PBX爆炸而僅能發(fā)生燃燒反應(yīng)。

3.3 不同厚度蓋板對高速射流引爆炸藥影響

經(jīng)典射流引爆炸藥理論[19]認(rèn)為,射流與覆蓋鋼板高速碰撞時(shí),將在侵徹鋼板中產(chǎn)生很強(qiáng)的前驅(qū)沖擊波,該沖擊波先于射流到達(dá)炸藥界面并進(jìn)入炸藥中,壓實(shí)密閉炸藥間隙使炸藥明顯變得鈍感,因而阻礙了后續(xù)射流的引爆或使起爆延遲。射流對屏蔽炸藥的起爆主要形式[20]: 一是被沖擊炸藥覆蓋殼體較薄,遵循射流著靶產(chǎn)生的前驅(qū)波起爆機(jī)制; 二是被沖擊炸藥覆蓋殼體厚度大,射流擊穿靶板后,依靠剩余射流及殼體崩落物起爆炸藥。研究表明,剩余射流的最大起爆能力相比前驅(qū)波最大起爆能力高出一個(gè)數(shù)量級[21],因此厚蓋板時(shí)射流沖擊起爆炸藥主要應(yīng)是第二種起爆形式。

而且射流對帶厚蓋板炸藥引爆時(shí),前驅(qū)波和剩余射流的強(qiáng)度應(yīng)隨覆蓋板的加厚而衰減,間接體現(xiàn)在對樣品PBX的沖擊引爆效應(yīng)上,通過試驗(yàn)觀察樣品殼體破裂或變形程度,輔助于驗(yàn)證板炸痕深淺、穿孔深度及炸心有否炸藥殘留等特征定性判斷。

由3.2試驗(yàn)結(jié)果,高速射流穿過210 mm厚的覆蓋板時(shí)射流能使?jié)沧BX爆炸; 而射流穿過255 mm厚的覆蓋板時(shí),剩余射流使?jié)沧BX爆燃?？梢?蓋板厚度不同時(shí),前驅(qū)波和剩余射流對PBX的引爆響應(yīng)差別較大。

為驗(yàn)證以上分析,采用LS-DYNA軟件對不同厚度覆蓋板的高速射流撞擊PBX的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。采用文獻(xiàn)[12]多物質(zhì)ALE算法來模擬射流形成、侵徹、引爆炸藥及反應(yīng)過程; 計(jì)算網(wǎng)格單元選用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元; 采用cm-g-us單位制,TureGrid軟件[22]建模,圖9為計(jì)算模型。

聚能射流裝藥JO8炸藥采用關(guān)鍵字* MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,炸藥爆轟產(chǎn)物壓力的計(jì)算采用JWL狀態(tài)方程,表1為裝藥爆轟性能參數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù),數(shù)據(jù)由圓筒試驗(yàn)測試獲得,方程形式及參數(shù)物理意義見文獻(xiàn)[23]。

圖9 射流撞擊數(shù)值模擬模型

Fig.9 Numerical simulation model of jet impact test

表1 JO8炸藥爆炸性能參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

Table 1 Detonation property parameters of JO8 explosive and JWL state equation

ρ/g·cm-3pCJ/GPaDCJ/m·s-1A/GPaB/GPaR1R2ω1．8135．818689795．37．074．111．00．35

Note:R1、R2andωof JWL equation of state mean the undetermined fitting parameters;ρis deasity;pCJis detonation pressure;DCJis detonation velocity.

被沖擊試驗(yàn)樣品PBX采用彈塑性材料模型,炸藥所用狀態(tài)方程采用高能炸藥反應(yīng)的點(diǎn)火與成長模型來描述[12,24-25],此模型用于計(jì)算炸藥沖擊引爆以及爆轟波在炸藥中的傳播規(guī)律。數(shù)值計(jì)算所用相關(guān)性能參數(shù)來自參考文獻(xiàn)[26]。

藥型罩、樣品殼體和覆蓋板均采用彈塑性材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述,金屬材料所用參數(shù)取自參考文獻(xiàn)[12]及[25]?？諝饨橘|(zhì)用NULL材料模型和 LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程,空氣密度取1.293×10-3g·cm-3。

數(shù)值模擬計(jì)算表明,覆蓋210 mm厚鋼板時(shí),射流著靶前速度約7036 m·s-1、直徑2.26 mm,穿靶后其速度降為4548 m·s-1、直徑1.92 mm,射流起爆炸藥能量為39.71 mm3·μs-2,大于參考文獻(xiàn)[11]中PBX起爆閾值38.4 mm3·μs-2。圖10為樣品內(nèi)炸藥單元壓力時(shí)間曲線,可以看出射流引爆PBX的爆炸壓力峰值約29 GPa。當(dāng)穿過厚255 mm覆蓋板后射流速度降為4275 m·s-1、直徑1.56 mm,計(jì)算得射流引爆能量為28.51 mm3·μs-2,圖11為樣品內(nèi)炸藥單元壓力時(shí)間曲線,圖11中炸藥爆炸峰值壓力約26 GPa。

數(shù)值模擬得到射流對PBX的臨界起爆能量與文獻(xiàn)[11]試驗(yàn)值基本吻合,計(jì)算顯示高速射流穿過210 mm厚覆蓋板撞擊PBX使其發(fā)生猛烈爆炸反應(yīng),裝藥內(nèi)爆炸壓力高達(dá)29 GPa,而穿過255 mm覆蓋板使PBX爆炸峰值壓力約26 GPa。計(jì)算獲得高速射流穿過兩種厚度覆蓋板后,均使帶殼PBX發(fā)生相應(yīng)的爆炸響應(yīng),與上述試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖10 覆蓋板厚210 mm時(shí)炸藥單元壓力時(shí)間曲線

Fig.10 Pressure curves of explosive unit with 210 mm cover slab vs time

圖11 覆蓋板厚255 mm時(shí)炸藥單元壓力時(shí)間曲線

Fig.11 Pressure curves of explosive unit with 255 mm cover slab vs time

4 結(jié) 論

(1)彈徑Ф82 mm聚能裝藥形成的兩種形態(tài)和速度的高速射流及桿狀射流,對帶殼澆注PBX撞擊時(shí)高速射流所造成響應(yīng)的劇烈程度高于低速的桿式射流。高速射流穿過小于255 mm厚的覆蓋鋼板,撞擊帶殼 PBX能產(chǎn)生爆炸或爆燃反應(yīng); 桿狀射流穿過不高于210 mm厚度覆蓋板,只能夠引起PBX燃燒反應(yīng)。因此,高速聚能射流可作為反厚壁或厚殼體目標(biāo)的反導(dǎo)戰(zhàn)斗部的毀傷元,使來襲戰(zhàn)斗部裝藥引爆解體而失效。

(2)數(shù)值模擬表明聚能射流穿過一定厚度覆蓋鋼板,必須使其剩余撞擊能量大于PBX的臨界引爆判據(jù)值38.4 mm3·μs-2,才能使帶殼澆注PBX被引爆。

致謝: 參加本課題研究及討論的還有周濤、南海、馮曉軍、賀海民、席鵬等同志,在此表示衷心感謝！

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