環(huán)形傳爆藥柱的優(yōu)化設計*

解朝變，胡雙啟，胡立雙，孫彬峰

(中北大學 化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051)

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環(huán)形傳爆藥柱的優(yōu)化設計*

解朝變，胡雙啟，胡立雙，孫彬峰

(中北大學 化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051)

摘要:采用沖擊波碰撞理論對環(huán)形傳爆藥柱中心線處沖擊波碰撞類型進行了理論分析，對不同類型的沖擊波碰撞給出了碰撞壓力理論計算公式，得出了環(huán)形傳爆藥柱高徑比和碰撞壓力的關系曲線. 計算表明，當環(huán)形傳爆藥柱高徑比為0.5時，碰撞壓力最大. 與此同時，通過實驗測試了環(huán)形傳爆藥柱在高徑比為0.3，0.4，0.5，0.6和0.7時沖擊波碰撞壓力，實驗結果表明在高徑比為0.5時，碰撞壓力最大，故實驗得出的變化規(guī)律和理論計算結果變化規(guī)律一致.

關鍵詞:沖擊波； 碰撞； 環(huán)形傳爆藥； 壓力測試

0引言

現代戰(zhàn)場環(huán)境形勢越來越嚴峻，故大力發(fā)展鈍感彈藥以保證彈藥在戰(zhàn)場環(huán)境中的安全性已成為各國武器發(fā)展的準則之一. 鈍感主裝藥通常會有以下兩種情況： ① 起爆時裝藥直徑很大； ② 起爆時外界起爆壓力需要很高[1-3]. 為了滿足鈍感主裝藥的這兩種起爆要求，以保證其可靠起爆，就需要對引信中的傳爆藥進行重新設計. 最常用的辦法是加大傳爆藥的用藥量和尺寸，但是加大傳爆藥用量會提高武器系統對外界的敏感度，從而導致武器發(fā)生意外爆炸次數增多[4-5]. 為了解決此問題，一種行之有效的方法就是合理利用聚能效應在原先使用的傳爆藥柱基礎上設計一種帶凹穴的新結構傳爆藥柱，通過聚能效應使能量匯聚，從而提高傳爆藥柱的輸出能量. 作者先前設計了環(huán)形、 錐環(huán)形等特殊結構的傳爆藥柱，研究表明設計的這些異形結構傳爆藥柱輸出能量較圓柱形傳爆藥柱提高很多[6-12]，但是先前設計的異形傳爆藥柱缺乏理論支持. 本文從理論分析入手，對環(huán)形傳爆藥柱進行尺寸優(yōu)化，然后通過實驗研究設計的環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力.

1理論研究

當兩個爆轟波(沖擊波)迎面?zhèn)鞑r，將發(fā)生爆轟波(沖擊波)正碰撞，碰撞點處壓力急劇提高. 兩爆轟波(沖擊波)成一定角度傳播時，將發(fā)生爆轟波(沖擊波)斜碰撞，斜碰撞處壓力也會提高，根據碰撞角度的不同，斜碰撞分為正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞(Mach碰撞). 環(huán)形傳爆藥柱在多點起爆下，沖擊波碰撞示意圖見圖 1 所示. 圖中A點為沖擊波正碰撞，B點為正規(guī)斜碰撞，C點為非正規(guī)斜碰撞.

在進行理論計算時，我們作如下假設： ① 忽略環(huán)形傳爆藥柱厚度，因為傳爆藥柱厚度只對初始入射波強度有影響，計算所得結果為一個相對值，因此厚度對計算結果沒有影響； ② 將向環(huán)形傳爆藥柱徑向匯聚的沖擊波看成由波源點組成的線； ③ 忽略沖擊波在空氣中的衰減.

因為正碰撞計算比較簡單，且本文重點考慮環(huán)形傳爆藥柱的優(yōu)化設計及環(huán)形傳爆藥柱高徑比設計，故只考慮正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞兩種情況.

設炸藥入射波壓力為P1，絕熱指數為k，入射角為φ1，反射角為φ2，折轉角為θ，馬赫數為M，藥柱高度為h，環(huán)形藥柱內半徑為R. 那么根據沖擊波碰撞理論，當高度為hn時，入射角、 反射角、 馬赫數和轉折角為φ1n，φ2n，Mn和θn，有[13]

(1)

(2)

(3)

斜反射沖擊波后流動折轉角θn與波前流動角φ2n+θn的關系如式(4)所示

(4)

若式(4)在1°<φ2n+θn<90°范圍內存在實數解，則為正規(guī)斜反射，否則為Mach斜反射. 對于正規(guī)斜反射有

(5)

對于Mach斜反射有

(6)

圖與關系曲線Fig.2　Relationship curve of and

2實驗

圖 3　五種尺寸環(huán)形傳爆藥柱Fig.3　Annular booster pellet of five different sizes

2.1實驗方法

實驗采用錳銅傳感器來測量傳爆藥柱端面的輸出壓力[14]. 錳銅壓阻傳感器和脈沖恒流源一起組成有源壓力探測器. 在恒流源向傳感器提供恒流I的條件下，當傳感器受到外界壓力作用時，電阻變化和電阻上的電壓變化存在如式(7)關系

(7)

(8)

2.2實驗裝置

環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力測試裝置見圖 4 所示.

圖 4　環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力測試裝置Fig.4　Diagrammatic illustration of the pressure test method

2.3實驗結果

表 1　環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力實驗測試結果

圖 =0.5時環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力Fig.5　The output pressure of annular booster pellet at =0.5

3結論

基于沖擊波碰撞理論，采用理論計算對環(huán)形傳爆藥柱優(yōu)化進行了計算，并通過實驗研究了環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力，得出以下結論：

1) 根據理論計算，環(huán)形傳爆藥柱存在一個最佳高徑比，為0.5，在最佳高徑比時環(huán)形傳爆藥柱輸出壓力最大，為86.84GPa.

2) 實驗研究了環(huán)形傳爆藥柱在5種不同高徑比條件下的輸出壓力，得出環(huán)形傳爆藥柱高徑比為0.5時輸出壓力最大，為34.89GPa.

3) 實驗結果和理論計算結果相差甚大，但是兩者變化趨勢一致，理論計算結果可用于指導實驗研究.

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Optimal Design of Annular Booster Pellet

XIE Zhao-bian, HU Shuang-qi, HU Li-shuang, SUN Bin-feng

(North University of China, Taiyuan 030051, China )

Abstract:The collision style of shock wave in the center line of annular booster pellet was analysed through shock wave collision theory. The calculation formulas of different shock wave collision were provided. The relationship curve between the ratio of the height to diameter and the collision pressure was obtained. The theoretical calculation result showed that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The collision pressure of the annular booster pellet was experimentally tested when the ratio of the height to diameter was 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7. The experiment result also shows that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The variation tendency of the experiment result is well agreed with that of the calculation result.

Key words:shock wave; collision; annular booster explosive; pressure test

文章編號:1673-3193(2016)02-0177-04

*收稿日期:2015-08-16

作者簡介：解朝變(1978-)，女，講師，碩士，主要從事武器系統與運用工程的研究.

中圖分類號:TQ560.7

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.015