非對稱起爆云霧爆轟威力場分布特性研究*

韓天一,杜海文,余建斌,袁秋長,郭 莎

(西安近代化學研究所,西安 710065)

非對稱起爆云霧爆轟威力場分布特性研究*

韓天一,杜海文,余建斌,袁秋長,郭 莎

(西安近代化學研究所,西安 710065)

為獲取起爆方式對云霧爆轟威力場的影響,采用TNT裝藥對拋撒云團進行了非對稱單點起爆,通過高速攝影儀及壓力傳感器獲取了云霧爆轟過程及不同距離、方向的超壓值,分析了云霧爆轟波傳播特性及超壓隨距離、方向的變化規律。結果表明,采用非對稱偏心起爆時,云霧場內超壓分布呈現明顯的不均勻性,部分區域存在沖擊波疊加效應,而隨著距離的增大,超壓分布逐漸趨于均勻,起爆方式對云霧爆轟威力場的影響主要體現在近場區域。

云霧爆轟;威力場;沖擊波超壓

0 引言

二次起爆型云爆戰斗部的作用過程分為兩個階段:第一階段是通過拋撒裝藥爆炸作用形成燃料空氣炸藥云團;第二階段是通過高能炸藥對燃料空氣炸藥云團進行二次起爆,形成云霧爆轟,主要通過云霧爆轟波及沖擊波對目標造成殺傷。由于云霧爆轟屬于典型的體爆轟,且拋撒云團覆蓋范圍較大,如對于10 kg級云爆彈,拋撒云團直徑可達10～12 m,與凝聚相炸藥的點爆轟不同,云團形態及起爆方式對威力場有著重要影響。廣大學者分別開展了戰斗部結構、爆炸拋撒方式及云爆劑裝藥等各方面對云霧爆轟威力場分布特性的影響研究[1-6]。文中主要針對拋撒云團二次起爆方式對威力場的影響,開展了非對稱單點起爆方式下,FAE的爆轟過程及云霧爆轟威力場分布特性研究。

1 試驗

1.1 試驗樣彈

試驗采用13 kg裝藥云爆戰斗部樣彈,樣彈整體為薄壁圓柱結構,殼體材料為聚乙烯,中心拋撒裝藥為TNT裝藥,樣彈直徑210 mm,高度為290 mm,樣彈結構示意圖如圖1所示。云爆劑為自主研發的液固型高能云爆劑,主要由高活性金屬粉、液體高能燃料等組成,裝藥密度為1.31 g/cm3,裝藥量為13 kg。

圖1 試驗樣彈結構示意圖

1.2 試驗布局

試驗選擇地面平坦、視野開闊的場地進行,確保在沖擊波測量范圍內無明顯障礙物。試驗時,將試驗樣彈豎直放置于彈架上,樣彈中心距離地面約1.2 m,以其地面投影為爆心。云霧起爆方式采用非對稱單點偏心起爆,根據前期拋撒試驗結果,13 kg裝藥樣彈拋撒云團直徑約為11 m,根據云霧起爆特性研究,當采用高能炸藥點起爆方式時,二次起爆裝藥需布設于3/4云團半徑處,因此對于本次試驗,二次起爆點布設于距離爆心4 m處,起爆藥為壓裝TNT裝藥,裝藥密度1.56 g/cm3,裝藥質量425 g。樣彈布局如圖2所示。

圖2 樣彈布局示意圖

試驗起爆采用遠距離多通道延遲起爆裝置,首先起爆試驗樣彈上端雷管,雷管起爆拋撒裝藥完成云爆劑的拋撒,在經過50 ms延遲后,起爆二次起爆裝藥,完成對拋撒云團的起爆。

為獲取云爆劑拋撒及云霧爆轟過程以及威力場分布特性,沿著與試驗樣彈中心同一水平面內布設高速攝影儀,并在0°、45°、90°、135°、180°方向上布置5條地表反射壓測線,每條測線上距爆心7 m及31 m處布置1個地表反射壓傳感器,測試場布局如圖3所示。

圖3 測試場布局示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 云霧拋撒及爆轟過程

采用同樣的樣彈及測試布局進行了2組試驗,高速攝影儀清晰地記錄了云爆劑的拋撒及云霧爆轟的傳播過程,圖4所示為1#樣彈試驗時高速攝影儀記錄的云爆劑拋撒及云霧爆轟過程。

圖4 偏心起爆時云霧拋撒及爆轟傳播過程

由圖4可見,0 ms至50 ms為云爆劑在中心拋撒藥作用下拋撒形成FAE的過程,在50 ms時拋撒云團直徑約為11 m;在50.2 ms時二次起爆藥起爆,拋撒云團在二次起爆裝藥爆炸作用下開始形成云霧爆轟,云霧爆轟首先發生在二次起爆點附近,逐漸擴展至整個云團,約59.6 ms時云霧爆轟完成。

對于直徑為11 m的拋撒云團,半周長約17.3 m,估算可得云霧爆轟的平均爆速約為1 840 m/s。由于高速攝影無法準確捕捉云霧爆轟波傳爆過程,僅通過爆轟火球及爆轟產物膨脹判斷爆轟波傳播距離,而實際云霧爆轟波傳播速度大于爆轟火球及爆轟產物膨脹速度,因此上述計算的云霧爆轟爆速較之實際值偏小。

為與中心起爆方式云霧爆轟過程進行對比,圖5列舉了中心起爆方式時云霧爆轟傳播過程的高速照片。

圖5 中心起爆時云霧爆轟過程

對比圖4、圖5可見,采用偏心起爆時,云霧爆轟從右至左的傳播過程較為明顯。由于云霧爆轟速度較低,在云霧爆轟波傳播過程中,由于受起爆端稀疏波的影響,云霧爆轟強度將有所降低。

2.2 云霧爆轟威力場分布

云霧爆轟主要通過沖擊波超壓等對目標造成毀傷,圖6所示為距離爆心7 m及31 m處試驗樣彈的典型超壓曲線。

圖6 不同半徑處的沖擊波超壓——時間曲線(樣彈1)

由圖6可見,超壓曲線呈現明顯的多峰結構,其中第一個波峰為拋撒裝藥爆炸形成的沖擊波超壓,該超壓峰值較小,基本對目標不構成毀傷;第二個波峰為云霧爆轟形成的沖擊波超壓峰值,為云霧爆轟的主要毀傷參數。

云霧爆轟為典型的多相爆轟[7],爆轟波由前導沖擊波及后續的化學反應區構成,具有明顯的弛豫結構,弛豫區寬度與前導沖擊波強度及反應區內兩相介質濃度及粒度相關,由于云霧爆轟區域較大,并且受殼體破裂及云爆劑裝藥不均勻性影響,拋撒云團內部濃度分布呈現一定的差異,由此導致云霧區內外威力場的不均勻。表1、表2所示為7 m及31 m處不同角度的超壓值。

表1 7 m處不同角度測線的超壓值

表2 31 m處不同角度測線的超壓值

由表1可見,在距離爆心相同距離處的沖擊波超壓分布呈現較大的波動,對于1#樣彈在7 m處5點超壓數據的標準差為0.129,而31 m處超壓數據的標準差為0.004。標準差反映一組數據集的離散程度,由此可見,隨著距離的增大,超壓分布的不均性逐漸降低。

圖5、圖6所示為距爆心7 m及31 m沖擊波超壓隨測點方向角度的變化曲線。

圖7 7 m處不同角度處超壓分布

圖8 31 m處不同角度處超壓分布

由圖7、圖8可見,兩發樣彈在7 m及31 m處超壓分布特性基本相同,均呈現90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的特性,并且以90°方向為中心軸,超壓分布呈現較好的對稱性。

其中1#樣彈7 m半徑處測點2與測點4的超壓相差較大,對比測點4的P-T曲線(圖6(a))可見,壓力上升及下降過程均無異常,分析原因可能是由于殼體破裂不均勻,導致云團尺寸及濃度分布不均勻(甚至可能出現尖角,如圖9所示),使得測點4的超壓偏大,這種由于云團不規則導致的超壓變化將隨著距離的增大快速衰減,并且由于云團形態的不規則分布影響,使得該區域濃度波動較大,整體爆轟能力降低,因此在31 m處測點9的超壓反而低于測點7。

圖9 拋撒云團形態

表3列舉了采用中心起爆方式時不同距離處0°方向和90°方向超壓值。

表3 中心起爆時的超壓值

對比表1、表2及表3可見,當采用中心起爆方式時,0°方向與90°方向沖擊波超壓值基本相同,因此可以認為起爆方式的不同是導致云霧爆轟威力場分布不均勻的主要原因。

這是由于云爆劑在中心拋撒藥爆炸作用下,拋撒形成環形云霧的濃度分布不均勻,云霧中間出現濃度稀薄區(或稱“空洞”),由于該區域云霧濃度較低,難以形成穩定的云霧爆轟,在位于環形云霧區內二次起爆藥爆炸作用下,云霧爆轟將沿環形云霧兩端同時開始爆轟及傳播,云霧爆轟波傳播示意圖如圖10所示。

圖10 云霧爆轟傳播過程

忽略云團濃度分布的局部不均勻性對云霧爆轟的影響,認為環形云霧區內云霧爆轟傳播速度相同,采用單點起爆時,沿兩端傳播的云霧爆轟波將在A點處相撞,由于受沖擊波疊加效應影響,導致90°方向上沖擊波超壓明顯大于其他方向,同時由于這種疊加效應帶來沖擊波超壓的增益隨著距疊加點距離的增大而減小,由此導致非對稱單點起爆時,云霧爆轟威力場呈現90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的分布特性。

3 結論

1)采用非對稱偏心單點起爆時,由于受中心稀疏區的影響,云霧爆轟將以二次起爆裝藥為起點,分別為沿環形兩側傳播,并由此導致在起爆點對稱方向形成云霧爆轟波的疊加,使得云霧場內超壓分布呈現明顯的不均勻性。

2)采用非對稱偏心單點起爆時,以過起爆點的直徑為對稱軸,超壓分布呈現較好的對稱性。

3)超壓分布不均勻性隨距離的增大逐漸趨于減小,即起爆方式對威力場分布的影響主要體現在近場區域。

[1] 張陶, 惠君明, 解立峰, 等. FAE爆炸場超壓與威力的實驗研究 [J]. 爆炸與沖擊, 2004, 24(2): 176-181.

[2] 張陶, 惠君明, 郭學永, 等. 燃料空氣炸藥爆炸場參數的試驗研究 [J]. 火炸藥學報, 2003, 26(2): 13-15.

[3] 貴大勇, 劉吉平, 馮順山. 幾種典型燃料空氣炸藥威力性能研究 [J]. 含能材料, 2002, 10(3): 121-124.

[4] 張陶, 於津, 惠君明. 爆炸拋撒方式對FAE云霧爆轟特性及威力影響的試驗研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2010, 30(1): 137-140.

[5] 李秀麗, 惠君明, 王伯良. 云爆劑爆炸/沖擊波參數研究 [J]. 含能材料, 2008, 16(4): 410-414.

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[7] 范寶春. 兩相系統的燃燒、爆炸和爆轟 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1998: 136-139.

Study on Blast Field of FAE by Unsymmetrical Detonation

HAN Tianyi,DU Haiwen,YU Jianbin,YUAN Qiuchang,GUO Sha

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

In order to obtain the influence of initiation mode on power field of cloud detonation, the TNT charge was applied to throwing clouds for asymmetric single point initiation. Through cloud detonation process and overpressure values of different distances and directions got by high speed camera and pressure sensor, the propagation characteristics of cloud detonation wave and the variation law of overpressure with distance and direction were analyzed. The results show that with asymmetric single point initiation, clouds inside overpressure distribution show obvious uneven, part of the region takes on superimposed effect of shock wave, and with increase of the distance, overpressure distribution tends to be uniform, detonating manner on cloud detonation power field effect is mainly reflected in the near field.

cloud detonation; blast field; overpressure of blast wave

2015-09-01

韓天一(1984-),男,甘肅天水人,工程師,碩士,研究方向:爆炸力學與云爆戰斗部技術研究。

O381

A