背板材料及炸藥厚度對破片沖擊起爆8701炸藥裝藥的影響

李一鳴，楊曉紅，姚文進，鄭 宇，劉峻豪

(1.南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094；2.中國人民解放軍63961部隊，北京 100012)

引 言

自20世紀60年代，對破片沖擊起爆非均質炸藥開展了許多試驗研究。非均質炸藥沖擊起爆研究在破片式反導戰斗部，炸藥安定性和不敏感彈藥設計等領域具有重要的意義。

K. L. Bahl等[1]用平頭和圓頭鋼質彈丸分別沖擊起爆裸露的和覆蓋不同厚度、不同材料的PBX-9404及HMX/TATB炸藥，并測定了兩種炸藥的沖擊起爆閾值；Haskins等[2-4]研究了彈丸直徑、形狀、質量、入射角度以及蓋板材料和厚度等因素對沖擊起爆的影響；R. L. Gustavsen等[5]對桿撞擊裸露的PBX 9501炸藥進行了試驗研究；Yuxing Xu等[6]研究了在不同打擊速度下采用薄鋁殼沖擊鋼片保護的圓柱形炸藥的響應特性，并公式推導得到了殼體屏蔽的爆炸物的沖擊起爆/點火的臨界比動能標準；董小瑞[7]、王樹山[8]、盧錦釗[9]等也針對破片沖擊起爆屏蔽裝藥問題進行了一系列試驗研究。

目前，國內外研究大多集中在單破片沖擊起爆裝藥[1-9]，對雙破片的沖擊起爆研究大多停留在數值模擬階段[10-11]，相關試驗研究較少。當雙破片同時撞擊裝藥時，會在炸藥中形成壓力疊加，與單破片相比，降低了沖擊起爆的速度閾值；在炸藥厚度較小時，背板反射波與雙破片撞擊形成的疊加波相互作用，極大地提高了裝藥起爆的概率。

本研究進行了單一破片和雙破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗。根據試驗結果，通過Autodyn-3D軟件進行數值模擬，通過改變背板材料及炸藥厚度，從而改變背板反射波的幅值，分析其對破片沖擊起爆8701裝藥的影響。

1 試 驗

1.1 單破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗

1.1.1 試驗方案

試驗系統如圖1所示，由彈道槍、鎢球、收彈器、高速攝影、蓋板、炸藥、背板及固定裝置組成。試驗采用14.5mm滑膛彈道槍，選用小粒黑點火藥，多-45發射藥，用2A12鋁合金制作鎢球的彈托，如圖2(a)所示。鎢球直徑為10mm；炸藥為壓裝8701，尺寸為Φ70mm×4mm；蓋板和背板均為A3鋼，尺寸為100mm×100mm×4.5mm。通過調整發射藥的質量來調節鎢球的著靶速度。

1.1.2 試驗結果

單枚鎢球沖擊起爆屏蔽8701裝藥的試驗結果如表1所示。

表1 單枚鎢球對屏蔽8701裝藥沖擊起爆試驗結果

圖1 試驗布局圖Fig.1 Test layout

圖2 單破片及雙破片的彈托與破片Fig.2 Fragments and sabots for single and dual fragments

1.2 雙破片沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗

1.2.1 試驗方案

試驗采用25mm滑膛彈道炮，選用小粒黑點火藥，4/7發射藥，用2A12鋁合金制作鎢球的彈托，如圖2(b)所示。鎢球的直徑為10mm；其余如蓋板、炸藥、背板等試驗器材和布局與單破片沖擊起爆試驗相同。

1.2.2 試驗結果

兩枚鎢球沖擊起爆屏蔽8701裝藥試驗結果如表2所示。

表2 雙鎢球對屏蔽8701裝藥沖擊起爆試驗結果

將單破片沖擊起爆試驗結果與雙破片沖擊起爆試驗結果對比發現，炸藥發生爆轟時，雙破片的沖擊起爆速度閾值僅比單破片低60m/s，速度降低不顯著，表明除雙破片的沖擊波疊加作用影響裝藥起爆的閾值速度外，背板反射波亦影響裝藥起爆的閾值速度，且因炸藥太薄，背板反射波作用更加顯著。

2 數值模擬

2.1 模型建立

采用AUTODYN-3D軟件建立離散化模型。考慮模型對稱性，建立1/2模型以簡化計算。圖3為建立的鎢球、炸藥、蓋板和背板的離散化網格模型，采用Lagrange方法開展計算。圖3(b)中兩鎢球的球心距離是17.2mm，即試驗時炸藥發生爆轟反應時兩鎢球的著靶距離。

圖3 離散化網格模型Fig.3 Discrete model

為了描述裝藥在破片沖擊作用下的起爆過程，其狀態方程采用Lee-Tarver狀態方程[12]：

dF/dt=I(1-F)b(μ-a)x+G1(1-F)cFdpy
+G2(1-F)eFgpz

式中：I為點火量沖擊強度；F為燃燒質量分數，在模擬爆轟過程中控制炸藥化學能的釋放；b為點火項燃耗階數；μ為炸藥壓縮比；a為臨界壓縮度參數；參數x為持續函數；參數G1和d為控制點火后早期增長函數；c、y為燃燒項的燃耗階數和壓力冪數；參數G2和z為高壓反映率相關函數；e、g為常數；p為爆炸氣體壓力。炸藥未反應物和反應物均采用JWL狀態方程。炸藥模型材料參數見表3。

鎢球、蓋板和背板選用能較好描述材料大應變、高應變率及高溫度狀態的Johnson-Cook 強度模型，材料強度模型、狀態方程和侵蝕準則列于表4中。參數取自AUTODYN標準數據庫。

采用“升降法”獲得炸藥的臨界起爆速度閾值。采用反應度ALPHAλ1判斷炸藥是否發生爆轟反應。λ1的選取在0～1之間，即炸藥發生反應部分與整體的比值。若λ1=0，表示炸藥無任何反應；若0<λ1<1，說明炸藥發生不完全反應；若λ1=1，表示炸藥發生爆轟。

表3 炸藥模型參數[13]

表4 鎢球、蓋板、背板材料模型

2.2 模型校驗

根據上述模型及材料參數進行模擬計算，所得結果與試驗結果進行對比，如表5所示。從表5可以看出，模擬值與試驗值誤差在10%以內，即認定模擬算法的正確性。

表5 臨界起爆速度的模擬值與試驗值對比

2.3 背板材料對單破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響

當沖擊波傳到炸藥與背板交界面時會發生反射，反射波的幅值與炸藥和背板之間的波阻抗(ρC，C為材料聲速)關系相關，所以背板材料影響反射波的幅值，進而影響炸藥的起爆閾值。選擇石英、鋁、銅、鎢4種材料作為背板材料，并與以鋼作為背板材料的模擬結果進行比較。5種材料的波阻抗值參見文獻[14]，模擬所用背板材料模型如表6所示。

由表6可以看出，破片沖擊不同背板材料的屏蔽裝藥時，臨界起爆速度隨背板波阻抗的增大而減小。

表6 背板材料模型及臨界起爆速度

2.4 炸藥厚度對雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響

為考慮炸藥厚度對雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥閾值的影響，計算炸藥厚度(h)分別為8、12、16、20、30、40mm時裝藥的臨界起爆速度，并將結果與炸藥厚度為4mm時的計算結果比較。仿真模型與試驗相比僅改變炸藥厚度，所用材料模型與上述相同。為研究鎢球對屏蔽裝藥的起爆過程，根據炸藥厚度的差異，在炸藥中心軸線位置處均勻設置一系列高斯點，如圖4所示。

經數值計算發現，當兩鎢球以1250m/s的速度同時撞擊炸藥厚度為4mm的靶標時，炸藥發生爆轟反應。炸藥不同時刻的壓力云圖及反應度ALPHA云圖、高斯點處的壓力曲線如圖5和圖6所示。

圖4 高斯點位置圖Fig.4 Position of Gauss

圖5 不同時刻炸藥的壓力云圖及反應度ALPHA云圖Fig.5 Pressure and ALPHA contours of explosive at different times

圖6 兩鎢球以1250m/s的速度同時撞擊炸藥厚度4mm的靶標時炸藥高斯點處的壓力曲線圖Fig.6 Pressure curve at Gauss point of explosive when two tungsten spheres impact the target with the thickness of 4mm at 1250m/s

由圖5和圖6可看出，當t=2μs時，鎢球侵徹蓋板，初始沖擊波向炸藥內傳播；從t=2.4μs時的壓力云圖可以看出，由兩鎢球侵徹產生的沖擊波先到達炸藥與背板的交界處，并在炸藥與背板界面上發生反射，由于背板材料的波阻抗大于炸藥的波阻抗，此時反射波與入射波在背板附近位置處發生疊加，使沖擊波壓力增大進而使炸藥在此處產生一個高壓力區(見圖5(d))，且背板反射波先于兩鎢球的疊加波；根據圖5(g)，約在t=3.1μs時高斯點處產生壓力，根據圖5(d)，此時的壓力是兩鎢球沖擊波疊加的作用；在t=4～8μs時，兩鎢球背板反射波與兩鎢球的疊加波之間不斷作用，導致高斯點處的壓力曲線呈階躍增長；約在t=8.5μs時，炸藥中心軸線處的壓力達到最大峰值，炸藥的反應度達到1，炸藥發生爆轟反應。

當兩鎢球以v=1500m/s的速度同時撞擊h=8mm的靶標時，裝藥發生爆轟反應，高斯點處的壓力曲線如圖7(a)所示，不同時刻裝藥的壓力云圖如圖7(b)所示。從圖7(a)可以看出，約在t=2.8μs時，高斯點處開始產生壓力，結合t=3μs時的壓力云圖可知，兩鎢球撞擊產生的沖擊波先于背板反射波疊加，約在t=4μs時，兩鎢球侵徹產生的沖擊波到達炸藥與背板的交界處，之后，兩鎢球背板反射波與兩鎢球的疊加波之間不斷作用，約在t=8.7μs時，壓力達到峰值，此時炸藥的反應度達到1，炸藥發生爆轟反應。

兩鎢球沖擊起爆炸藥厚度(h)分別為4、8、12、16、20、30、40mm的屏蔽裝藥，數值計算所得的臨界起爆速度如圖8所示。可以看出，隨炸藥厚度(h)的增大，背板反射波的作用逐漸減弱，當炸藥厚度增大到30mm時，靠兩鎢球產生的沖擊波疊加起爆裝藥，背板對雙破片沖擊裝藥的臨界起爆速度幾乎無影響。

圖7 h=8mm，v=1500m/s時，裝藥軸線處的壓力曲線及裝藥的壓力云圖Fig.7 Pressure curve at the axis of explosive and the pressure contour of the charge when h=8mm and v=1500m/s

圖8 不同裝藥厚度臨界起爆速度對比Fig. 8 Comparison of critical initiation velocity under different charge thicknesses

3 結 論

(1)雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥時，若炸藥較薄(炸藥厚度h<30mm)，背板反射波與兩破片的疊加波均可影響裝藥的臨界起爆速度。單破片沖擊起爆相同裝藥結構的結果與之相比，背板反射波的存在會加速裝藥發生爆轟反應，縮小與雙破片沖擊起爆的差距。

(2)反射沖擊波的幅值隨背板材料波阻抗值增大而增加，即臨界起爆速度隨背板波阻抗的增大而減小。

(3)在本研究模型結構下(兩破片球心距為17.2mm，同時撞擊靶標)，雙破片沖擊起爆屏蔽裝藥時，在裝藥厚度較小時，初始沖擊波先到達背板發生反射，反射波先于兩鎢球的疊加波；隨裝藥厚度的增加，兩鎢球撞擊產生的沖擊波先于背板反射波疊加，并且隨裝藥厚度的增大，背板反射波的作用逐漸減弱，當炸藥厚度增大到30mm時，靠兩鎢球產生的沖擊波疊加起爆裝藥，背板對雙破片沖擊裝藥的臨界起爆速度幾乎無影響。