飛片初始形狀對雷管起爆能力的影響

陳清疇，劉 剛，馬 弢

飛片初始形狀對雷管起爆能力的影響

陳清疇，劉 剛，馬 弢

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900)

為了研究飛片初始形狀對雷管輸出能力的影響規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法計算了HNS炸藥驅(qū)動平面飛片、橢圓飛片和三角飛片起爆PBX-9404炸藥的沖擊起爆過程。計算結(jié)果表明：橢圓飛片著靶速度較其他兩種飛片略高，起爆炸藥在對稱面上為匯聚的雙波結(jié)構(gòu)；平面飛片起爆炸藥在對稱面上為單波結(jié)構(gòu)；三角飛片起爆炸藥在對稱面上為發(fā)散的雙波結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定爆轟波陣面平整性較平面飛片平整，較橢圓飛片彎曲，其起爆時的壓力成長相對平面飛片緩慢。

雷管；飛片；初始形狀；沖擊起爆；飛片速度

隨著武器系統(tǒng)安全性提升，雷管裝藥逐漸向鈍感化和微小藥量化方向發(fā)展，由此帶來了做功能力不足的問題。而飛片增壓技術(shù)可以獲得比接觸爆炸高得多的沖擊壓力[1]，即將雷管底部設(shè)計成飛片，以有效提高雷管的輸出能力和起爆能力。國內(nèi)外關(guān)于飛片沖擊起爆開展了大量研究。W. Prinse等[2]采用飛片起爆技術(shù)，使爆炸箔起爆器成功起爆了低密度（1.688 g·cm-3）TATB炸藥，顯著提高了起爆能力。ZENG Qingxuan等[3]采用微小尺寸裝藥驅(qū)動飛片，實現(xiàn)了亞毫米裝藥可靠起爆下級HNS-IV炸藥。數(shù)值模擬結(jié)果表明飛片速度可以達(dá)到3km·s-1[4]。呂軍軍等[5]采用二級飛片成功起爆了高密度（1.895 g·cm-3）TATB炸藥，并初步確定了鈦飛片起爆高密度TATB炸藥速度閾值約在3.83~4.35 km·s-1之間。張冬冬等[6]通過實驗研究了鋁、鈦、鋼和銅4種飛片材料對雷管爆轟性能的影響。郭俊峰等[7]采用飛片回收方法研究了微小尺寸起爆系統(tǒng)的飛片形態(tài)。陳清疇等[8]采用數(shù)值模擬研究飛片著靶形態(tài)的影響因素。以上研究均限于平面飛片及其特性對飛片速度和形態(tài)的影響，未開展飛片初始形狀對其起爆能力或輸出能力的影響研究。

本文通過數(shù)值模擬計算不同初始形態(tài)飛片沖擊起爆炸藥過程，獲得飛片初始形狀對雷管輸出能力的影響規(guī)律，為雷管輸出能力增強(qiáng)設(shè)計提供理論支撐。

1 數(shù)值計算模型

以球?qū)ΨQ或柱對稱方式聚心傳播的爆轟波，能夠在對稱中心附近區(qū)域產(chǎn)生極高溫度和壓力的等離子體[9]。對于飛片沖擊起爆而言，飛片的著靶姿態(tài)決定著碰撞后形成的沖擊波陣面形狀。雷管屬于點(diǎn)起爆，形成的爆轟波為球面，平面飛片在爆轟波作用下變形為凸起球面，且飛片中心速度較邊緣位置快。為了形成聚心爆轟波，飛片應(yīng)設(shè)計成內(nèi)凹型，且加速膛長度不宜過長，以免飛片凹凸形狀發(fā)生反轉(zhuǎn)。

通過以上分析，兼顧飛片的加工性，設(shè)計了兩種內(nèi)凹飛片，并與平面飛片對比。根據(jù)飛片軸對稱截面形狀，將3種飛片分別命名為平面飛片、橢圓飛片和三角飛片。采用AUTODYN顯式非線性動力學(xué)分析軟件建立二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1為計算模型圖，模型主要包括雷管裝藥、飛片和被起爆炸藥3個部分。

圖1 計算模型

作為第三代火工品的代表，爆炸箔起爆器普遍采用六硝基茋（HNS）裝藥。雷管裝藥選用HNS（= 1.40g·cm-3），主體尺寸為Φ4mm×6.8mm，采用JWL狀態(tài)方程描述。雷管殼體為鋁，厚度為0.5mm，采用Shock狀態(tài)方程描述。飛片材料為銅，主體尺寸為Φ4mm×0.2mm，采用Shock狀態(tài)方程描述。裝藥沖擊起爆過程計算采用Lee-Tarver狀態(tài)方程描述。Lee- Tarver狀態(tài)方程擁有較多參數(shù)，且網(wǎng)格尺寸較小，計算容易不收斂。因此，被起爆炸藥選用PBX-9404炸藥，尺寸為Φ6mm×3mm，采用Lee-Tarver狀態(tài)方程描述。加速膛長度為2mm。采用Lagrange-Euler流固耦合算法，飛片、炸藥采用多物質(zhì)Euler網(wǎng)格，雷管殼體采用Lagrange網(wǎng)格描述。材料參數(shù)及狀態(tài)方程均選自AUTODYN標(biāo)準(zhǔn)材料庫。網(wǎng)格大小為20μm。在PBX-9404炸藥軸線上以0.1mm為間隔選取觀測點(diǎn)，觀測炸藥被起爆過程中壓力變化，以表征不同形狀飛片的起爆能力。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 飛片著靶形態(tài)、速度對比

按照圖1計算模型，計算了HNS炸藥驅(qū)動3種飛片起爆PBX-9404炸藥過程。圖2給出了3種飛片的著靶形態(tài)。3種飛片著靶時的有效直徑分別為4.8mm，3.4mm和4.5mm，平面飛片最大，橢圓飛片最小。

在平整度方面，橢圓飛片的平整度相對較好，在中心Φ3mm區(qū)域平面度不超過80μm。平面飛片和三角飛片均呈球面，三角飛片中心已初步形成射流形態(tài)，飛片前部有約0.5mm凸起，后部形成約0.6mm長的杵體。

圖2 飛片著靶形態(tài)

飛片起爆屬于沖擊起爆。根據(jù)沖擊起爆的臨界起爆能量理論[10]，沖擊壓力和脈寬是沖擊起爆的關(guān)鍵。在飛片材料和厚度不變的條件下，脈寬基本不變，沖擊壓力僅與飛片速度相關(guān)。圖3為3種飛片速度比較。

圖3 3種飛片速度歷程比較

從圖3可知，橢圓飛片的飛片速度最高，達(dá)到了1.53km/s；平面飛片和三角飛片速度基本相當(dāng)，均為1.45km/s。同時，橢圓飛片和三角飛片的著靶時間較平面飛片延遲了約100ns。這是由于橢圓飛片和三角飛片向炸藥內(nèi)凹，使加速膛長度變長，即飛行距離變長造成的。

球面爆轟波的傳播過程中，在受到側(cè)向稀疏波作用下，邊緣處壓力低于中心處壓力。在球面爆轟波作用下，平面飛片中心區(qū)域首先被加速，且中心速度高于邊緣速度，飛片內(nèi)部受到拉伸應(yīng)力作用。橢圓飛片在球面爆轟波作用下，中心區(qū)域受壓被加速，同時，向四周擠壓，飛片內(nèi)部受到壓縮應(yīng)力作用。三角飛片在球面爆轟波作用下，中心區(qū)域被壓垮，壓垮區(qū)域形成杵體；外圍大部分區(qū)域與平面飛片類似，受到拉伸應(yīng)力作用。飛片內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)差異是造成飛片著靶形態(tài)和速度不同的主要原因。

2.2 平面飛片沖擊起爆過程分析

為了分析沖擊起爆過程的壓力建立，監(jiān)測了炸藥中對稱面上的壓力線圖和對稱軸上的壓力成長歷程。圖4為平面飛片沖擊起爆PBX-9404炸藥在不同時刻的壓力線圖。

圖4 不同時刻平面飛片沖擊起爆過程的壓力線圖

從圖4可以看出，由于平面飛片著靶時飛片中心區(qū)域首先撞擊炸藥，近似于點(diǎn)起爆。炸藥中心區(qū)域首先被起爆，并逐漸向炸藥內(nèi)部擴(kuò)展。到2.105μs時刻，爆轟波直徑已與飛片直徑相當(dāng)，炸藥被完全起爆。平面飛片起爆炸藥在對稱面上為單波結(jié)構(gòu)。圖5為平面飛片起爆時，炸藥對稱軸上以0.1mm為間隔、不同炸藥深度處的壓力歷程。

圖5 平面飛片起爆炸藥內(nèi)部壓力成長曲線

從圖5中的計算結(jié)果來看，0.2mm的平面銅飛片撞擊時產(chǎn)生了1個峰值壓力15GPa、持續(xù)時間50ns的短脈沖沖擊波。在此沖擊波作用下，炸藥發(fā)生反應(yīng)，釋放出化學(xué)能。隨著炸藥內(nèi)部深度增加，壓力逐步增加。到0.2mm時，炸藥內(nèi)部壓力已經(jīng)達(dá)到34GPa；到0.3mm時，壓力已達(dá)到37GPa，壓力已成長為穩(wěn)定爆轟。

2.3 橢圓飛片沖擊起爆過程分析

圖6為橢圓飛片沖擊起爆PBX-9404炸藥在不同時刻的壓力線圖。

圖6 不同時刻橢圓飛片沖擊起爆過程的壓力線圖

從圖6可以看出，橢圓飛片著靶時飛片外沿區(qū)域首先撞擊炸藥，可以看作環(huán)形起爆。隨著飛片向前運(yùn)動，環(huán)形起爆面逐漸向中心區(qū)域匯聚。橢圓飛片起爆炸藥在對稱面上為匯聚的雙波結(jié)構(gòu)。在2.010μs時刻，觀察雙波的沖擊波波頭，可以發(fā)現(xiàn)波頭的高壓區(qū)域位于波頭靠近對稱軸側(cè)。到2.050μs時刻，雙波的高壓區(qū)域已發(fā)生碰撞并匯聚，在對稱軸處形成了極高壓區(qū)域。隨著匯聚爆轟波的發(fā)展，雙波結(jié)構(gòu)逐漸合并為單波。此時的爆轟波前沿較平面飛片的穩(wěn)定爆轟波前沿更為平整。圖7為橢圓飛片起爆時，炸藥對稱軸上以0.1mm為間隔、不同炸藥深度處的壓力歷程。

圖7 橢圓飛片起爆炸藥內(nèi)部壓力成長曲線

0.2mm的橢圓銅飛片撞擊炸藥時產(chǎn)生了1個環(huán)形沖擊波。從圖7中的計算結(jié)果來看，環(huán)形沖擊波匯聚到炸藥對稱軸上，匯聚中心為0.2mm處，在此處形成1個約49GPa的強(qiáng)壓力脈沖，遠(yuǎn)高于PBX-9404炸藥的爆壓（39.8GPa[11]），可以認(rèn)為對稱軸上的炸藥瞬間達(dá)到穩(wěn)定爆轟。隨著匯聚爆轟波向前發(fā)展，爆轟壓力在0.3mm處達(dá)到峰值，約88GPa。此后，由于稀疏波的作用，強(qiáng)爆轟波逐漸衰減為正常穩(wěn)定爆轟。

2.4 三角飛片沖擊起爆過程分析

圖8為三角飛片沖擊起爆PBX-9404炸藥在不同時刻的壓力線圖。

圖8 不同時刻三角飛片沖擊起爆過程的壓力線圖

從圖8可以看出，三角飛片著靶時飛片中心杵體首先撞擊炸藥。隨著杵體繼續(xù)沖擊炸藥，由于杵體的擠壓作用，杵體周側(cè)的壓力較頭部壓力高，形成1個直徑不斷增大的高壓環(huán)。在炸藥對稱面上為發(fā)散的雙波結(jié)構(gòu)，雙波的低壓區(qū)域在對稱軸上發(fā)生匯聚。隨著沖擊波向前傳播，炸藥釋放出化學(xué)能，對稱軸上的壓力逐步增強(qiáng)。到2.140μs時刻，對稱軸上的壓力已經(jīng)超過了雙波波頭壓力，雙波匯聚成單波。到2.186μs時刻，整個波陣面都發(fā)展為穩(wěn)定爆轟。對比發(fā)現(xiàn)，三角飛片起爆時，穩(wěn)定爆轟波陣面平整性較平面飛片平整，較橢圓飛片彎曲，處于二者之間。圖9為橢圓飛片起爆時，炸藥對稱軸上以0.1mm為間隔、不同炸藥深度處的壓力歷程。

圖9 三角飛片起爆炸藥內(nèi)部壓力成長曲線

從圖9可以看出，三角飛片杵體撞擊炸藥后形成了1個約17GPa的壓力尖峰，但壓力脈寬較平面飛片窄。在此沖擊波作用下，炸藥發(fā)生反應(yīng)，釋放出化學(xué)能。隨著炸藥內(nèi)部深度增加，壓力逐步增加。與平面飛片相比，三角飛片起爆時的壓力成長相對緩慢，到0.3mm位置處壓力成長到24GPa，在0.4mm處達(dá)到穩(wěn)定爆轟。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法計算了HNS炸藥驅(qū)動平面飛片、橢圓飛片和三角飛片起爆PBX-9404炸藥的沖擊起爆過程。計算結(jié)果表明：（1）橢圓飛片較其他兩種飛片而言，著靶速度略高，飛片平整度較好。飛片內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)差異是造成飛片著靶形態(tài)和速度不同的主要原因；（2）平面飛片起爆炸藥在對稱面上為單波結(jié)構(gòu)，在炸藥的0.3mm深度時可以達(dá)到穩(wěn)定爆轟；（3）橢圓飛片起爆炸藥時在對稱面上為匯聚的雙波結(jié)構(gòu)，聚心沖擊波使炸藥瞬間達(dá)到強(qiáng)爆轟狀態(tài)。橢圓飛片穩(wěn)定爆轟波前沿較平面飛片更為平整。（4）三角飛片起爆時在炸藥對稱面上為發(fā)散的雙波結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定爆轟波陣面平整性較平面飛片平整，較橢圓飛片彎曲，處于二者之間。三角飛片起爆時的壓力成長相對緩慢，在炸藥的0.4mm深度達(dá)到穩(wěn)定爆轟。

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Effects of the Flyer Shape on Detonator Output

CHEN Qing-chou，LIU Gang，MA Tao

（Institute of Chemical Material, CAEP, Mianyang，621900)

To investigate the influences of flyer original shape on the detonator output, numerical simulation method was used to calculate the shock initiation of PBX-9404 by three different shape flyers (plain, ellipse and triangle). The calculation results show that the velocity of the ellipse flyer is the highest, the shock wave impacted by ellipse flyer is an imploding double wave, and the shock wave impacted by plain flyer is a single wave. In the triangle flyer case, the shock wave is a divergent double wave, the detonation wave front stimulates is more flat than the plain flyer yet less than the ellipse flyer, and the pressure growth is slower than that of plain flyer.

Detonator；Flyer；Original shape；Shock initiation；Flyer velocity

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.002

1003-1480（2020）01-0006-04

2019-12-14

陳清疇（1983-），男，工程師，主要從事爆炸箔起爆技術(shù)及傳爆序列設(shè)計研究。