沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力的數(shù)值模擬和試驗(yàn)

韓克華, 任 西, 李 慧, 張玉若, 褚恩義

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,應(yīng)用物理化學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710061)

1 引 言

鈍感彈藥(Insensitive Munitions,IM)對(duì)于熱、撞擊、彈藥攻擊等劇烈的外界刺激表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,更適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,采用鈍感火工品起爆技術(shù)是武器系統(tǒng)的核心控制技術(shù)[1-3]。國外在鈍感彈藥起爆方面取得了很大發(fā)展,2009年53屆引信年會(huì)上出現(xiàn)的極端鈍感爆轟物質(zhì)(Extremely Insensitive Detonating Substance, EIDS)起爆系統(tǒng),去除了傳爆序列中傳爆藥柱的環(huán)節(jié),采用沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆方式,利用多發(fā)沖擊片雷管爆炸產(chǎn)生的爆轟波相互疊加形成超壓爆轟,使得局部爆轟波壓力超過鈍感炸藥的臨界起爆壓力,直接起爆鈍感炸藥[4]。國內(nèi)目前對(duì)鈍感彈藥領(lǐng)域研究工作分散,還未能掌握研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。沖擊片雷管作為高安全性鈍感火工品的典型代表,它不含敏感的起爆藥,始發(fā)裝藥是美軍標(biāo)規(guī)定的直列式許用HNS(2,2′,4,4′,6,6′-六硝基,以下簡(jiǎn)稱HNS-Ⅳ)[5],而且不與換能源直接接觸,雖然傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的爆炸箔沖擊片雷管在現(xiàn)階段可以有效提高安全性[4,6],但是由于傳爆序列的安全性和可靠性問題,以及小體積裝藥尺寸等問題還沒有完全解決。在鈍感彈藥中,為保證直列式傳爆序列的安全性以及可靠性,需盡量減少傳爆序列,減小裝藥尺寸,以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)起爆系統(tǒng)小型化、毀傷彈藥能量大的要求[1-3,7]。為達(dá)到上述要求,本工作采取沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆技術(shù),利用多點(diǎn)沖擊片雷管同步爆炸產(chǎn)生的爆轟波相互疊加,形成超壓爆轟直接起爆鈍感炸藥,對(duì)沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力值進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,為鈍感彈藥多點(diǎn)同步起爆以及超壓起爆設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

2 多點(diǎn)同步起爆數(shù)值模擬

2.1 多點(diǎn)同步起爆結(jié)構(gòu)

多點(diǎn)同步起爆分別為三點(diǎn)、四點(diǎn)、六點(diǎn)和八點(diǎn)同步,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用沖擊片雷管作為多點(diǎn)同步起爆點(diǎn),其初始裝藥為圓形HNS-Ⅳ藥柱。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,選定一種沖擊片雷管結(jié)構(gòu)參數(shù),配用多種起爆方式進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)各種影響因素下產(chǎn)生的爆轟波壓力值進(jìn)行分析對(duì)比,從而確定最佳的匹配關(guān)系。

2.2 HNS-IV爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程

對(duì)于炸藥,其爆轟過程均可采用JWL模型來描述多點(diǎn)疊加作用過程,此模型用于計(jì)算炸藥爆轟波在空間流動(dòng)的傳播規(guī)律[8-10]。1965年,Lee等在Jones和Wilkins的工作基礎(chǔ)上,提出了JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[11],它不顯含化學(xué)反應(yīng),能精確描述爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹過程,其形式為:

a. 3-point b. 4-point

c. 6-point d. 8-point

圖1 沖擊片雷管多點(diǎn)起爆結(jié)構(gòu)模型

Fig.1 Multi-point initiation structure model of the slapper detonator

(1)

式中,ps為爆轟產(chǎn)物的壓力;V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容;A、B、R1、R2、ω和E0為6個(gè)待定參數(shù)。表1為確定的HNS-Ⅳ炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)[12]。

數(shù)值計(jì)算中運(yùn)用顯式動(dòng)力學(xué)有限元程序AUTODYN軟件對(duì)多點(diǎn)同步起爆爆轟波進(jìn)行3D數(shù)值模擬,用空氣域作為基底,以圓形藥柱作填充,試驗(yàn)參數(shù)參考軟件內(nèi)部數(shù)值,模型各部分均采用Euler公式計(jì)算[13],對(duì)于本試驗(yàn)所用到的HNS-Ⅳ炸藥模塊,均采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述,分析多點(diǎn)同步起爆各種條件下的爆轟波壓力影響因素。

表1 HNS-Ⅳ炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)

Table 1 JWL EOS parameters for detonation products of HNS-Ⅳ

explosiveρ/g·cm-3D/km·s-1pC-J/GPaA×102/GPaB×102/GPaR1R2ωE0HNS-Ⅳ1.556.89018.904.690.134.581.790.300.0845

3 爆轟波壓力數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 起爆點(diǎn)數(shù)對(duì)超壓的影響

采用AUTODYN的Euler公式進(jìn)行計(jì)算,對(duì)選定的沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真,三點(diǎn)、四點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)同步起爆爆轟波的壓力分布區(qū)域如圖2所示。

由多個(gè)起爆點(diǎn)組成的圓形中心位置與每個(gè)起爆點(diǎn)圓心之間的距離即為中心距,由于不同的起爆點(diǎn)數(shù)分布排列直接影響著多點(diǎn)同步起爆中心距的參數(shù),從而對(duì)爆轟波的傳播和疊加具有直接的影響作用,結(jié)果如圖2所示。由圖2可見,在180 mg裝藥量,起爆點(diǎn)中心距均為4 mm的條件下,三點(diǎn)、四點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)的爆轟壓力值分別為39,50,31,38 GPa?？梢?相對(duì)于三點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)同步起爆,四點(diǎn)同步起爆具有更高的超壓,這是由于三點(diǎn)和四點(diǎn)的起爆點(diǎn)所組成的面積較小,即中心距參數(shù)較小,爆轟波發(fā)生疊加產(chǎn)生超壓,而四點(diǎn)爆轟時(shí)有馬赫桿的相互作用,由于距離較短馬赫桿上仍保持了較高的壓力; 三點(diǎn)爆轟時(shí)馬赫桿呈60°干涉,馬赫桿對(duì)撞相比四點(diǎn)同步起爆爆壓較弱; 六點(diǎn)和八點(diǎn)爆轟時(shí)由于中心距較大,爆轟波在碰撞時(shí)已經(jīng)有所減小,故爆壓較小。

a. 3-point b. 4-point

c. 6-point d. 8-point

圖2 不同起爆點(diǎn)數(shù)爆轟波壓力分布圖

Fig.2 Detonation wave pressure distribution with the different initiation point number

3.2 不同中心距對(duì)爆轟波壓力的影響

根據(jù)上述仿真結(jié)果,四點(diǎn)同步起爆能產(chǎn)生更高的爆轟波壓力值,故以沖擊片雷管四點(diǎn)同步起爆為仿真對(duì)象,裝藥量均為180 mg時(shí),研究四點(diǎn)同步起爆在不同中心距的條件下,其作用過程中產(chǎn)生的爆轟波壓力分布情況。不同中心距時(shí)爆轟波壓力曲線如圖3所示。

圖3 四點(diǎn)不同中心距的爆轟波壓力分布曲線

Fig.3 Four-point detonation wave pressure distribution curves from different center distances

從圖3可以看出隨著四點(diǎn)同步起爆中心距的不斷增加,其最大爆轟波壓力峰值減小得比較明顯,這是由于沖擊波在空氣中的衰減呈指數(shù)衰減形式,減小速度較快,當(dāng)爆轟波傳遞到炸藥柱外半徑的距離時(shí),爆轟壓力僅為藥柱直徑的9次方分之一?？梢?在四點(diǎn)同步起爆時(shí),隨著中心距的增加其爆轟波壓力隨之快速減小并迅速降低。

3.3 同步性時(shí)間對(duì)爆轟波壓力的影響

以沖擊片雷管四點(diǎn)同步起爆為仿真研究對(duì)象,裝藥量均為180 mg,起爆點(diǎn)中心距均為4 mm的條件下,研究四點(diǎn)同步起爆過程中的同步性時(shí)間對(duì)爆轟波壓力的影響規(guī)律。其仿真的爆轟波壓力曲線如圖4所示。

從圖4可以看出隨著同步性時(shí)間的不斷增加,其最大爆轟波壓力峰值減小的比較明顯,由于爆轟波之間形成馬赫桿以及馬赫桿的碰撞是實(shí)現(xiàn)超壓爆轟的關(guān)鍵,所以各起爆點(diǎn)的同步性增大,隨著各起爆點(diǎn)的沖擊波在空氣中的衰減較快,故各起爆點(diǎn)爆轟后,不能形成馬赫桿以及馬赫桿不能及時(shí)碰撞,故不能實(shí)現(xiàn)超壓爆轟?？梢娝狞c(diǎn)同步起爆在中心距固定時(shí),同步性很大程度上影響著爆轟壓力,隨著同步性時(shí)間散布較大,其爆轟壓力越小。

圖4 四點(diǎn)同步性時(shí)間對(duì)爆轟波壓力的影響

Fig.4 Effect of time synchronization of a four-point on detonation wave pressure

3.4 裝藥量對(duì)爆轟波壓力的影響

以沖擊片雷管四點(diǎn)同步起爆為仿真研究對(duì)象,在四點(diǎn)同步起爆的中心距均為4 mm以及在不同的裝藥量條件下,對(duì)四點(diǎn)同步起爆的爆轟波壓力進(jìn)行仿真計(jì)算,其爆轟波壓力分布曲線如圖5所示。

從圖5可以看出,隨著裝藥量的不斷增加,其爆轟波超壓值也隨著增大,當(dāng)裝藥量為150～200 mg時(shí),爆轟波壓力值增加幅度較大,其值從20 GPa增加到55 GPa,當(dāng)裝藥量從200 mg不斷增加時(shí),其爆轟波超壓值增加幅度較為平緩。這是由于炸藥在一定的壓藥密度下存在一個(gè)極限直徑,即炸藥的爆速不再增加時(shí)的最小裝藥量直徑。當(dāng)裝藥量直徑大于極限直徑時(shí),炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟,爆速和爆轟波壓力值得以穩(wěn)定,由此引起的爆轟波疊加之后的最大爆轟超壓值穩(wěn)定,故在四點(diǎn)同步起爆中心距為4 mm時(shí),當(dāng)裝藥量從200 mg不斷增加時(shí),其爆轟波超壓值增加幅度較為平緩,這是由于已經(jīng)達(dá)到炸藥的極限直徑,其最大爆轟超壓值穩(wěn)定的緣故。

圖5 不同裝藥量的四點(diǎn)同步起爆對(duì)爆轟波壓力值的影響

Fig.5 Effect of different loading dose of four-point synchronized initiation on detonation pressure

4 沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置

為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,利用錳銅超壓測(cè)試系統(tǒng)對(duì)沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力值進(jìn)行測(cè)試,其測(cè)試系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6測(cè)試裝置中高壓脈沖功率源系統(tǒng)主要由型號(hào)規(guī)格為CT41L/0.3μF/3.0 kV的陶瓷電容器、型號(hào)規(guī)格為RQ-8001的火化隙高壓開關(guān),測(cè)試設(shè)備包括泰克公司的TDS5054數(shù)字示波器,其采樣速率不低于1 GS·s-1; 型號(hào)規(guī)格為HV4kV-6kV的自制高壓電源,自制恒流源; 試驗(yàn)中樣品沖擊片雷管采用中國兵器工業(yè)第二一三研究所某型號(hào)沖擊片雷管。

圖6 沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力測(cè)試裝置原理圖

Fig.6 Slapper Detonator multiple simultaneous detonation detonation pressure testing device Schematic

1—high voltage pulse power source, 2—high voltage electrical source, 3—multi-point slapper detonators, 4—organic sleeve, 5—Manganin piezoresistive sensor, 6—digital oscillograph, 7—organic glass, 8—voltaic source

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 爆轟波壓力測(cè)試

錳銅壓力傳感器是一種特殊的壓力傳感器,主要用于測(cè)量沖擊波產(chǎn)生的超高壓力,其量程上限可達(dá)100 GPa,是現(xiàn)有壓力傳感器中測(cè)壓量程最高的[14-16]。利用錳銅壓阻法分別對(duì)三點(diǎn)、四點(diǎn)、六點(diǎn)和八點(diǎn)沖擊片雷管同步起爆產(chǎn)生的爆轟波壓力值進(jìn)行測(cè)試,由于樣品采用同批次的產(chǎn)品,其裝藥量均為180 mg的HNS-Ⅳ,壓藥密度,以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均相同,各起爆點(diǎn)中心距均為4 mm的試驗(yàn)條件下,進(jìn)行了四組試驗(yàn),每組試驗(yàn)分別進(jìn)行四次,測(cè)試數(shù)據(jù)平均值如表2所示,對(duì)于沖擊片雷管四點(diǎn)同步起爆,對(duì)于不同的中心距進(jìn)行了三組試驗(yàn),每組進(jìn)行三次試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值見表2。

表2 不同起爆點(diǎn)的爆轟波壓力測(cè)試結(jié)果

Table 2 Test data of detonation wave pressure for different initiation point

serialnumbernumberofinitiationpointaveragedetonationpressure/GPa1326.12448.73631.44833.6

由表2可以看出,相對(duì)于三點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果比較,四點(diǎn)沖擊片雷管的爆轟波壓力平均值最高,而從上文仿真結(jié)果得出,在180 mg裝藥量,起爆點(diǎn)中心距均為4 mm的條件下,三點(diǎn)、四點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)的爆轟壓力值仿真結(jié)果分別為39,50,31,38 GPa,其四點(diǎn)仿真結(jié)果也最高,此仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符。但是試驗(yàn)平均值比上文仿真計(jì)算值都偏小,這是由于仿真計(jì)算時(shí),參數(shù)設(shè)計(jì)屬于理想狀態(tài),忽視了實(shí)際試驗(yàn)中裝配以及測(cè)試帶來的誤差。

表3 四點(diǎn)同步起爆不同中心距的爆轟波壓力測(cè)試結(jié)果

Table 3 Detonation stress test results of four different center-point synchronized detonation distance

serialnumbercenterdistance/mmaveragedetonationpressure/GPa1447.22813.73126.5

如表3所示,四點(diǎn)沖擊片雷管同步起爆,其超壓值隨著中心距的增加而快速減小并迅速降低,此試驗(yàn)結(jié)果符合上文不同中心距對(duì)爆轟波壓力的影響仿真曲線結(jié)果。這是由于隨著四點(diǎn)同步起爆中心距的不斷增加,而爆炸后的沖擊波在空氣中的衰減速度較快的緣故。

4.2.2 四點(diǎn)同步起爆試驗(yàn)

采用高速攝影系統(tǒng)對(duì)四點(diǎn)同步起爆過程進(jìn)行拍攝,結(jié)果如圖7所示。拍攝多點(diǎn)同步起爆爆炸過程中的高速拍攝系統(tǒng)采用瑞典Scandiflash AB公司的300 kV閃光X射線和中物院超高速光電同時(shí)分幅掃描相機(jī)。圖7a、圖7b是裝藥量均為180 mg的同批次沖擊片雷管組成的四點(diǎn)同步起爆作用過程,其中心距分別為4 mm和8 mm,其試驗(yàn)樣品采用同批次裝藥量均為180 mg的沖擊片雷管,四點(diǎn)同步起爆的同步性平均值為50.1 ns。圖7c為四點(diǎn)中心距為8 mm,裝藥量分別為兩發(fā)180 mg和兩發(fā)260 mg的同批次沖擊片雷管組成的四點(diǎn)同步爆炸過程照片。

由圖7a可以看出,在中心距為4 mm并且相同裝藥量均為180 mg時(shí),四點(diǎn)同步起爆產(chǎn)生的爆轟波發(fā)生相互碰撞,爆轟波疊加形成超壓爆轟,如圖中發(fā)光范圍的部分即爆轟波疊加圖形,其與仿真圖形與圖2b相似。圖7b可以看出,在中心距為8 mm并且相同裝藥量均為180 mg時(shí),由于中心距較遠(yuǎn),爆轟波衰減較快,相鄰兩點(diǎn)爆轟波發(fā)生的碰撞較少,產(chǎn)生的超壓值也隨之降低,如圖中形成的“十字”即為爆轟波疊加部分。圖7c可以看出,當(dāng)裝藥量為180 mg的沖擊片雷管爆轟成長即爆轟波輸出時(shí),如圖7c中發(fā)光的兩起爆點(diǎn)部分,而裝藥量為260 mg的沖擊片雷管爆轟波還沒輸出,即圖7c中沒有光環(huán)的兩起爆點(diǎn)部分。由于裝藥量不同,在相同的時(shí)間點(diǎn),藥柱爆轟成長不一致,其輸出最大壓力的時(shí)間也不一致,即圖7c中四點(diǎn)發(fā)光疊加部分圖形不規(guī)則,導(dǎo)致相鄰兩點(diǎn)爆轟波無法發(fā)生碰撞而無法形成超壓爆轟。

200 ns 1300 ns 1500 ns

a. center distance of 4 mm and same loading dose

1200 ns 1300 ns 1500 ns

b. center distance of 8 mm and same loading dose

1200 ns 1300 ns 1500 ns

c. center distance of 8 mm and different loading dose

圖7 四點(diǎn)同步起爆作用過程

Fig.7 4-Point synchronization initiation action process

試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明四點(diǎn)沖擊片雷管的爆轟波壓力平均值相對(duì)于三點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)為最高; 四點(diǎn)沖擊片雷管同步起爆爆轟波壓力值隨著中心距的增加而快速減小并迅速降低,試驗(yàn)結(jié)果符合沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力仿真結(jié)果。

4.2.3 起爆鈍感炸藥試驗(yàn)

利用閃光X射線可以透過爆炸及高速撞擊現(xiàn)象所造成的火光和煙霧,能記錄彈丸、破片的形態(tài)和軌跡特性,用閃光X射線拍攝系統(tǒng)對(duì)沖擊片雷管四點(diǎn)同步起爆系統(tǒng)直接起爆鈍感炸藥TATB過程進(jìn)行拍攝。其起爆點(diǎn)中心距為4 mm,樣品采用裝藥量均為180 mg的HNS-Ⅳ,壓藥密度,以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均相同的同批次沖擊片雷管,拍攝照片如圖8所示。

圖8 起爆鈍感炸藥TATB照片

Fig.8 Photo of initiating insensitive explosive TATB

從圖8中標(biāo)注部分可以看出,四點(diǎn)沖擊片雷管均起爆,破片分布比較均勻; 炸藥TATB與四點(diǎn)沖擊片雷管接觸端面已經(jīng)完全發(fā)生爆轟,這說明沖擊片雷管四點(diǎn)同步爆炸產(chǎn)生的爆轟波相互疊加形成超壓爆轟,使得局部爆轟波壓力超過鈍感炸藥TATB的臨界起爆壓力,可以起爆鈍感炸藥TATB。

5 結(jié) 論

采用AUTODYN軟件對(duì)沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力值進(jìn)行仿真計(jì)算,以及對(duì)沖擊片雷管多點(diǎn)同步起爆試驗(yàn)研究,可以得出如下結(jié)論:

(1)仿真結(jié)果表明,在相同裝藥量下,四點(diǎn)分布較三點(diǎn)、六點(diǎn)和八點(diǎn)具有更高的爆轟波超壓值; 在四點(diǎn)同步起爆時(shí),隨著中心距的增加其爆轟波壓力隨之快速減小并迅速降低; 并且同步性時(shí)間很大程度上影響著爆轟壓力,隨著同步性時(shí)間散布較大,其爆轟壓力越小; 在裝藥量為150～200 mg時(shí),四點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力值增加幅度較大,其值從20 GPa增加到55 GPa,當(dāng)裝藥量從200 mg不斷增加時(shí),四點(diǎn)同步起爆爆轟波超壓值增加幅度較為平緩。

(2)經(jīng)錳銅法對(duì)多點(diǎn)同步起爆爆轟波壓力進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明四點(diǎn)沖擊片雷管的爆轟波壓力平均值相對(duì)于三點(diǎn)、六點(diǎn)、八點(diǎn)為最高; 四點(diǎn)沖擊片雷管同步起爆爆轟波壓力值隨著中心距的增加而快速減小并迅速降低。

(3)進(jìn)行了四點(diǎn)同步起爆試驗(yàn),用高速攝影拍攝其作用過程,結(jié)果為在中心距為4 mm并且相同裝藥量均為180 mg時(shí),四點(diǎn)同步起爆產(chǎn)生的爆轟波發(fā)生相互碰撞,爆轟波疊加形成超壓爆轟,并能可靠起爆鈍感炸藥TATB; 在中心距為8 mm并且相同裝藥量均為180 mg時(shí),由于中心距較遠(yuǎn),爆轟波衰減較快,相鄰兩點(diǎn)爆轟波發(fā)生的碰撞較少,產(chǎn)生的超壓值也隨之降低; 并且由于裝藥量的不同,在相同的時(shí)間點(diǎn),藥柱爆轟成長不一致,其輸出最大壓力的時(shí)間也不一致,導(dǎo)致相鄰兩點(diǎn)爆轟波無法發(fā)生碰撞而無法形成超壓爆轟。

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