滅火戰(zhàn)斗部拋撒參數(shù)的工程計算與試驗研究

唐 輝，趙麗俊，2，焦志剛

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159； 2.北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

與傳統(tǒng)彈藥戰(zhàn)斗部不同，液體滅火戰(zhàn)斗部依靠中心爆管內置的炸藥爆炸驅動液體滅火劑向外拋撒，其主要用于撲滅建筑、陣地、岸灘及水面等的火障。滅火劑的拋撒特性直接決定滅火戰(zhàn)斗部的作用效能。近年來，許多科研人員對液體滅火戰(zhàn)斗部的裝填物拋撒過程進行了相關研究[1-5]。徐豫新等[6]以毀傷判據(jù)和靜爆拋撒試驗結果為基礎，提出了一種滅火戰(zhàn)斗部威力優(yōu)化設計方法，可用于指導工程實踐。韓寶成等[7]將滅火戰(zhàn)斗部靜爆拋撒試驗和模擬彈動態(tài)拋撒試驗相結合，并據(jù)此建立物理簡化模型，提出了一種液體滅火劑拋撒參數(shù)工程計算方法，計算結果與試驗相吻合。然而，目前已有的液體滅火劑拋撒參數(shù)計算方法未系統(tǒng)地考慮反映戰(zhàn)斗部本身特性的物理參數(shù)對其影響，且計算過程均較為復雜。為使工程計算更為可靠，需要建立戰(zhàn)斗部各特性參數(shù)與拋撒參數(shù)間的數(shù)值關系，同時在保證精度的前提下盡可能尋求更為簡便的計算方法。

本文以爆炸過程中的能量轉換為切入點，依據(jù)能量守恒原理建立包含液體拋撒參數(shù)的能量恒等式，合理簡化后得到各拋撒參數(shù)的工程計算方法，并根據(jù)滅火戰(zhàn)斗部靜爆試驗結果對其計算精度進行驗證。

1 液體滅火戰(zhàn)斗部爆轟原理

不同于裝填固體炸藥的彈藥在空氣中的爆炸過程，液體彈藥的爆炸過程類似于炸藥在水中爆炸對靶體的毀傷過程[8-9]。液體彈藥中用來提供驅動能量的炸藥裝填量通常較少，根據(jù)裝填物類型和作用原理的不同，炸藥的裝填比一般為0.1%～10%。為使液體裝填物在小劑量炸藥驅動下的拋撒過程穩(wěn)定均勻，戰(zhàn)斗部殼體通常設置多道等間距排布的預制槽。

本文主要研究液體滅火戰(zhàn)斗部的初始拋撒階段，即液體裝填物從開始運動到其擴散至預定半徑的過程，其本身不參與爆轟反應。中心爆管裝藥瞬時爆轟，產(chǎn)生大量高溫高壓的氣態(tài)爆轟產(chǎn)物，爆轟產(chǎn)物在液體中急劇膨脹形成氣泡；高壓作用下的液體裝填物為可壓縮流體[10]，爆轟產(chǎn)物急劇壓縮液體并在其中形成強沖擊波向外傳遞，使得液體壓力升高[11]；持續(xù)膨脹的爆轟產(chǎn)物氣泡與壓力大幅增強后的液體裝填物共同推動殼體向外膨脹，戰(zhàn)斗部殼體中產(chǎn)生的環(huán)向拉應力導致殼體瞬時破裂；超高壓的液體接觸空氣后急劇膨脹，在空氣中形成沖擊波，同時稀疏波侵入液體，導致液體呈放射狀噴射并在空氣中快速擴散，其中徑向擴散速度最高，且遠大于軸向和環(huán)向擴散速度，文中液體拋撒初速即指其徑向擴散速度的最大值。氣-液界面運動速度的不斷降低以及因重力作用導致的自由沉降決定了液體的最終拋撒半徑。

液體的環(huán)向擴散將逐步彌合因預制槽導致的液體分布間隙。向液體裝填物中傳播的徑向稀疏波逐步衰減，導致液體徑向擴散速度分布存在中心低邊界高的特點，因此液體裝填物劑量沿徑向由內向外逐步遞減，爆轟產(chǎn)物導致液體裝填物分布中心存在一定的空白區(qū)。

2 拋撒參數(shù)計算方法

為確定液體滅火戰(zhàn)斗部各拋撒參數(shù)之間的數(shù)值關系，對戰(zhàn)斗部爆炸過程中的能量轉換進行分析。中心爆管炸藥起爆后，爆轟產(chǎn)物瞬時膨脹，來不及與其他介質發(fā)生熱交換或熱交換量極小而忽略，故將液體初始拋撒階段視為絕熱過程；考慮到滅火劑在初始拋撒過程中沖擊波主要在液體內傳播，故空氣沖擊波能量可忽略不計；在爆炸載荷作用下，戰(zhàn)斗部殼體發(fā)生變形和破裂，考慮到殼體較薄，且殼體壁上的預制槽處存在應力集中現(xiàn)象，殼體變形和破裂所需能量占比極少，故殼體變形功和破裂能也忽略不計。根據(jù)能量守恒原理，中心爆管炸藥爆炸過程中所釋放能量的轉換關系式為

meQv=Ei+Egk+El+Ed

(1)

式中：me為中心爆管炸藥質量；Qv為炸藥爆熱；Ei為爆轟產(chǎn)物內能；Egk為爆轟產(chǎn)物動能；El為液體裝填物動能；Ed為破片動能。式(1)中各部分能量的計算式分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：r0為殼體初始半徑；rt為殼體破裂半徑(根據(jù)前期靜爆試驗結果取經(jīng)驗值，本文取為1.5r0)；vd為破片初速；ml為液體裝填物質量；vl為液體裝填物拋撒初速；ms為戰(zhàn)斗部殼體質量。

液體戰(zhàn)斗部起爆后，液體裝填物和殼體先經(jīng)歷極短時間的加速過程，受空氣阻力和液體黏性等因素的作用，二者在獲得最大徑向速度后開始減速。文獻[12]的研究結果表明，在強沖擊載荷作用下，液體裝填物在起爆后2～4ms內獲得最大速度。在液體獲得最大拋撒初速時，殼體破片隨液體一同運動，但其速度小于液體拋撒速度，為此引入速度修正系數(shù)k(根據(jù)前期試驗結果，取經(jīng)驗值0.3)來描述破片初速與液體裝填物拋撒初速的關系，即

vd=kvl

(6)

將式(2)～式(6)代入式(1)，整理得

(7)

液體在空氣中噴射和擴散過程非常復雜，為簡化計算，忽略液體沿徑向預制槽的噴射，液體裝填物以柱面形式向外擴散，氣-液界面的徑向擴散速度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。以液體拋撒速度的微分定義式為基礎，經(jīng)積分運算整理后得到拋撒半徑R與殼體初始半徑、液體拋撒初速之間的關系為

(8)

式中ω為引入的修正系數(shù)，可根據(jù)靜爆試驗結果擬合得到，本文取為32。

3 驗證試驗

3.1 試驗方法

液體滅火戰(zhàn)斗部靜爆拋撒試驗布置如圖1所示。試驗戰(zhàn)斗部采用兩種不同的殼體材料，分別為鋁合金2A12和45鋼，殼體外形為圓柱形，內部裝填液體滅火劑，殼體中央設置的中心爆管內部裝有TNT炸藥藥柱。試驗采用高速攝影機記錄滅火戰(zhàn)斗部整個爆炸過程及液體滅火劑拋撒過程，然后利用Matlab軟件對高速攝影圖片進行圖像處理[13]，測算出液體滅火劑拋撒初速及拋撒速度衰減規(guī)律。

圖1 試驗布置圖

3.2 試驗現(xiàn)象與結果

滅火戰(zhàn)斗部靜爆試驗后搜集到的部分鋁合金2A12殘余殼體如圖2所示。

圖2 靜爆試驗后戰(zhàn)斗部殘余殼體

由圖2可以看出，液體滅火戰(zhàn)斗部爆炸瞬間，其殼體表面的預制槽處存在應力集中現(xiàn)象，使得殼體沿預制槽規(guī)則斷裂，有利于滅火劑均勻擴散。

以中心爆管炸藥質量為273g的戰(zhàn)斗部靜爆試驗為例，其靜爆過程如圖3所示。

圖3 滅火戰(zhàn)斗部靜爆過程

由圖3可以看到，中心爆管炸藥起爆后，液體滅火劑沿戰(zhàn)斗部中心軸對稱拋撒。在拋撒初始階段，液體輪廓飽滿且呈棗核狀(圖3a)；沖出殼體時，其外緣明顯發(fā)亮，表明此時外緣液體由于空化現(xiàn)象導致其性質發(fā)生改變，滅火劑已不再是連續(xù)的液環(huán)(圖3b)；隨著爆炸擴散的持續(xù)進行，液環(huán)直徑加速擴大(圖3c～3e)；靜爆5ms時，由圖3f中可觀察到液體在重力作用下開始發(fā)生較為明顯的沉降。

液體滅火戰(zhàn)斗部靜爆拋撒參數(shù)的計算值與試驗實測值對比如表1所示。

表1 拋撒參數(shù)計算值與試驗實測值對比

對比表1中第1發(fā)和第2發(fā)、第4發(fā)至第7發(fā)的試驗結果可以看出，在戰(zhàn)斗部殼體材料和殼體結構參數(shù)一致的前提下，隨著中心爆管裝藥質量增加，液體滅火劑的拋撒初速和拋撒半徑均隨之增加，這是滅火劑獲得了更多拋撒動能導致的直接結果。對比表1中第4發(fā)和第5發(fā)的試驗結果可以看出，在殼體材料、結構參數(shù)和中心爆管裝藥質量均一致的起爆條件下，二者的實測拋撒半徑存在差異，這是雷管起爆能量、同種材料殼體力學性能以及實時氣象條件等的微小差異綜合作用導致的結果。對比表1中第2發(fā)和第3發(fā)的試驗結果可見，在殼體結構參數(shù)和中心爆管裝藥參數(shù)均一致的情況下，第2發(fā)的液體拋撒初速和拋撒半徑均略大于第3發(fā)，主要原因是鋁合金2A12的密度低于45鋼[14]，兩種殼體質量不同，使得第2發(fā)戰(zhàn)斗部的破片動能更小，液體拋撒動能更大，同時由式(7)和式(8)也可看出，殼體質量ms越小，液體拋撒初速vl越高，進而使拋撒半徑R越大。除第4發(fā)液體初速實測值未測出外，其余6發(fā)滅火戰(zhàn)斗部的液體初速計算值與實測值的相對誤差均小于18.8%，拋撒半徑的相對誤差均小于17.6%。

4 結論

以能量守恒和爆轟原理為基礎，結合靜爆試驗，建立了一種拋撒參數(shù)的工程計算方法，并得到以下結論。

(1)在一定裝藥質量范圍內，當滅火戰(zhàn)斗部殼體材料和殼體結構參數(shù)相同時，液體滅火劑的拋撒初速和拋撒半徑均與中心爆管裝藥質量成正相關關系。

(2)按照本文提出的計算方法，液體滅火劑拋撒初速的工程計算值與試驗實測值的最大相對誤差為18.8%，最小相對誤差為2.2%，拋撒半徑的工程計算值與試驗實測值的最大相對誤差為17.6%，最小相對誤差為2.2%，工程計算值與試驗實測值之間的誤差滿足滅火戰(zhàn)斗部工程設計中的誤差控制要求。

(3)滅火戰(zhàn)斗部拋撒參數(shù)與殼體、液體裝填物和中心爆管炸藥性能等因素緊密相關，在其余參數(shù)已知的前提下，可根據(jù)本文提出的計算方法對任意兩項拋撒參數(shù)進行校核，在拋撒參數(shù)指標約束下，亦可依據(jù)本文建立的工程計算方法對中心爆管裝藥量進行估算。