數值模擬研究屏蔽板厚度對桿式射流沖擊屏蔽炸藥過程的影響

蔣文燦，傅 丹，梁 斌，盧永剛

(1 中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2 火箭軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100085)

0 引言

隨著鉆地彈、反艦導彈等厚殼體低易損彈藥的大量裝備,對深層地下指揮中心、航母等高價值平臺形成了嚴重的威脅。這類目標通常具有堅固的外殼體,一般采用超高強度鋼(如G50高強度合金鋼),且殼體較厚。傳統的反導彈藥以小質量破片為主要毀傷元,但由于截面能量密度較小,較難對這類目標形成有效毀傷。金屬射流具有高溫、高壓、高能量密度等特點,具有較強的破甲性能和沖擊引爆性能,有望成為未來反厚壁低易損彈藥的毀傷元。

聚能射流在屏蔽板遮擋下沖擊屏蔽炸藥過程已有大量研究[1-5]。早期Held[6]針對射流沖擊裸裝炸藥進行了大量試驗研究,并提出了著名的Held判據,即v2d為常數。對于屏蔽炸藥的起爆,之后更多的報道集中在聚能射流、長桿、破片或者飛片對薄壁屏蔽炸藥的沖擊起爆過程研究[7-9]。目前,對屏蔽炸藥的沖擊起爆主要報道了兩種機制,一種為前驅沖擊波起爆[10],一種為射流穿透屏蔽板后直接沖擊炸藥起爆[11]。宋乙丹等[12]研究了PBX-1和PBX-2兩種炸藥在射流撞后的引爆結果,分析表明對于聚能射流引爆覆蓋板的炸藥,隔板厚度不同,射流起爆炸藥的過程也不同,當隔板較薄時,產生的前驅波能量足夠強,炸藥在射流未到達時已被前驅波起爆,而隨著隔板厚度增加,當隔板厚度大于臨界板厚度時,前驅波將不能引爆炸藥,炸藥只會產生局部的慢反應或射流的侵徹使藥柱發生破壞。康浩博等[13]研究了桿式彈對厚壁殼體裝藥沖擊起爆機制,結果表明彈體以臨界著速起爆裝藥時,存在兩種裝藥起爆機制,即彈體貫穿殼體后的宏觀剪切起爆和未貫穿殼體的低速沖擊起爆,且機制隨著彈體著速在臨界著速以上繼續提高會發生轉變,最終均會轉變為高速沖擊起爆機制。

隨著屏蔽板厚度的增加,射流的能量會受到屏蔽板作用而衰減,同時射流沖擊屏蔽板也將在屏蔽板中產生沖擊波,以及屏蔽板與屏蔽炸藥的分界面會因為射流沖擊,導致屏蔽板的分界面運動并壓縮屏蔽炸藥。在以上3個因素共同作用下,導致了屏蔽炸藥受射流的沖擊響應過程變得非常復雜。而目前針對不同屏蔽厚度下(特別是厚屏蔽裝藥)的射流沖擊起爆過程以及在不同屏蔽板厚度下起爆方式的轉變研究相對不足,因此基于數值模擬計算,開展了在不同屏蔽板厚度時射流沖擊并起爆屏蔽炸藥過程的研究。

1 研究方法

1.1 聚能裝藥結構

數值模擬計算采用ALE算法,參考文獻[14]中采用的K型裝藥結構(對隔板直徑和裝藥材料進行了調整),文中主要研究K型裝藥結構形成的桿式射流對不同屏蔽板厚度下屏蔽炸藥的起爆過程,不考慮該K型裝藥結構能形成的桿式射流最大速度以及最佳能量利用率等性能參數。裝藥結構見圖1,裝藥口徑D為110 mm,其中藥型罩采用偏心亞半球罩。裝藥采用JH-2炸藥,隔板采用酚醛樹脂材料,藥型罩采用紫銅材料。

圖1 K型裝藥結構Fig.1 Design of K-charge

1.2 數值模擬計算模型及方法

為了對比不同屏蔽板厚度時射流對屏蔽炸藥的沖擊起爆過程,按以下步驟進行數值模擬計算。

步驟一,對K型聚能裝藥結構形成的射流進行計算并與相關文獻報道的試驗數據進行對比。裝藥、藥型罩以及隔板均采用ALE算法,采用頂部起爆方式起爆裝藥,網格尺寸為0.05 mm。

步驟二,在射流頭部快到達屏蔽板時結束計算,通過*INITIAL_ALE_MAPPING關鍵詞,將上一步計算得到的射流映射到不同屏蔽板厚度的網格中(圖2),這樣可以細化網格尺寸,當前數值模擬計算的射流通路網格尺寸為0.05 mm,屏蔽炸藥采用的網格尺寸為0.05 mm,屏蔽板與屏蔽炸藥的交界面附近的網格尺寸為0.05 mm,其他尺寸為0.1 mm。屏蔽炸藥為PBXN-109,屏蔽板采用G50鋼,炸高為275 mm(2.5D),通過改變屏蔽板的厚度,研究在不同屏蔽板厚度時聚能射流對屏蔽炸藥的起爆過程。屏蔽板采用Lagrange算法,其它結構均為ALE算法。

圖2 經映射的桿式射流沖擊屏蔽炸藥Fig.2 Rod jet formed by grid mapping impacts the covered harge

步驟三,增加屏蔽板厚度并對射流沖擊屏蔽炸藥過程進行分析,屏蔽板厚度按照0.1D厚度遞增(從裸裝炸藥開始數值模擬計算),直到射流不能起爆屏蔽炸藥。屏蔽板的初始厚度選擇0.1D(即11 mm)[15],即當δ1/d<3(其中δ1為靶板厚度,d為射流直徑)時,對于5～8 km·s-1的銅或鋼聚能射流作用下產生的前驅沖擊波,足以在dkp≤5d的炸藥中引發爆轟,數值模擬計算得到的射流直徑為6 mm,因此能夠通過前驅波引爆30 mm屏蔽板厚的炸藥。

主裝藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程描述。屏蔽炸藥采用PBXN-109,采用三點式點火增長模型計算起爆過程,其CJ壓力為22 GPa,即當壓力達到22 GPa時,屏蔽炸藥達到了穩定爆轟傳播條件,表明屏蔽炸藥已被起爆。藥型罩采用紫銅材料,運用JOHNSON-COOK材料模型和GRUEISEN狀態方程描述;屏蔽版采用G50材料,運用JOHNSON-COOK材料模型和GRUEISEN狀態方程描述;空氣采用MAT_NULL空材料模型描述,數值模擬計算材料參數參考文獻[16-20]。

2 數值模擬計算模型參數檢驗

圖3為60 μs時射流侵徹靶板前的形態和速度分布。分析發現射流頭部最大速度為6 486 m·s-1,文中數值模擬計算結果與試驗結果[14]對比見表1,分析發現,文中計算的40 μs時射流頭部速度(6 556 m·s-1)與文獻[14]中試驗獲得的射流頭部速度(6 545 m·s-1)符合較好,偏差為0.2%。圖4為40 μs時射流形態數值模擬計算結果與試驗結果[14]對比,兩者符合較好。

表1 40 μs時文中數值模擬計算結果與試驗結果[14]對比Table 1 Numerical simulation results in this paper compared with experiment results[14] at 40 μs

圖3 60 μs時射流形態與速度分布Fig.3 Jet shape and velocity distribution at 60 μs

圖4 40 μs時射流形態Fig.4 Jet shape at 40 μs

3 屏蔽板厚度對桿式射流沖擊起爆屏蔽炸藥的影響

基于數值模擬計算結果,對不同屏蔽板厚度下的聚能射流起爆屏蔽炸藥過程進行分析,研究發現隨著屏蔽板厚度增加,射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程出現了兩種明顯不同的機制。

3.1 前驅波和壓縮波起爆

首先分析前驅波起爆屏蔽炸藥的情形。根據數值模擬計算,射流在到達屏蔽板時頭部直徑d為6 mm,因此首先分析屏蔽板厚度H<18 mm時射流起爆屏蔽炸藥過程。當屏蔽板厚度為11 mm(1.83d),69.9 μs時,沖擊波已到達屏蔽板,但此時屏蔽炸藥并沒有被起爆。在71.9 μs時,射流雖然沒有完成穿透屏蔽板,但壓縮波已經到達屏蔽板與屏蔽炸藥的交界面,導致交界面變形并壓縮屏蔽炸藥,之后在沖擊波和壓縮波的聯合作用下,屏蔽炸藥中產生了彎曲波,彎曲波波陣面壓力最高達到19.8 GPa。在72.6 μs時,彎曲波發展為爆轟波,屏蔽炸藥已被起爆,波陣面壓力為22.1 GPa。在74.8 μs時爆轟波陣面壓力達到26.4 GPa,表明屏蔽炸藥已被完全起爆。分析發現,射流在并未完全穿透屏蔽板時,就在屏蔽炸藥中產生了彎曲波并進一步起爆屏蔽炸藥。圖5為射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程示意圖。

圖5 屏蔽板厚度為1.83d(0.1D)時射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程Fig.5 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 1.83d(0.1D)

進一步分析屏蔽板厚度為66 mm(11d)時射流對屏蔽炸藥的沖擊起爆過程,如圖6所示。分析發現,在90.5 μs時,此時射流并沒有完全穿透靶板,但同樣在屏蔽炸藥中產生了彎曲波。在91.4 μs時,射流穿透屏蔽板并沖擊屏蔽炸藥,可以看到射流沖擊炸藥時,在頭部也產生了較高的壓力(壓力峰值為24.2 GPa),但此時彎曲波已進一步發展成為爆轟波,彎曲波波陣面最高壓力達到24.6 GPa。另外,分析對稱軸線處射流沖擊屏蔽炸藥時與屏蔽炸藥爆轟波陣面的距離發現,在屏蔽板厚度為11d時的距離(12.0 mm)相比1.83d(9.5 mm)時更大。炸藥的沖擊起爆距離L隨著沖擊波壓力P增加而減小[21],且滿足：

圖6 屏蔽板厚度為11d(0.6D)時射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程Fig.6 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 11d(0.6D)

lgL=A+BlgP

(1)

因此屏蔽炸藥的沖擊起爆距離隨屏蔽板厚度增加而增大,表明屏蔽板厚度增加會進一步衰減射流沖擊屏蔽板時作用在屏蔽炸藥上的沖擊波壓力并導致沖擊起爆距離增大。隨著屏蔽板厚度增加,射流對屏蔽炸藥的沖擊起爆距離也隨之增加,表明對于射流沖擊起爆厚壁炸藥過程,屏蔽板的厚度將對沖擊起爆距離產生較大影響,因此需要合理匹配設計的裝藥尺寸,以使射流能夠起爆屏蔽炸藥。

另外,隨著屏蔽板厚度逐漸增大,在屏蔽炸藥過程中存在兩種起爆過程,分別為前驅波起爆或壓縮波起爆和射流沖擊起爆。但對于PBXN-109炸藥,較難分辨出是否由前驅波起爆或者壓縮波起爆。因為盡管在射流沖擊屏蔽板時,屏蔽炸藥中產生了壓力較高的沖擊波和壓縮波,但由于兩種作用時間相差較小,而沖擊波作用在屏蔽炸藥時,并沒有立即使炸藥起爆,而是相隔很短時間后壓縮波作用在交界面并壓縮交界面附近的屏蔽炸藥,屏蔽炸藥中的壓力進一步增加,并在屏蔽炸藥中傳播一定距離后達到PBXN-109的CJ壓力。

3.2 射流沖擊起爆

進一步分析射流對厚屏蔽板下屏蔽炸藥的起爆過程,圖7為屏蔽靶板厚度為34.8d(1.9D)時射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程。分析發現,射流在159.0 μs時接近屏蔽板端面,但并沒有在屏蔽炸藥中產生較高的壓力。而在162.5 μs時射流穿透屏蔽板,并直接沖擊屏蔽炸藥,在炸藥中產生了9.2 GPa的壓力。在163.5 μs時,在屏蔽炸藥中產生了弓形波,此時射流頭部與弓形波分離,隨著時間增加兩者距離逐漸增大。在165.2 μs時,弓形波已發展為穩定爆轟波在屏蔽炸藥中傳播。

圖7 屏蔽板厚度為34.8d(1.9D)時射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程Fig.7 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 34.8d(1.9D)

通過以上分析發現,在屏蔽板厚度分別為0.1D和1.9D時,射流對屏蔽炸藥的沖擊起爆存在兩種不同的過程,一種為屏蔽板厚度較小時(0.1D)前驅波和壓縮波起爆機制,一種為屏蔽板厚度較大時(1.9D)射流穿透屏蔽板后直接沖擊炸藥起爆機制。表明在屏蔽板由薄變厚的轉變過程中,可能存在著兩種起爆機制發生轉變的轉折點。因此為了進一步得到兩種起爆機制轉變時屏蔽板厚度,對不同屏蔽板厚度下的射流沖擊屏蔽炸藥過程進行進一步數值模擬計算和分析。

3.3 不同屏蔽板厚射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程分析

對不同屏蔽板厚度下的射流沖擊起爆屏蔽炸藥過程進行研究。H為屏蔽板厚度,采用x=H/D來表征屏蔽板厚度的變化,屏蔽板厚度變化為0.1D。對不同x值下的炸藥沖擊起爆距離L以及不同x值下的射流剩余速度v和沖擊起爆參數K進行分析：

(2)

式中：u為高能炸藥開坑速度;ρh為被起爆藥密度;ρρ為射流密度;當K>K0(K0為試驗標定的常數)時,表征射流能夠起爆炸藥,不同的炸藥其K0值不同。對不同屏蔽板厚度下的沖擊起爆距離L進行統計,見圖8,其中P點為弓形沖擊波波陣面上轉變為爆轟波的點(即弓形沖擊波波陣面上達到PBXN-109的CJ壓力點);O點為對稱軸線上屏蔽板與屏蔽炸藥接觸面初始點。

圖8 不同屏蔽板厚度下射流對屏蔽炸藥的沖擊起爆距離測量方法Fig.8 Measurement of the impact initiation distance of the jet to covered charge under different covered plate thickness

經數值模擬計算,得到不同x值下的射流剩余速度和沖擊起爆距離(圖9)和不同x值下的K值和沖擊起爆距離(圖10)。

圖9 剩余射流速度和沖擊起爆距離隨H/D變化Fig.9 Residual jet velocity and impact initiation distance vary with the covered thickness variation

圖10 射流剩余K值和射流沖擊起爆距離隨H/D變化Fig.10 Residual K value of the jet and jet impact initiation distance vary with covered plate thickness variation

分析發現,在不同的屏蔽板厚度下射流沖擊起爆屏蔽炸藥的過程分為以下4個區域：

區域Ⅰ：當屏蔽板厚度為0.2D～1.0D時,此區域可能由前驅沖擊波和壓縮波起爆(圖10的A1B1段和圖11的A2B2段),此時剩余射流速度不低于5 000 m·s-1,剩余射流的K值超過90 mm3·μs-2。射流沖擊屏蔽板后,在屏蔽板中產生了較強的沖擊波,同時在射流快穿透靶板時,壓縮靶板產生變形,起爆屏蔽炸藥可能為兩種方式共同作用結果。

區域Ⅱ：當屏蔽板厚度為1.0D～1.4D時,此區域為轉折段(圖10的B1C2段和圖11的B2C2段),在射流快穿透屏蔽板時可能并沒有在屏蔽炸藥中產生足夠的能量起爆屏蔽炸藥,但由于屏蔽炸藥受到了兩者的作用,導致沖擊起爆距離隨靶板厚度增大不斷增加。此階段射流剩余速度4 500～5 000 m·s-1,剩余射流的K值為60～90 mm3·μs-2。

區域Ⅲ：當屏蔽板厚度為1.4D～3.1D時,此區域的起爆方式為射流沖擊起爆區(圖10的C1E1段和圖11的C2E2段),在此屏蔽板厚度范圍,射流穿透屏蔽板后直接沖擊屏蔽炸藥,導致屏蔽炸藥起爆。此階段射流剩余速度2 200～4 500 m·s-1,剩余射流的K值為30～60 mm3·μs-2。另外,分析發現對于C2D2段,剩余射流速度為3 200～4 500 m·s-1,剩余射流的K值為40～60 mm3·μs-2,隨著屏蔽板厚度增加,沖擊起爆距離并沒有明顯變化,而對于D2E2段,剩余射流速度為 2200～3 200 m·s-1,剩余射流的K值為30～40 mm3·μs-2,隨著射流屏蔽板厚度增加,沖擊起爆距離逐漸增大。

區域Ⅳ：當屏蔽板厚度超過3.1D時,此區域為未起爆區(圖10的F1J1段和圖11的F2J2段),射流受到屏蔽板作用能量被嚴重衰減,剩余射流能量不足以起爆屏蔽炸藥,此階段射流剩余速度2 200～4 500 m·s-1,剩余射流沖擊起爆能量低于30 m·s-1。

4 結論

基于數值模擬計算開展了桿式射流沖擊不同屏蔽板厚度的屏蔽炸藥響應過程研究,通過研究獲得以下3點結論：

1)屏蔽板厚度增加將導致射流沖擊屏蔽炸藥過程出現4種可能的響應：前驅沖擊波起爆、壓縮波起爆、射流沖擊起爆和未起爆(燃燒或者熄滅)。

2)前驅波和壓縮波起爆雖不能明顯區分,但與射流穿透屏蔽板后直接起爆屏蔽炸藥這種起爆方式存在比較明顯的區別,即起爆點與屏蔽板之間的起爆距離后移。

3)前驅波和壓縮波起爆屏蔽炸藥主要發生在屏蔽板厚度為1.4D時,射流穿透屏蔽板后直接起爆屏蔽炸藥出現在屏蔽板厚度為3.1D時。因此對于目前的來襲彈藥,設計不同的破片或者射流速度將對其引爆能力和過程具有重要影響。該結果可為相關研究提供參考。