王 輝, 沈 飛, 田清政, 任新聯(lián), 袁建飛

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

偏心起爆式定向戰(zhàn)斗部是一種新型高效毀傷戰(zhàn)斗部技術(shù),主要通過(guò)多分位可控起爆在裝藥中形成定向匯聚爆轟波,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)破片速度、飛散方向和密度的控制。由于該技術(shù)具有能量利用率高、毀傷威力大、易于工程化等特點(diǎn),從而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-6]。近年來(lái),在定向戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中逐漸采用復(fù)合裝藥以進(jìn)一步優(yōu)化爆轟波形并提高裝藥的能量利用率[7],但由于偏心起爆條件下爆轟波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種匯聚、繞射等復(fù)雜現(xiàn)象,導(dǎo)致其波形的掃描難度較高,且目前這方面的研究成果也較少,使得復(fù)合裝藥在該類戰(zhàn)斗部的應(yīng)用中缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

目前對(duì)炸藥爆轟波傳播過(guò)程的分析研究,通常采用平行多狹縫或交叉條紋板技術(shù)測(cè)量炸藥端面爆轟波形,獲得其對(duì)稱二維平面上波形的傳播過(guò)程。如袁寶慧[8]、丁剛[9]采用平行三狹縫掃描技術(shù)分別對(duì)兩點(diǎn)偏心起爆的圓柱形B炸藥及復(fù)合裝藥端面爆轟波形進(jìn)行了測(cè)量,得到了在狹縫方向上爆轟波的傳播軌跡,并繪制出了觀測(cè)方向上不同時(shí)刻的波形圖,但該技術(shù)只能獲得爆轟波在一維方向上的相位移及相速度,無(wú)法獲得爆轟波的傳播速度及方向。Held[10]利用轉(zhuǎn)鏡式條紋相機(jī)及交叉型多條紋遮光板技術(shù)對(duì)不同配方的復(fù)合裝藥端面爆轟波形進(jìn)行測(cè)量,由于測(cè)量得到的多條紋軌跡在試驗(yàn)底片上相互交叉重疊,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)判讀有較大難度。因此,對(duì)于復(fù)合裝藥偏心起爆條件下較為復(fù)雜的爆轟波形,采用以上兩種掃描技術(shù)均難以全面觀測(cè)出爆轟波的傳播特性及波形變化規(guī)律。

鑒于此,本研究嘗試采用正交多狹縫掃描技術(shù)對(duì)偏心起爆條件下復(fù)合裝藥端面波形進(jìn)行測(cè)量,即采用兩臺(tái)高速掃描相機(jī)在相互垂直的方向上同時(shí)進(jìn)行多狹縫掃描,分別得到正交兩個(gè)方向上的掃描軌跡,通過(guò)幾何關(guān)系分析狹縫交點(diǎn)處的爆轟波傳播速度及方向,從而全面、準(zhǔn)確地了解其爆轟波在此平面上的傳播過(guò)程,為該類戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣準(zhǔn)備

復(fù)合裝藥由內(nèi)外兩層不同配方的炸藥組成,外層為高爆速炸藥A(HMX/黏結(jié)劑質(zhì)量比為95/5),采用壓裝成型,尺寸為外徑Φ100 mm,內(nèi)徑Φ65 mm,厚度20 mm,密度1.81 g·cm-3; 內(nèi)層為低爆速炸藥B(TNT/RDX/Al/黏結(jié)劑質(zhì)量比為40/30/20/10),采用鑄裝成型,尺寸為Φ65 mm×20 mm,密度為1.78 g·cm-3; 采用國(guó)軍標(biāo)GJB772-1997方法702.1測(cè)量炸藥A、B的爆速分別為8700 m·s-1和7200 m·s-1。為了更接近戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),裝藥結(jié)構(gòu)中心設(shè)有Φ20 mm中心孔,其裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及布局

實(shí)驗(yàn)裝置主要由主裝藥、起爆藥、光探板、起爆點(diǎn)定位環(huán)、高壓瞬發(fā)雷管組成。裝配過(guò)程中,將主裝藥放置于定位環(huán)內(nèi),定位環(huán)上有兩個(gè)Φ8 mm的小孔,其夾角為60°,孔內(nèi)放置傳爆藥柱及雷管。采用3 mm厚有機(jī)玻璃作為光探板,其安裝面與主裝藥的測(cè)量端面緊密貼合,在爆轟波形測(cè)量時(shí)光探板能起到了爆炸快門(mén)的作用,在試驗(yàn)底片上獲得邊界清晰的波形跡線。波形掃描實(shí)驗(yàn)裝置及布局如圖2所示,實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)SJZ-15型轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)在正交方向同時(shí)進(jìn)行五狹縫掃描,Ⅰ號(hào)相機(jī)的狹縫對(duì)準(zhǔn)裝藥的豎直方向,其狹縫編號(hào)為1～5,Ⅱ號(hào)相機(jī)的狹縫對(duì)準(zhǔn)裝藥的水平方向,其狹縫編號(hào)為1′～5′,狹縫的寬度均為0.02 mm,相機(jī)的掃描速度均設(shè)置為6 mm·μs-1,當(dāng)相機(jī)均達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后兩個(gè)起爆點(diǎn)同時(shí)起爆。

圖1 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Structure of composite charge

圖2 波形掃描實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of experimental set-up for wave scanning

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為復(fù)合裝藥偏心起爆條件下的正交多狹縫掃描實(shí)驗(yàn)底片。由于在裝藥中心部位設(shè)有Φ20 mm的中心孔,因此經(jīng)過(guò)中心孔位置時(shí)狹縫所掃描爆轟波形應(yīng)是空缺的,但炸藥爆轟產(chǎn)物在通過(guò)圓孔時(shí)發(fā)光并會(huì)產(chǎn)生光線的折射,底片中的對(duì)應(yīng)位置會(huì)出現(xiàn)一些跳躍的雜光,判讀時(shí)可以省略。對(duì)底片進(jìn)行數(shù)字化判讀后,結(jié)合狹縫的間距、相機(jī)掃描速度、圖像放大比等參數(shù),可得到實(shí)驗(yàn)波形的具體曲線值,令豎直方向?yàn)閥軸,水平方向?yàn)閤軸,則兩個(gè)方向上測(cè)量得到的相位移隨時(shí)間變化的波形曲線如圖4所示。由于狹縫1和5、2和4所掃描的位置關(guān)于y軸對(duì)稱,因此對(duì)應(yīng)的掃描曲線重合。

a. cameraⅠ

b. cameraⅡ

圖3 兩個(gè)相機(jī)的狹縫掃描底片

Fig.3 Negatives of slit scanning from two cameras

a. vertical slits

b. horizontal slits

圖4 狹縫掃描波形曲線

Fig.4 Curves of slit scanning waveform

圖4中所示的這些曲線只是描述了從不同方向觀測(cè)的相位移隨時(shí)間的變化過(guò)程,并不表示爆轟波沿法線方向的傳播軌跡。這些曲線在某個(gè)位置點(diǎn)的斜率表示該處的相速度,而在計(jì)算相速度的過(guò)程中,由于曲線的變化較大,簡(jiǎn)單地對(duì)曲線進(jìn)行整體擬合,后對(duì)時(shí)間求導(dǎo),會(huì)引入較大的誤差,因此,可以結(jié)合該點(diǎn)附近的信息并采用差分法獲得該點(diǎn)處的相速度。圖5描述了豎向和水平向狹縫位置處的相速度隨位移的變化曲線,其中,vy為沿豎直狹縫觀察的相速度,vx為沿水平狹縫觀察的相速度,圖5b中由于橫向狹縫的相速度峰值較大,所以縱坐標(biāo)選用lg(vx),而vx的單位仍為mm·μs-1。由于內(nèi)外層裝藥的爆速差異較大,且狹縫方向并不是爆轟波真實(shí)的傳播方向,所以圖5中的速度曲線在內(nèi)外層交界面出現(xiàn)大幅度的跳躍。

a. vertical slits

b. horizontal slits

圖5 沿不同方向觀測(cè)的相速度變化曲線

Fig.5 Curves of image velocity along orthogonal direction

由于爆轟波的法向傳播速度與相速度存在圖6所示的幾何關(guān)系,其中,vs為爆轟波陣面的法向速度,θ為法向速度與y軸的夾角,根據(jù)其幾何關(guān)系,可知

vs=vxsinθ

(1)

vs=vycosθ

(2)

θ=arctan(vy/vx)

(3)

由公式(1)和(2),能得到如下公式

(4)

圖6 法向速度與相速度關(guān)系圖

Fig.6 Relationship between normal velocity and image velocity

本研究采用正交5狹縫掃描技術(shù),豎直狹縫與水平狹縫共有25個(gè)交點(diǎn),但由于炸藥試樣設(shè)有中心孔,所以在炸藥的端面共有20個(gè)有效測(cè)量交點(diǎn),如圖7所示。此外,由于各相交點(diǎn)分別關(guān)于y軸對(duì)稱,則只需要計(jì)算其中對(duì)稱軸一邊交點(diǎn)的相關(guān)物理量。根據(jù)公式(3)和(4)可計(jì)算出爆轟波經(jīng)過(guò)各個(gè)交點(diǎn)時(shí)的法向速度及方向,計(jì)算結(jié)果如表1所示,而對(duì)于對(duì)稱軸上的交點(diǎn)(j點(diǎn)和k點(diǎn))位置處,則有vs=vy且θ=0。

圖7 狹縫交點(diǎn)位置示意圖

Fig.7 Joints of orthogonal slits

表1 狹縫交點(diǎn)處的爆轟波參數(shù)

Table 1 Parameters of detonation wave at joints of orthogonal slits

No．coordinatesvx/mm·μs-1vy/mm·μs-1vs/mm·μs-1θ/(°)a(16．8，33．2)18．1897．4656．90622．3b(16．8，41．6)20．1417．4416．98020．3c(16．8，50．0)23．1767．4177．06417．8d(16．8，58．4)26．3877．3947．11915．7e(16．8，66．8)21．8577．376．98418．6f(8．4，33．2)13．6278．3237．10331．4g(8．4，41．6)16．2748．1167．26326．5h(8．4，58．4)10．1197．8246．19037．7i(8．4，66．8)18．4347．8187．19723．0j(0，33．2)-9．3809．3800k(0，66．8)-11．05111．0510

為了較為直觀地表示裝藥中爆轟波形的傳播過(guò)程,采用垂直狹縫方向的掃描結(jié)果繪制出復(fù)合裝藥中定向匯聚爆轟波形傳播過(guò)程,如圖8所示。

圖8 豎直狹縫所得波形圖

Fig.8 Detonation waveform from vertical slits

從圖8中可以看出,起爆點(diǎn)對(duì)稱軸兩側(cè)形成的球面爆轟波在靠近軸線位置處匯聚碰撞并形成一定曲率的馬赫波,在繞過(guò)中心孔前,其波形曲率隨著傳播距離增大逐漸減小; 通過(guò)中心孔后,爆轟波曲率突然增大,且在穿越內(nèi)外層交界的過(guò)程中,內(nèi)外層裝藥的爆速差導(dǎo)致爆轟波向中心呈弧形收斂趨勢(shì),最終形成喇叭形波形。從圖8中只能看出爆轟波在垂直方向上的傳播及變化趨勢(shì),結(jié)合表1所列交點(diǎn)處的爆轟波參數(shù)可具體分析爆轟波的傳播速度及變化過(guò)程。例如,爆轟波在繞過(guò)中心孔前,爆轟波在經(jīng)a點(diǎn)到b時(shí)(圖7),法向速度與y軸的夾角θ僅減小了2°; 而在靠近中心位置由f點(diǎn)到g點(diǎn)時(shí),θ角則減少約5°; 說(shuō)明在此過(guò)程中波形中心處θ角比邊緣處變化較大,使得爆轟波形曲率逐漸變小。在g→h→i的過(guò)程中,θ角先增大11.2°又減少14.7°,法向速度則先減少1.07 mm·μs-1又增加1 mm·μs-1,說(shuō)明當(dāng)通過(guò)中心孔時(shí)爆轟波經(jīng)過(guò)繞射后傳播速度明顯衰減,但由于波形向中心匯聚,造成傳播速度又迅速增大; 在e點(diǎn)處,由于受外層裝藥影響,θ角相對(duì)于d點(diǎn)處增大了3°,使得爆轟波形進(jìn)一步向內(nèi)收斂,同時(shí)k點(diǎn)的馬赫波速度進(jìn)一步提高,比j點(diǎn)高出1.67 mm·μs-1。當(dāng)裝藥對(duì)稱中心部位馬赫波速度提高的同時(shí)其壓力相應(yīng)增大,對(duì)破片的驅(qū)動(dòng)能力也相應(yīng)提高,因此在定向戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中可充分利用復(fù)合裝藥優(yōu)化調(diào)整爆轟波形來(lái)提高定向殺傷破片的驅(qū)動(dòng)速度。

4 結(jié) 論

(1)采用正交多狹縫掃描技術(shù)對(duì)復(fù)合裝藥偏心起爆條件下的爆轟波形傳播過(guò)程測(cè)量,能夠定量化得到狹縫交點(diǎn)處的爆轟波傳播速度及方向,便于深入分析其爆轟波的傳播特性及變化規(guī)律。

(2)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化調(diào)整爆轟波形,尤其是爆轟波跨越中心孔后,其波形進(jìn)一步向?qū)ΨQ中心線收斂,偏轉(zhuǎn)角增大了約3°,使得沿中心線的爆速提高了約1.67 mm·μs-1,從而提高了匯聚的能量及對(duì)破片的驅(qū)動(dòng)能力。

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