金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥爆炸特性研究

尹俊婷，蔚紅建，栗寶華，付 偉

?

金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥爆炸特性研究

尹俊婷，蔚紅建，栗寶華，付 偉

（西安近代化學研究所，陜西西安，710065）

通過理論分析和仿真計算研究金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥的能量輸出特性，以及對破片驅(qū)動和沖擊波超壓性能的影響；選擇3種炸藥組成復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，制備全預(yù)制破片戰(zhàn)斗部樣彈，采用試驗方法驗證復(fù)合裝藥的破片驅(qū)動能力和沖擊波超壓特性，并與金屬加速炸藥單一裝藥進行比較。結(jié)果表明，理論分析及仿真計算與試驗結(jié)果吻合較好，復(fù)合裝藥的爆速及爆熱值在組成復(fù)合裝藥的炸藥的極限參數(shù)之間；通過復(fù)合裝藥配比調(diào)整可以達到破片與沖擊波超壓綜合能量最佳匹配，可應(yīng)用于殺爆戰(zhàn)斗部優(yōu)化設(shè)計。

爆炸力學；復(fù)合裝藥；能量輸出；破片驅(qū)動；沖擊波超壓

隨著高效毀傷技術(shù)的發(fā)展，裝藥結(jié)構(gòu)對武器性能的影響研究受到重視，兩種炸藥通過內(nèi)外疊加、上下疊加等方式構(gòu)成復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，形成不同的能量輸出特性，可實現(xiàn)戰(zhàn)斗部的多模式毀傷和多任務(wù)適應(yīng)性。國外通過研究復(fù)合裝藥的爆轟特性理論，達到炸藥裝藥能量輸出結(jié)構(gòu)多樣化和精細化的目的[1-4]。我國在復(fù)合裝藥方面也開展了一些研究，胡雙啟[5]等進行傳爆藥與主裝藥復(fù)合裝藥的研究，以解決鈍感主裝藥的起爆可靠性問題；韓勇等[6]針對兩種不同沖擊波感度炸藥的復(fù)合裝藥進行沖擊波感度實驗及數(shù)值模擬研究，為炸藥裝藥的低易損性提供理論依據(jù)；牛余雷等[7]對外層高爆速炸藥包裹內(nèi)層非理想炸藥的雙元裝藥結(jié)構(gòu)進行空中爆炸沖擊波超壓——時間歷程的測量，研究了其空中爆炸的能量輸出特性。這些研究主要關(guān)注于復(fù)合裝藥對彈藥感度或沖擊波超壓等單一性能的改善與提高，而對復(fù)合裝藥能量輸出爆炸特性的關(guān)聯(lián)影響鮮有文獻報道。

對于殺爆型戰(zhàn)斗部，要求裝藥具有較強的金屬加速能力，能產(chǎn)生高速飛行的破片；同時具有高爆熱，能產(chǎn)生較高的沖擊波超壓和沖量。本文針對金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥爆炸特性及能量輸出特性，通過理論及試驗研究復(fù)合裝藥對破片驅(qū)動和沖擊波超壓性能的關(guān)聯(lián)影響，探討應(yīng)用復(fù)合裝藥提高殺爆戰(zhàn)斗部綜合毀傷效能的途徑。

1 復(fù)合裝藥特性分析

1.1 能量輸出特性分析

1.1.1裝藥的金屬加速特性

炸藥裝藥對金屬的加速能力決定于炸藥裝藥爆轟能量輸出給金屬的效率，美國Kury等人提出圓筒試驗，用試驗中得到的格尼能來表征炸藥金屬加速做功能力，炸藥對金屬加速所達到的最大初速可利用格尼能求出[8]：

（1）

格尼能一定時，可推出破片初速隨裝填比的變化值△v的計算公式：

根據(jù)式（2）計算在=0.5~1.5范圍內(nèi)破片初速隨裝填比的變化趨勢，見圖1。

圖1 破片初速v0隨β的變化趨勢

由圖1可以看出，破片初速隨裝填比的增加而增加，但初速增量△v隨裝填比的增加而減小，當裝填比由0.5增加到0.6時，破片初速增量△v為8.7%；當裝填比由1.0增加到1.1時，破片初速增量為3.5%，當裝填比由1.5增加到1.6時，破片初速增量△v僅為2.0%。說明在裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計中，裝填比存在一個最佳匹配值，根據(jù)不同的用途和特性，控制炸藥能量輸出，達到最佳毀傷效果。當金屬加速炸藥的裝藥質(zhì)量滿足一定裝填比要求時，采用同軸內(nèi)層裝填高爆熱炸藥，外層裝填金屬加速炸藥復(fù)合結(jié)構(gòu)時，就可保持它原有的破片加速特性，同時外層裝藥的爆轟使內(nèi)層裝藥處在一種超級封閉和超壓驅(qū)動環(huán)境中，所產(chǎn)生的高溫高壓會加速內(nèi)層裝藥的反應(yīng)速度，更快地形成更多反應(yīng)產(chǎn)物，從而增強爆破效果，達到增加沖擊波超壓的目的[9]。

1.1.2裝藥的做功特性

大量實驗研究表明，空氣中爆炸也存在相似規(guī)律，爆炸中的相似性以幾何相似為基礎(chǔ)。質(zhì)量為1的炸藥裝藥在作用距離1處空氣沖擊波陣面超壓為△P，則質(zhì)量為2的炸藥裝藥在作用距離2處要得到同樣的空氣沖擊波陣面超壓△P，必須有[10-11]：

（3）

一般以TNT炸藥為標準進行計算。對于其他炸藥，可以根據(jù)能量相似原理換算為TNT當量：

式（4）中：ω為某炸藥裝藥的TNT當量，kg；ω為某炸藥裝藥質(zhì)量，kg；vi為某炸藥爆熱，kJ/kg；vT為TNT爆熱，kJ/kg，取4 182kJ/kg。

在相同裝藥質(zhì)量情況下，某炸藥裝藥與TNT裝藥沖擊波超壓作用距離存在如下關(guān)系：

根據(jù)式（5）計算在vi/vT=1.0~2.5范圍內(nèi)1變化曲線，見圖2。

圖2 超壓作用距離隨裝藥爆熱的變化趨勢

在相同炸藥裝藥質(zhì)量情況下，沖擊波超壓作用距離隨裝藥爆熱的增加而增加，由圖2可以看出，當炸藥裝藥爆熱增加1倍（vi/vT=2）時，沖擊波超壓作用距離增加1.26（2/1=1.26）倍，說明裝藥質(zhì)量一定時，沖擊波超壓與裝藥爆熱有關(guān)，裝藥爆熱增加時，沖擊波超壓增大。通過采用復(fù)合裝藥，可以在滿足破片驅(qū)動的同時，調(diào)整裝藥爆熱，達到提高沖擊波超壓的目的。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算參數(shù)

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)如下，裝藥直徑φ280mm，總長1 000mm；距端面200mm起爆，裝藥為純金屬加速炸藥GOXL-1裝藥及金屬加速炸藥與高爆熱炸藥復(fù)合裝藥兩類，復(fù)合結(jié)構(gòu)中兩種炸藥裝藥質(zhì)量比為1:1，兩種炸藥參數(shù)見表1。3種裝藥方案中方案1為GOXL-1裝藥，方案2為GOXL-1（內(nèi)）+WY-1（外）復(fù)合裝藥，方案3為WY-1（內(nèi)）+GOXL-1（外）復(fù)合裝藥。計算3種方案下起爆中心距地面1.5m高、端面點起爆時，破片初速及距爆心30m范圍內(nèi)的地面沖擊波超壓。

表1 裝藥的性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of charge

2.2 計算方法及模型

2.2.1沖擊波超壓的仿真計算

（1）計算方法

沖擊波超壓的仿真計算采用ANSYS/LS-DYNA進行[12]。戰(zhàn)斗部地面爆炸效應(yīng)計算采用二維MMALE流固耦合算法，其中炸藥和空氣采用二維Euler算法，地面采用二維Lagrange算法，二者之間通過程序設(shè)置實現(xiàn)自動耦合。

（2）計算模型及網(wǎng)格

建模時將地面處理為0.5m厚的鋼板。為簡化建模，采用裸藥柱進行計算，由于本模型為軸對稱結(jié)果，計算時采用結(jié)構(gòu)的1/2進行建模，其中空氣域為4m× 35m，地面為0.5m×35m，網(wǎng)格尺寸均為2.5cm，并在對稱面和其他邊界設(shè)置相應(yīng)的約束條件。在地面距爆心10m、25m、27.5m、30m、32.5m設(shè)置觀測點。

2.2.2破片初速仿真計算

（1）計算方法

仿真計算采用ANSYS/LS-DYNA進行，計算方法采用三維多物質(zhì)流固耦合MMALE算法。

（2）計算模型及網(wǎng)格

該計算模型由前后端蓋、殼體、φ5mm破片、中心管、主裝藥和空氣組成。由于本模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，取模型的一部分進行三維建模，并在對稱面和其他邊界設(shè)置相應(yīng)的約束條件。

戰(zhàn)斗部的前后端蓋和殼體為鋼，中心管為2A12硬鋁，破片為鋼合金，炸藥采用JWL狀態(tài)方程，空氣采用線性多項式狀態(tài)方程，金屬材料采用塑性硬化模型。

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1沖擊波超壓

方案3在各觀測點的沖擊波超壓見圖3，3種方案各觀測點沖擊波超壓的仿真計算結(jié)果比較見圖4。

圖3 方案3的P——t曲線

圖4 3種裝藥方案沖擊波超壓比較

可以看出，3種裝藥方案在不同距離處地面的沖擊波超壓大小順序為：WY-1（內(nèi)）+ GOXL-1（外）復(fù)合裝藥最高，GOXL-1（內(nèi)）+WY-1（外）復(fù)合裝藥其次，GOXL-1裝藥最小。說明形成復(fù)合裝藥時，金屬加速炸藥在外，高爆熱炸藥在內(nèi)的復(fù)合形式更有利于提高復(fù)合裝藥的沖擊波超壓。

2.3.2破片初速

方案1中破片的速度時間曲線見圖5，從圖5中可以看出，在250μs時破片的速度已穩(wěn)定并達到最大。3種方案下的破片初速仿真結(jié)果見表2。可以看出，3種裝藥方案中，GOXL-1炸藥裝藥金屬驅(qū)動能力強，破片初速最大，兩種復(fù)合裝藥的破片初速相當。說明當復(fù)合裝藥的質(zhì)量比例一定時，高爆熱炸藥在內(nèi)或外的復(fù)合形式對破片驅(qū)動能力影響不大。

圖5 方案1v——t曲線

表2 破片的初速仿真結(jié)果 (m/s)

Tab.2 Fragment initial velocity simulation results

3 驗證試驗

3.1 測試系統(tǒng)

采用DJJ2-1激光經(jīng)緯儀，奧地利DEWETRANS公司5000速度測試系統(tǒng)，成都華泰HC-1210型16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、美國Kistler公司211B4壓力傳感器、多通道信號適配器組成壓力測試系統(tǒng)；測試點到爆心的距離固定，采用掩體保護。

3.2 樣彈制備

樣彈為全預(yù)制破片殺爆戰(zhàn)斗部，尺寸為Φ150mm ×154mm，由起爆裝置、前端蓋、殼體、全預(yù)制破片、襯筒、復(fù)合裝藥和后端蓋組成，全預(yù)制破片為Φ5mm鋼珠，密度為7.85g/cm3。樣彈結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

圖6 樣彈結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)合裝藥采用外層金屬加速高能炸藥、內(nèi)層高爆熱炸藥結(jié)構(gòu)，用純金屬加速高能炸藥裝藥做對比，金屬加速炸藥取GOXL-1，高爆熱炸藥取兩種，即WY-1炸藥及JOLU炸藥，JOLU爆熱為8 500kJ/kg，爆速為6 200m/s，密度為1.90g/cm3。設(shè)計4組裝藥結(jié)構(gòu)：第1組采用純GOXL-1炸藥，第2組采用質(zhì)量比為2:1的GOXL-1與JOLU復(fù)合結(jié)構(gòu)，第3組采用質(zhì)量比為2:1的GOXL-1與WY-1復(fù)合結(jié)構(gòu)，第4組采用質(zhì)量比為1:1的GOXL-1與WY-1復(fù)合結(jié)構(gòu)。每組裝藥2個平行樣彈，共4組8個試驗樣彈，采用8號電雷管及JH-14C傳爆藥由端面中心引爆。

3.3 試驗布局

試驗樣彈豎直放置在彈架上，軸線中心位置距地面1.5m。在距爆心5m處布設(shè)上、中、下3層測速靶，每層平行均布4路測速靶；在距離9m、11m、13m、15m處地面布設(shè)沖擊波超壓測試點，每個測試點安裝一組4個壓力傳感器，靶場布局見圖7。

圖7 試驗布局

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1復(fù)合裝藥對沖擊波超壓影響

壓力傳感器測得9m、11m、13m、15m處樣彈沖擊波超壓平均值，見表3。

表3 沖擊波超壓試驗結(jié)果 （MPa）

Tab.3 Shock wave overpressure test results

圖8 地面沖擊波超壓隨距離變化曲線圖

由圖8試驗結(jié)果可以看出，1組樣彈在9m處沖擊波超壓最大，但沖擊波超壓隨作用距離的衰減速度較快。由2、3組樣彈比較可以看出不同參數(shù)高爆熱炸藥復(fù)合情況，兩組樣彈中GOXL-1金屬加速炸藥質(zhì)量一樣，但JOLU炸藥的爆熱（8 500kJ/kg）較WY-1炸藥的爆熱（7 800 kJ/kg）高，根據(jù)沖擊波超壓形成理論，爆熱高，沖擊波超壓大，故2組樣彈沖擊波超壓較3組樣彈大。由3、4組樣彈比較可以看出相同參數(shù)高爆熱炸藥不同重量比復(fù)合情況，兩組樣彈中均采用GOXL- 1與WY-1復(fù)合結(jié)構(gòu)，重量比分別為2:1和1:1，4組樣彈WY-1裝填質(zhì)量高，故有較大的沖擊波超壓。以上分析說明金屬加速炸藥GOXL-1近場時具有較大沖擊波超壓，但隨著作用距離增加，較高爆熱炸藥衰減速度快，采用加入高爆熱炸藥的復(fù)合裝藥可以有效提高沖擊波超壓的作用距離。

3.4.2復(fù)合裝藥對破片驅(qū)動影響

根據(jù)測速靶檢測結(jié)果，計算在距離5m處4組試驗樣彈破片平均著靶速度的算術(shù)平均值；統(tǒng)計在距離3m處破片穿靶情況，見表4。

表4 破片驅(qū)動試驗結(jié)果

Tab.4 driven fragments test results

由表4試驗結(jié)果可以看出，平均著靶速度與穿孔百分率由大到小的順序均為1、3、4、2組樣彈，1組樣彈裝填單一金屬加速炸藥，破片平均著靶速度值最大。由2、3組樣彈比較可看出不同參數(shù)高爆熱炸藥復(fù)合情況，兩組樣彈中GOXL-1金屬加速炸藥質(zhì)量一樣，但WY-1炸藥的爆速（7 400 m/s）較JOLU炸藥的爆速（6 200 m/s）高，對破片的驅(qū)動能力較JOLU炸藥強，故3組樣彈平均著靶速度大，說明在考慮高爆熱炸藥爆熱時，應(yīng)關(guān)注高爆熱炸藥的爆速。由3、4組樣彈比較可看出相同參數(shù)高爆熱炸藥不同重量比復(fù)合情況，兩組樣彈中均采用GOXL-1與WY-1復(fù)合結(jié)構(gòu)，3組樣彈金屬加速炸藥裝填質(zhì)量高，故平均著靶速度大。破片完整率由小到大順序為1、3、4、2組樣彈，與破片速度大小順序相反，說明由于金屬加速炸藥加速能力強，猛度大，對破片沖擊產(chǎn)生破片破碎幾率大。

4 結(jié)論

（1）通過理論計算了金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥的爆轟參數(shù)，復(fù)合裝藥的爆速、爆熱在組成復(fù)合裝藥的兩種炸藥的極限參數(shù)之間。（2）數(shù)值仿真表明金屬加速炸藥與高爆熱炸藥形成復(fù)合裝藥時，金屬加速炸藥在外、高爆熱炸藥在內(nèi)的復(fù)合形式更有利于提高復(fù)合裝藥的沖擊波超壓。（3）采用一定比例的高爆熱炸藥組成復(fù)合裝藥能夠降低沖擊波超壓衰減速度，提高超壓毀傷距離，并能夠調(diào)節(jié)裝藥猛度，提高破片完整率。（4）對于殺爆戰(zhàn)斗部，通過金屬加速炸藥/高爆熱炸藥復(fù)合裝藥配比調(diào)整，可以得到破片與沖擊波超壓綜合毀傷能量最佳匹配，提高殺爆戰(zhàn)斗部綜合毀傷效能。

[1] Kernen P．Way and methods to insensitive munitions：IM recipes version[C]//Insensitive Munitions Technology Sympo- sium. Williamsburg:NSWC,1994．

[2] Vittoria M，Burgess W．Sympathetic detonation testing of a dual explosive warhead concept for large diameter warheads [C]//Insensitive Munitions Technology Symposium. Williams- burg:NSWC,1994．

[3] Nouguez B．Dual formulation warheads：a mature technology [C]//Processing of Insensitive Munitions Technology Sympo- sium.Williamsburg:NSWC,1996．

[4] 彭翠枝,范夕萍,任曉雪,等.國外火炸藥技術(shù)發(fā)展新動向分析[J].火炸藥學報.2013,36(3):1-5．

[5] 胡雙啟,曹雄.高起爆能力的新結(jié)構(gòu)傳爆藥柱研究[J]．兵工學報,2002,23(2):166-168．

[6] 韓勇,魯斌,蔣志海,盧校軍. JO-9159／ECX復(fù)合裝藥的沖擊波感度研究[J].含能材料,2009,16(2):164-166．

[7] 牛余雷,王曉峰,馮曉軍.雙元炸藥裝藥空中爆炸的輸出特性[J].火炸藥學報,2009,32(4):45-49．

[8] KURY J W,et,al.Metal acceleration by chemical explosives [C]//4th Symp on Detonation,1965.

[9] 王曉峰,郝仲璋.炸藥發(fā)展中的新技術(shù)[J].火炸藥學報,2002 (4):35-38．

[10] 北京工業(yè)學院八系.爆炸及其作用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1979．

[11] 孫業(yè)斌,惠君明,曹欣茂.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995．

[12] ANSYS／LS-DYNA中國技術(shù)支持中心．ANSYS／LSDYNA算法基礎(chǔ)和使用方法[M].北京:北京理工大學出版社, 1999．

Explosion Characteristics of Metal Accelerating Explosive/ High Detonation Heat Explosive Composite Charge

YIN Jun-ting，WEI Hong-jian，LI Bao-hua，F(xiàn)U Wei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

Energy output characteristics of composite charge, as well as the influence to fragment and shock wave overpressure were studied by theoretical analysis and simulation calculation. Fragmentation warheads were made with three kinds of explosive composite charge structure, fragment driving capability and shock wave overpressure characteristics of metal accelerating explosive/ high detonation heat explosive composite charge was verified by test, and compared with that of the metal accelerating explosive charge. The results show that the theoretical analysis and simulation calculation is consistent with experiment, detonation velocity and explosion heat of composite charge were between the limit parameters of composite charge explosive composition, the fragments and blast wave overpressure comprehensive energy optimal matching was got by adjusting the ratio of composite charge, the result can be applied to the optimization design of warhead.

Mechanics of explosion；Composite Charge；Energy output；Fragment drive；Shock wave overpressure

1003-1480（2015）03-0033-05

TQ560.71

A

2014-12-05

尹俊婷（1964-），女，副研究員，從事殺爆戰(zhàn)斗部設(shè)計研究。

“十二五”基礎(chǔ)研究（00401030102）。