爆炸沖擊波作用下屏蔽裝藥模型起爆判據研究

明路遙，李昌坤，程　波，羅　杰

(西南技術工程研究所，重慶　400039)

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爆炸沖擊波作用下屏蔽裝藥模型起爆判據研究

明路遙，李昌坤，程波，羅杰

(西南技術工程研究所，重慶400039)

摘要:為了研究屏蔽裝藥在爆炸沖擊波加載下的臨界起爆判據，基于側壁影響可忽略和一維平面沖擊波的假設，采用將沖擊波作用下的戰斗部簡化為屏蔽裝藥模型，在簡化主發炸藥的爆轟波波形的基礎上，將主發炸藥的作用等效為破片沖擊過程的方法，得到了戰斗部簡化模型的沖擊起爆判據，此判據為不敏感彈藥的研究提供了理論基礎。

關鍵詞：爆炸沖擊波；沖擊起爆；判據

近年來，隨著國防工業對彈藥在外界刺激下的穩定性的重視，彈藥在不敏感方面的研究成為了一個熱點。戰斗部在沖擊波作用下的響應作為彈藥不敏感研究的重要方面，相關研究還鮮見報道[1-6]。本研究從戰斗部整體的角度出發，基于適度的假設，提出了爆炸沖擊波作用下戰斗部裝藥沖擊起爆判據，為后續的深入研究奠定一定的理論基礎。

1戰斗部受沖擊波作用過程分析

戰斗部受沖擊波作用的場景很多，如彈藥爆炸后產生的沖擊波作用于鄰近彈藥，又如彈藥受到高速碰撞等。戰斗部在受沖擊波刺激后并非立即產生某種響應，而是在響應之前存在著復雜的與沖擊波的作用過程，其示意過程如圖1所示。

理論上，爆炸沖擊波都是三維的，完全意義上的一維爆炸沖擊波根本就不存在，然而三維沖擊波與固壁間相互作用,以及沖擊波相互之間的作用過程是非常復雜的，必須借助于數值模擬軟件進行仿真分析，所以此處必須對沖擊波作用于戰斗部的問題進行合理簡化，以便建立理論計算模型。假設:

1) 作為外界激勵的沖擊波是一維平面波；

2) 經戰斗部殼體耗散后的沖擊波，除邊沿局部受側向稀疏波影響較嚴重外，中心區域仍可視為一維平面波。

3) 當沖擊波的作用半徑遠小于殼體尺寸時，平行于沖擊波傳播方向的側壁對炸藥裝藥的沖擊起爆的作用可忽略。

因此，戰斗部簡化后的屏蔽裝藥模型如圖2所示。

圖1　沖擊波作用戰斗部與能量傳遞框圖

圖2　簡化戰斗部沖擊起爆模型

2主發炸藥爆炸沖擊波的波形簡化

在分析之前需對理論爆轟波的結構[7](見圖3)作一點簡化，由于von Neumann峰在傳入金屬后就會立即耗散，例如當炸藥與鋁板接觸爆炸時，von Neumann在進入鋁板1.25 mm處就完全消失了，所以在分析初始沖擊波的耗散時，可以將圖3壓力波形中的陰影部分略去，也即是將爆炸沖擊波轉化為理論沖擊波，其峰值平臺為炸藥的C-J壓力。而根據沖擊波理論可知，飛片垂直撞擊金屬固體平板時，形成的沖擊波波形接近理論的波形，所以基于此做如下的近似處理：將爆炸沖擊波的作用等效為某一速度下飛片的撞擊作用，并取飛片的直徑等于沖擊波作用半徑,在本模型中即為主發炸藥的直徑，該飛片的厚度近似與主發炸藥的化學反應區厚度的1/2相等，且撞擊殼體后的初始壓力應與主發炸藥的C-J爆壓相等。

基于前述的假設和上述的近似，則沖擊起爆判據的建立可按照飛片沖擊起爆屏蔽裝藥(除了在沖擊波作用方向的保護，沒有其他約束)的過程來進行推導。

圖3　爆轟波結構與壓力波形

3起爆判據的建立

據報道[8]，對給定的某種炸藥，不僅其沖擊起爆的能量閾值Ec是常數，而且無論該裝藥是屏蔽裝藥或是帶殼裝藥，該常數不變。因此為建立判據式，在推導過程中需要Ec值(可來自沖擊裸藥試驗)、進入炸藥中的沖擊波的參數，以及沖擊波被來自由面的稀疏波的卸載速度。最后一個因素的重要性在于它決定了最大的沖擊波能量儲存于炸藥中的時間點，也即是在此刻計算炸藥單位面積上的能量(判據E)。當E=Ec時,屏蔽裝藥即達到臨界爆轟。

此處設“飛片”、上側殼體、炸藥材料都遵守線性沖擊絕熱關系[9]

(1)

式中：D為沖擊波速度；u為沖擊波作用下材料的質點速度；C0為材料在壓力為零時的聲速；λ,β均為與材料性質有關的常數；下標i=1，2，3分別依次表示上述3個部件。

此處設T為初始沖擊波到達上側殼體/被發炸藥界面的時間，則

(2)

式中d為殼體的初始厚度。而在T時刻殼體的厚度d′將變為

(3)

取與飛片/殼體界面相對靜止的坐標系(該界面相對實驗室坐標系以速度u2移動)，在c2>c1或c2=c1時，那么來自平板邊沿的稀疏波形成一個半徑c2T的弧(見圖4)。在撞擊時刻，此弧以板邊沿為中心，它與殼體/被發炸藥界面相交的點決定了沖擊波開始傳入炸藥時的沖擊半徑Rc，弧的一般方程為

(4)

式中：x為從飛片/上側殼體界面開始的垂直距離；R0為飛片的初始半徑，也即為沖擊波初始作用半徑；R為對應于x處的半徑。以d′代替x帶入式(4)并整理得Rc為

(5)

當Rc=0，臨界殼體厚度(超過此值將沒有初始沖擊波傳入炸藥)dc，也可表示為

(6)

由此可以注意到，應用沖擊起爆的Ec判據含義，當殼體厚度略比dc小時，爆轟反應將不能持續。其原因在于給定的Ec值在某一沖擊速度下需要一個沖擊半徑承擔(而dc對應于零半徑)，而此時的作用半徑非常小。若沖擊半徑更小，那么響應的等級只能是非爆轟反應。

圖4　沖擊波卸載示意圖

受初始沖擊波作用的炸藥的體積由沖擊波對炸藥的侵入深度、稀疏波引起的側向收縮和殼體所決定。沖擊波的侵入深度L為

(7)

式中t為沖擊波到達炸藥界面后的時間。事實上，計算受沖擊作用炸藥的理論形狀的體積是非常復雜的，由于其受到兩組稀疏波的綜合作用，一為來自飛片自由端的追趕稀疏波，另一為來自殼體側邊沿的稀疏波。所以還需進行合理地簡化以完成判據的建立。

破片沖擊炸藥臨界起爆判據[10]為

E=put0

(8)

式中t0為受沖擊體積達到最大值的時間，起點為沖擊波到達殼體/炸藥界面。對于裸炸藥的撞擊其值為R0/3c3[8]，此處作一個類比，得t0的一階近似

t0=R0/3c3

(9)

所以對于屏蔽裝藥，有

E=Pu3Rc/(3c3)

(10)

代入可得

(11)

此即為屏蔽裝藥在一維平面沖擊波作用下的起爆判據，當E=Ec時為臨界爆轟。

4結束語

從一維平面波假設出發提出的屏蔽裝藥模型的沖擊起爆判據，簡化了三維沖擊過程，同時考慮了沖擊波的傳播過程和殼體材料參數對起爆判據的影響，能夠較可靠地反映屏蔽裝藥模型抵抗沖擊起爆的能力。為使得起爆判據更接近真值，仍需要對沖擊起爆過程和機理進行深入研究。

參考文獻：

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：明路遙，李昌坤，程波，等.爆炸沖擊波作用下屏蔽裝藥模型起爆判據研究[J].兵器裝備工程學報，2016(4):95-97.

Citation format:MING Lu-yao, LI Chang-kun, CHENG Bo, et al.Research on Initiation Criterion of Covered Charge Model Loaded by Explosive Shock Wave[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):95-97.

Research on Initiation Criterion of Covered Charge Model Loaded by Explosive Shock Wave

MING Lu-yao, LI Chang-kun, CHENG Bo, LUO Jie

(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:In order to find out the initiation criterion of covered charge loaded by explosive shock-wave, based on the assumptions of side-wall having no effect on shock initiation and one dimensional plane shock, the warhead loaded by shock wave was simplified as covered charge model, and then by simplifying the shape of the detonation wave of donor charge, the effect of donor explosive was equivalent to projectile impact, and the initiation criterion of warheads simplified model was proposed, which lays a foundation of study on insensitive ammunition for the future.

Key words:explosive shock wave; shock initiation; criterion

文章編號：1006-0707(2016)04-0095-03

中圖分類號：O389；TJ5

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.023

作者簡介：明路遙(1990— )，男，助理工程師，主要從事裝備理論與裝備技術研究。

收稿日期：2015-10-27；修回日期：2015-11-29

【化學工程與材料科學】