飛片沖擊起爆系統設計與數值模擬*

楊偉苓，姜春蘭，李 明，王在成

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

近幾十年，隨著高性能武器彈藥的發展，彈藥的起爆方式也呈現多樣化[1]。為解決端部多個EFP或預制破片驅動問題，需要調整炸藥裝藥內部的爆轟波波形。傳統的調整炸藥裝藥內部爆轟波波形的方式有不同爆速炸藥組合、端面多點起爆等。采用不同爆速炸藥組合能達到調整爆轟波波形的目標，但是這種方式使裝藥結構尺寸增大且裝藥工藝要求較高;采用多點起爆方式雖然能調整炸藥裝藥內部爆轟波波形的目的，但是多點起爆時間同步性較差。目前研究的飛片沖擊起爆技術在裝藥結構尺寸有限的情況下，能可靠起爆長徑比較大的炸藥裝藥，達到調整炸藥裝藥內部爆轟波波形的目的，滿足端部預制破片或多EFP戰斗部的要求。

1 飛片沖擊起爆系統設計

飛片沖擊起爆系統設計包括飛片的形狀及材料類型的選擇原則、飛片的傾角、飛片與炸藥裝藥間距的確定。

1.1 飛片的形狀及材料選擇原則

飛片類型可分為三種：V型飛片、錐型飛片和平板型飛片(見圖1)。三種飛片在被驅動時壓垮過程完全不同。V型飛片類似錐型罩各微元在爆轟波掃過時，發生一定的翻轉，飛行一定距離時各微元趨近同一平面撞擊炸藥裝藥。錐形飛片在爆轟波到達飛片時中心區域首先運動，隨著爆轟波的掃過，中心區域兩側的微元開始運動，由于中心區域兩側的微元質量逐漸減小，加速度逐漸增大，兩側微元追趕先運動的微元，在一定距離內，各微元運動到同一平面撞擊炸藥裝藥。平板型飛片各處微元的質量相同，爆轟波掃過各微元的加速度相同，致使在一定距離內不能同時到達同一平面撞擊炸藥裝藥。

在裝藥尺寸一定時，錐型飛片具有占用空間小，易于分配各微元質量使其同時撞擊起爆炸藥裝藥的優點。因此錐型飛片要優于V型飛片和平板型飛片。

飛片的材料一般選用具有一定剛性、驅動時不易拉斷的金屬。飛片在滿足臨界起爆壓力的條件下，飛片面積、厚度、密度愈大，就愈易引爆炸藥[2]。

圖1 飛片類型

1.2 飛片傾斜角α的確定

由文獻[3]當爆轟產物絕熱指數γ=3，炸藥能量利用率最大時M/C=81/32(M表示炸藥質量、C表示飛片質量)，平面剛性飛片的最大速度為：

式中：D為炸藥裝藥的爆速;γ為爆轟產物絕熱指數。

副裝藥起爆后以爆轟波波速掃過炸藥與飛片的接觸面加速飛片(見圖 2)，在副裝藥和飛片尺寸一定的情況下，飛片獲得的速度的大小與其自身密度有關;而副裝藥的爆速也與其密度有關[4]，得：

圖2 飛片傾斜角

式中：D為驅動飛片副裝藥的爆速;k為修正系數，k=ρe/ρf副裝藥的密度與飛片材料密度之比。

1.3 飛片與主裝藥的間距

飛片的速度是經過幾次加速逐漸增大、最后達到極值的。因此飛片和主裝藥的間距不能太短也不能太長。太短則速度尚未到達最后的峰值，太長則飛片的平整度受影響。飛片和主裝藥的間距應選擇一個最佳值。

當飛片速度u=umax時，由爆轟產物對飛片的一維驅動理論[3－5]，可計算飛片與主裝藥的距離 xF。

當 γ =3時由式(1)得u=0.3D，代入式(7)，解得?≈0.625，聯立式(6)、式(4)可求得：

由式(8)可知，欲使飛片獲得最大速度時，飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度之比應取為1.25左右;利用式(1)～式(8)可以計算飛片獲得不同速度時，飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度之比的關系曲線(見圖3)。工程計算時，裝藥直徑一定，可以根據所需的飛片速度，根據圖3選擇飛片和主裝藥的間距與副裝藥高度的比值設計飛片起爆系統。

圖3 飛片獲得的速度與最大速度之比與飛片和炸藥裝藥間距與副裝藥高度之比的關系

2 飛片沖擊起爆系統數值模擬

根據上述研究，設計了飛片沖擊起爆系統并進行數值仿真分析。

2.1 飛片沖擊起爆系統結構

根據上一節的分析計算，結合端部多個成型裝藥結構的實際尺寸選取炸藥與飛片的質量比為 2.53、飛片的傾角α為4°，其他結構參數見圖4。

圖4 飛片沖擊起爆系統結構

2.2 有限元仿真模型方案及算法

本模型是軸對稱模型，為了減少網格數量和計算時間建立三維1/4實體模型，有限元計算模型主要包括：空氣域、殼體、主裝藥、飛片、副裝藥、端蓋(見圖5)。

計算模型：1)殼體與飛片接觸處無擋環;2)殼體與飛片接觸處有擋環(擋環的作用起固定飛片的作用)。

計算算法：ALE(Arbitrary-Lagrange-Euler)多材料、流體/結構耦合算法。

圖5 飛片起爆系統計算模型

2.3 材料模型及參數

1)殼體與飛片材料模型采用*MAT-ELASTIC，理想彈性模型假設材料應力－應變的關系符合胡克定律，即應力只取決于應變[6]。飛片在副裝藥的驅動下作用距離短，變形量小，近似以為符合胡克定律。飛片的材料選用20號鋼密度7.85g/cm3、彈性模量207GPa、泊松比 0.3。

2)炸藥選用B炸藥。沖擊起爆時主裝藥采用點火與增長模型，副裝藥采用高能炸藥燃燒模型。B炸藥具體參數見表1。

表1 B炸藥點火與增長模型參數[7]

2.4 數值計算結果及分析

圖6和圖7中的爆轟波形基本一致，合理的擋環尺寸，對固定飛片且保證沖擊起爆調整裝藥內部的爆轟波形是有利的。

從圖6和圖7看出從副裝藥起爆到主裝藥中的波形到達另一端面的時間很小為26μs。飛片在與主裝藥分界面作用過程中，雖然飛片近似保持平整度，但是飛片沿著徑向各微元的速度是存在梯度的，從飛片的中心向邊緣速度逐漸增大，使得主裝藥的邊緣區域的界面壓力大于中心區域的界面壓力，邊緣區域率先起爆，而且起爆區域面積的大小也很理想。起爆區域越大，調整波形需要主裝藥的高度就越低。適當設計飛片的傾角和質量分布對于增大起爆區域的面積是非常有利的。

根據 BKW 計算程序[8]理論計算得，密度為1.717g/cm3的 B 炸藥，爆速為 7780m/s，在單點中心起爆的條件下，其C-J面爆轟壓力為25.7GPa。飛片沖擊起爆波陣面上中心區域壓力比較高近似35GPa，其余區域波陣面壓力近似為C-J面壓力。

圖6 飛片沖擊主裝藥26μs波形圖(殼體無擋環)

圖7 飛片沖擊主裝藥26μs波形圖(殼體帶擋環)

3 結論

1)文中研究的飛片沖擊起爆系統實質是在主裝藥端面產生一個環形起爆區域，環形起爆區域直徑的大小、環形起爆區域面積的大小，受飛片與主裝藥端面的距離和飛片與炸藥沖擊時作用面大小影響。環形起爆區域面積越大、直徑越大，飛片起爆系統設計就越合理。

2)飛片和主裝藥間距近似等于1.25倍的副裝藥高度時，飛片的速度u=umax;在工程設計中，對于飛片沖擊起爆系統設計具有指導意義。

3)采用飛片沖擊起爆方式在裝藥設計中能較好調整波形且使波陣面中心區域的壓力升高;該起爆系統還能可靠起爆裝藥直徑與裝藥高度之比很大的炸藥裝藥，并產生較理想的平面波。

[1]馬貴春，譚迎新，張景林，等.飛片沖擊起爆試驗裝置中炮筒材料的研究[J].爆炸與沖擊，2000，2(17)：274－277.

[2]林桂卿，沙德正，周箭隆.飛片起爆技術研究[J].兵工學報，1992(1)：70－74.

[3]Φ.A.Βaym.爆轟物理學[M].北京：科學出版社，1963.

[4]楊偉苓.網絡化封鎖彈藥系統總體技術研究[D].北京：北京理工大學，2011：68.

[5]章冠人，陳大年.凝聚態炸藥起爆動力學[M].北京：國防工業出版社，1991.

[6]LSTC.LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL Version 971[Z].2006.

[7]史銳，徐更光.炸藥水中爆炸能量輸出結構的數值模擬[J].含能材料，2009，17(2)：147－151.

[8]張寶平，張慶明，黃風雷.爆轟物理學[M].北京：兵器工業出版社，2009：158－160.