尹俊婷，蔚红建，栗宝华，付 伟



金属加速炸药/高爆热炸药复合装药爆炸特性研究

尹俊婷，蔚红建，栗宝华，付 伟

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

通过理论分析和仿真计算研究金属加速炸药/高爆热炸药复合装药的能量输出特性，以及对破片驱动和冲击波超压性能的影响；选择3种炸药组成复合装药结构，制备全预制破片战斗部样弹，采用试验方法验证复合装药的破片驱动能力和冲击波超压特性，并与金属加速炸药单一装药进行比较。结果表明，理论分析及仿真计算与试验结果吻合较好，复合装药的爆速及爆热值在组成复合装药的炸药的极限参数之间；通过复合装药配比调整可以达到破片与冲击波超压综合能量最佳匹配，可应用于杀爆战斗部优化设计。

爆炸力学；复合装药；能量输出；破片驱动；冲击波超压

随着高效毁伤技术的发展，装药结构对武器性能的影响研究受到重视，两种炸药通过内外叠加、上下叠加等方式构成复合装药结构，形成不同的能量输出特性，可实现战斗部的多模式毁伤和多任务适应性。国外通过研究复合装药的爆轰特性理论，达到炸药装药能量输出结构多样化和精细化的目的[1-4]。我国在复合装药方面也开展了一些研究，胡双启[5]等进行传爆药与主装药复合装药的研究，以解决钝感主装药的起爆可靠性问题；韩勇等[6]针对两种不同冲击波感度炸药的复合装药进行冲击波感度实验及数值模拟研究，为炸药装药的低易损性提供理论依据；牛余雷等[7]对外层高爆速炸药包裹内层非理想炸药的双元装药结构进行空中爆炸冲击波超压——时间历程的测量，研究了其空中爆炸的能量输出特性。这些研究主要关注于复合装药对弹药感度或冲击波超压等单一性能的改善与提高，而对复合装药能量输出爆炸特性的关联影响鲜有文献报道。

对于杀爆型战斗部，要求装药具有较强的金属加速能力，能产生高速飞行的破片；同时具有高爆热，能产生较高的冲击波超压和冲量。本文针对金属加速炸药/高爆热炸药复合装药爆炸特性及能量输出特性，通过理论及试验研究复合装药对破片驱动和冲击波超压性能的关联影响，探讨应用复合装药提高杀爆战斗部综合毁伤效能的途径。

1 复合装药特性分析

1.1 能量输出特性分析

1.1.1装药的金属加速特性

炸药装药对金属的加速能力决定于炸药装药爆轰能量输出给金属的效率，美国Kury等人提出圆筒试验，用试验中得到的格尼能来表征炸药金属加速做功能力，炸药对金属加速所达到的最大初速可利用格尼能求出[8]：

（1）

格尼能一定时，可推出破片初速随装填比的变化值△v的计算公式：

根据式（2）计算在=0.5~1.5范围内破片初速随装填比的变化趋势，见图1。

图1 破片初速v0随β的变化趋势

由图1可以看出，破片初速随装填比的增加而增加，但初速增量△v随装填比的增加而减小，当装填比由0.5增加到0.6时，破片初速增量△v为8.7%；当装填比由1.0增加到1.1时，破片初速增量为3.5%，当装填比由1.5增加到1.6时，破片初速增量△v仅为2.0%。说明在装药结构设计中，装填比存在一个最佳匹配值，根据不同的用途和特性，控制炸药能量输出，达到最佳毁伤效果。当金属加速炸药的装药质量满足一定装填比要求时，采用同轴内层装填高爆热炸药，外层装填金属加速炸药复合结构时，就可保持它原有的破片加速特性，同时外层装药的爆轰使内层装药处在一种超级封闭和超压驱动环境中，所产生的高温高压会加速内层装药的反应速度，更快地形成更多反应产物，从而增强爆破效果，达到增加冲击波超压的目的[9]。

1.1.2装药的做功特性

大量实验研究表明，空气中爆炸也存在相似规律，爆炸中的相似性以几何相似为基础。质量为1的炸药装药在作用距离1处空气冲击波阵面超压为△P，则质量为2的炸药装药在作用距离2处要得到同样的空气冲击波阵面超压△P，必须有[10-11]：

（3）

一般以TNT炸药为标准进行计算。对于其他炸药，可以根据能量相似原理换算为TNT当量：

式（4）中：ω为某炸药装药的TNT当量，kg；ω为某炸药装药质量，kg；vi为某炸药爆热，kJ/kg；vT为TNT爆热，kJ/kg，取4 182kJ/kg。

在相同装药质量情况下，某炸药装药与TNT装药冲击波超压作用距离存在如下关系：

根据式（5）计算在vi/vT=1.0~2.5范围内1变化曲线，见图2。

图2 超压作用距离随装药爆热的变化趋势

在相同炸药装药质量情况下，冲击波超压作用距离随装药爆热的增加而增加，由图2可以看出，当炸药装药爆热增加1倍（vi/vT=2）时，冲击波超压作用距离增加1.26（2/1=1.26）倍，说明装药质量一定时，冲击波超压与装药爆热有关，装药爆热增加时，冲击波超压增大。通过采用复合装药，可以在满足破片驱动的同时，调整装药爆热，达到提高冲击波超压的目的。

2 数值模拟

2.1 计算参数

战斗部结构参数如下，装药直径φ280mm，总长1 000mm；距端面200mm起爆，装药为纯金属加速炸药GOXL-1装药及金属加速炸药与高爆热炸药复合装药两类，复合结构中两种炸药装药质量比为1:1，两种炸药参数见表1。3种装药方案中方案1为GOXL-1装药，方案2为GOXL-1（内）+WY-1（外）复合装药，方案3为WY-1（内）+GOXL-1（外）复合装药。计算3种方案下起爆中心距地面1.5m高、端面点起爆时，破片初速及距爆心30m范围内的地面冲击波超压。

表1 装药的性能参数

Tab.1 Performance parameters of charge

2.2 计算方法及模型

2.2.1冲击波超压的仿真计算

（1）计算方法

冲击波超压的仿真计算采用ANSYS/LS-DYNA进行[12]。战斗部地面爆炸效应计算采用二维MMALE流固耦合算法，其中炸药和空气采用二维Euler算法，地面采用二维Lagrange算法，二者之间通过程序设置实现自动耦合。

（2）计算模型及网格

建模时将地面处理为0.5m厚的钢板。为简化建模，采用裸药柱进行计算，由于本模型为轴对称结果，计算时采用结构的1/2进行建模，其中空气域为4m× 35m，地面为0.5m×35m，网格尺寸均为2.5cm，并在对称面和其他边界设置相应的约束条件。在地面距爆心10m、25m、27.5m、30m、32.5m设置观测点。

2.2.2破片初速仿真计算

（1）计算方法

仿真计算采用ANSYS/LS-DYNA进行，计算方法采用三维多物质流固耦合MMALE算法。

（2）计算模型及网格

该计算模型由前后端盖、壳体、φ5mm破片、中心管、主装药和空气组成。由于本模型为轴对称结构，取模型的一部分进行三维建模，并在对称面和其他边界设置相应的约束条件。

战斗部的前后端盖和壳体为钢，中心管为2A12硬铝，破片为钢合金，炸药采用JWL状态方程，空气采用线性多项式状态方程，金属材料采用塑性硬化模型。

2.3 仿真结果及分析

2.3.1冲击波超压

方案3在各观测点的冲击波超压见图3，3种方案各观测点冲击波超压的仿真计算结果比较见图4。

图3 方案3的P——t曲线

图4 3种装药方案冲击波超压比较

可以看出，3种装药方案在不同距离处地面的冲击波超压大小顺序为：WY-1（内）+ GOXL-1（外）复合装药最高，GOXL-1（内）+WY-1（外）复合装药其次，GOXL-1装药最小。说明形成复合装药时，金属加速炸药在外，高爆热炸药在内的复合形式更有利于提高复合装药的冲击波超压。

2.3.2破片初速

方案1中破片的速度时间曲线见图5，从图5中可以看出，在250μs时破片的速度已稳定并达到最大。3种方案下的破片初速仿真结果见表2。可以看出，3种装药方案中，GOXL-1炸药装药金属驱动能力强，破片初速最大，两种复合装药的破片初速相当。说明当复合装药的质量比例一定时，高爆热炸药在内或外的复合形式对破片驱动能力影响不大。

图5 方案1v——t曲线

表2 破片的初速仿真结果 (m/s)

Tab.2 Fragment initial velocity simulation results

3 验证试验

3.1 测试系统

采用DJJ2-1激光经纬仪，奥地利DEWETRANS公司5000速度测试系统，成都华泰HC-1210型16通道数据采集系统、美国Kistler公司211B4压力传感器、多通道信号适配器组成压力测试系统；测试点到爆心的距离固定，采用掩体保护。

3.2 样弹制备

样弹为全预制破片杀爆战斗部，尺寸为Φ150mm ×154mm，由起爆装置、前端盖、壳体、全预制破片、衬筒、复合装药和后端盖组成，全预制破片为Φ5mm钢珠，密度为7.85g/cm3。样弹结构示意图见图6。

图6 样弹结构示意图

复合装药采用外层金属加速高能炸药、内层高爆热炸药结构，用纯金属加速高能炸药装药做对比，金属加速炸药取GOXL-1，高爆热炸药取两种，即WY-1炸药及JOLU炸药，JOLU爆热为8 500kJ/kg，爆速为6 200m/s，密度为1.90g/cm3。设计4组装药结构：第1组采用纯GOXL-1炸药，第2组采用质量比为2:1的GOXL-1与JOLU复合结构，第3组采用质量比为2:1的GOXL-1与WY-1复合结构，第4组采用质量比为1:1的GOXL-1与WY-1复合结构。每组装药2个平行样弹，共4组8个试验样弹，采用8号电雷管及JH-14C传爆药由端面中心引爆。

3.3 试验布局

试验样弹竖直放置在弹架上，轴线中心位置距地面1.5m。在距爆心5m处布设上、中、下3层测速靶，每层平行均布4路测速靶；在距离9m、11m、13m、15m处地面布设冲击波超压测试点，每个测试点安装一组4个压力传感器，靶场布局见图7。

图7 试验布局

3.4 结果与分析

3.4.1复合装药对冲击波超压影响

压力传感器测得9m、11m、13m、15m处样弹冲击波超压平均值，见表3。

表3 冲击波超压试验结果 （MPa）

Tab.3 Shock wave overpressure test results

图8 地面冲击波超压随距离变化曲线图

由图8试验结果可以看出，1组样弹在9m处冲击波超压最大，但冲击波超压随作用距离的衰减速度较快。由2、3组样弹比较可以看出不同参数高爆热炸药复合情况，两组样弹中GOXL-1金属加速炸药质量一样，但JOLU炸药的爆热（8 500kJ/kg）较WY-1炸药的爆热（7 800 kJ/kg）高，根据冲击波超压形成理论，爆热高，冲击波超压大，故2组样弹冲击波超压较3组样弹大。由3、4组样弹比较可以看出相同参数高爆热炸药不同重量比复合情况，两组样弹中均采用GOXL- 1与WY-1复合结构，重量比分别为2:1和1:1，4组样弹WY-1装填质量高，故有较大的冲击波超压。以上分析说明金属加速炸药GOXL-1近场时具有较大冲击波超压，但随着作用距离增加，较高爆热炸药衰减速度快，采用加入高爆热炸药的复合装药可以有效提高冲击波超压的作用距离。

3.4.2复合装药对破片驱动影响

根据测速靶检测结果，计算在距离5m处4组试验样弹破片平均着靶速度的算术平均值；统计在距离3m处破片穿靶情况，见表4。

表4 破片驱动试验结果

Tab.4 driven fragments test results

由表4试验结果可以看出，平均着靶速度与穿孔百分率由大到小的顺序均为1、3、4、2组样弹，1组样弹装填单一金属加速炸药，破片平均着靶速度值最大。由2、3组样弹比较可看出不同参数高爆热炸药复合情况，两组样弹中GOXL-1金属加速炸药质量一样，但WY-1炸药的爆速（7 400 m/s）较JOLU炸药的爆速（6 200 m/s）高，对破片的驱动能力较JOLU炸药强，故3组样弹平均着靶速度大，说明在考虑高爆热炸药爆热时，应关注高爆热炸药的爆速。由3、4组样弹比较可看出相同参数高爆热炸药不同重量比复合情况，两组样弹中均采用GOXL-1与WY-1复合结构，3组样弹金属加速炸药装填质量高，故平均着靶速度大。破片完整率由小到大顺序为1、3、4、2组样弹，与破片速度大小顺序相反，说明由于金属加速炸药加速能力强，猛度大，对破片冲击产生破片破碎几率大。

4 结论

（1）通过理论计算了金属加速炸药/高爆热炸药复合装药的爆轰参数，复合装药的爆速、爆热在组成复合装药的两种炸药的极限参数之间。（2）数值仿真表明金属加速炸药与高爆热炸药形成复合装药时，金属加速炸药在外、高爆热炸药在内的复合形式更有利于提高复合装药的冲击波超压。（3）采用一定比例的高爆热炸药组成复合装药能够降低冲击波超压衰减速度，提高超压毁伤距离，并能够调节装药猛度，提高破片完整率。（4）对于杀爆战斗部，通过金属加速炸药/高爆热炸药复合装药配比调整，可以得到破片与冲击波超压综合毁伤能量最佳匹配，提高杀爆战斗部综合毁伤效能。

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Explosion Characteristics of Metal Accelerating Explosive/ High Detonation Heat Explosive Composite Charge

YIN Jun-ting，WEI Hong-jian，LI Bao-hua，FU Wei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

Energy output characteristics of composite charge, as well as the influence to fragment and shock wave overpressure were studied by theoretical analysis and simulation calculation. Fragmentation warheads were made with three kinds of explosive composite charge structure, fragment driving capability and shock wave overpressure characteristics of metal accelerating explosive/ high detonation heat explosive composite charge was verified by test, and compared with that of the metal accelerating explosive charge. The results show that the theoretical analysis and simulation calculation is consistent with experiment, detonation velocity and explosion heat of composite charge were between the limit parameters of composite charge explosive composition, the fragments and blast wave overpressure comprehensive energy optimal matching was got by adjusting the ratio of composite charge, the result can be applied to the optimization design of warhead.

Mechanics of explosion；Composite Charge；Energy output；Fragment drive；Shock wave overpressure

1003-1480（2015）03-0033-05

TQ560.71

A

2014-12-05

尹俊婷（1964-），女，副研究员，从事杀爆战斗部设计研究。

“十二五”基础研究（00401030102）。