韩克华, 任 西, 李 慧, 张玉若, 褚恩义

(陕西应用物理化学研究所,应用物理化学国家级重点实验室, 陕西 西安 710061)

1 引 言

钝感弹药(Insensitive Munitions,IM)对于热、撞击、弹药攻击等剧烈的外界刺激表现出良好的稳定性,更适应未来战争的需要,采用钝感火工品起爆技术是武器系统的核心控制技术[1-3]。国外在钝感弹药起爆方面取得了很大发展,2009年53届引信年会上出现的极端钝感爆轰物质(Extremely Insensitive Detonating Substance, EIDS)起爆系统,去除了传爆序列中传爆药柱的环节,采用冲击片雷管多点同步起爆方式,利用多发冲击片雷管爆炸产生的爆轰波相互叠加形成超压爆轰,使得局部爆轰波压力超过钝感炸药的临界起爆压力,直接起爆钝感炸药[4]。国内目前对钝感弹药领域研究工作分散,还未能掌握研究领域的关键技术。冲击片雷管作为高安全性钝感火工品的典型代表,它不含敏感的起爆药,始发装药是美军标规定的直列式许用HNS(2,2′,4,4′,6,6′-六硝基,以下简称HNS-Ⅳ)[5],而且不与换能源直接接触,虽然传统结构的爆炸箔冲击片雷管在现阶段可以有效提高安全性[4,6],但是由于传爆序列的安全性和可靠性问题,以及小体积装药尺寸等问题还没有完全解决。在钝感弹药中,为保证直列式传爆序列的安全性以及可靠性,需尽量减少传爆序列,减小装药尺寸,以适应未来战争对起爆系统小型化、毁伤弹药能量大的要求[1-3,7]。为达到上述要求,本工作采取冲击片雷管多点同步起爆技术,利用多点冲击片雷管同步爆炸产生的爆轰波相互叠加,形成超压爆轰直接起爆钝感炸药,对冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力值进行数值模拟和试验研究,为钝感弹药多点同步起爆以及超压起爆设计提供技术支撑。

2 多点同步起爆数值模拟

2.1 多点同步起爆结构

多点同步起爆分别为三点、四点、六点和八点同步,其结构如图1所示。使用冲击片雷管作为多点同步起爆点,其初始装药为圆形HNS-Ⅳ药柱。在数值模拟的基础上,选定一种冲击片雷管结构参数,配用多种起爆方式进行试验,对各种影响因素下产生的爆轰波压力值进行分析对比,从而确定最佳的匹配关系。

2.2 HNS-IV爆轰产物JWL状态方程

对于炸药,其爆轰过程均可采用JWL模型来描述多点叠加作用过程,此模型用于计算炸药爆轰波在空间流动的传播规律[8-10]。1965年,Lee等在Jones和Wilkins的工作基础上,提出了JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程[11],它不显含化学反应,能精确描述爆轰产物的等熵膨胀过程,其形式为:

a. 3-point b. 4-point

c. 6-point d. 8-point

图1 冲击片雷管多点起爆结构模型

Fig.1 Multi-point initiation structure model of the slapper detonator

(1)

式中,ps为爆轰产物的压力;V为爆轰产物的相对比容;A、B、R1、R2、ω和E0为6个待定参数。表1为确定的HNS-Ⅳ炸药爆轰产物JWL状态方程参数[12]。

数值计算中运用显式动力学有限元程序AUTODYN软件对多点同步起爆爆轰波进行3D数值模拟,用空气域作为基底,以圆形药柱作填充,试验参数参考软件内部数值,模型各部分均采用Euler公式计算[13],对于本试验所用到的HNS-Ⅳ炸药模块,均采用高能炸药燃烧材料模型和JWL状态方程进行描述,分析多点同步起爆各种条件下的爆轰波压力影响因素。

表1 HNS-Ⅳ炸药爆轰产物JWL状态方程参数

Table 1 JWL EOS parameters for detonation products of HNS-Ⅳ

explosiveρ/g·cm-3D/km·s-1pC-J/GPaA×102/GPaB×102/GPaR1R2ωE0HNS-Ⅳ1.556.89018.904.690.134.581.790.300.0845

3 爆轰波压力数值模拟结果与分析

3.1 起爆点数对超压的影响

采用AUTODYN的Euler公式进行计算,对选定的冲击片雷管多点同步起爆系统结构模型进行仿真,三点、四点、六点、八点同步起爆爆轰波的压力分布区域如图2所示。

由多个起爆点组成的圆形中心位置与每个起爆点圆心之间的距离即为中心距,由于不同的起爆点数分布排列直接影响着多点同步起爆中心距的参数,从而对爆轰波的传播和叠加具有直接的影响作用,结果如图2所示。由图2可见,在180 mg装药量,起爆点中心距均为4 mm的条件下,三点、四点、六点、八点的爆轰压力值分别为39,50,31,38 GPa。可见,相对于三点、六点、八点同步起爆,四点同步起爆具有更高的超压,这是由于三点和四点的起爆点所组成的面积较小,即中心距参数较小,爆轰波发生叠加产生超压,而四点爆轰时有马赫杆的相互作用,由于距离较短马赫杆上仍保持了较高的压力; 三点爆轰时马赫杆呈60°干涉,马赫杆对撞相比四点同步起爆爆压较弱; 六点和八点爆轰时由于中心距较大,爆轰波在碰撞时已经有所减小,故爆压较小。

a. 3-point b. 4-point

c. 6-point d. 8-point

图2 不同起爆点数爆轰波压力分布图

Fig.2 Detonation wave pressure distribution with the different initiation point number

3.2 不同中心距对爆轰波压力的影响

根据上述仿真结果,四点同步起爆能产生更高的爆轰波压力值,故以冲击片雷管四点同步起爆为仿真对象,装药量均为180 mg时,研究四点同步起爆在不同中心距的条件下,其作用过程中产生的爆轰波压力分布情况。不同中心距时爆轰波压力曲线如图3所示。

图3 四点不同中心距的爆轰波压力分布曲线

Fig.3 Four-point detonation wave pressure distribution curves from different center distances

从图3可以看出随着四点同步起爆中心距的不断增加,其最大爆轰波压力峰值减小得比较明显,这是由于冲击波在空气中的衰减呈指数衰减形式,减小速度较快,当爆轰波传递到炸药柱外半径的距离时,爆轰压力仅为药柱直径的9次方分之一。可见,在四点同步起爆时,随着中心距的增加其爆轰波压力随之快速减小并迅速降低。

3.3 同步性时间对爆轰波压力的影响

以冲击片雷管四点同步起爆为仿真研究对象,装药量均为180 mg,起爆点中心距均为4 mm的条件下,研究四点同步起爆过程中的同步性时间对爆轰波压力的影响规律。其仿真的爆轰波压力曲线如图4所示。

从图4可以看出随着同步性时间的不断增加,其最大爆轰波压力峰值减小的比较明显,由于爆轰波之间形成马赫杆以及马赫杆的碰撞是实现超压爆轰的关键,所以各起爆点的同步性增大,随着各起爆点的冲击波在空气中的衰减较快,故各起爆点爆轰后,不能形成马赫杆以及马赫杆不能及时碰撞,故不能实现超压爆轰。可见四点同步起爆在中心距固定时,同步性很大程度上影响着爆轰压力,随着同步性时间散布较大,其爆轰压力越小。

图4 四点同步性时间对爆轰波压力的影响

Fig.4 Effect of time synchronization of a four-point on detonation wave pressure

3.4 装药量对爆轰波压力的影响

以冲击片雷管四点同步起爆为仿真研究对象,在四点同步起爆的中心距均为4 mm以及在不同的装药量条件下,对四点同步起爆的爆轰波压力进行仿真计算,其爆轰波压力分布曲线如图5所示。

从图5可以看出,随着装药量的不断增加,其爆轰波超压值也随着增大,当装药量为150～200 mg时,爆轰波压力值增加幅度较大,其值从20 GPa增加到55 GPa,当装药量从200 mg不断增加时,其爆轰波超压值增加幅度较为平缓。这是由于炸药在一定的压药密度下存在一个极限直径,即炸药的爆速不再增加时的最小装药量直径。当装药量直径大于极限直径时,炸药达到稳定爆轰,爆速和爆轰波压力值得以稳定,由此引起的爆轰波叠加之后的最大爆轰超压值稳定,故在四点同步起爆中心距为4 mm时,当装药量从200 mg不断增加时,其爆轰波超压值增加幅度较为平缓,这是由于已经达到炸药的极限直径,其最大爆轰超压值稳定的缘故。

图5 不同装药量的四点同步起爆对爆轰波压力值的影响

Fig.5 Effect of different loading dose of four-point synchronized initiation on detonation pressure

4 冲击片雷管多点同步起爆试验研究

4.1 试验装置

为了对仿真结果进行验证,利用锰铜超压测试系统对冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力值进行测试,其测试系统原理如图6所示。

图6测试装置中高压脉冲功率源系统主要由型号规格为CT41L/0.3μF/3.0 kV的陶瓷电容器、型号规格为RQ-8001的火化隙高压开关,测试设备包括泰克公司的TDS5054数字示波器,其采样速率不低于1 GS·s-1; 型号规格为HV4kV-6kV的自制高压电源,自制恒流源; 试验中样品冲击片雷管采用中国兵器工业第二一三研究所某型号冲击片雷管。

图6 冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力测试装置原理图

Fig.6 Slapper Detonator multiple simultaneous detonation detonation pressure testing device Schematic

1—high voltage pulse power source, 2—high voltage electrical source, 3—multi-point slapper detonators, 4—organic sleeve, 5—Manganin piezoresistive sensor, 6—digital oscillograph, 7—organic glass, 8—voltaic source

4.2 试验结果

4.2.1 爆轰波压力测试

锰铜压力传感器是一种特殊的压力传感器,主要用于测量冲击波产生的超高压力,其量程上限可达100 GPa,是现有压力传感器中测压量程最高的[14-16]。利用锰铜压阻法分别对三点、四点、六点和八点冲击片雷管同步起爆产生的爆轰波压力值进行测试,由于样品采用同批次的产品,其装药量均为180 mg的HNS-Ⅳ,压药密度,以及结构设计均相同,各起爆点中心距均为4 mm的试验条件下,进行了四组试验,每组试验分别进行四次,测试数据平均值如表2所示,对于冲击片雷管四点同步起爆,对于不同的中心距进行了三组试验,每组进行三次试验,试验数据平均值见表2。

表2 不同起爆点的爆轰波压力测试结果

Table 2 Test data of detonation wave pressure for different initiation point

serialnumbernumberofinitiationpointaveragedetonationpressure/GPa1326.12448.73631.44833.6

由表2可以看出,相对于三点、六点、八点数据结果比较,四点冲击片雷管的爆轰波压力平均值最高,而从上文仿真结果得出,在180 mg装药量,起爆点中心距均为4 mm的条件下,三点、四点、六点、八点的爆轰压力值仿真结果分别为39,50,31,38 GPa,其四点仿真结果也最高,此仿真结果与试验结果相符。但是试验平均值比上文仿真计算值都偏小,这是由于仿真计算时,参数设计属于理想状态,忽视了实际试验中装配以及测试带来的误差。

表3 四点同步起爆不同中心距的爆轰波压力测试结果

Table 3 Detonation stress test results of four different center-point synchronized detonation distance

serialnumbercenterdistance/mmaveragedetonationpressure/GPa1447.22813.73126.5

如表3所示,四点冲击片雷管同步起爆,其超压值随着中心距的增加而快速减小并迅速降低,此试验结果符合上文不同中心距对爆轰波压力的影响仿真曲线结果。这是由于随着四点同步起爆中心距的不断增加,而爆炸后的冲击波在空气中的衰减速度较快的缘故。

4.2.2 四点同步起爆试验

采用高速摄影系统对四点同步起爆过程进行拍摄,结果如图7所示。拍摄多点同步起爆爆炸过程中的高速拍摄系统采用瑞典Scandiflash AB公司的300 kV闪光X射线和中物院超高速光电同时分幅扫描相机。图7a、图7b是装药量均为180 mg的同批次冲击片雷管组成的四点同步起爆作用过程,其中心距分别为4 mm和8 mm,其试验样品采用同批次装药量均为180 mg的冲击片雷管,四点同步起爆的同步性平均值为50.1 ns。图7c为四点中心距为8 mm,装药量分别为两发180 mg和两发260 mg的同批次冲击片雷管组成的四点同步爆炸过程照片。

由图7a可以看出,在中心距为4 mm并且相同装药量均为180 mg时,四点同步起爆产生的爆轰波发生相互碰撞,爆轰波叠加形成超压爆轰,如图中发光范围的部分即爆轰波叠加图形,其与仿真图形与图2b相似。图7b可以看出,在中心距为8 mm并且相同装药量均为180 mg时,由于中心距较远,爆轰波衰减较快,相邻两点爆轰波发生的碰撞较少,产生的超压值也随之降低,如图中形成的“十字”即为爆轰波叠加部分。图7c可以看出,当装药量为180 mg的冲击片雷管爆轰成长即爆轰波输出时,如图7c中发光的两起爆点部分,而装药量为260 mg的冲击片雷管爆轰波还没输出,即图7c中没有光环的两起爆点部分。由于装药量不同,在相同的时间点,药柱爆轰成长不一致,其输出最大压力的时间也不一致,即图7c中四点发光叠加部分图形不规则,导致相邻两点爆轰波无法发生碰撞而无法形成超压爆轰。

200 ns 1300 ns 1500 ns

a. center distance of 4 mm and same loading dose

1200 ns 1300 ns 1500 ns

b. center distance of 8 mm and same loading dose

1200 ns 1300 ns 1500 ns

c. center distance of 8 mm and different loading dose

图7 四点同步起爆作用过程

Fig.7 4-Point synchronization initiation action process

试验测试数据表明四点冲击片雷管的爆轰波压力平均值相对于三点、六点、八点为最高; 四点冲击片雷管同步起爆爆轰波压力值随着中心距的增加而快速减小并迅速降低,试验结果符合冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力仿真结果。

4.2.3 起爆钝感炸药试验

利用闪光X射线可以透过爆炸及高速撞击现象所造成的火光和烟雾,能记录弹丸、破片的形态和轨迹特性,用闪光X射线拍摄系统对冲击片雷管四点同步起爆系统直接起爆钝感炸药TATB过程进行拍摄。其起爆点中心距为4 mm,样品采用装药量均为180 mg的HNS-Ⅳ,压药密度,以及结构设计均相同的同批次冲击片雷管,拍摄照片如图8所示。

图8 起爆钝感炸药TATB照片

Fig.8 Photo of initiating insensitive explosive TATB

从图8中标注部分可以看出,四点冲击片雷管均起爆,破片分布比较均匀; 炸药TATB与四点冲击片雷管接触端面已经完全发生爆轰,这说明冲击片雷管四点同步爆炸产生的爆轰波相互叠加形成超压爆轰,使得局部爆轰波压力超过钝感炸药TATB的临界起爆压力,可以起爆钝感炸药TATB。

5 结 论

采用AUTODYN软件对冲击片雷管多点同步起爆爆轰波压力值进行仿真计算,以及对冲击片雷管多点同步起爆试验研究,可以得出如下结论:

(1)仿真结果表明,在相同装药量下,四点分布较三点、六点和八点具有更高的爆轰波超压值; 在四点同步起爆时,随着中心距的增加其爆轰波压力随之快速减小并迅速降低; 并且同步性时间很大程度上影响着爆轰压力,随着同步性时间散布较大,其爆轰压力越小; 在装药量为150～200 mg时,四点同步起爆爆轰波压力值增加幅度较大,其值从20 GPa增加到55 GPa,当装药量从200 mg不断增加时,四点同步起爆爆轰波超压值增加幅度较为平缓。

(2)经锰铜法对多点同步起爆爆轰波压力进行测试,结果表明四点冲击片雷管的爆轰波压力平均值相对于三点、六点、八点为最高; 四点冲击片雷管同步起爆爆轰波压力值随着中心距的增加而快速减小并迅速降低。

(3)进行了四点同步起爆试验,用高速摄影拍摄其作用过程,结果为在中心距为4 mm并且相同装药量均为180 mg时,四点同步起爆产生的爆轰波发生相互碰撞,爆轰波叠加形成超压爆轰,并能可靠起爆钝感炸药TATB; 在中心距为8 mm并且相同装药量均为180 mg时,由于中心距较远,爆轰波衰减较快,相邻两点爆轰波发生的碰撞较少,产生的超压值也随之降低; 并且由于装药量的不同,在相同的时间点,药柱爆轰成长不一致,其输出最大压力的时间也不一致,导致相邻两点爆轰波无法发生碰撞而无法形成超压爆轰。

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