侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)位置高度研究

王 鋒，王 保，董 靜，馮成良，劉俞平

(1.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760； 2.空軍駐西南地區(qū)軍事代表室， 重慶 402760)

隨著重要軍事目標(biāo)的堅(jiān)固化和地下化，使侵徹彈技術(shù)成為彈藥領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，越來(lái)越引起世界各國(guó)的高度重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在侵徹彈技術(shù)研究中，除首先重點(diǎn)關(guān)注侵徹能力指標(biāo)評(píng)價(jià)侵徹彈性能外，爆炸威力也常常作為所關(guān)注的一個(gè)重要指標(biāo)。

沖擊波超壓是侵徹彈爆炸產(chǎn)生的重要?dú)蛩刂唬虼藢?duì)侵徹彈在內(nèi)的各種爆炸物進(jìn)行爆炸威力評(píng)估時(shí)，普遍認(rèn)同和采用沖擊波超壓測(cè)試。通過(guò)沖擊波超壓的測(cè)試不但可以直觀了解爆炸的作用力，還可以得到侵徹彈的有效TNT當(dāng)量，這是衡量爆炸威力的重要參數(shù)[1]。因此沖擊波超壓測(cè)量的準(zhǔn)確性直接影響到侵徹彈爆炸威力的評(píng)估和方案設(shè)計(jì)優(yōu)選。而爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)的規(guī)律對(duì)爆炸沖擊波壓力場(chǎng)分布研究以及測(cè)量又具有重要意義和影響，因此研究侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)的規(guī)律特性顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)以及三波點(diǎn)對(duì)超壓測(cè)試的影響已開(kāi)展了研究，但大部分研究基于裸裝炸藥或是壁厚較薄、長(zhǎng)徑比較小的彈藥，其中許多研究對(duì)象為小藥量。由于彈體結(jié)構(gòu)不同(侵徹彈與普通彈藥相比，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是：彈材要求更嚴(yán)格；頭部厚度明顯增加；殼體壁厚明顯增加，長(zhǎng)徑比較大)[2]，侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)與裸裝炸藥以及接近球形裝藥的薄壁彈藥爆炸場(chǎng)的三波點(diǎn)存在差異。

1 三波點(diǎn)

圖1為炸藥在地面附近爆炸時(shí)空氣壓力場(chǎng)的分布示意圖。由圖1可見(jiàn)，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波以球形向外傳播，A為入射沖擊波以球面波的形式向外傳播，B為入射沖擊波與地面接觸，從交界面產(chǎn)生的反射波。當(dāng)入射沖擊波向外擴(kuò)展時(shí)，從地面產(chǎn)生的反射波也向上擴(kuò)展，與入射沖擊波在爆心地面投影附近的地面匯合。當(dāng)入射沖擊波進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)，反射波與入射波的交點(diǎn)C已經(jīng)離開(kāi)了地面，此時(shí)在B、C、D、E的下方形成了一個(gè)向水平方向推進(jìn)的新激波——馬赫波。B、C、D、E是入射波、反射波和馬赫波的交點(diǎn)，稱為三波點(diǎn)[3-5]。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計(jì)算模型

侵徹彈中心離地面高度h,設(shè)為尾端起爆。設(shè)置地面為剛性邊界，其余方向?yàn)榱鲃?dòng)邊界。侵徹彈裝填炸藥為TNT，藥量200 kg；侵徹彈頭部為卵形，厚200 mm，彈身為圓柱形，彈體壁厚25 mm；侵徹彈長(zhǎng)徑比4.5，殼體材料為高強(qiáng)合金鋼。

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

炸藥采用JWL狀態(tài)方程：

(1)

式中：P為爆轟壓力；V是相對(duì)體積；E為單位體積內(nèi)能；A、B、R1、R2和ω為試驗(yàn)確定的常數(shù)。炸藥密度ρ為1 600 kg/m3，爆速D為6 390 m/s，壓力PCJ為21 GPa。TNT炸藥模型材料參數(shù)見(jiàn)表1[6-8]。

表1 TNT炸藥模型材料參數(shù)

空氣采用Ideal Gas狀態(tài)方程描述。即：

P=(γ-1)ρe+Pshift

(2)

其中：γ為理想氣體常數(shù)，ρ為密度，Pshift為初始?jí)簭?qiáng)，e為內(nèi)能。表2給出了具體的空氣材料參數(shù)[9]。

表2 空氣材料參數(shù)

彈體材料采用Gruneisen狀態(tài)方程描述，對(duì)于受到?jīng)_擊載荷作用的情況，可用Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算可壓縮材料的壓力：

(γ0+aμ)E

(3)

材料在膨脹時(shí)的狀態(tài)方程為P=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E。式中，C為殼體材料參數(shù)；S1、S2、S3、γ0為Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)；E為殼體材料單位體積內(nèi)能；a是對(duì)γ0的一階體積的修正量；μ=(ρ/ρ0)-1。彈體材料參數(shù)見(jiàn)表3[10]。

表3 彈體材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

1) 侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)形成過(guò)程

圖2表示不同時(shí)刻沖擊波壓力場(chǎng)分布，由圖2可見(jiàn)不同時(shí)刻沖擊波壓力場(chǎng)分布可明顯看出侵徹彈空氣中爆炸時(shí)沖擊波傳播及反射過(guò)程：(1)在爆炸初期，炸藥內(nèi)部爆轟波由尾部起爆點(diǎn)向整個(gè)彈體擴(kuò)展，逐步破壞戰(zhàn)斗部周向殼體，在空氣中形成一定強(qiáng)度沖擊波；(2)由于戰(zhàn)斗部前端殼體較厚，對(duì)爆轟產(chǎn)物膨脹過(guò)程約束較強(qiáng)，加上裝藥結(jié)構(gòu)及起爆點(diǎn)影響，沖擊波以扁平的橢球體形狀向外擴(kuò)展傳播；(3)橢球型沖擊波向下傳播與剛性地面接觸形成反射波；(4)在沖擊波傳播達(dá)到一定距離時(shí)，形成具有一定強(qiáng)度馬赫反射波。入射沖擊波、正規(guī)反射沖擊波和馬赫反射波在一定高度交匯，形成三波點(diǎn)。

2) 三波點(diǎn)位置對(duì)沖擊波超壓測(cè)試的影響

圖3為三波點(diǎn)以上沖擊波超壓歷時(shí)曲線，圖4為三波點(diǎn)以下沖擊波超壓歷時(shí)曲線。由圖3和圖4可以看出，當(dāng)沖擊波超壓測(cè)試點(diǎn)位于三波點(diǎn)以上時(shí)，會(huì)存在入射沖擊波和反射沖擊波兩個(gè)峰值超壓(其中前者為入射沖擊波超壓，后者為反射沖擊波超壓)，值超壓相對(duì)較低；當(dāng)沖擊波超壓測(cè)試點(diǎn)位于三波點(diǎn)以下時(shí)，沖擊波超壓歷時(shí)曲線僅存在一個(gè)峰值超壓，峰值超壓大于相同距離處入射沖擊波超壓。計(jì)算結(jié)果表明，馬赫反射能夠顯著提高沖擊波的超壓。因此，為保證侵徹彈爆炸沖擊波參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)將測(cè)試點(diǎn)置于侵徹彈三波點(diǎn)以上位置。

3) 侵徹彈三波點(diǎn)位置與其他彈藥的不同

圖5所示為三波點(diǎn)高度與水平距離的關(guān)系曲線，由圖5可以看出，相對(duì)于同藥量的裸裝炸藥或薄壁彈藥，侵徹彈三波點(diǎn)的位置高度相對(duì)要低。這是由于侵徹彈殼體壁厚較厚，其爆炸能量一部分用于消耗在殼體破碎，致使沖擊波強(qiáng)度與同藥量裸裝炸藥或薄壁彈藥爆炸時(shí)的沖擊波強(qiáng)度相比較低，又由于厚壁殼體的約束，導(dǎo)致侵徹彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波陣面碰到地面后發(fā)生發(fā)射的時(shí)間較裸裝炸藥或薄壁彈藥滯后，而反射沖擊波的角度依賴于入射沖擊波的強(qiáng)度和入射角，因此侵徹彈的反射沖擊波角度相對(duì)于裸裝炸藥或薄壁彈藥較小，最終導(dǎo)致侵徹彈三波點(diǎn)的位置高度低于同藥量的裸裝炸藥和薄壁彈藥。

由沖擊波壓力場(chǎng)分布圖還可以看出，裸裝炸藥或薄壁彈藥爆炸后形成的初始沖擊波形狀為圓球形(參見(jiàn)圖6)，而侵徹彈由于頭部形狀、殼體壁厚、裝藥結(jié)構(gòu)等影響，其爆炸后形成的初始沖擊波形狀并非為標(biāo)準(zhǔn)圓球形，而是壓扁的橢球型，在同一爆心處，侵徹彈的三波點(diǎn)高度要低于裸裝炸藥或薄壁彈藥。

4) 侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)軌跡

通過(guò)分析不同時(shí)刻沖擊波壓力場(chǎng)分布，可以得到爆炸場(chǎng)不同距離處三波點(diǎn)高度。

當(dāng)侵徹彈在一定炸高爆炸時(shí)，三波點(diǎn)高度隨傳播距離的增加逐漸升高。當(dāng)傳播距離小于某一值時(shí)，沖擊波反射以正規(guī)反射為主，當(dāng)距離大于該值時(shí)，逐漸發(fā)生馬赫反射現(xiàn)象。

當(dāng)侵徹彈在不同炸高爆炸時(shí)，同一傳播距離處，三波點(diǎn)高度隨炸高的增加而降低。圖7所示為不同炸高(1.6 m、2 m、2.4 m)時(shí)侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)高度與傳播距離的關(guān)系曲線。

4 結(jié)論

1) 由于侵徹彈結(jié)構(gòu)和起爆位置影響，其爆炸后形成的初始沖擊波形狀并非為標(biāo)準(zhǔn)圓球形，而是扁橢球型，距爆心一定距離處的三波點(diǎn)位置高度低于同藥量的裸裝炸藥或球型裝藥、中心起爆的彈藥。

2) 隨傳播距離的增加，侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)位置高度逐漸升高；距爆心同一距離處，侵徹彈三波點(diǎn)位置高度隨炸高的增高而降低。

3) 侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)位置高度以下的馬赫反射能夠提高沖擊波的超壓。

4) 本文對(duì)侵徹彈爆炸場(chǎng)三波點(diǎn)位置高度研究可為侵徹彈三波點(diǎn)位置高度預(yù)測(cè)以及沖擊波超壓測(cè)試提供借鑒和參考。

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