兩端點(diǎn)起爆對(duì)炸藥近地場(chǎng)沖擊波威力增強(qiáng)效應(yīng)研究

史利平，王成龍，吳宏斌，史文卿，薛再清

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100074）

爆破戰(zhàn)斗部利用炸藥在爆炸過(guò)程中快速釋放的巨大能量，產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫、高壓爆轟產(chǎn)物和沖擊波，并利用沖擊波超壓對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷[1-2]. 傳統(tǒng)爆破戰(zhàn)斗部采用一端單點(diǎn)起爆，炸藥在空氣介質(zhì)中爆炸形成類球面沖擊波[3]，能量向四周均勻釋放，但從爆破戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)毀傷而言，僅有近地方向沖擊波才對(duì)目標(biāo)有毀傷作用[4]，其余方向的沖擊波能量并未被有效利用. 同時(shí)對(duì)于存在一定長(zhǎng)徑比的圓柱形裝藥，炸藥在起爆時(shí)兩端炸藥參與反應(yīng)受端部效應(yīng)，影響了炸藥反應(yīng)能量釋放. 通過(guò)控制戰(zhàn)斗部裝藥的起爆方式，提高炸藥爆炸反應(yīng)能量輸出，并改變炸藥爆炸沖擊波場(chǎng)分布，使對(duì)近地方向產(chǎn)生更強(qiáng)的毀傷效果，成為近幾年提升爆破戰(zhàn)斗部毀傷威力的研究熱點(diǎn).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)炸藥起爆方式對(duì)沖擊波傳播規(guī)律的影響進(jìn)行了大量研究，研究方向包括起爆方式對(duì)爆轟波陣形狀和壓力影響研究[5-6]，起爆方式對(duì)柱形炸藥空爆沖擊波場(chǎng)影響仿真研究[7]、起爆方式對(duì)炸藥水下爆炸作用研究[8-9]和起爆方式對(duì)破片驅(qū)動(dòng)控制效應(yīng)仿真研究[10-11]等. 針對(duì)起爆方式對(duì)炸藥空爆能量釋放和沖擊波場(chǎng)分布影響研究較少，同時(shí)單純的仿真技術(shù)手段難以反映兩端起爆近地場(chǎng)沖擊波威力增強(qiáng)效應(yīng).

本文在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)研究了上端點(diǎn)起爆、下端點(diǎn)起爆、兩端點(diǎn)起爆等不同起爆方向，炸藥爆炸在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)地面沖擊波超壓，并通過(guò)仿真得到了不同起爆方向?qū)φㄋ幈_擊波場(chǎng)分布影響規(guī)律，研究成果為爆破戰(zhàn)斗部威力提升設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵支撐.

1 不同起爆方向?qū)Ρ仍囼?yàn)研究

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方向

炸藥為含RDX、Al 粉等的二代復(fù)合炸藥，采用圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)，直徑為Φ150 mm，長(zhǎng)徑比為4，裝藥質(zhì)量約為20 kg，澆注到PVC 管中. 藥柱豎直放置，下端面距離地面0.5 m，起爆方式為上端點(diǎn)起爆、下端點(diǎn)起爆和兩端點(diǎn)起爆三種起爆方式，兩端點(diǎn)起爆通過(guò)導(dǎo)爆索連接實(shí)現(xiàn)兩端起爆同步性，兩端起爆裝藥試驗(yàn)件如圖1 所示.

圖1 兩端起爆裝藥試驗(yàn)件Fig. 1 Explosive experiment with single-point initiation at both end

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

按沖擊波超壓測(cè)試方法和TNT 裝藥地面爆炸超壓理論計(jì)算值，在距離爆炸原點(diǎn)4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 布置3 組地面超壓測(cè)量傳感器，直接測(cè)量地面超壓值，對(duì)應(yīng)比例距離近似為1.5 m·kg-1/3，2 m·kg-1/3，3 m·kg-1/3，4 m·kg-1/3和4.5 m·kg-1/3. 試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖2 所示. 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在空間開(kāi)廓的地段，要求放置裝藥試驗(yàn)件的地面比較平整，每個(gè)測(cè)試距離布置三個(gè)傳感器，試驗(yàn)結(jié)果取平均值. 為減小誤差，每個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)測(cè)試兩發(fā).

圖2 地面沖擊波超壓測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig. 2 Schematic diagram of the shock wave overpressure test setup

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)獲得了上端點(diǎn)起爆、下端點(diǎn)起爆和兩端點(diǎn)起爆在4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 處得地面沖擊波超壓數(shù)據(jù)，其中8.15 m 處（Z=3 m·kg-1/3）沖擊波超壓-時(shí)間曲線如圖3 所示，各測(cè)試點(diǎn)有3 條測(cè)試數(shù)據(jù)，曲線特征復(fù)合典型沖擊波超壓-時(shí)間曲線.

圖3 試驗(yàn)獲得8.15m 處沖擊波超壓-時(shí)間曲線Fig. 3 Shock wave overpressure varying with time at distribution of 8.15m

選取各測(cè)試點(diǎn)峰值超壓，相同測(cè)試位置三點(diǎn)測(cè)試結(jié)果取平均值，將超壓峰值數(shù)據(jù)通過(guò)式（1）進(jìn)行擬合，如式（2）～（4）所示，獲得沖擊波超壓-比例距離擬合曲線，如圖4 所示.

圖4 上端點(diǎn)起爆與下端點(diǎn)起爆對(duì)比超壓-比例距離擬合曲線Fig. 4 Overpressure vs. scaled distance fitting curves in different initiation

上端起爆超壓峰值擬合

上端點(diǎn)起爆在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜2 m·kg-1/3內(nèi)沖擊波超壓低于下端點(diǎn)起爆，在比例距離2 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3內(nèi)沖擊波超壓高于下端點(diǎn)起爆；表明不同起爆方向影響了沖擊波場(chǎng)在空氣中的傳播和分布，上端點(diǎn)起爆在近地場(chǎng)形成更強(qiáng)的馬赫發(fā)射波，增加了遠(yuǎn)距離地面場(chǎng)沖擊波超壓.

兩端點(diǎn)起爆在測(cè)試距離內(nèi)的沖擊波威力相對(duì)上端點(diǎn)起爆提高了43%，相對(duì)于下端點(diǎn)起爆提高了44%. 結(jié)果表明兩端起爆的方式提高了炸藥能量釋放，改變了沖擊波場(chǎng)在空氣中的傳播和分布，提高了近地場(chǎng)沖擊波超壓.

2 不同起爆方向?qū)Ρ_擊波場(chǎng)影響規(guī)律分析

2.1 仿真模型

為了研究起爆方向?qū)φㄋ幍臎_擊波場(chǎng)分布和傳播規(guī)律的影響，通過(guò)仿真研究不同起爆方向爆炸沖擊波場(chǎng)的傳播. 利用AUTODYN 軟件對(duì)炸藥爆炸和沖擊波傳播過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算域只有炸藥和空氣兩部分，采用EULER 求解器計(jì)算，模型區(qū)域上邊界和左右邊界施加無(wú)反射邊界以模擬無(wú)限空氣域，下邊界施加剛性反射邊界以模擬剛性地面，整體網(wǎng)格為10 mm，炸藥附近進(jìn)行了適當(dāng)加密，空氣和炸藥狀態(tài)方程及材料參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[2]，起爆方向包括上端點(diǎn)起爆、下端點(diǎn)起爆和兩端點(diǎn)起爆.

2.2 仿真結(jié)果及分析

不同起爆方向炸藥爆炸初始階段沖擊波分布云圖如表1 所示.

表1 不同起爆方向初始階段沖擊波分布對(duì)比Tab. 1 Comparison numerical model of shock wave in different initial explosion direction

在T1時(shí)刻，可以看出不同起爆方向爆轟波的傳播情況：上端點(diǎn)起爆時(shí)爆轟波向下端傳播，下端點(diǎn)起爆時(shí)爆轟波向上端傳播，兩端點(diǎn)起爆時(shí)則在中心形成了爆轟波匯聚疊加現(xiàn)象.

在T2時(shí)刻，可以看出初始沖擊波場(chǎng)分布情況：上端點(diǎn)起爆時(shí)在上端先形成類球面沖擊波場(chǎng)，下端點(diǎn)起爆時(shí)在下端先形成類球面沖擊波場(chǎng)，兩端點(diǎn)起爆時(shí)上下兩端沖擊波場(chǎng)對(duì)中間形成匯聚耦合現(xiàn)象.

在T3時(shí)刻，沖擊波場(chǎng)接近地面，可以看出近沖擊波場(chǎng)超壓分布情況：上端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)超壓最大為近地側(cè)，向地面方向傳播；下端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)超壓最大為遠(yuǎn)地側(cè)，向遠(yuǎn)離地面方向傳播；兩端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)超壓最大為中間，向兩端水平傳播.

在T4時(shí)刻，沖擊波場(chǎng)傳播到比例距離Z=1 m·kg-1/3，沖擊波場(chǎng)已在地面形成馬赫波反射. 此時(shí)兩端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)在近地面局部超壓最高，沖擊波場(chǎng)在起爆匯聚中心形成“尖峰”向前傳播，沖擊波傳播距離最遠(yuǎn)；上端點(diǎn)起爆存在明顯的地面馬赫反射波，并與空氣沖擊波形成交匯界面；下端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)以類球面波傳播，沖擊波傳播距離小于上端點(diǎn)起爆.

在比例距離1 m·kg-1/3＜Z＜4 m·kg-1/3內(nèi)沖擊波傳播云圖如表2 所示，在Z≈1 m·kg-1/3時(shí)上端點(diǎn)起爆、下端點(diǎn)起爆和兩端點(diǎn)起爆沖擊波場(chǎng)傳播呈現(xiàn)明顯差異，兩端點(diǎn)起爆存在明顯的匯聚“尖峰”傳播效應(yīng)，上端點(diǎn)起爆存在明顯的地面反射波效應(yīng)[12]，下端點(diǎn)起爆沖擊波由空氣向地面形成較強(qiáng)的作用區(qū)，地面超壓增強(qiáng)；隨著傳播距離的增加，這種差異逐漸減小，在Z≈2 m·kg-1/3沖擊波場(chǎng)傳播前沿形狀接近，在Z≈3 m·kg-1/3下端起爆沖擊波場(chǎng)傳播前沿基本形成“豎直”面，在Z≈4 m·kg-1/3不同起爆方向的沖擊波場(chǎng)傳播前沿均形成“豎直”面，起爆方向?qū)_擊波場(chǎng)傳播影響逐漸減小.

表2 不同起爆方向沖擊波中近場(chǎng)傳播對(duì)比Tab. 2 Comparison numerical model of shock wave propagation in the air

仿真獲得了距爆炸原點(diǎn)地面4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 的超壓-時(shí)間曲線，如圖5 所示，兩端點(diǎn)起爆相比一端點(diǎn)起爆在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)沖擊波傳播速度更快，沖擊波超壓更大. 相比上端點(diǎn)起爆和下端點(diǎn)起爆，兩端點(diǎn)起爆沖擊波峰值時(shí)間分別平均減小了0.03 ms，0.35 ms，1.98 ms，3.31 ms 和3.33 ms，沖擊波超壓峰值分別平均提高了29%，52%，84%，28%和13%.

圖5 仿真獲得沖擊波超壓-時(shí)間曲線Fig. 5 Simulation result, shock wave overpressure varying with time

將仿真獲得的壓力峰值按照公式（1）進(jìn)行擬合如圖6 所示，兩端起爆在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)沖擊波峰值相比一端起爆顯著提高，沖擊波超壓平均提升34 %. 上端起爆在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜2.4 m·kg-1/3內(nèi)沖擊波超壓低于下端起爆，在比例距離2.4 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3內(nèi)沖擊波超壓高于下端起爆.

圖6 不同起爆方向仿真結(jié)果沖擊波超壓-比例距離擬合曲線Fig. 6 Simulation result, overpressure vs. scaled distance fitting curves

仿真上端點(diǎn)起爆超壓峰值擬合

仿真下端起爆超壓峰值擬合

3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析討論

對(duì)比上端起爆相比下端起爆的超壓增益仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，試驗(yàn)增益曲線由式（2）～（3）獲得，仿真增益曲線由式(5)～(6)獲得. 仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明在比例距離Z小于一定值（仿真2.4 m·kg-1/3，試驗(yàn)2.1 m·kg-1/3）時(shí)上端起爆超壓峰值小于下端起爆超壓峰值，隨著比例距離增加上端起爆超壓峰值大于下端起爆超壓峰值. 上端點(diǎn)起爆相比下端點(diǎn)起爆增益幅度較小最大僅15%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易被測(cè)試誤差覆蓋，試驗(yàn)增益曲線與試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，仿真增益曲線與仿真結(jié)果吻合度較好，試驗(yàn)和仿真有一定偏差. 從試驗(yàn)和仿真獲得的增益曲線趨勢(shì)分析，試驗(yàn)結(jié)論和仿真結(jié)論基本一致，即上端點(diǎn)起爆和下端點(diǎn)起爆炸藥爆炸沖擊波場(chǎng)分布和傳播在近場(chǎng)和中場(chǎng)有一定差異，在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜2.1 m·kg-1/3（試驗(yàn)）內(nèi)下端起爆炸藥爆炸沖擊波從空氣直接作用于地面，沖擊波超壓更高；在比例距離2.1 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3（試驗(yàn)）內(nèi)上端起爆地面馬赫波反射疊加，沖擊波超壓更高.

圖7 上端起爆相比下端起爆超壓增益仿真和試驗(yàn)對(duì)比曲線Fig. 7 Comparison curve of overpressure increasing at top end initiation by simulation and experiment

對(duì)比兩端起爆相比一端起爆的超壓增益仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，試驗(yàn)增益曲線由式（2）～（4）獲得，仿真增益曲線由式（5）～（7）獲得. 仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果超壓增益趨勢(shì)大致相同，均表明在兩端起爆在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)沖擊波峰值相比一端起爆顯著增益，在比距離2.5 m·kg-1/3＜Z＜3 m·kg-1/3的范圍內(nèi)超壓增益最為明顯. 試驗(yàn)增益曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，仿真增益曲線與仿真結(jié)果有一定偏差，主要是因?yàn)榉抡嫖茨荏w現(xiàn)兩端起爆下炸藥能量的增強(qiáng)釋放. 從試驗(yàn)和仿真獲得的增益曲線趨勢(shì)分析，試驗(yàn)結(jié)論與仿真結(jié)論基本一致，即兩端起爆改變了炸藥爆炸沖擊波場(chǎng)的分布和傳播規(guī)律，在一定比例距離方位內(nèi)相比一端起爆出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)效應(yīng).

圖8 兩端起爆相比一端起爆超壓增益仿真和試驗(yàn)對(duì)比曲線Fig. 8 Comparison curve of overpressure increasing at both end initiation by simulation and experiment

4 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了起爆方向?qū)φㄋ幈ń貓?chǎng)和沖擊波場(chǎng)分布和傳播的影響規(guī)律，獲得了不同起爆方向炸藥在比例距離1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)的地面沖擊波超壓威力，研究結(jié)論如下：

①兩端點(diǎn)起爆相對(duì)一端點(diǎn)起爆在1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范圍內(nèi)炸藥近地場(chǎng)沖擊波威力明顯提升，沖擊波超壓平均提升43%，其中比距離2.5 m·kg-1/3＜Z＜3 m·kg-1/3近地場(chǎng)沖擊波威力提升最為明顯.

②不同起爆方向改變了近地面沖擊波的分布和傳播規(guī)律，上端點(diǎn)起爆相比下端點(diǎn)起爆在比例距離2.1 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3內(nèi)地面馬赫波反射，沖擊波超壓更高；兩端點(diǎn)起爆相比一端點(diǎn)起爆爆轟波向裝藥中心匯聚，爆炸產(chǎn)生的沖擊波場(chǎng)沿匯聚中心向周向水平傳播，增加了近地場(chǎng)沖擊波傳播距離和超壓峰值.