亞音速條件下燃料動態拋撒特性試驗研究

韓天一，王世英，杜海文，何 超

(西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

云爆戰斗部以高毀傷威力受到世界各國的高度重視，與常規的爆破類戰斗部作用不同，其作用過程分為兩個階段，第一階段為高能云爆劑拋撒形成燃料空氣炸藥云團，第二階段為引爆燃料空氣炸藥云團形成大尺寸云霧體爆轟[1]。云爆戰斗部主要通過大面積云霧體爆轟對目標造成毀傷，云團形態及尺寸是影響云爆武器毀傷威力的關鍵因素之一。

靜態情況下拋撒云團的形態尺寸主要與拋撒裝藥結構、長徑比及云爆劑性能等相關[2-5]，但是當云爆彈以一定的落速作用時，拋撒云團形態及尺寸均發生變化，將對毀傷威力造成重要影響，因此研究速度對拋撒云團形態的影響有著重要意義。

高速條件下燃料的拋撒過程涉及燃料的破碎、蒸發、擴散等復雜的物理力學過程，席德志[6]等分析了高速運動的液體燃料爆炸拋撒過程，建立了包含液滴蒸發、破碎及碰撞聚合等作用的物理力學模型，進行了200 m/s速度燃料拋撒過程的數值計算。王世英[7]等通過數值仿真對動態拋撒云團形態進行了計算，認為隨著云爆戰斗部運動速度的增加,云團的形態逐漸由扁平形向喇叭形發展,速度越高,喇叭形的開口越小。

目前云爆劑燃料主要采用多組分復合配方體系，現有的理論及數值模型難以準確描述真實的拋撒過程，因此文中通過火箭撬動態試驗，研究了270 m/s速度時云爆劑的爆炸拋撒過程，并與靜態拋撒情況進行了對比分析，獲取了亞音速條件下云爆戰斗部動態拋撒特性，為高速云爆戰斗部設計提供支撐。

1 動態試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本次試驗拋撒裝置主要由殼體、拋撒裝藥、引信及燃料組成，結構如圖1所示，殼體材料為鋁，高度300 mm，直徑200 mm，裝填自制的液固混合型燃料，裝藥質量10 kg。

試驗時通過火箭撬實現對拋撒裝置的加速，為確保試驗裝置飛行穩定性，在試驗裝置前后增加了整流罩與平衡艙，試驗裝置結構示意圖如圖2所示。

圖1 拋撒裝置

圖2 試驗裝置結構示意圖

1.2 試驗方法

火箭撬設計速度為(270±10) m/s，樣彈在軌道終點處通過爆炸螺栓作用解除與火箭橇的連接，助推火箭與橇一起沿弧形軌道向下運動，拋撒裝置水平自由飛行，實現彈車分離。試驗引信為延時引信，以割刀割斷引信觸發線為計時零點。

為獲取燃料動態拋撒云團形成過程，在距設計爆點200 m處布設高速攝影儀，高速攝影儀與爆點的連線垂直于火箭撬飛行軸線。高速攝影拍攝速率為2 000幅/s，在設計爆點前后每隔4 m布設了5根標桿，用以標定高速攝影圖像數據，測試布局如圖3所示。

圖3 測試布局

為對比分析速度對燃料拋撒過程的影響規律，動態試驗后進行了1發靜態拋撒試驗。試驗裝置的姿態及離地高度與動態試驗保持一致，高速攝影測試布局與動態保持一致。

2 試驗結果與分析

2.1 亞音速動態拋撒云團形態分布特性

根據前期靜爆威力驗證，對于10 kg級樣彈，最佳二次起爆時間為40 ms，因此重點關注40 ms時刻動靜態拋撒云團形態及尺寸分布。

試驗獲取的270 m/s動態拋撒過程的高速攝影典型圖片如圖4所示。

圖4 270 m/s動態拋撒云團形態

試驗獲取的靜態拋撒過程的高速攝影典型圖片如圖5所示。

圖5 靜態拋撒云團形態

對比分析圖4及圖5，靜態條件下拋撒云團整體呈現“薄餅”狀分布，270 m/s速度條件下的動態拋撒云團呈現“傘”狀分布。這主要是因為：當拋撒裝置以270 m/s速度拋撒時，受爆轟產物膨脹作用及軸向牽連速度的雙重影響，燃料顆粒呈現拋物運動特性，由此形成“傘”狀分布的拋撒云團；靜態條件下，燃料僅受爆轟產物膨脹作用，燃料顆粒主要沿徑向運動，由此形成“薄餅”狀分布的拋撒云團。

2.2 亞音速動態拋撒云團半徑變化特性

圖6 動靜態云團半徑及衰減率隨時間的變化關系

對比分析動靜態拋撒云團的增長過程可見，在初始階段(約0～10 ms)，動靜態拋撒云團最大半徑基本相同，在10 ms時動靜態拋撒云團半徑相差約6%，在40 ms時，動態拋撒云團半徑比靜態拋撒云團半徑減小了約15%。

對于靜態拋撒過程，燃料主要沿徑向飛散，而動態拋撒時燃料飛散方向與徑向存在一定的角度，拋撒云團半徑主要與拋撒云團徑向速度相關，圖7為動靜態拋撒云團徑向速度隨時間的變化關系。

圖7 動靜態拋撒云團擴散速度隨時間的變化關系

由圖7可見，在拋撒的全過程中靜態拋撒速度大于動態拋撒徑向速度，并且隨著拋撒時間的增加，動態拋撒的徑向速度衰減更快。

2.3 亞音速動態拋撒云團的“飛散角”

為分析云團沿軸向與徑向分散的關系，在高速攝影圖像中選取云團最大半徑上邊緣點，如圖8所示。

圖8 云團最大半徑上邊緣點

通過分析高速攝影儀數據，獲取動態拋撒云團最大半徑上邊緣點的坐標隨時間的變化關系，如圖9所示。

圖9 云團最大半徑上邊緣點的坐標變化關系

由圖9可見，以拋撒起點為坐標原點，則不同時間動態拋撒云團半徑上邊緣點X、Y坐標基本為線性分布，數據擬合的斜率為1.15，傾角約為49°。表明270 m/s動態條件下，燃料顆粒射流沿與落速成49°夾角的方向飛散。

2.4 亞音速動態拋撒云團厚度變化特性

圖10為以拋撒起點為坐標原點，拋撒云團軸向最大位移隨時間的變化關系。

圖10 拋撒云團軸向最大位移隨時間的變化關系

對上述關系進行數值擬合，可得到拋撒云團軸向最大位移隨時間的經驗關系式為：

(1)

由此可見，當以270 m/s速度拋撒時，10 kg拋撒裝置燃料顆粒沿軸向的最大拋撒距離約為4.7 m。

靜態拋撒時云團基本不沿軸向運動，動態拋撒時，云團將離開拋撒初始位置整體沿速度方向前移， 圖11為0 ms與40 ms時試驗裝置與拋撒云團的相對位置。

圖11 動態拋撒云團前移示意圖

分析高速攝影數據可得，在40 ms時動態拋撒云團后緣距離拋撒起點約1.2 m，圖12為拋撒云團后緣軸向位移及其速度隨時間的變化。

圖12 拋撒云團后緣軸向位移及速度隨時間的變化

在拋撒的初始階段，云團后緣運動速度逐步升至最大之后迅速衰減，約在10 ms時又開始快速增大，達到局部最大值后又快速衰減，在拋撒后期基本接近0 m/s。通過對比云團動態拋撒過程可見，拋撒云團后緣運動速度突然增大，主要是由于平衡艙高速穿過云團時帶動周圍云爆劑沿軸向運動所致。

對云團后緣軸向位移隨時間的變化進行數值擬合，得到拋撒云團后緣沿軸向位移隨時間的經驗關系式為：

(2)

結合云團前緣及后緣位移經驗關系，通過近似平均處理，可得10 kg拋撒裝置270 m/s時動態拋撒云團厚度的經驗計算公式為：

(3)

由此可見，以270 m/s速度動態拋撒時，10 kg拋撒裝置的動態拋撒云團厚度最大為3.6 m，較靜態拋撒云團厚度增加了約73%。

3 結論

1)受270 m/s軸向牽連速度的影響，拋撒云團由靜態時的“薄餅”形轉變為動態時的“傘”形；

2)對于10 kg級拋撒樣彈，以270 m/s速度拋撒時，40 ms時刻動態拋撒云團半徑較靜態時減小了15%，云團厚度增加了約73%；

3)270 m/s動態條件下，燃料顆粒的動態飛散角約為49°，40 ms時刻拋撒云團的后緣較起爆點前移了1.2 m。