亞音速條件下燃料動(dòng)態(tài)拋撒特性試驗(yàn)研究

韓天一，王世英，杜海文，何 超

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

云爆戰(zhàn)斗部以高毀傷威力受到世界各國(guó)的高度重視，與常規(guī)的爆破類戰(zhàn)斗部作用不同，其作用過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段為高能云爆劑拋撒形成燃料空氣炸藥云團(tuán)，第二階段為引爆燃料空氣炸藥云團(tuán)形成大尺寸云霧體爆轟[1]。云爆戰(zhàn)斗部主要通過(guò)大面積云霧體爆轟對(duì)目標(biāo)造成毀傷，云團(tuán)形態(tài)及尺寸是影響云爆武器毀傷威力的關(guān)鍵因素之一。

靜態(tài)情況下拋撒云團(tuán)的形態(tài)尺寸主要與拋撒裝藥結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)徑比及云爆劑性能等相關(guān)[2-5]，但是當(dāng)云爆彈以一定的落速作用時(shí)，拋撒云團(tuán)形態(tài)及尺寸均發(fā)生變化，將對(duì)毀傷威力造成重要影響，因此研究速度對(duì)拋撒云團(tuán)形態(tài)的影響有著重要意義。

高速條件下燃料的拋撒過(guò)程涉及燃料的破碎、蒸發(fā)、擴(kuò)散等復(fù)雜的物理力學(xué)過(guò)程，席德志[6]等分析了高速運(yùn)動(dòng)的液體燃料爆炸拋撒過(guò)程，建立了包含液滴蒸發(fā)、破碎及碰撞聚合等作用的物理力學(xué)模型，進(jìn)行了200 m/s速度燃料拋撒過(guò)程的數(shù)值計(jì)算。王世英[7]等通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，認(rèn)為隨著云爆戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)速度的增加,云團(tuán)的形態(tài)逐漸由扁平形向喇叭形發(fā)展,速度越高,喇叭形的開(kāi)口越小。

目前云爆劑燃料主要采用多組分復(fù)合配方體系，現(xiàn)有的理論及數(shù)值模型難以準(zhǔn)確描述真實(shí)的拋撒過(guò)程，因此文中通過(guò)火箭撬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，研究了270 m/s速度時(shí)云爆劑的爆炸拋撒過(guò)程，并與靜態(tài)拋撒情況進(jìn)行了對(duì)比分析，獲取了亞音速條件下云爆戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)拋撒特性，為高速云爆戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供支撐。

1 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)拋撒裝置主要由殼體、拋撒裝藥、引信及燃料組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，殼體材料為鋁，高度300 mm，直徑200 mm，裝填自制的液固混合型燃料，裝藥質(zhì)量10 kg。

試驗(yàn)時(shí)通過(guò)火箭撬實(shí)現(xiàn)對(duì)拋撒裝置的加速，為確保試驗(yàn)裝置飛行穩(wěn)定性，在試驗(yàn)裝置前后增加了整流罩與平衡艙，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 拋撒裝置

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

火箭撬設(shè)計(jì)速度為(270±10) m/s，樣彈在軌道終點(diǎn)處通過(guò)爆炸螺栓作用解除與火箭橇的連接，助推火箭與橇一起沿弧形軌道向下運(yùn)動(dòng)，拋撒裝置水平自由飛行，實(shí)現(xiàn)彈車分離。試驗(yàn)引信為延時(shí)引信，以割刀割斷引信觸發(fā)線為計(jì)時(shí)零點(diǎn)。

為獲取燃料動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)形成過(guò)程，在距設(shè)計(jì)爆點(diǎn)200 m處布設(shè)高速攝影儀，高速攝影儀與爆點(diǎn)的連線垂直于火箭撬飛行軸線。高速攝影拍攝速率為2 000幅/s，在設(shè)計(jì)爆點(diǎn)前后每隔4 m布設(shè)了5根標(biāo)桿，用以標(biāo)定高速攝影圖像數(shù)據(jù)，測(cè)試布局如圖3所示。

圖3 測(cè)試布局

為對(duì)比分析速度對(duì)燃料拋撒過(guò)程的影響規(guī)律，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)后進(jìn)行了1發(fā)靜態(tài)拋撒試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置的姿態(tài)及離地高度與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)保持一致，高速攝影測(cè)試布局與動(dòng)態(tài)保持一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 亞音速動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)形態(tài)分布特性

根據(jù)前期靜爆威力驗(yàn)證，對(duì)于10 kg級(jí)樣彈，最佳二次起爆時(shí)間為40 ms，因此重點(diǎn)關(guān)注40 ms時(shí)刻動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)形態(tài)及尺寸分布。

試驗(yàn)獲取的270 m/s動(dòng)態(tài)拋撒過(guò)程的高速攝影典型圖片如圖4所示。

圖4 270 m/s動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)形態(tài)

試驗(yàn)獲取的靜態(tài)拋撒過(guò)程的高速攝影典型圖片如圖5所示。

圖5 靜態(tài)拋撒云團(tuán)形態(tài)

對(duì)比分析圖4及圖5，靜態(tài)條件下拋撒云團(tuán)整體呈現(xiàn)“薄餅”狀分布，270 m/s速度條件下的動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)呈現(xiàn)“傘”狀分布。這主要是因?yàn)椋寒?dāng)拋撒裝置以270 m/s速度拋撒時(shí)，受爆轟產(chǎn)物膨脹作用及軸向牽連速度的雙重影響，燃料顆粒呈現(xiàn)拋物運(yùn)動(dòng)特性，由此形成“傘”狀分布的拋撒云團(tuán)；靜態(tài)條件下，燃料僅受爆轟產(chǎn)物膨脹作用，燃料顆粒主要沿徑向運(yùn)動(dòng)，由此形成“薄餅”狀分布的拋撒云團(tuán)。

2.2 亞音速動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)半徑變化特性

圖6 動(dòng)靜態(tài)云團(tuán)半徑及衰減率隨時(shí)間的變化關(guān)系

對(duì)比分析動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)的增長(zhǎng)過(guò)程可見(jiàn)，在初始階段(約0～10 ms)，動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)最大半徑基本相同，在10 ms時(shí)動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)半徑相差約6%，在40 ms時(shí)，動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)半徑比靜態(tài)拋撒云團(tuán)半徑減小了約15%。

對(duì)于靜態(tài)拋撒過(guò)程，燃料主要沿徑向飛散，而動(dòng)態(tài)拋撒時(shí)燃料飛散方向與徑向存在一定的角度，拋撒云團(tuán)半徑主要與拋撒云團(tuán)徑向速度相關(guān)，圖7為動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)徑向速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖7 動(dòng)靜態(tài)拋撒云團(tuán)擴(kuò)散速度隨時(shí)間的變化關(guān)系

由圖7可見(jiàn)，在拋撒的全過(guò)程中靜態(tài)拋撒速度大于動(dòng)態(tài)拋撒徑向速度，并且隨著拋撒時(shí)間的增加，動(dòng)態(tài)拋撒的徑向速度衰減更快。

2.3 亞音速動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)的“飛散角”

為分析云團(tuán)沿軸向與徑向分散的關(guān)系，在高速攝影圖像中選取云團(tuán)最大半徑上邊緣點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 云團(tuán)最大半徑上邊緣點(diǎn)

通過(guò)分析高速攝影儀數(shù)據(jù)，獲取動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)最大半徑上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖9所示。

圖9 云團(tuán)最大半徑上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)變化關(guān)系

由圖9可見(jiàn)，以拋撒起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，則不同時(shí)間動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)半徑上邊緣點(diǎn)X、Y坐標(biāo)基本為線性分布，數(shù)據(jù)擬合的斜率為1.15，傾角約為49°。表明270 m/s動(dòng)態(tài)條件下，燃料顆粒射流沿與落速成49°夾角的方向飛散。

2.4 亞音速動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)厚度變化特性

圖10為以拋撒起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，拋撒云團(tuán)軸向最大位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖10 拋撒云團(tuán)軸向最大位移隨時(shí)間的變化關(guān)系

對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合，可得到拋撒云團(tuán)軸向最大位移隨時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：

(1)

由此可見(jiàn)，當(dāng)以270 m/s速度拋撒時(shí)，10 kg拋撒裝置燃料顆粒沿軸向的最大拋撒距離約為4.7 m。

靜態(tài)拋撒時(shí)云團(tuán)基本不沿軸向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)拋撒時(shí)，云團(tuán)將離開(kāi)拋撒初始位置整體沿速度方向前移， 圖11為0 ms與40 ms時(shí)試驗(yàn)裝置與拋撒云團(tuán)的相對(duì)位置。

圖11 動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)前移示意圖

分析高速攝影數(shù)據(jù)可得，在40 ms時(shí)動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)后緣距離拋撒起點(diǎn)約1.2 m，圖12為拋撒云團(tuán)后緣軸向位移及其速度隨時(shí)間的變化。

圖12 拋撒云團(tuán)后緣軸向位移及速度隨時(shí)間的變化

在拋撒的初始階段，云團(tuán)后緣運(yùn)動(dòng)速度逐步升至最大之后迅速衰減，約在10 ms時(shí)又開(kāi)始快速增大，達(dá)到局部最大值后又快速衰減，在拋撒后期基本接近0 m/s。通過(guò)對(duì)比云團(tuán)動(dòng)態(tài)拋撒過(guò)程可見(jiàn)，拋撒云團(tuán)后緣運(yùn)動(dòng)速度突然增大，主要是由于平衡艙高速穿過(guò)云團(tuán)時(shí)帶動(dòng)周圍云爆劑沿軸向運(yùn)動(dòng)所致。

對(duì)云團(tuán)后緣軸向位移隨時(shí)間的變化進(jìn)行數(shù)值擬合，得到拋撒云團(tuán)后緣沿軸向位移隨時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：

(2)

結(jié)合云團(tuán)前緣及后緣位移經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過(guò)近似平均處理，可得10 kg拋撒裝置270 m/s時(shí)動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)厚度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

(3)

由此可見(jiàn)，以270 m/s速度動(dòng)態(tài)拋撒時(shí)，10 kg拋撒裝置的動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)厚度最大為3.6 m，較靜態(tài)拋撒云團(tuán)厚度增加了約73%。

3 結(jié)論

1)受270 m/s軸向牽連速度的影響，拋撒云團(tuán)由靜態(tài)時(shí)的“薄餅”形轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)時(shí)的“傘”形；

2)對(duì)于10 kg級(jí)拋撒樣彈，以270 m/s速度拋撒時(shí)，40 ms時(shí)刻動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)半徑較靜態(tài)時(shí)減小了15%，云團(tuán)厚度增加了約73%；

3)270 m/s動(dòng)態(tài)條件下，燃料顆粒的動(dòng)態(tài)飛散角約為49°，40 ms時(shí)刻拋撒云團(tuán)的后緣較起爆點(diǎn)前移了1.2 m。