復合裝藥空氣中爆炸沖擊波傳播特性

李 梅，蔣建偉，王 昕

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

提高彈藥毀傷威力一直是研究者不斷追求的目標，在裝藥類型、加工工藝一定的情況下，彈藥威力與裝藥結構密切相關。復合裝藥是近年來的熱點研究問題之一，它是將兩種或多種炸藥采用內外層、上下層疊加等裝藥結構方式組合起來的一種裝藥結構，在低易損性戰斗部、可選擇戰斗部以及高效毀傷戰斗部中均展現出了可觀的應用前景。

研究人員圍繞復合裝藥在聚能、爆破、可選擇戰斗部中的應用問題均展開了研究。Andrews等[1]通過圓筒試驗發現，低爆速非理想/高爆速理想復合裝藥與高爆速炸藥的膨脹速度幾乎相同。Kato等[2-3]研究了加鎢粉的高密度炸藥和高爆速炸藥組成的復合裝藥結構，發現復合裝藥爆速明顯提高，壓強提高了兩倍多。Zhang等[4]和張先鋒等[5-6]指出內外層復合裝藥的內層裝藥形成了較為明顯的超壓爆轟現象，爆轟壓力最高可達65 GPa，遠遠大于炸藥的CJ爆轟壓力。向梅[7]和章少方[8]指出外層為鈍感炸藥與內層為高能炸藥的復合裝藥，能夠得到比單一鈍感炸藥較高的能量輸出。Mayseless等[9]研究了內外層復合裝藥聚能射流的形成特性，發現復合裝藥聚能射流的頭部速度提高約30%。Colclough[10]提出了一種可選擇戰斗部裝藥結構，通過2種起爆模式實現“高靜態超壓+后燃效應”和“高沖擊波超壓+高破片速度”2種毀傷模式。Slyke等[11]通過數值模擬研究指出內外層復合裝藥半徑比對軸線處爆速影響較大，當外層裝藥厚度小于2 mm時，中心線爆速基本不變。

以上文獻顯示，復合裝藥可以實現炸藥的低易損性要求，可以提高聚能射流的頭部速度，提高炸藥的軸向驅動能力。但是，復合裝藥在提高徑向輸出威力及射流侵徹能力方面仍有待研究。本文中通過單一、內外層復合裝藥的沖擊波超壓測試實驗，探索理想/理想復合裝藥、非理想/理想復合裝藥與單一理想、非理想裝藥的沖擊波超壓、沖量等特性參數，評價復合裝藥的徑向輸出威力。

1 實驗設計

1.1 實驗原理及場地布置

實驗系統組成及現場布置如圖1所示，由試驗彈、沖擊波超壓測試系統(壓電傳感器、電荷放大器、數據采集儀)、支架、起爆系統等組成。試驗彈由圓柱形主裝藥(TNT、JO-8、TNT/JO-8、海薩爾、海薩爾/JO-8)、傳爆藥(JH-2)、8#電雷管、雷管座等組成。試驗彈直立放置在高1.5 m的彈架上，在距離藥柱軸心2、3、4 m處分別布置2個壓電傳感器，傳感器與試驗彈中心位于同一水平面。采用CY-YD-202型自由場壓電傳感器、YE6601型電荷放大器及配套的32通道PCI-506112型數據采集儀器記錄爆炸沖擊波壓力。試驗彈體周圍纏繞銅絲，裝藥起爆后，銅絲斷裂，產生斷靶信號，觸發數據采集儀，記錄沖擊波壓力隨時間的變化曲線。

1.2 實驗方案

實驗工況如表1所示。實驗包含單一TNT裝藥、單一JO-8裝藥、單一海薩爾裝藥、TNT/JO-8復合裝藥、海薩爾/JO-8復合裝藥5個工況，由于單發實驗存在數據跳動，其中3個工況進行了重復實驗。試驗彈主裝藥為等體積圓柱形藥柱，藥柱直徑56 mm，高度60 mm，TNT、JO-8和海薩爾的裝藥密度分別為1.58、1.83、1.87 g/cm3。TNT/JO-8復合裝藥為外層圓柱形裝藥結構，內層裝藥為TNT或海薩爾，外層為JO-8，內層裝藥直徑?44.8mm，外層裝藥直徑56 mm。

表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

2 實驗結果

數據采集儀記錄的沖擊波壓力曲線存在不同程度的“零漂”現象，采用Origin軟件進行消除“零漂”處理，獲得了5種工況下不同距離處的沖擊波超壓曲線，如圖2所示。

由圖2可以看出，沖擊波曲線出現了強反射波現象，產生這現象的原因為：實驗中用于固定傳感器的支架為鋼管(見圖1)，其斷面為剛性壁面且直徑較大，使得入射沖擊波產生剛性壁面反射，反射波作用于壓電傳感器敏感面，獲得的沖擊波出現強反射波現象，但反射波對沖擊波超壓數據并無影響。

此外，實驗獲得的部分沖擊波波形出現了“削峰”現象。剔出被“削峰”數據，對重復性實驗獲得的沖擊波超壓取平均值，得到5種裝藥在2、3、4 m處的峰值超壓Δp2、Δp3、Δp4，如表2所示。

表2 沖擊波超壓測量結果Table 2 Measured results of shock wave overpressure

3 分析與討論

3.1 沖擊波超壓隨距離的變化

記錄各工況下，沖擊波超壓平均值及復合裝藥相對單一裝藥沖擊波超壓增益，如表3所示。由表3可知：(1) 理想/理想復合裝藥(TNT/JO-8)與同體積單一裝藥(TNT、JO-8)相比，在2 m距離處，沖擊波超壓下降約20%，在3 m距離處，沖擊波超壓相當；(2) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)與同體積單一JO-8裝藥相比，隨著距離的增加，沖擊波超壓增量越大，在4 m距離處，沖擊波超壓增加15%，與同體積單一海薩爾裝藥相比，沖擊波超壓下降約15%。結果表明：復合裝藥結構對提高戰斗部徑向沖擊波超壓無明顯優勢。

表3 沖擊波超壓及其增益Table 3 Shock wave overpressure and gain

3.2 沖擊波沖量隨距離的變化

對沖擊波超壓曲線進行積分，獲得各工況下，沖擊波沖量平均值及復合裝藥相對單一裝藥沖擊波沖量增益，如表4所示。由表4可知：(1) 理想/理想復合裝藥(TNT/JO-8)相比單一裝藥(TNT、JO-8)，在2 m距離處，沖擊波沖量增益約-10%，在3 m距離處，沖擊波沖量增益約+5%；(2) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)相比單一海薩爾裝藥，2 m距離處沖擊波沖量為負增益，3～4 m處為正增益，且隨距離的增加增益量增加，而在4 m距離處沖擊波增益約+20%；(3) 非理想/理想復合裝藥(海薩爾/JO-8)相比單一JO-8裝藥，沖擊波沖量增益大于+10%，且距離越遠增益越大，3 m處沖擊波沖量增益約+25%。結果表明：采用復合裝藥結構后，相同距離處沖擊波沖量相比單一裝藥提高，且隨距離的增加，沖量增益逐漸增大。而且，采用非理想/理想復合裝藥，更有利于提高戰斗部的徑向輸出威力。

3.3 結果分析

由3.1和3.2節可知，與同體積單一裝藥相比，內外層復合裝藥的徑向沖擊波超壓無明顯優勢，但沖擊波沖量顯著增加，且采用非理想/理想復合裝藥更有利于提高沖擊波沖量。產生這一現象與復合裝藥結構和非理想炸藥自身的特點密切相關，具體分析如下。

表4 沖擊波沖量及其增益Table 4 Shock wave impulse and gain

(1) 內外層理想/理想復合裝藥的徑向沖擊波超壓無增益。復合裝藥主要是利用內外層炸藥的爆速差，是內層裝藥在軸線方向產生超壓爆轟，增強其軸向的能量輸出，但基于能量守恒的原則，軸向輸出能量提高，徑向輸出能量必然降低，因此在復合裝藥結構下，其徑向沖擊波超壓相比單一高能裝藥反而降低。

(2) 內外層復合裝藥有利于提高徑向沖擊波沖量。復合裝藥利用其內外層炸藥爆速的不同，使內層炸藥產生超壓爆轟，且外層裝藥爆轟后，部分爆轟產物側向運動，增強了對內層裝藥的約束。在外層炸藥的約束下，外側稀疏波進入較晚，使得沖擊波壓力隨時間、距離的衰減速度減慢，進而提高沖擊波的沖量，即提高了戰斗部的能量釋放率。

(3) 非理想/理想復合裝藥更有利于提高沖擊波沖量。非理想炸藥中的鋁粉主要是在C-J面之后參加反應，且反應過程在爆轟產物膨脹過程中逐漸完成[12]。因此，在復合裝藥結構約束的基礎上，沖擊波持續時間越長，使得參加反應的鋁粉越多且燃燒越充分，進一步提高了戰斗部的能量釋放率，沖擊波沖量的增益更顯著。

4 結 論

通過沖擊波超壓測試實驗，得到了TNT/JO-8復合裝藥、海薩爾/JO-8復合裝藥、TNT、裝藥、JO-8裝藥、海薩爾裝藥在距爆心2、3、4 m處的沖擊波超壓曲線，通過積分獲得了相應距離處的沖擊波沖量，經分析獲得主要結論如下：

(1)復合裝藥結構能夠減緩戰斗部徑向沖擊波壓力的衰減速度，能夠提高遠距離處沖擊波沖量，增大殺傷威力；

(2)非理想/理想復合裝藥比理想/理想復合裝藥更有利于提高戰斗部的徑向輸出威力，且其徑向沖擊波沖量增益隨距離的增加而增大。

[1] ANDREWS S, GLANCY B, FORBES J, et al. Experiments on the modification of the energy release rate in a non-ideal[J]. AIP Conference Proceedings, 1996,370:799-802.

[2] KATO H, MURATA K, ITOH S, et al. Application of overdriven detonation in high density explosive to shaped charge[C]∥GALVEZ F, SANCHEZ-GALVEZ V. 23rd International Symposium On Ballistics. Tarragona, Spain: IBC, 2007:223-230.

[3] KATO H, MURATA K, ITOH S, et al. Investigation of jet formation with overdriven detonation in high density explosive[J]. Materials Science Forum, 2008,566:327-332.

[4] ZHANG X, HUANG Z, QIAO L. Detonation wave propagation in double-layer cylindrical high explosive charges[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 2011,36(3):210-218.

[5] 張先鋒,趙曉寧.夾層裝藥的超壓爆轟研究綜述[J].含能材料,2011,19(3):352-360.

ZHANG Xianfeng, ZHAO Xiaoning. Review on overpressure detonation of intercalated charge[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2011,19(3):352-360.

[6] 張先鋒,丁建寶,趙曉寧.夾層聚能裝藥作用過程的數值模擬[J].爆炸與沖擊,2009,29(6):617-624.

ZHANG Xianfeng, DING Jianbao, ZHAO Xiaoning. Numerical simulation of the process of sandwich shaped charge[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(6):617-624.

[7] 向梅.復合裝藥的安全性及能量輸出特性研究[D].南京:南京理工大學,2012.

[8] 章少方.復合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度的數值模擬研究[D].南京:南京理工大學,2010.

[9] MAYSELESS M, HIRSCH E, HARVEY W B, et al. Is higher detonation velocity needed for shaped-charges[C]∥BAKER E, TEMPLETON D. 26th International Symposium on Ballistics. Miami, FL, United States: DEStech Publications Inc., 2011:155-166.

[10] COLCLOUGH M E. A novel tuneable effects explosive charge[C]∥2012 NDIA IM&EM Symposium. Las Vegas, NV: Nation Defense Industrial Association, 2012:124-134.

[11] SLYKE J V, LUDWIG W, GAMBLE J, et al. Effect of convergent detonation on gurney energy and cylinder expansion[C]∥WICKERT M, SALK M. 27th International Symposium On Ballistics. Freiburg, Germany: DEStech Publications Inc., 2013:22-26.

[12] 計冬奎,高修柱,肖川.含鋁炸藥作功能力和JWL狀態方程尺寸效應研究[J].兵工學報,2012,33(5):552-555.

JI Dongkui, GAO Xiuzhu, XIAO Chuan. Study on dimension effect of accelerating ability and JWL equation of state for aluminized explosive[J]. Acta Armamentarii, 2012,33(5):552-555.