爆炸點火快速分離過程的理論與實驗研究

姬 龍，黃正祥，顧曉輝，鄭應民

（南京理工大學 智能彈藥國防重點學科實驗室，南京210094）

快速分離技術的研究一直以來受到人們的廣泛關注，運用領域不斷延伸，如帶探測破－破式串聯戰斗部中前級戰斗部的快速分離，破－穿式串聯戰斗部中隨進戰斗部的快速隨進，艦艇巡航途中快速發射魚雷、導彈對目標實施有效攻擊等，都要求在最短的時間內將發射物體加速到最大速度，一定距離內縮短發射物體的反應時間.

傳統的分離發射機制和作用原理中，火藥裝藥點火方式主要采用電底火點火、點火頭點火、等離子體點火、爆轟點火等，其中電底火點火和點火頭點火技術已經相當成熟且應用廣泛，但點火時間延時為幾ms到十幾ms，很難滿足快速發射的要求[1]；李海元[2]和薛奡煒[3]等通過理論計算和實驗研究，得出等離子體點火可以顯著縮短火藥的點火延遲時間，可控制在ms級以內，但其點火時需要特定裝置，適用范圍有限；張丁山[4]等采用爆轟點火方式可以實現點火延遲時間為0.3ms的目標，但其應用于引燃主裝藥，其后續的燃燒發射過程還需要一定延遲時間.目標機動性的不斷加強對點火延遲時間提出更高要求.為了實現從點火到分離發射的延遲時間控制在ms量級以內，有必要在原有技術上進行深入研究.

本文設計了一種快速分離實驗裝置，采用爆炸點火方式，快速點燃發射藥，靠發射藥氣體的推力剪斷剪切環，實現前級分離體的快速發射.利用密閉爆發器原理和經典內彈道理論建立快速分離發射理論模型，并通過數值計算得到各物理參數的變化規律.

1 快速分離理論模型

快速分離發射主要是利用導爆索爆炸點火點燃發射藥，使發射藥迅速燃燒產生大量的高壓氣體，待藥室內壓力達到剪切環破壞極限時實現前級分離體的快速分離發射.模擬裝置如圖1所示.

圖1 快速分離裝置示意圖

通過上述分析將分離過程分為2個階段：第一階段為發射藥開始燃燒到發射藥氣體壓力達到剪切環破壞極限，即快速燃燒階段；第二階段為剪切環被剪斷至前級分離體增速到最大速度，即快速發射階段.在此過程中，假設：剪切環瞬間剪斷，即達到剪切環破壞極限后，前級分離體開始運動.

1.1 快速燃燒階段

此階段中，藥室空腔體積沒有發生變化，并且發射藥氣體也沒有對外做功，所以可近似看作密閉爆發器，運用其原理對此過程進行分析.

將幾何燃燒定律條件下定容燃燒的p-t理論曲線和密閉爆發器實測p－t曲線進行對比，從而得到理論p－t曲線的斜率dp/dt的表達式，即p－t曲線應滿足的微分方程[5]：

式中，pB為點火壓力；f為火藥力；ω為發射藥質量；ψ為火藥已燃百分數；S為藥室橫截面積；lψ為藥室自由容積長；pH為初始剪切壓力；βH為達到pH時對應的β值；σ為火藥相對燃燒面積；e1為1/2火藥起始厚度；u1為燃速系數；χ、μ和λ為火藥形狀特征量；n為燃速指數；Z為火藥已燃相對厚度；α為發射藥燃氣余容；ρp為發射藥密度；Fτmax為剪斷剪切環所需的最大剪切力.

通過選取合適的pB和u1可以較好地反映爆炸點火時發射藥燃燒規律，并將式（2）～式（5）代入方程（1）進行求解，可得第一階段各參量的數值.

1.2 快速發射階段

當發射藥氣體壓力達到剪切環破壞極限時，剪切環發生瞬間剪切，前級分離體開始加速運動，在上階段條件基礎上建立動態下內彈道方程組[5～7]：

式中，Ik為壓力全沖量；φ為次要功計算系數；m為前級分離體質量；θ＝k－1，k為絕熱指數；Z0、ψ0、σ0為達到剪切環破壞極限時各參數的取值.

由此解出發射過程中前級分離體速度v、行程l、膛內壓力p之間的關系.

1.3 數值求解

運用上述建立的快速分離發射內彈道理論模型，忽略前級分離體剪切過程對內彈道性能的影響，選取雙基圓片狀發射藥，e1＝0.07 mm，f＝1 180kJ/kg，ω＝3g，ρp＝1 650kg/m3，分離體的質量m＝260g，材料為超硬鋁（7A04），且Fτmax＝125 MPa.利用Matlab中四階Runge－Kutta法編程計算，結果如圖2～圖4所示.

圖2 快速分離發射時期膛內p－t曲線

圖3 前級分離體在膛內的v－l關系曲線

圖4 前級分離體在膛內的v－t關系曲線

從圖2～圖4得出快速分離發射內彈道時期膛壓、前級分離體速度以及膛內運動的規律.由圖2可得，膛內壓力達到剪切環剪切壓力所用時間約為125μs.由圖3可得，前級分離體發射時的位移與速度關系，前級分離體分離速度為200m/s.圖4表明前級分離體在125μs時開始運動，到1 ms時前級分離體速度達到最大值200m/s.

2 快速分離實驗研究

根據理論計算結果，本文通過靜態臺架實驗對其進行驗證，模擬爆炸點火方式下前級分離體快速分離發射過程，通過測試儀對分離時間和分離速度進行測試，利用高速攝像進行驗證.

2.1 實驗原理

實驗采用電雷管引爆Φ2.88mm鉛制導爆索，通過導爆索爆炸點燃雙基片狀發射藥，待發射藥氣體壓力達到剪切環剪斷壓力時，前級分離體開始增速運動.為了精確測試快速分離時間，現選用光電耦合器，實現電雷管起爆與測試儀信號輸入同步，見圖5.

圖5 模擬實驗裝置布局示意圖

2.2 實驗結果及分析

通過上述實驗，對快速分離發射裝置的分離時間和分離速度進行測試，實驗結果見表1.

表1 分離時間與分離速度實驗結果表

從表1可得，通過瞬態測試儀測試快速分離時間為197～216μs，發射速度為192～199m/s；由高速攝像測得前級分離體的發射速度為190～195m/s.與圖2～圖4中數值解進行比較，其分離時間為125μs，兩者差異較大.這主要是由于瞬態測試儀測得的分離時間為：從雷管接收到點火信號到發射藥氣體壓力達到剪切環剪切壓力時所用時間，包括雷管延時和導爆索傳爆時間，所以測試時間偏長.通過計算，導爆索傳爆時間tA＝16μs，電雷管延時時間tB＝50μs.由此可得測試分離時間為131～150μs，與計算結果相比偏差為4%～13%.測試結果中發現測試時間有波動，這主要是由測試手段、測試儀響應快慢、干擾等多方面因素引起的，發射時間極短，測試靈敏度要求高，易受干擾.這種誤差范圍內的波動是允許的.

由此可見，采用快速分離發射裝置，利用爆炸點火點燃發射藥的方式，可以有效提高分離時間.這主要是由于傳統分離發射裝置中，熱傳導方式在點火能量傳播過程中占主要地位，不能使發射藥完全同時點燃，只能點燃一部分逐層傳遞，發射藥氣體的生成速率不高，導致氣體壓力剪斷剪切環時間增長；而爆炸點火方式是利用雷管引爆導爆索，由導爆索爆炸產生爆轟能量點燃發射藥，甚至部分發射藥發生爆燃，穿透和侵蝕作用較為顯著，發射藥幾乎同時燃燒，并且導爆索附近的發射藥在其爆炸作用下碎裂，起始燃面增加，燃速增大，點燃較為容易，從而發射藥氣體的生產速率陡升，在較短的時間內氣體壓力超過剪切環最大抗剪切力，實現快速分離.

同時，在前級分離體剪斷剪切環時，發射藥氣體壓力較大，前級分離體獲得較大初始加速度，在較短的發射筒行程內，快速增速，在分離時，達到預期發射速度.由圖3、圖4得數值解中發射速度v＝200m/s，與測試結果基本吻合.由此可證明，快速分離發射理論模型是正確的，為快速分離優化設計提供了理論支持.

3 結論

①快速分離發射裝置在一定條件下，可實現分離時間在200μs左右，發射速度為200m/s，滿足分離戰斗部技術要求.

②利用密閉爆發器原理和發射時期內彈道理論，對分離時間和分離速度進行數值計算，計算結果與實驗結果吻合較好，與實際接近，可近似反映出特定實驗裝置內，爆炸點火方式下內彈道變化諸元.為今后工程優化設計提供理論支持.

③本實驗裝置利用爆炸點火方式點燃發射藥，可以大幅度提高前級分離體的分離時間與發射速度，為實現快速分離發射研究提供依據.

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