施春成，王保國，陳亞芳，康建成

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聚能裝藥用多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

施春成1，王保國1，陳亞芳1，康建成2

（1.中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原，030051；2. 空軍駐山西地區(qū)軍事代表室，山西 太原，030024）

為提高爆炸網(wǎng)絡(luò)的傳爆同步性和起爆能力，以亞微米級HMX/DNTF熔鑄炸藥作為溝槽裝藥、亞微米級HMX為基的JO-11C傳爆藥作為傳爆藥，設(shè)計了一種聚能裝藥用“一入八出”式多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，采用傳爆藥軸向鋼凹法研究了多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆、傳爆、隔爆情況和起爆能力，并應(yīng)用PXI數(shù)據(jù)采集儀對多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)的同步時間進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：該起爆網(wǎng)絡(luò)起爆后鋼鑒定塊的凹陷深度明顯且均勻?qū)ΨQ分布，同步性誤差不超過100ns，起爆能力的鋼凹值比JO-9C傳爆藥的高7.45%。

聚能裝藥；多點(diǎn)同步起爆；同步性；起爆能力

聚能破甲戰(zhàn)斗部主要用來侵徹和破壞某些堅固目標(biāo)，通過聚能裝藥爆炸形成侵徹體對目標(biāo)在小面積上釋放大量動能來實(shí)現(xiàn)，因此侵徹體成型的好壞直接影響戰(zhàn)斗部的毀傷能力。研究表明[1-5]：采用多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)作為聚能裝藥的起爆方式，可以有效控制爆轟波形成，但多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆能力和起爆同步性對侵徹體成型影響很大。多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)依其載體不同分為剛性和柔性兩類[6]：柔性網(wǎng)絡(luò)中多采用導(dǎo)爆索為傳爆線路，剛性網(wǎng)絡(luò)多采用溝槽裝藥為傳爆線路。鄭宇等[5]設(shè)計的“一入六出”的柔性同步起爆網(wǎng)絡(luò)具有一定的起爆能力，但其隔爆能力差，同時網(wǎng)絡(luò)的起爆同步性只能控制在200ns以內(nèi)，且戰(zhàn)斗部形狀不完全軸對稱，頭部出現(xiàn)斷裂；胡雙啟[7-8]等設(shè)計了4點(diǎn)和8點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計的環(huán)形傳爆藥柱的起爆能力雖高于圓柱形傳爆藥柱，但網(wǎng)絡(luò)本身的起爆能力弱，需要小主裝藥配合傳爆，而由于小主裝藥的加入，爆炸形成的爆轟波形難于控制，致使破甲效果不佳。

本文結(jié)合XX破甲戰(zhàn)斗部實(shí)際需要，設(shè)計了一種聚能裝藥用“一入八出”式多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，以亞微米HMX/DNTF熔鑄炸藥為溝槽裝藥、亞微米HMX為基的高聚物粘結(jié)傳爆藥（JO-11C）為傳爆藥，采用傳爆藥軸向鋼凹法研究了同步起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆、傳爆、隔爆情況和起爆能力，并測試其起爆同步性。

1 多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)主要由起爆裝置、傳爆裝置和隔爆裝置組成。雷管引爆起爆裝置裝藥，爆轟波經(jīng)傳爆裝置的傳爆面裝藥和溝槽裝藥傳到傳爆孔中，引爆傳爆孔裝藥，形成對主裝藥的多點(diǎn)環(huán)形起爆。由此可知，起爆裝置和傳爆裝置的設(shè)計直接影響爆炸網(wǎng)絡(luò)起爆同步性和起爆能力。

1.1 起爆裝置的設(shè)計

為避免雷管等起爆器材的偏心而引起的爆炸網(wǎng)絡(luò)起爆同步性問題，起爆裝置設(shè)計為啞鈴型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 起爆裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

亞微米HMX/DNTF基熔鑄炸藥具有臨界直徑小、爆速高、爆速極差小以及爆轟傳播穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。用它作為爆炸網(wǎng)絡(luò)的傳爆藥，在網(wǎng)絡(luò)基體上制作溝槽，可減小多點(diǎn)起爆的同步性誤差[9-10]。

關(guān)于爆炸網(wǎng)絡(luò)的傳爆問題，在設(shè)計上應(yīng)盡可能減少溝槽裝藥的藥量或裝藥直徑，但溝槽裝藥的直徑一般應(yīng)大于該炸藥的臨界直徑，才能保證裝藥的穩(wěn)定傳爆。相關(guān)研究表明，炸藥的臨界起爆直徑是制約爆炸網(wǎng)絡(luò)小型化的關(guān)鍵因素。亞微米HMX的臨界直徑小于1mm，新型DNTF基熔鑄炸藥作為傳爆藥，其臨界直徑僅為0.2mm[9]，為爆炸網(wǎng)絡(luò)的小型化提供了技術(shù)保障。結(jié)合起爆裝置的加工工藝和XX破甲戰(zhàn)斗部的設(shè)計要求，采用直徑1.0mm（即起爆主裝藥的最小直徑）的溝槽裝藥。該裝藥結(jié)構(gòu)通過減小起爆主裝藥的最小尺寸，使爆轟波在此向起爆中心匯聚，不僅避免了因雷管的偏心導(dǎo)致起爆同步性差的問題，而且在可靠傳遞爆轟波的情況下降低了起爆裝置的裝藥量。考慮該多點(diǎn)同步網(wǎng)絡(luò)要在破甲戰(zhàn)斗部中實(shí)際應(yīng)用，爆炸網(wǎng)絡(luò)基體選用質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度適中的尼龍。為保證起爆、傳爆同步性，要求基體有較高的加工精度。

1.2 傳爆裝置的設(shè)計

在剛性同步起爆網(wǎng)絡(luò)中，為滿足破甲戰(zhàn)斗部的多點(diǎn)同步起爆要求，需要將起爆裝置的爆轟波放大、分束輸出，以實(shí)現(xiàn)對主裝藥的“一入八出”式的多點(diǎn)同步起爆[11]。在傳爆裝置的設(shè)計中，不僅要考慮同步起爆網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)斗部中的布置要求和爆轟波形的特點(diǎn)，解決有限空間和有效載荷條件下的傳爆和隔爆的矛盾，而且在保證不破壞原有戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及裝藥的條件下，使爆炸網(wǎng)絡(luò)可靠傳爆；同時還要考慮裝藥工藝和裝藥爆速以及傳爆孔數(shù)對爆轟波輸出同步性的影響。所以，在設(shè)計中應(yīng)盡可能保證溝槽裝藥和傳爆面裝藥（亞微米HMX/DNTF基熔鑄炸藥）密度的連續(xù)性和均勻性，用爆速較高的壓裝傳爆藥（JO-11C）為傳爆孔裝藥。該傳爆裝置由傳爆面、溝槽和傳爆孔為主要元件組成。傳爆面與溝槽、溝槽與傳爆孔之間彼此相通，如圖2所示。

圖2 傳爆裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Schematic of detonation transmission device

亞微米HMX/DNTF基熔鑄炸藥作為傳爆藥，溝槽尺寸也選為1.0mm，并使其在爆炸網(wǎng)絡(luò)基體上等長均布，以確保溝槽裝藥的連續(xù)性和密度一致性。它不僅可降低爆速極差，提高多點(diǎn)起爆的同步性，而且有利于解決爆炸網(wǎng)絡(luò)的傳爆與隔爆的矛盾[9]。為簡化裝藥工藝和確保裝藥密度的一致性，設(shè)計的傳爆面深度、溝槽的深度和寬度均為1.0mm；傳爆孔內(nèi)裝藥選取輸出能量高于JO-9C傳爆藥（質(zhì)量百分組成：HMX/FPM2602=95/5）的JO-11C傳爆藥（質(zhì)量百分組成：亞微米HMX/FPM2602=96/4）作為傳爆藥，傳爆孔藥柱尺寸為Φ8.0mm×10.0mm、起爆直徑選取75.0mm，基體的外徑為89.0mm。該傳爆裝置結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）傳爆面的面積略大于起爆裝置的輸出端面積，有利于爆轟波的可靠傳遞，即爆轟波在起爆和傳爆裝置之間的傳遞方式為“面面式”；同時由于傳爆面與溝槽彼此相通，易于裝藥密度的控制，而相對8個溝槽而言，傳爆面就是起爆中心處，且具有相同的裝藥密度，這種設(shè)計有利于保證傳爆面和溝槽內(nèi)爆轟波傳遞的同步性。

（2）傳爆孔裝藥選用JO-11C傳爆藥，與JO-9C傳爆藥相比，具有較高的爆速，可以提高爆炸網(wǎng)絡(luò)的起爆能力和爆轟波傳遞的同步性；采用Φ8.0mm ×10.0mm的傳爆孔，其裝藥藥柱的長度（8.0mm）可保證形成連續(xù)平滑的爆轟波，進(jìn)而提高傳爆裝置對主裝藥的起爆能力；8個傳爆孔的裝藥密度和質(zhì)量相同，保證了裝藥密度的一致性，借鑒傳爆面與溝槽的連接方式，孔內(nèi)裝藥預(yù)留一定空間（2.0mm）由溝槽裝藥填充，確保溝槽裝藥和傳爆孔裝藥連接緊密，提高了爆轟波傳遞的同步性。

1.3 隔爆裝置設(shè)計

為使爆轟波按照爆炸網(wǎng)絡(luò)的路徑來傳播，針對該傳爆裝置設(shè)計了兩種隔爆方案：（1）直接采用基體對沖擊波進(jìn)行衰減而達(dá)到隔爆的目的，如圖2所示；（2）在基體底部內(nèi)嵌比基體彈性大的橡膠墊(1～3mm)對沖擊波進(jìn)行衰減而達(dá)到隔爆的目的，如圖3所示。

圖3 隔爆裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 起爆試驗(yàn)

起爆試驗(yàn)是在圖1起爆裝置的雷管安插處插上電雷管，基體的底部墊45#鋼鑒定塊，用鋼鑒定塊上的炸痕（鋼凹）來判定起爆裝置是否被正常引爆。當(dāng)溝槽的最小直徑為1.0mm、亞微米HMX/DNTF=50/50時，起爆結(jié)構(gòu)在鋼鑒定塊上有直徑15mm、深度為1.80mm的凹坑，說明雷管可正常起爆該起爆裝置。

2.2 傳爆和隔爆試驗(yàn)

在圖1起爆裝置的雷管安插處插上電雷管，將起爆裝置與傳爆裝置相連接，在傳爆裝置基體的底部墊45#鋼鑒定塊，用鋼鑒定塊上的炸痕（鋼凹）來判定該傳爆裝置的傳爆、隔爆情況。表1為溝槽直徑為1.0mm、亞微米HMX/DNTF=50/50時，傳爆結(jié)構(gòu)在鋼鑒定塊上的炸痕情況。

表1 傳爆、隔爆試驗(yàn)情況

Tab.1 Test results of the explosion propagation and isolation

從表1中可以看出，不加隔爆裝置或隔爆層的厚度較小時，均不能實(shí)現(xiàn)傳爆和隔爆。當(dāng)隔爆層的厚度為3mm時，可以解決爆炸網(wǎng)絡(luò)傳爆和隔爆的矛盾。分析原因，由于橡膠的彈性大于尼龍，對沖擊波的衰減作用更大，兩者的合理組合使得該爆炸網(wǎng)絡(luò)傳爆、隔爆試驗(yàn)成功，使爆炸按照預(yù)先設(shè)定的路徑傳播。圖4所示是試驗(yàn)的鋼鑒定塊的照片。

圖4 傳爆試驗(yàn)結(jié)果

2.3 起爆能力試驗(yàn)

利用本文設(shè)計的同步起爆網(wǎng)絡(luò)，采用傳爆藥軸向鋼凹法研究了傳爆藥種類對爆炸網(wǎng)絡(luò)起爆能力的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可以看出，JO-11C作為傳爆藥時爆炸網(wǎng)絡(luò)的鋼凹值比JO-9C作為傳爆藥的爆炸網(wǎng)絡(luò)的鋼凹值提高了7.45%。這是因?yàn)榉蔷嗾ㄋ帥_擊波起爆的能量輸出決定于爆轟速度，即爆轟傳播速度，JO-11C傳爆藥的理論爆速大于JO-9C傳爆藥的理論爆速；而爆轟成長的化學(xué)反應(yīng)是顆粒燃燒，其主要影響因素是炸藥的比表面積，因而炸藥的粒度對能量輸出的影響關(guān)鍵在于該過程中炸藥顆粒的表面燃燒，炸藥的顆粒越小，比表面積越大，化學(xué)反應(yīng)速度越大，爆轟反應(yīng)建立地越快，爆速就越大，輸出能量就越高[12-13]。

表2 兩種傳爆藥的起爆能力

Tab.2 The initiating capacity of two kinds booster

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)同步性試驗(yàn)

采用16通道的PXI數(shù)據(jù)采集儀（精度為10ns）對設(shè)計的同步起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了同步性測試。測試時使用2個模塊（8個通道）測量8個起爆點(diǎn)的起爆時間。8個通道被同時觸發(fā)計時，計時結(jié)束時刻為爆轟波傳到傳爆藥柱末端時間，通過比較時間差來驗(yàn)證多點(diǎn)起爆的同步性。為避免不同模塊測量帶來的偏差值，進(jìn)行2發(fā)試驗(yàn)，計算得到的多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)的輸出時間差數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 同步誤差計算結(jié)果

Tab.3 The experimental results of the initiating time difference of eight-point synchronous explosive circuit

從表3中可以看出，最大時間差為94ns，同步性較好，滿足聚能侵徹體形成的同步性要求。

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計的聚能裝藥采用多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，以亞微米HMX/DNTF熔鑄炸藥為溝槽裝藥、亞微米HMX為基的JO-11C傳爆藥為傳爆藥，實(shí)現(xiàn)了中心一點(diǎn)起爆輸入并能對由于雷管的偏心而引起的爆轟波偏差進(jìn)行自動匯聚，八點(diǎn)同步起爆輸出。（2）傳爆藥軸向鋼凹法的試驗(yàn)結(jié)果表明，八點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)具有足夠的傳爆、起爆和隔爆能力，起爆能力高于JO-9C傳爆藥，為爆炸網(wǎng)絡(luò)的小型化和爆轟波精準(zhǔn)控制技術(shù)提供了參考依據(jù)。（3）從單點(diǎn)起爆放大成八點(diǎn)同步起爆的同步性測試表明：“一入八出”式多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)起爆時間偏差不超過100ns，能夠滿足聚能侵徹體的同步性要求。

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Design of Multi-point Synchronous Initiation Circuit for Shaped Charge

SHI Chun-chen1，WANG Bao-guo1，CHEN Ya-fang1，KANG Jian-cheng2

（1.National Defence Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan，030051；2. The Military Affairs Department of Shanxi, Taiyuan, 030024）

In order to improve the synchronicity and initiation capacity of multi-point explosive circuit (MEC), a “one-in-and-eight-out” multi-point synchronous initiation circuit applying for shaped charge was developed, sub-micro HMX/ DNTF melt-cast explosive was used as channel charge and JO-11C based on sub-micro HMX was also used as booster explosive. The initiation situation, booster situation, explosive-proof situation and initiation capacity of synchronous initiation circuit were studied, by the axial steel concave act of booster explosive charge, and multi-point synchronous initiation time were tested by PXI data acquisition instrument. Test results show that steel concave depth of steel piece of identification are very clear and evenly distributed after the device was initiated , the synchronous time difference is no more than 100ns,its initiation capacity is higher 7.45% than that of JO-9C booster explosive.

Shaped charge; Multi-point synchronous initiation; Synchronicity; Initiation capacity

TJ45+6

A

1003-1480（2014）06-0001-04

2014-09-01

施春成（1987-），男，在讀碩士研究生，主要從事超細(xì)材料制備及改性技術(shù)研究。

2013年中北大學(xué)自然科學(xué)基金（NUC2013018）