用十字形超細(xì)藥條離散群同步起爆實(shí)現(xiàn)超低比沖量加載*

丁 洋，盧 強(qiáng)，李 進(jìn)，郭志昀，王占江

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

飛行器結(jié)構(gòu)表面被高空核爆產(chǎn)生的軟X 射線輻照，瞬時沉積大量能量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表層材料發(fā)生熔化、氣化等現(xiàn)象。這些熔化或氣化的表層材料背離結(jié)構(gòu)面向外噴射，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面受到物質(zhì)噴射時的反作用沖量作用，引起結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)[1]。在缺少大型X 射線模擬源的情況下，化爆模擬技術(shù)是目前研究空間結(jié)構(gòu)在軟X 射線輻照下動態(tài)響應(yīng)的重要技術(shù)手段[2]。

核爆軟X 射線輻照在飛行器表面形成的沖量載荷具有典型的余弦分布特征，余弦分布載荷的化爆模擬技術(shù)所使用的加載源一般有柔爆索、光敏炸藥和薄片炸藥等。Lindberg 等[3-4]和趙國民等[5]發(fā)展了柔爆索加載模擬技術(shù)，按照一定的優(yōu)化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了近似余弦分布的爆炸載荷。20 世紀(jì)70 年代，Benham 等[6]建立了光敏炸藥加載模擬技術(shù)，通過在全尺寸再入彈頭上噴涂一定厚度的光敏炸藥來模擬它在大氣層外軟X 射線作用下的動態(tài)響應(yīng)。Rivera 等[7-9]和Covert 等[10]進(jìn)一步發(fā)展了光敏炸藥驅(qū)動飛片加載殼體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，同時對光敏炸藥的噴涂系統(tǒng)[11]和測試系統(tǒng)[12]進(jìn)行了升級改進(jìn)。近幾年，光敏炸藥加載技術(shù)在炸藥合成技術(shù)、噴涂技術(shù)、起爆技術(shù)和沖量標(biāo)定技術(shù)方面也取得了重要進(jìn)展[13-17]。薄片炸藥加載技術(shù)在20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來[18]，此技術(shù)把炸藥條按照一定規(guī)則離散并放置在殼體表面一定距離處，在炸藥條和殼體之間放置泡沫橡膠等軟材料對爆炸載荷進(jìn)行勻化，以實(shí)現(xiàn)在殼體表面施加近似余弦分布的脈沖載荷[19-21]。薄片炸藥由于加工簡便、安全性高、起爆可靠，已經(jīng)成為飛行器抗軟X 射線輻照考核的重要加載手段。

近年來，隨著抗X 射線防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，相同輻照環(huán)境下，軟X 射線在新型空間飛行器結(jié)構(gòu)表面的沉積量大幅降低，這對飛行器抗軟X 射線輻照考核技術(shù)提出了新的要求，即高均勻度、高同步性和低比沖量。對于傳統(tǒng)炸藥條加載，它的條狀排布、滑移爆轟和橡膠勻化的加載方式，難以滿足新型飛行器考核的需求，原因包括：(1)炸藥條排布間距越小，總條數(shù)越多，均勻性越好，但比沖量越大，難以同時滿足高均勻度和低比沖量的要求；(2)一端起爆、滑移爆轟加載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同部位加載時間不同步，難以滿足高同步性的要求；(3)在殼體質(zhì)量較小或剛度較低時，采用泡沫橡膠進(jìn)行載荷勻化，引入的附加質(zhì)量容易引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的失真；(4)飛行器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時，條狀布藥缺乏設(shè)計靈活性。

本文中，為適應(yīng)新型空間飛行器結(jié)構(gòu)考核的復(fù)雜構(gòu)型、高均勻度、高同步性和低比沖量載荷設(shè)計要求，針對傳統(tǒng)炸藥條加載方式的不足，提出用十字形超細(xì)藥條離散群同步起爆實(shí)現(xiàn)超低比沖量的加載方式；基于自研的太安基薄片炸藥，制作最小截面為0.50 mm×0.33 mm 的系列炸藥條，并壓制組裝精密的十字形離散片炸藥組件；通過平面多點(diǎn)同步起爆離散片炸藥實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該加載方式的可靠性和同步性。通過離散片炸藥爆炸流場數(shù)值模擬，分析平面布藥條件下比沖量空間分布特征和傳播演化規(guī)律，以期為基于薄片炸藥離散群的余弦載荷設(shè)計提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 十字形超細(xì)藥條組件制備

為實(shí)現(xiàn)基于炸藥條的低比沖量加載，需減小藥條的寬度，但藥條寬度越小，可穩(wěn)定傳爆的難度越大。通過改進(jìn)壓藥和裁剪工藝，制作了可穩(wěn)定爆轟的厚度為0.33 mm、長度為10 mm、寬度分別為0.5、0.75、1.0、1.25 mm 的炸藥條，如圖1 所示。每2 根藥條與1 根直徑為0.5 mm 的銀皮柔爆索（線裝藥密度為0.09 g/m）通過模具壓制成十字形片炸藥組件，制作過程和實(shí)物如圖2 所示：首先將柔爆索與金屬支架固定，然后將2 根短炸藥條垂直交叉，通過模具壓緊在金屬支架上，從而實(shí)現(xiàn)柔爆索起爆端與片炸藥中心的無縫連接。

圖1 不同寬度片炸藥條Fig. 1 Sheet explosive rods with different widths

圖2 十字形片炸藥組件及其制作過程Fig. 2 Cross sheet explosive components and their manufacturing process

1.2 分布式布藥方法

為了實(shí)現(xiàn)給定空間構(gòu)型加載，將十字形炸藥布設(shè)在特定形狀的定位板上，定位板的形狀決定了載荷的初始空間構(gòu)型。對于平面加載，定位板形狀為平面殼；對圓柱殼進(jìn)行加載時，定位板形狀為圓柱殼。定位板上預(yù)制與片炸藥分布相同的定位孔，將柔爆索穿過定位孔，并將片炸藥粘貼在定位板上，即可實(shí)現(xiàn)片炸藥的空間定位。

使用平面加載構(gòu)型，共使用21 支十字形片炸藥組件，布藥間距d=25 mm，如圖3 所示。若以截面尺寸相同的0.5 mm 寬炸藥條按滑移爆轟加載方式條狀排布，則相同布藥面密度下的條狀布藥間距為15.625 mm。為對比2 種布藥方式的均勻度，用能夠連續(xù)排布并鋪滿整個二維平面的正方形將布藥平面分割成M個布藥單元，將可使每個布藥單元內(nèi)的含藥量都相同的最小正方形稱作最小布藥單元。因此，可以用單位長度內(nèi)的最小布藥單元數(shù)來衡量布藥均勻度。如圖4所示，十字藥條排布情況下，最小布藥單元邊長為8.838 8 mm，布藥均勻度為113.1 m-1；條狀排布情況下的最小布藥單元邊長與布藥間距相同，即15.625 mm，布藥均勻度為64 m-1。因此，相比條狀布藥，十字布藥的空間均勻度提高了76.7%。

圖3 十字形片炸藥離散起爆陣列Fig. 3 Cross sheet explosive array for discrete detonation

圖4 十字形布藥與條狀布藥的均勻度對比Fig. 4 Comparison of the evenness between cross and strip distributions

為提高加載的時間同步性，分布式布藥采用多點(diǎn)同步起爆的方式。21 根柔爆索匯聚至1 個一入多出的傳爆接頭，并由1 根直徑1.0 mm 的鉛皮柔爆索（線裝藥密度為0.2 g/m）同步起爆，降低了傳統(tǒng)滑移爆轟加載一端起爆的時間不同步性。該傳爆模式可逐級擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)由1 根導(dǎo)爆索逐級同步起爆成百上千個薄片炸藥組件，從而應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的加載。

1.3 測試系統(tǒng)

主要測試包括基于電探針的起爆同步性測試、起爆過程的高速攝影以及加載比沖量測試，測試控制系統(tǒng)如圖5～6 所示。由于爆炸在微秒級的瞬間完成，測試系統(tǒng)需高度的時間同步。

圖5 測試系統(tǒng)原理圖Fig. 5 Schematic diagram of test system

由同步起爆器發(fā)出3 路ns 級同步控制信號：第1 路用于起爆雷管，并依次引爆1 根一級柔爆索、21 根二級柔爆索、21 片十字形片炸藥；第2 路用于觸發(fā)一號示波器并記錄3 路探針信號，其中1 路探針貼于雷管外壁，用于觸發(fā)高速相機(jī)，其余2 路探針貼于片炸藥陣列兩對角處，用于衡量起爆同步性；第3 路用于觸發(fā)二號示波器并記錄沖量擺測量系統(tǒng)的輸出信號。

高速相機(jī)為自研八通道分幅高速相機(jī)，用于捕捉爆炸瞬間圖像。高速相機(jī)各通道曝光時間為0.5 μs，最多記錄時長為4.0 μs。高速相機(jī)由雷管起爆導(dǎo)通電探針產(chǎn)生的電信號觸發(fā)，雷管起爆時刻距離薄片炸藥起爆時刻間隔著柔爆索傳爆時間。2 級柔爆索總長度為300 mm，以爆速6.7 km/s 估算，傳爆總時間約44.7 μs。因此，設(shè)置高速相機(jī)觸發(fā)后延遲44 μs曝光。

沖量擺測量系統(tǒng)[22-23]用于測定爆炸產(chǎn)生的比沖量，擺錘放置于距片炸藥垂直距離40 mm處，兩擺錘平行放置，一個正對藥片陣列中心，另一個中心偏左30 mm。

圖3 所示的定位板通過頂角處的4 個安裝孔固定于一塊中心開孔的立板中心，立板尺寸約2 m×2 m，中心開孔尺寸略小于定位板尺寸。立板的一側(cè)分布起爆組件，包括雷管、導(dǎo)爆索；立板的另一側(cè)分布測試系統(tǒng)（見圖6～7），包括比沖量測試系統(tǒng)、高速攝影測試系統(tǒng)和同步探針測試系統(tǒng)等。立板垂直固定于地面，用于隔絕雷管和柔爆索的爆炸能量對比沖量測試的影響。

圖6 測試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 6 Physical photo of test system

圖7 起爆陣列的安裝方式Fig. 7 Installation mode of the explosive array

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 多點(diǎn)起爆同步性

實(shí)驗(yàn)中21 根十字形片炸藥組件全部起爆，起爆率100%。如圖8 所示，出于超低比沖量的設(shè)計要求，所用藥量很小，起爆能量極低，金屬支架的十字支撐端（見圖2）僅在鋁合金材質(zhì)的定位板上產(chǎn)生了微米級極淺壓痕，部分位置由于與定位板貼合不夠緊密，壓痕甚至不甚明顯。

圖8 實(shí)驗(yàn)后定位板樣貌Fig. 8 Appearance of the positioning plate after experiment

圖9 為高速相機(jī)捕捉到的起爆瞬間，亮斑即為沖擊波發(fā)光，光斑陣列中的圓形及條狀陰影為沖量擺錘及擺桿遮光所致。在第3 個通道曝光之間內(nèi)，亮斑開始出現(xiàn)；在第4 個通道曝光時間內(nèi)，21 個亮斑完全出現(xiàn)。各通道的曝光時間均為0.5 μs，說明起爆的不同步性小于1 μs。左下角的黑色陰影為固定探針?biāo)媚z帶的影響。

圖9 高速攝影捕捉爆炸瞬間Fig. 9 Explosion moment captured by high-speed photography

探針信號給出了系統(tǒng)各事件的發(fā)生時間，如圖10 所示。以起爆器發(fā)出的觸發(fā)信號為零時，探針1 的信號時刻為7 578.96 μs，即雷管起爆延遲時間，與所用雷管性能相符；探針2 與探針1 信號時刻相差45.02 μs，即兩級柔爆索傳爆所需總時間，與事先估算的44.7 μs 基本一致；直接表征起爆同步性的探針2 與探針3 的信號時差為0.38 μs，與高速攝影同步性判讀結(jié)果映證。導(dǎo)致起爆同步性誤差的原因包括：(1)柔爆索與片炸藥連接點(diǎn)情況，影響起爆過程；(2)柔爆索長度誤差及柔爆索爆速的不穩(wěn)定性，影響從雷管到片炸藥的傳爆過程。

圖10 探針信號Fig. 10 Signals of probes

2.2 比沖量測試結(jié)果

由動量矩定理、機(jī)械能守恒定律，可推出沖量擺的比沖量計算公式為：

式中：I為待測比沖量，S為載荷作用面積，L為載荷對轉(zhuǎn)軸的力臂，J為沖量擺系統(tǒng)對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，T0為沖量擺系統(tǒng)固有周期，θm為沖量擺最大擺角，m和l分別為沖量擺系統(tǒng)質(zhì)量和質(zhì)心距，g為重力加速度。

本系統(tǒng)擺錘測量面直徑約為15 mm，中心和左側(cè)擺錘質(zhì)量分別為68.9 和69.1 g，擺桿長200 mm，擺桿質(zhì)量為2.3 g。圖11 為實(shí)測沖量擺系統(tǒng)輸出的電壓信號，滿量程±2.5 V 對應(yīng)±180°擺角。綜合考慮系統(tǒng)各部件轉(zhuǎn)動慣量，計算得出中心沖量擺所測比沖量為79.9 Pa·s，左側(cè)沖量擺所測比沖量為61.4 Pa·s，左側(cè)沖量較小是由邊側(cè)稀疏效應(yīng)造成的。測試誤差可由下式計算：

圖11 沖量擺系統(tǒng)輸出信號Fig. 11 Output voltage signals of the impulse pendulum system

通過簡化，認(rèn)為轉(zhuǎn)動慣量J、擺桿長度L和擺錘面積S引入的不確定度可以忽略，則式(2)可以寫為：

3 數(shù)值模型及驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測試可以給出有限區(qū)域的比沖量信息，但很難給出比沖量在空間上的分布及其傳播演化規(guī)律，更豐富的信息可通過數(shù)值計算獲得。為此，依據(jù)實(shí)驗(yàn)建立了如圖12 所示的數(shù)值模型。由于實(shí)驗(yàn)中定位板僅產(chǎn)生了微米級的極淺壓痕，加載過程可近似為理想反射加載；從實(shí)測結(jié)果看，沖量擺的固有周期為0.9 s，遠(yuǎn)長于爆炸加載過程（約幾十微秒），且金屬靶亦未發(fā)生塑性變形，應(yīng)力波在靶體中的傳播過程可忽略。因此，模型忽略定位板和金屬靶中的應(yīng)力波效應(yīng)，將其簡化為剛體，采用Lagrange 單元描述；炸藥和空氣采用ALE 單元，以共節(jié)點(diǎn)形式實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳輸，并與Lagrange 單元在空間位置有重合，以便程序自動搜索流固耦合邊界；空氣域四周為無反射邊界。

圖12 數(shù)值計算模型Fig. 12 The numerical model according to the experiment

空氣采用多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述：

式中：p為空氣壓力，γ 為比熱比，ρ 和ρ0分別為密度和初始密度，E為空氣比內(nèi)能。取值分別為：γ=1.4，ρ0=1.29 kg/m3，E=2.5 MPa。

炸藥爆轟產(chǎn)物采用JWL 狀態(tài)方程描述：

式中：p為爆轟產(chǎn)物壓力，V為爆轟產(chǎn)物相對比容，E為爆轟產(chǎn)物比內(nèi)能，A、B、R1、R2、ω 為常數(shù)。參數(shù)取值參考手冊UCRL-52 997 中PETN 1.77[24]，分別為：A=617 GPa,B=17 GPa,R1=4.4,R2=1.2, ω=0.25；初始比內(nèi)能為10.1 GPa；初始相對比容為1。炸藥其余參數(shù)取值為：密度ρ=1 770 kg/m3, 爆速D=8 300 m/s, CJ 爆轟壓力pCJ=33.5 GPa。

模型的布局和尺寸與實(shí)驗(yàn)一致，并做了2 處簡化：

(1)簡化了沖量擺系統(tǒng)。將它等效為等尺寸的金屬質(zhì)量塊，以質(zhì)量塊速度信息計算比沖量。

(2) 簡化了片炸藥尺寸。由于片炸藥短邊尺寸僅有0.5 mm，則片炸藥與周邊網(wǎng)格尺寸需小于0.5 mm，這將使模型的單元數(shù)量變得非常巨大而降低計算效率，因此，在此將炸藥短邊尺寸變?yōu)? mm，同時調(diào)整藥片厚度為0.174 mm，使總藥量相同。

在爆炸加載問題中，網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果往往有較大影響，且所需的網(wǎng)格尺寸與炸藥當(dāng)量關(guān)系較大[25-26]。為此，建立了網(wǎng)格尺寸分別為2.0、1.0 和0.5 mm 的模型（見圖13），炸藥厚度方向均設(shè)置兩層網(wǎng)格。計算直至質(zhì)量塊速度v趨于恒定，則質(zhì)量塊局部比沖量為I=ρvl，ρ、l分別為質(zhì)量塊的密度和長度。

圖13 三種網(wǎng)格尺寸Fig. 13 Three types of mesh sizes

3 種網(wǎng)格尺寸下的總ALE 單元數(shù)分別為564 萬、75.3 萬、7.73 萬，隨網(wǎng)格尺寸減小，計算耗時幾何增長，而計算結(jié)果越來越趨近實(shí)測值（見圖14）。當(dāng)網(wǎng)格尺寸為2.0 mm 時，計算結(jié)果比實(shí)測值大30%～40%；當(dāng)網(wǎng)格尺寸為1.0 mm 時，誤差小于15%；當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.5 mm 時，誤差小于5%。由此可知，網(wǎng)格尺寸偏大會使計算比沖量偏大，在該尺寸薄片炸藥計算中，應(yīng)當(dāng)選取0.5 mm 的網(wǎng)格尺寸。

圖14 不同網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果與實(shí)測值的對比Fig. 14 Comparison of experimental and numerical results under various mesh sizes

4 比沖量特性分析

4.1 數(shù)值模型和評價方法

為探究比沖量在空間的分布和傳播演化規(guī)律，建立了如圖15 所示的數(shù)值模型，圖中黑色網(wǎng)格標(biāo)記部分為代表性壓力監(jiān)測單元，模型網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，布藥間距d分別為20、25 和30 mm，其余參數(shù)與圖12 中模型一致。由于藥片布設(shè)具有周期性，在忽略邊側(cè)稀疏波影響的前提下，代表性壓力監(jiān)測單元可表征布藥陣列的比沖量勻化過程。

不同z向距離處的峰值比沖量I(z)和比沖量均勻度偏差U(z)分別為：

式中：N為z層（單元中心z坐標(biāo)為z）監(jiān)測單元總數(shù)，Ii(z)為z層第i個監(jiān)測單元的峰值比沖量。U(z)越小，代表均勻度越高。

4.2 比沖量勻化特性

圖16 為布藥間距為25 mm 時不同z層峰值比沖量的分布。在同一層監(jiān)測單元內(nèi)，峰值比沖量分布關(guān)于2 個對角線具有較好的對稱性，這與布藥方式的幾何對稱性一致。z較小時（以z=2 mm 為例），峰值比沖量分布與初始布藥位置相對應(yīng)，藥片附近的峰值比沖量較大，其余位置峰值比沖量較?。浑Sz的增大（以z=15 mm 為例），由于沖擊波在傳播過程中的相互碰撞、疊加，峰值比沖量發(fā)生了重新分布，呈現(xiàn)中心大、四周小的形態(tài)；隨z繼續(xù)增大（以z=30 mm 為例），沖擊波在多次碰撞、疊加后進(jìn)一步勻化，峰值比沖量的分布已較均勻。

各層峰值比沖量的計算結(jié)果如圖17(a)所示，考慮勻化過程與布藥間距有關(guān)，橫坐標(biāo)采用無量綱量z′=z/d表示；峰值比沖量與布藥面密度α 相關(guān)，縱坐標(biāo)以I′=I/α1/3表示。此時，不同布藥面密度的峰值比沖量演化曲線幾乎重合。這表明，在該周期性離散布藥條件下，峰值比沖量由布藥面密度決定，峰值比沖量隨傳播距離的演化過程由布藥間距決定。

圖17 不同藥片間距下比沖量演化規(guī)律Fig. 17 Evolution of specific impulse under different spacings of sheet explosive

各層峰值比沖量的均勻度偏差如圖17(b)所示，橫坐標(biāo)同樣采用無量綱量z′=z/d表示。從均勻度偏差的演化特征看，勻化過程可大致分為3 個階段：第1 階段為擴(kuò)散段，距離起爆點(diǎn)較近，受離散布藥的影響，均勻度偏差較大，主要通過沖擊波自由擴(kuò)散勻化，勻化速度最快；第2 階段為疊加段，約起始于0.1 倍布藥間距附近，通過沖擊波疊加、碰撞進(jìn)行勻化，此時均勻度偏差仍然較高，勻化速度慢于擴(kuò)散段；第3 階段為均勻段，起始于0.8 倍布藥間距附近，峰值比沖量的分布已達(dá)到較高的均勻度，均勻度偏差小于10%。回看圖17(a)，峰值比沖量的演化過程亦可對應(yīng)分為3 個階段，峰值比沖量在擴(kuò)散段迅速降低，在疊加段逐漸增大，在均勻段逐漸趨于穩(wěn)定。

4.3 藥片形狀對勻化過程的影響

如前所述，峰值比沖量與布藥面密度相關(guān)，勻化過程與布藥間距相關(guān)。若要實(shí)現(xiàn)給定比沖量加載，在相同的布藥面密度下，布設(shè)點(diǎn)數(shù)越多，勻化越快，但同時會帶來制作難度增高、熄爆點(diǎn)出現(xiàn)概率增大的問題。因此，主要討論在相同布藥面密度和布設(shè)點(diǎn)數(shù)下，藥片形狀對勻化過程的影響，此時單個藥片的表面積不變（藥片厚度恒定）。

十字形藥片的特點(diǎn)是在4 個方向上各有一個分支，因此，從分支數(shù)量和分支長度2 個維度來考慮藥片形狀的改變。如圖18 所示，一種方法是增加分支數(shù)量，減小分支長度，極限情況是，分支數(shù)無限多，形成圓形藥片。為方便劃分網(wǎng)格，數(shù)值模型中將藥片設(shè)計為方形。另一種方法是減少分支數(shù)量，增大分支長度，極限情況是，分支數(shù)只有一個，形成短條形藥片。圖19 為3 種類型藥片的數(shù)值模型：方形、十字形和短條形。3 種模型的布藥面密度相同，圖中黑色網(wǎng)格標(biāo)記處為代表性壓力監(jiān)測單元。

圖18 不同形狀藥片的設(shè)計思路Fig. 18 Design ideas for sheet explosives with different shapes

圖19 不同藥片形狀的數(shù)值模型Fig. 19 Numerical models of different shapes of sheet explosive

如圖20 所示，與十字形藥片類似，方形和短條形藥片陣列的峰值比沖量和均勻度偏差演化過程亦可大致分為3 個階段，此為陣列式布藥的共性特征。由于布藥面密度相同，三者的峰值比沖量曲線較接近，但勻化過程差異較大。擴(kuò)散段，3 種陣列初始均勻度偏差基本相同，由于形狀的差異，方形藥片陣列最快進(jìn)入疊加段，短條形最慢，十字形處于二者之間。疊加段，方形均勻度偏差最大；短條形均勻度偏差最小，但起伏較大，進(jìn)入均勻段的速度與方形相當(dāng)，均在1 倍布藥間距附近；十字形均勻度偏差起伏較小，最快進(jìn)入均勻段，約在0.8 倍布藥間距處。均勻段，短條形和方形均勻度偏差相當(dāng)，曲線幾乎重合，十字形均勻度偏差最小。以進(jìn)入均勻段的速度和均勻段的勻化程度來看，十字形最優(yōu)，方形和短條形接近。

圖20 不同形狀藥片陣列的峰值比沖量和均勻度偏差演化過程Fig. 20 Evolution of peak specific impulse and uniformity deviation of sheet explosive arrays with different shapes

同理，進(jìn)一步開展與傳統(tǒng)條狀排布滑移爆轟加載形式的對比分析。在保持布藥面密度、藥條寬度和厚度相同的前提下，該加載方式的布藥間距為15.625 mm。如圖21(a)所示，在藥條一端起爆，選取緊鄰y=0 平面的一層單元作為代表性壓力監(jiān)測單元。不考慮滑移爆轟所帶來的時間不同步性，如圖21(b)所示，條形布藥勻化過程與短條形較類似，但由于布藥間距較大，均勻度偏差起伏較大，進(jìn)入均勻段較晚，且偏差值高于短條形和十字形。由此可見，相比傳統(tǒng)條狀排布滑移爆轟加載，使用十字形藥條離散群同步加載，不僅提高了時間同步性，而且提高了載荷均勻性。

圖21 條狀布藥滑移爆轟加載數(shù)值模型和比沖量勻化過程Fig. 21 The numerical model and homogenization process of specific impulse under sliding detonation loading of explosive rods

5 結(jié) 論

使用十字形超細(xì)藥條離散群同步起爆的方法，實(shí)現(xiàn)了高同步性、高均勻度、低比沖量平面加載。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：(1)同步性方面，各十字形片炸藥起爆同步性誤差小于1 μs；(2)均勻度方面，相比炸藥條滑移爆轟加載模式，布藥空間均勻度提高了76.7%；(3)比沖量方面，實(shí)測比沖量低至幾十帕秒量級。在此基礎(chǔ)上，保證了起爆的可靠性，起爆率達(dá)到100%。

為進(jìn)一步明確該加載方式下載荷比沖量演化特性，建立了離散薄片炸藥加載數(shù)值模型，模型可靠性得到了比沖量實(shí)測結(jié)果的驗(yàn)證；選取了代表性壓力監(jiān)測單元進(jìn)行比沖量勻化過程分析，得出以下結(jié)論。

(1)在周期性離散布藥條件下，峰值比沖量由布藥面密度決定，峰值比沖量的演化過程由布藥間距決定。

(2)比沖量勻化過程可分為3 個階段，即擴(kuò)散段、疊加段和均勻段，擴(kuò)散段通過沖擊波自由擴(kuò)散勻化，疊加段通過沖擊波疊加、碰撞勻化，最終進(jìn)入比沖量分布較為均勻的均勻段。

(3)方形和短條形藥片陣列進(jìn)入均勻段所需的勻化距離約為1 倍布藥間距，而十字形藥片陣列僅需約0.8 倍布藥間距，且在均勻段的勻化程度更高，因而在平面布藥加載情況下，十字形藥片具有較大優(yōu)勢。

(4)離散炸藥群同步起爆的加載方式，相比條狀布藥滑移爆轟加載，不僅提高了載荷同步性，而且提高了載荷均勻度；利用片炸藥和結(jié)構(gòu)之間的空氣層對載荷進(jìn)行勻化，可避免橡膠附加質(zhì)量過大帶來的結(jié)構(gòu)響應(yīng)失真。

本文中僅以平面同步加載作為原理性驗(yàn)證，若進(jìn)一步改變各薄片炸藥所對應(yīng)柔爆索的長度、改變定位板的形狀，可實(shí)現(xiàn)特定空間構(gòu)型、特定時序的爆炸加載，從而應(yīng)用于復(fù)雜形狀、復(fù)雜工況下的爆炸加載考核。