二次起爆裝置拋射機構設計及特性研究

趙彩慧，李建平，賈曉亮，張 瑩

(1 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2 遼寧錦華機電有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

云爆彈作為大面積殺傷武器，其作用過程可分為兩個階段：一次引信引爆中心藥，將云爆劑從戰斗部內拋射出，與空氣混合、霧化形成可爆云團；二次引信起爆二次起爆裝置，再有二次起爆裝置起爆形成的可爆云團，產生云霧爆轟，對目標造成沖擊毀傷。為適應現代戰爭“遠程打擊，高效毀傷”的發展需求，投放云爆彈的方式正由低落速轉為高落速。

針對高落速的云霧爆轟研究主要集中在燃料分散階段，以數值模擬為主，試驗數據大多來源于靜爆和初始低落速條件。2004年，席志德等建立了高速運動液體燃料的爆炸拋射模型，分別模擬了初始速度為100 m/s 、200 m/s時FAE爆炸拋射的云霧狀態。2005年，白春華等分別利用熱氣球和飛機將燃料裝填裝置在空中釋放，實現了動態加載條件，較早的開展了具有一定初始速度的云霧爆轟試驗。2018年，王世英等利用火箭橇發射方式開展了云爆彈動態飛行下云爆劑拋射試驗。2019年，劉麗娟等建立了高落速全比例大體積云霧形成和爆轟數值仿真方法，運用計算流體動力學軟件的自適應網格方法，開展了高落速燃料分散和云霧爆轟特性研究。為提高云霧爆轟成功率和可靠性，有學者針對二次起爆裝置的投放方式及運動軌跡進行了研究。2017年，王曄等進行了動態條件下的爆轟試驗，試驗中，將二次起爆裝置設置在減速傘傘頂中心處，通過高速攝影裝置獲得了起爆裝置的運動軌跡。2020年，葉從亮等將二次起爆裝置設置在云爆彈彈頭頂部，受減速傘控制，建立了二次起爆裝置運動狀態的非線性力學計算模型。到目前為止，雖有對二次起爆裝置的固定方式和運動軌跡做了相應研究，但針對高落速云爆彈而言，存在一定的局限性。

二次起爆裝置的落點和引爆時機關乎云霧爆轟產生的超壓以及毀傷效果。一般而言，云爆戰斗部的威力與二次起爆時間呈拋物線關系，起爆云霧過早，由于云霧還未來得及散開或與空氣混合不夠充分，可能只發生云霧爆燃，不能發揮燃料空氣炸藥的最大威力；起爆云霧過遲，由于云霧在重力和風的作用下發生漂移，云團逐漸變得稀薄，影響爆轟效果。云霧濃度與云霧半徑呈拋物線關系，距離云爆彈最近的區域會產生空洞，之后隨著云霧半徑增大，云霧濃度先升高后降低。為使得云霧爆轟效果最好，存在最佳爆轟濃度范圍。在最佳爆轟濃度范圍內，云爆劑與空氣混合程度最好，在此點引爆云霧，能產生最大沖擊波壓力，將殺傷面積最大化。例如環氧丙烷燃料的爆轟濃度為2.5%～38.5%，最佳爆轟濃度約為8%～12%。因此，為保證云霧爆轟可靠性和成功率，必須使二次起爆裝置在合適的時間落在合適的位置。

而影響落點的重要因素之一是二次起爆裝置的初速。文中設計了一種二次起爆裝置拋射機構，利用其略簡化的結構進行了二次起爆裝置的拋射試驗，對影響拋射速度的重要因素進行了分析，以期為精準引爆云霧提供理論支持和數據支撐。

1 二次起爆裝置拋射機構設計

1.1 二次起爆裝置及拋射機構的布設

二次云爆戰斗部包括一次引信、中心管裝藥、云爆劑、殼體以及二次起爆裝置(內含二次引信)。將二次起爆裝置放置在戰斗部尾端的二次起爆裝置拋射艙內，與其余部件用隔板隔開，采用獨立動力驅動將二次起爆裝置拋出，具體布設位置如圖1所示。

圖1 二次云爆戰斗部結構示意圖

1.2 二次起爆裝置及拋射機構

二次起爆裝置拋射機構由拋射艙殼體、拋射藥、高壓氣室、氣道、發射筒、二次起爆裝置組成，具體結構及其分布如圖2所示。

圖2 二次起爆裝置拋射機構結構示意圖

二次起爆裝置由二次引信、起爆藥、固定翼、折疊翼及殼體組成，具體結構及其分布如圖3所示。二次起爆裝置的固定翼與二次起爆裝置殼體通過翼片焊接在一起，固定翼同時作為窗蓋與拋射艙殼體通過螺釘連接，折疊翼與固定翼通過銷軸、鋼簧連接，折疊翼的大小由二次起爆裝置拋射后減速要求來設計。

圖3 二次起爆裝置結構示意圖

為保證爆轟可靠性，冗余設計兩套二次起爆裝置。其工作原理為：電點火頭工作，拋射藥被點燃，產生大量高溫高壓氣體，充滿高壓氣室，進而通過氣道推動二次起爆裝置，使得固定翼與殼體連接處的螺釘斷裂，二次起爆裝置得以以一定拋射速度被拋出。可通過改變折疊翼面積大小調整二次起爆裝置在空氣中的運動姿態，更好的為起爆云霧服務。

2 二次起爆裝置靜態拋射試驗

2.1 二次起爆裝置靜態拋射試驗裝置及布置

為方便試驗和數據測量，將設計的二次起爆裝置拋射機構適當簡化，二次起爆裝置采用等直徑等質量的彈丸進行試驗。簡化的二次起爆裝置拋射機構主要由高壓氣室、氣道、發射筒及底板組成,拋射機構及二次起爆裝置實物圖如圖4所示。

圖4 拋射機構及二次起爆裝置實物圖

拋射機構和二次起爆裝置均選用鋼材。其中高壓室直徑為22 cm，高17.5 cm，壁厚0.5 cm；氣道長17 cm，寬3 cm，高17 cm，壁厚0.5 cm；發射筒直徑為14 cm，壁厚0.5 cm。在高壓氣室頂端中心處開帶螺紋的孔，方便放置拋撒藥。制作帶小孔的螺母，方便點火頭腳線通過。文中選擇黑火藥作為拋射藥，2 Ω電阻絲作為點火頭，如圖5所示。將高壓氣室、氣道、發射筒及底板焊接為一體，利用膨脹螺釘將拋射機構固定在混凝土墩上。制作如圖6所示的黑火藥藥包，將點火頭的電阻絲插入藥包內，放置在高壓氣室中心處。將點火頭的腳線通過點火電纜與起爆器相連。起爆器工作，點火頭點燃黑火藥，產生大量高溫高壓氣體充滿高壓氣室，高壓氣室和氣道內的壓力逐漸上升，當達到一定壓力時，二次起爆裝置開始沿發射筒軸向運動，隨著氣體壓力的進一步上升，二次起爆裝置以一定的初速從發射筒中拋射出去。

起爆器工作的同時，觸發高速攝像機裝置，記錄二次起爆裝置的運動時間、運動距離。拋射試驗布置示意圖和現場布設情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 拋射試驗布置示意圖

為模擬二次起爆裝置撞開拋射艙殼體拋射而出的過程，本實驗在發射筒前端增加了擋板，連接方式為螺釘連接。如圖9所示。制作10 mm厚的套圈，并在其上打合適數量的直徑為3 mm的孔，通過螺紋與發射筒連接，制作3 mm厚擋板，在與套圈孔相對應的位置打孔，方便通過螺釘連接。

2.2 二次起爆裝置靜態拋射試驗方案

影響二次起爆裝置拋射速度的影響因素有拋射藥黑火藥質量、二次起爆裝置質量、高壓氣室體積、發射筒長度、固定擋板的螺釘數等因素，根據各因素的重要程度和實際實驗中的可操作性，試驗保持二次起爆裝置質量5 kg不變，選取了兩個變量，分別為黑火藥質量及固定擋板的螺釘數。具體試驗方案如表1所示。

表1 二次起爆裝置拋射試驗方案

3 試驗結果及分析

3.1 拋射藥質量對二次起爆裝置拋射速度的影響

保持二次起爆裝置質量5 kg不變，不設擋板，改變拋射藥(黑火藥)質量，研究黑火藥質量對拋射速度的影響。制作質量為2.5 g、5 g、7.5 g、10 g、12.5 g、15 g、20 g的黑火藥藥包，利用高速攝像機拍攝二次起爆裝置的拋射軌跡，進而得到其拋射速度。設置高速攝像機的拍攝速度為1 000 幀/s，則每1 ms便記錄一次二次起爆裝置的位置與姿態。

以10 g黑火藥為例，分析高速攝像機拍攝的照片，獲得二次起爆裝置剛出發射筒一定時間內的速度變化。記錄二次起爆裝置的運動軌跡如圖10所示。從圖10可以看出，在二次起爆裝置右端還未出發射筒時，已有煙氣通過發射筒和二次起爆裝置間的空隙溢出，隨后二次起爆裝置才沿著發射筒運動出筒口，溢出的煙氣亦增多。當二次起爆裝置的左端到達發射筒筒口時(18 ms),大量煙氣被釋放，并在發射筒筒口形成較為明亮的火光。隨著時間的推移，二次起爆裝置在初始速度和重力作用下做平拋運動。

圖10 10 g黑火藥條件下二次起爆裝置運動過程

由記錄圖片中已知實際距離及對應的像素值得到比例關系為16.63 mm/pt。處理結果時依次記錄每張圖片上二次起爆裝置左端、右端所在的位置，則可獲得二次起爆裝置的中心點(質心)的位置，進而可獲得其每毫秒運動的水平距離。為減小人工讀取誤差，將某時刻前2 ms與后3 ms間的距離差與時間差的比值作為該時刻二次起爆裝置的水平速度。據此可得二次起爆裝置水平運動速度隨時間變化趨勢圖,如圖11所示。

圖11 10 g黑火藥下二次起爆裝置水平運動速度隨時間變化趨勢圖

從圖11可以看出，在二次起爆裝置右端到達發射筒筒口后，隨著時間的推進，二次起爆裝置的水平運動速度逐漸增大，后逐漸趨于平穩。這是因為二次起爆裝置在發射筒內運動時，會受到黑火藥燃燒產生的氣體的推力、二次起爆裝置與發射筒間的摩擦阻力以及二次起爆裝置右端的空氣阻力。隨著黑火藥燃燒程度加劇，高壓室內壓力升高，二次起爆裝置速度逐漸增大，但隨著二次起爆裝置逐漸從發射筒內被推出，二次起爆裝置所受推力逐漸減小，所受摩擦力逐漸減小，合力也逐漸減小，加速度逐漸減小，速度緩慢增加到一定值后保持穩定。

將不同黑火藥質量下二次起爆裝置運動速度隨時間變化曲線圖繪制在同一坐標軸下，如圖12所示。藥量較小時，加速度較小，曲線較平緩，隨著藥量增大，加速度逐漸增大，曲線逐漸陡峭。總體而言，2.5～20 g藥量范圍內，二次起爆裝置右端剛出發射筒到其速度達到穩定值所需時間均為15 ms左右。且隨著藥量增加，煙氣出現到二次起爆裝置右端到達發射筒筒口的時間有一定程度的縮短。

圖12 不同黑火藥質量下二次起爆裝置水平運動速度隨時間變化趨勢圖

保持二次起爆裝置質量5 kg，螺釘數0顆不變時，不同黑火藥質量下的拋射速度如表2所示，繪得如圖13所示的曲線關系圖。

表2 不同黑火藥質量下的拋射速度

圖13 二次起爆裝置水平運動速度隨黑火藥藥量變化趨勢圖

由表2及圖13可知，保持其他影響因素不變的情況下，隨著黑火藥質量的增加，拋射速度逐漸增大。對速度-黑火藥質量曲線進行擬合，如圖13所示紅色曲線，可得：

=10487×037

(1)

式中：為拋射速度；為黑火藥質量,二者呈冪指數關系。

3.2 螺釘數對拋射速度的影響

設定黑火藥質量為15 g,通過增加螺釘數模擬二次起爆裝置撞開拋射艙殼體的難易程度，并分析其對拋射速度的影響。

圖14為8個螺釘固定下的二次起爆裝置運動狀態圖。間隔截取45 ms內的圖片作為素材進行分析，如圖14所示。從圖中可看出，煙氣緩慢溢出時間較長，約15 ms左右，螺釘斷裂，擋板隨二次起爆裝置一起被拋出。

圖14 8顆螺釘固定下二次起爆裝置運動狀態圖

圖15為8個螺釘固定下的二次起爆裝置的水平運動速度變化趨勢圖，不同于無擋板條件下的二次起爆裝置的運動狀態，有擋板條件下的二次起爆裝置速度會出現驟降，再上升的現象。當二次起爆裝置以一定速度撞上擋板后，螺釘被拉斷，擋板與發射筒套圈分離，并隨二次起爆裝置一起運動。在此過程中，二次起爆裝置動能損失，速度下降。當擋板被撞離之后，整個拋射機構內的壓力被釋放，二次起爆裝置受到的推力增大，速度迅速上升，之后達到穩定值。結合圖14和圖15可知當大量煙氣被釋放，發射筒筒口出現明亮火光，二次起爆裝置的拋射速度迅速增大，當火光和煙氣逐漸消散，二次起爆裝置的運動速度逐漸趨于穩定。

圖15 8顆螺釘固定下二次起爆裝置水平運動速度隨時間變化趨勢圖

將不同螺釘數固定條件下的二次起爆裝置速度隨時間變化曲線圖繪制在同一坐標軸下，得到如圖16所示的曲線圖。從圖中可看出，總體而言，有擋板狀態下運動速度相對于無擋板狀態下的運動速度較低。當螺釘數逐漸增加，二次起爆裝置撞上擋板后的運動速度隨之降低。但4顆螺釘固定下，速度下降較小，之后每相差4顆螺釘，速度下降約1.5 m/s左右。

圖16 不同螺釘數下二次起爆裝置水平運動速度隨時間變化趨勢圖

表3為黑火藥質量為15 g,二次起爆裝置質量為5 kg,不同螺釘數下二次起爆裝置的最大拋射速度，并由此繪得如圖17所示的趨勢圖。由表3和圖17可以看出，隨著螺釘數目的增加，二次起爆裝置所損失動能增加，拋射速度降低。

表3 不同螺釘數下二次起爆裝置的拋射速度

圖17 二次起爆裝置水平運動速度隨螺釘數變化趨勢圖

4 結論

文中設計了二次起爆裝置及其拋射機構，并通過二次起爆裝置靜態拋射試驗對其拋射速度影響因素進行研究，所得結論如下：

1)二次起爆裝置拋射機構結構合理可行，強度滿足拋射要求，可實現拋射二次起爆裝置的功能，且其對現有云爆彈拋射艙的空間利用率較高，所設計冗余二次起爆裝置可提高云霧爆轟可靠性及成功率。

2)隨著黑火藥質量的增加，二次起爆裝置的拋射速度增加，對黑火藥質量-拋射速度曲線進行擬合可得二者呈冪指數關系。黑火藥藥量增大到一定程度對二次起爆裝置的拋射速度的增大效果逐漸降低。隨著固定擋板的螺釘數目的增多，二次起爆裝置的拋射速度有所降低。

3)針對該拋射機構，黑火藥質量小于15 g，固定螺釘數不小于12顆時，二次起爆裝置的拋射速度可控制在25 m/s范圍內。