基于HMX/HNS組合的雙層裝藥射孔彈實驗研究

賀建磊

(大慶石油管理局射孔彈廠, 黑龍江 大慶 163853)

0 引 言

聚能裝藥技術(shù)是利用聚能效應(yīng)以增強裝藥在一個方向爆炸的局部毀傷效應(yīng)的裝藥技術(shù),即引爆一端帶有空穴(聚能凹槽)的裝藥,沿此凹槽軸線方向上的爆炸作用效果相當劇烈,遠高于普通裝藥情形。如果裝藥的開口端帶有聚能藥型罩,在另一端起爆后,則會產(chǎn)生高溫、高壓爆轟產(chǎn)物迅速壓垮金屬藥型罩,使其以高速在軸線上碰撞,形成能量密度更高的金屬射流,從而實現(xiàn)對靶體的侵徹[1-3]。

聚能裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩作為射孔彈重要構(gòu)成部分,近幾年得到深入的研究和認識。藥型罩是射孔彈的核心部分,是形成金屬射流的母體,其結(jié)構(gòu)將直接影響金屬射流的形態(tài)及有關(guān)參數(shù),與穿孔效果直接相關(guān)。針對藥型罩結(jié)構(gòu)和配方的研究相對較多[4-6],另外,學者們還對雙層藥型罩、多層藥型罩、雙層殼體進行了研究[7-11]以及關(guān)于裝藥結(jié)構(gòu)的研究,如帶隔板中空裝藥的EFP成型研究[12]、一種用于破甲彈的空心裝藥結(jié)構(gòu)[13]、聚能裝藥結(jié)構(gòu)及其制造方法[14]等。但是,有關(guān)雙層裝藥射孔彈,公開發(fā)表的文獻很少。炸藥為射孔彈做功和爆轟穿孔能量源,目前常規(guī)射孔彈主體炸藥為一種,如RDX(黑索金)、HMX(奧克托金)、HNS(六硝基砥)、PYX(皮威克斯)等。這種單一的主體炸藥在被引爆后,藥柱會在內(nèi)外同時反應(yīng),反應(yīng)能量只有20%～40%作用于藥型罩,用于壓垮藥型罩,形成射流,其余大部分能量作用于殼體或徑向釋放,主體炸藥的利用率不高,制約了射孔彈的穿透力。本文提供一種高性能雙層裝藥射孔彈,以克服現(xiàn)有射孔彈裝藥技術(shù)中對炸藥能量利用率的缺陷。

1 理論基礎(chǔ)

聚能裝藥射孔彈通過傳爆孔起爆后,炸藥至上而下依次被引爆,在裝藥中傳播的球面散心波與藥型罩相遇,爆轟產(chǎn)物驅(qū)動藥型罩微元加速運動。當藥型罩微元以壓垮角在軸線匯聚時,在會聚處產(chǎn)生高溫高壓;在一定條件下,產(chǎn)生高速運動射流[15]。

由經(jīng)典聚能射流理論

(1)

式中,vj為射流速度;v0為壓跨速度;α為藥型罩的半錐角;β為壓跨角。由此可知壓跨角β越大射流速度越大,本文通過使用少量的高爆速輔助炸藥改變原主炸藥的從起爆端依次傳爆的順序,增大主炸藥對藥型罩作用的壓跨角β,激活原低爆速主炸藥的能量,提高炸藥的利用率和射流速度,增加射孔彈的穿孔能力。

在實際應(yīng)用中,輔助炸藥對主炸藥的覆蓋面積存在不同的形式類型。主炸藥的藥層厚度和形狀則根據(jù)輔助炸藥與藥型罩外壁或與殼體內(nèi)腔決定,且要保持原設(shè)計,如封閉高度、壓入深度等參數(shù)不變。

輔助炸藥與主炸藥可以有不同組合方式,但需滿足輔助炸藥爆速高于主炸藥爆速的條件(見表1),輔助炸藥與主炸藥不同組合可以是HMX與HNS、HMX與RDX、RDX與HNS、RDX與TNT等[16]。

表1 一些常用炸藥的爆速

本文設(shè)計了一種雙層裝藥射孔彈,該射孔彈裝藥由2種炸藥組成,一種為爆速高的輔助炸藥HMX,一種爆速較低的主炸藥HNS,并利用ANSYS軟件進行了計算分析和初步實驗驗證。

2 雙層裝藥射孔彈設(shè)計、計算與分析

2.1 炸藥的材料模型與狀態(tài)方程

爆轟分析的材料方程中采用的能量方程為

(2)

式中,p為壓力;E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能;V為爆轟產(chǎn)物的相對體積(即爆轟產(chǎn)物體積與初始體積之比);A、B、R1、R2和ω分別為待定常數(shù)。

方程(2)即為著名的JWL狀態(tài)方程[17-18],廣泛應(yīng)用于爆炸過程中流體力學計算。等式的右邊3項分別在高壓、中壓和低壓下對壓力形成起主要作用。因此JWL狀態(tài)方程可以適用于爆轟產(chǎn)物在高壓、中壓和低壓時的狀態(tài)。HMX、HNS炸藥的材料模型與狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 HMX、HNS炸藥計算參數(shù)

2.2 藥型罩的材料模型與狀態(tài)方程

圖1 雙層裝藥射孔彈結(jié)構(gòu)圖

(3)

Mie-Gruneisen狀態(tài)方程

對于壓縮區(qū)材料,有

(4)

對于拉伸區(qū)材料,有

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E

(5)

式中,S1為材料中沖擊波速度與粒子速度曲線的一次項系數(shù);γ0為Gruneisen系數(shù);μ=ρ/ρ0-1。

計算中所采用的藥型罩材料模型和狀態(tài)方程部分計算參數(shù)見表3。

表3 藥型罩材料模型與狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 雙層裝藥射孔彈設(shè)計

設(shè)計了一種雙層裝藥射孔彈,該射孔彈裝藥由2種炸藥組成:一種為爆速高的HMX輔助炸藥,一種爆速較低的HNS主炸藥(見表1);2種炸藥組合的雙層裝藥射孔彈設(shè)計了3種不同的結(jié)構(gòu)類型(見圖1)。利用ANSYS軟件進行計算分析。

原射孔彈開口45 mm,裝藥HNS質(zhì)量為38 g[見圖1(a)];雙層裝藥射孔彈炸藥由輔助炸藥HMX和主炸藥HNS構(gòu)成[(見圖1(b)、(c)、(d)]:雙層裝藥射孔彈1輔助炸藥HMX質(zhì)量為4 g,層厚為2 mm,分布于殼體半球腔,傳爆孔炸藥也為輔助炸藥HMX,主炸藥HNS質(zhì)量為34 g[(見圖1(b)];雙層裝藥射孔彈2輔助炸藥HMX質(zhì)量為6 g,層厚為2 mm,輔助炸藥分布到殼體圓臺腔一半位置,傳爆孔炸藥也為輔助炸藥HMX,主炸藥HNS質(zhì)量為32 g[(見圖1(c)];雙層裝藥射孔彈3輔助炸藥HMX質(zhì)量為8 g,層厚為2 mm,輔助炸藥與主炸藥NNS等高傳爆孔炸藥也為輔助炸藥HMX炸藥,主炸藥HNS質(zhì)量為30 g[(見圖1(d)]。

2.4 有限元計算結(jié)果與分析

圖2為原射孔彈和雙層裝藥射孔彈1、2、3在t=10 μs射流的速度及狀態(tài)圖[19]。從頭部速度來看,原射孔彈頭部速度為4 686 m/s;雙層裝藥射孔彈1頭部速度為5 498 m/s,比原射孔彈提高17.3%;雙層裝藥射孔彈2頭部速度為6 545 m/s,比原射孔彈提高39.7%;雙層裝藥射孔彈3頭部速度為5 682 m/s,比原射孔彈提高26.6%,射孔彈最大頭部速度得到了明顯的提高。圖3為10～40 μs時刻對應(yīng)的頭部速度折線圖,從圖3中可以看出,雙層裝藥射孔彈平均頭部速度比原射孔彈高1 000 m/s。但是,雙層裝藥射孔彈3對應(yīng)的頭部速度折線圖卻與其他3種射孔彈變化不同,從圖4中t=30 μs射流狀態(tài)圖看,雙層裝藥射孔彈3射流相對于其他3種射孔彈存在射流異?，F(xiàn)象,或已改變了原設(shè)計理念。

圖2 t=10 μs射流的速度及狀態(tài)圖

圖3 不同時刻的頭部速度折線圖

圖4 t=30 μs射流的速度及狀態(tài)圖

從圖5藥型罩動能對比折線圖看[20],原射孔彈藥型罩最大動能為2.27×106J,雙層裝藥射孔彈1藥型罩最大動能為2.53×106J,比原射孔彈提高11.4%;雙層裝藥射孔彈2藥型罩最大動能為3.15×106J,比原射孔彈提高37.8%;雙層裝藥射孔彈3藥型罩最大動能為4.05×106J;比原射孔彈提高78.7%;射孔彈藥型罩最大動能得到了明顯的提高。

圖5 4種射孔彈藥型罩最大動能

3 雙層裝藥射孔彈初步實驗驗證

對雙層裝藥聚能射孔彈進行了鋼靶穿孔測試和地面穿混凝土靶實驗,確定速度和射流的拉伸情況。由于受到炸藥成型技術(shù)的制約,在炸藥分布上不能完全模擬上述設(shè)計要求,對炸藥采用分步壓制的方式,裝填HMX/HNS炸藥3種射孔彈分別為4 g HMX+34 g HNS、8 g HMX+30 g HNS和12 g HMX+26 g HNS,近似模擬雙層裝藥射孔彈1、2、3的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 鋼靶穿孔測試

對使用HNS炸藥的原射孔彈和3種類型的雙層裝藥射孔彈進行鋼靶穿孔測試[21],采用60 mm炸高,地面穿鋼靶測試結(jié)果見表4。

表4 地面穿鋼靶性能實驗結(jié)果

地面穿鋼靶實驗結(jié)果表明,裝填HMX/HNS組合的3種雙層裝藥射孔彈1、2、3鋼靶平均穿深分別為193、215、170 mm,相對于原HNS炸藥射孔彈鋼靶平均穿深174 mm分別提高了10.9%、23.5%和下降了2.3%;鋼靶入口孔徑除雙層裝藥射孔彈3較大外,其他3種射孔彈鋼靶入口孔徑相差不大。

3.2 地面穿混凝土靶實驗

為進一步驗證基于HMX/HNS組合的3種類型的雙層裝藥射孔彈穿混凝土靶效果,進行了地面穿混凝土靶實驗[21],實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 地面穿混凝土靶性能實驗結(jié)果

地面穿混凝土靶實驗結(jié)果表明,裝填HMX/HNS的雙層裝藥射孔彈1、2、3混凝土靶平均穿深分別為816、976、642 mm,相對于原HNS炸藥射孔彈混凝土靶平均穿深732 mm,雙層裝藥射孔彈1、2分別提高了11.4%、19.6%,混凝土靶上的射流孔道顯示拉伸效果好,雙層裝藥射孔彈3下降了12.3%。雙層裝藥射孔彈3模擬套管的鋼板上孔徑為14.3 mm,孔徑相對HNS炸藥的射孔彈孔徑11.8 mm,增大21.2%;藥型罩材料在孔道末端大量堆積,射流拉伸不充分。這一實驗結(jié)果與上述計算分析,關(guān)于雙層裝藥射孔彈3射流相對于其他3種射孔彈存在射流異?，F(xiàn)象相吻合。

4 拓展研究

基于HMX/HNS組合的雙層裝藥射孔彈模擬計算和實驗結(jié)果,為進一步研究雙層裝藥射孔彈在不同炸藥組合上的表現(xiàn),用RDX炸藥替換主炸藥HNS,輔助炸藥仍為HMX。ANSYS軟件模擬計算HMX/RDX組合的雙層裝藥射孔彈頭部速度并沒有得到明顯的提高,最高的雙層裝藥射孔彈類型2也只提高了8%(炸藥RDX的原射孔彈頭部速度為6 961 m/s),雙層裝藥射孔彈類型3則降了1.4%,炸藥RDX的原射孔彈藥型罩最大動能為6.62×106J,雙層裝藥射孔彈類型2提高最大,為8.5%,雙層裝藥射孔彈類型3藥型罩最大動能比原射孔彈降低9.2%。

HMX/RDX組合的雙層炸藥射孔彈類型1、2、3鋼靶平均穿深分別為228、240、216 mm,相對于RDX炸藥射孔彈鋼靶平均穿深220 mm分別提高了3.6%、9.1%和下降了1.8%,4種射孔彈鋼靶入口孔徑相差不大。HMX/RDX組合的雙層炸藥射孔彈類型1、2、3混凝土靶平均穿深分別為1 033、1 093、930 mm,相對于RDX炸藥射孔彈混凝土靶平均穿深985 mm分別提高了4.8%、11%和下降了5.6%。4種射孔彈混凝土靶上的射流孔道顯示拉伸效果好,模擬套管上的孔徑相差不大。

對HMX/HNS、HMX/RDX的2種炸藥組合的雙層裝藥射孔彈的計算分析和實驗驗證可知,通過少量的高爆速輔助炸藥來引爆原主炸藥的設(shè)計,提高了射流的速度、動能及穿孔性能。同時對比二者可知,雙層裝藥射孔彈的性能同輔助炸藥與主炸藥爆速差有重要的關(guān)系,輔助炸藥HMX與主炸藥HNS的組合,爆速差值為2 100 m/s,爆速相差大,射流的速度和動能都得到很大的提高,實驗鋼靶穿深、混凝土靶穿深最大提高分別為23.5%、19.6%,而輔助炸藥HMX與主炸藥RDX的組合,爆速差值為470 m/s,相差較小,射流的速度和動能的提高相對較小,實驗鋼靶穿深、混凝土靶穿深最大提高分別只有為9.1%、11%。HMX/RDX組合的雙層炸藥射孔彈類型3沒有出現(xiàn)HMX/HNS組合的雙層炸藥射孔彈類型3孔道末端大量堆積的現(xiàn)象,其主要原因也在于輔助炸藥HMS與主炸藥RDX的爆速差相對較小,對主炸藥RDX的擾動較小。

5 結(jié) 論

(1) HMX/HNS組合的雙層裝藥射孔彈,利用ANSYS軟件計算結(jié)果顯示,高性能雙層裝藥射孔彈最大頭部速度比單-HNS炸藥射孔彈高10%～40%;藥型罩最大動能提高10%～80%。初步實驗驗證表明,裝填HMX/HNS炸藥的雙層裝藥射孔彈鋼靶平均穿深最大提高23.5%,混凝土靶平均穿深最大提高19.6%。這種通過使用少量的高爆速輔助炸藥引爆原主炸藥的設(shè)計,大大提高了炸藥的利用率,提高了射流速度及射孔彈的性能。

(2) 基于HMX/RDX組合的雙層裝藥射孔彈模擬計算和實驗結(jié)果,3種類型HMX/RDX組合的雙層裝藥射孔彈其射流的速度和動能相對于原RDX炸藥射孔彈提高較小,實驗鋼靶平均穿深、混凝土靶平均穿深最大提高分別只有9.1%、11%。對比HMX/HNS組合與HMX/RDX組合的研究可知,雙層裝藥的射孔彈性能同輔助炸藥與主炸藥爆速差有重要的關(guān)系。

參考文獻:

[1] 尹建平, 王志軍. 彈藥學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2014: 134-184.

[2] 奧爾連科. 爆炸物理學 [M]. 孫承緯, 譯. 北京: 科學出版社, 2011.

[3] 隋樹元, 王樹山. 終點效應(yīng)學 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2000: 196-278.

[4] 趙云濤, 徐文新, 周曌, 等. 藥型罩對射孔彈射孔性能的影響 [J]. 測井技術(shù), 2005, 29(增刊1): 37.

[5] 郭紅軍, 石健, 汪長栓, 等. 粉末藥型罩的實驗研究 [J]. 測井技術(shù), 2005, 29(增刊1): 71.

[6] BAKER HUGHES INCORPORATED. Shaped Charges Having Enhanced Tungsten Liners: 6, 634, 300 [P]. 2003-5-17.

[7] HOUSE ALFRED M. Dual Liner Shaped Charge: EP3, 224, 368 [P]. 1965-12-21.

[8] 鄭宇, 王曉鳴, 李文彬, 等. 雙層藥型罩射流形成的理論建模與分析 [J]. 火炸藥學報, 2008, 31(3): 10-14.

[9] 潘文強, 付代軒, 賴康華, 等. 含能射孔彈雙層藥型罩穿孔性能研究 [J]. 爆破器材, 2017, 46(2): 31-34.

[10] 減濤成, 賈建新, 黃麗宏. 用聚能裝藥多層藥型罩提高射流速度的研究 [J]. 彈道學報, 1995, 7(2): 78-82.

[11] 劉學, 張慶明. 單層與雙層殼體裝藥結(jié)構(gòu)沖擊起爆數(shù)值模擬 [C]∥第十屆全國沖擊動力學學術(shù)會議論文集, 2011.

[12] 朱傳勝, 黃正祥, 劉榮忠, 等. 帶隔板中空裝藥的EFP成型研究 [J]. 彈道學報, 1995, 25(1): 53-58.

[13] CAUCHETIER JEAN (FR). Hollow Charge for Perforating an Armour which is Protected by a Reactive Pre-armour: U. S. Patent EP05, 610, 85A1 [P]. 1993-9-22.

[14] WALTERS WILLIAM (Elkton, MD, US). Shaped Charge Explosive Device and Method of Making Same: EP US698, 369, 8B1 [P]. 2006-01-10.

[15] 北京工業(yè)學院. 爆炸及其作用: 下冊 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1979: 95-110.

[16] 徐更光. 炸藥性質(zhì)與應(yīng)用: 上冊 [M]. 北京: 北京理工大學力學工程系, 1991: 40-109.

[17] 李裕春, 時黨勇, 趙遠. Ansys 10.0/LS-DYNA基礎(chǔ)理論與工程實踐 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006.

[18] 鄭平泰, 楊濤, 秦子增, 等. 射流侵徹混凝土介質(zhì)數(shù)值模擬及影響因素研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(4): 114-1116.

[19] 韓秀清, 曹麗娜, 曹宇新, 等. 聚能射流形成及破甲過程的數(shù)值模擬分析 [J]. 科學技術(shù)與工程, 2009, 9(23): 6960-6964.

[20] 李延峰, 盛選禹. SDP45型射孔彈射流有限元模擬分析 [J]. 科學技術(shù)與工程, 2011, 10(11): 1671-1815.

[21] GB/T 20488—2006油氣井聚能射孔器材性能實驗方法 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2007.