王新穎， 王樹山， 盧熹

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

0 引言

爆轟驅(qū)動(dòng)金屬柱殼膨脹與破碎是一種極其復(fù)雜的瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)問題，涉及到炸藥爆轟、沖擊波作用、爆轟產(chǎn)物膨脹、金屬柱殼加速運(yùn)動(dòng)直至破裂形成破片等物理過程[1-2]，因此破片速度的準(zhǔn)確預(yù)測具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值[3-5]。

公認(rèn)最早的經(jīng)典破片初速模型由Gurney[6]于1943年提出，其基本假設(shè)是瞬時(shí)爆轟和能量守恒，實(shí)質(zhì)是忽略了沖擊波效應(yīng)和爆轟產(chǎn)物與殼體膨脹細(xì)節(jié)，從而建立了非常簡單實(shí)用的Gurney公式。依照Gurney公式，破片初速只與載荷系數(shù)β(β=C/m，C為炸藥質(zhì)量，m為殼體質(zhì)量)和炸藥性能所決定的Gurney能有關(guān)。Lee等[7]提出了標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)標(biāo)定，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥為固定的裝藥結(jié)構(gòu)尺寸和殼體厚度，以及殼體材料選擇延展性極好、具有較大破裂半徑的無氧銅。這種標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥結(jié)構(gòu)爆轟驅(qū)動(dòng)后，使得殼體破裂瞬時(shí)的膨脹速度、破裂后產(chǎn)物繼續(xù)加速作用終止時(shí)的驅(qū)動(dòng)終態(tài)速度和Gurney定義的破片初速可以不做區(qū)分。然而，采用Gurney公式預(yù)測延展性低于無氧銅而較早發(fā)生破裂的金屬柱殼，必然存在計(jì)算結(jié)果高于實(shí)際的情況。另外，由于Gurney公式忽略了殼體出現(xiàn)裂紋、爆轟產(chǎn)物泄露以及解體形成破片后的驅(qū)動(dòng)加速細(xì)節(jié)，也就無法預(yù)測驅(qū)動(dòng)終態(tài)速度。再有，由于Gurney公式不考慮沖擊波作用，無法反映殼體密度和沖擊阻抗所產(chǎn)生的影響。Reaugh等[8]、Lindsay等[9]、Elek等[10]指出了沖擊波對金屬柱殼驅(qū)動(dòng)加速的影響，認(rèn)為在膨脹初始階段金屬柱殼具有極高的加速度，即在極短的時(shí)間間隔內(nèi)速度突躍，將驅(qū)動(dòng)加載分為沖擊波加載和爆轟產(chǎn)物加載的共同作用過程，但目前尚缺乏對這一爆轟驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)的針對性試驗(yàn)研究，以及沖擊波作用對柱殼膨脹加速影響的直接試驗(yàn)依據(jù)。

對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)中特定的標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥結(jié)構(gòu)和殼體材料及厚度，在絕大多數(shù)情況下，實(shí)際的戰(zhàn)斗部都是非標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥結(jié)構(gòu)，即裝藥結(jié)構(gòu)尺寸以及殼體材料和厚度都不同于標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)中的特定結(jié)構(gòu)。通過標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)獲得炸藥的特征能量——Gurney能以及以此為依據(jù)計(jì)算的破片初速將出現(xiàn)誤差，故針對非標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥的爆轟能量轉(zhuǎn)換為金屬動(dòng)能的問題有待進(jìn)一步研究。

本文設(shè)計(jì)了兩種常用的彈鋼材料——50SiMnVB鋼和45號鋼，選取不同的β值共6個(gè)工況進(jìn)行梯恩梯(TNT)圓筒裝藥爆轟驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，采用高速照相與光子多普勒測速儀(PDV)聯(lián)合測試方法，通過獲取殼體外表面膨脹加速以及破裂過程的試驗(yàn)圖像，分析了金屬殼體在沖擊波和爆轟產(chǎn)物耦合驅(qū)動(dòng)加載的特征和細(xì)節(jié)，揭示了不同殼體材料和不同β值的非標(biāo)準(zhǔn)圓筒裝藥爆轟驅(qū)動(dòng)過程對金屬加速歷程與破片速度變化的影響。

1 試驗(yàn)裝置及測試方法

試驗(yàn)采用TNT藥柱一端起爆滑移爆轟，加載不同外徑、不同材料的金屬殼體，采用高速照相與PDV聯(lián)合測試診斷殼體加速膨脹至破裂的過程，以獲得殼體外表面膨脹破裂特征以及膨脹速度歷程。試驗(yàn)裝置現(xiàn)場布置如圖1所示。

試驗(yàn)使用的TNT藥柱密度為1.60 g/cm3，由3塊φ50 mm×50 mm與5塊φ50 mm×10 mm的TNT藥柱緊密拼合而成；起爆端采用φ20 mm×5 mm的太安傳爆藥柱，使用BL21雷管起爆；采用炸藥引爆氬氣袋作為拍攝的照明光源；柱殼尾部放置1個(gè)時(shí)標(biāo)雷管，同步記錄柱殼膨脹過程分幅圖像的精確起始時(shí)刻；用裝有潮濕鋸末的木箱作為回收裝置，置于柱殼裝置底部。為了便于高速分幅圖像的處理，試驗(yàn)前在柱殼表面用標(biāo)記筆間隔20 mm繪制標(biāo)記線，用于基準(zhǔn)尺寸判定。試驗(yàn)前實(shí)測的殼體具體幾何參數(shù)如表1所示。

表1 金屬柱殼材料及其幾何尺寸

高速轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)用于拍攝金屬柱殼膨脹動(dòng)力學(xué)過程和破裂過程的表面形貌演化信息，依據(jù)對柱殼表面過程關(guān)注的時(shí)間及位置要求，設(shè)置分幅相機(jī)不同的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)不同的幅頻間距，本文試驗(yàn)選擇幅頻間距為1 μs，共獲得40 幅圖像。PDV是一種能準(zhǔn)確測量高速運(yùn)動(dòng)物體速度歷程曲線剖面的測速儀器[11]。試驗(yàn)采用由陣列式光纖探針組和支架組成的一種新型PDV，布置于沿殼體外表面環(huán)向局部的中心區(qū)域。試驗(yàn)前，依據(jù)對金屬殼體估算的裂紋平均長度以及PDV測試的有效距離，設(shè)計(jì)陣列式光纖探針組結(jié)構(gòu)，光纖探針組的間距要足以能夠跨越多條宏觀裂紋，試驗(yàn)測試范圍約為6～8 mm，以使表面形成裂紋后速度歷程曲線的差異能夠被測試。

每次試驗(yàn)采用相同的PDV探頭支架與探頭排布順序，對于不同外徑的圓筒，可以通過調(diào)節(jié)支架的幾何尺寸，使殼體膨脹破裂過程中膨脹穩(wěn)定段位于PDV探頭的有效范圍之內(nèi)。PDV陣列如圖2所示，在測點(diǎn)1～測點(diǎn)8處共安裝8個(gè)PDV探頭，其中：測點(diǎn)1～測點(diǎn)6為徑向密排，探頭間距夾角為2°，在殼體表面跨越10°；測點(diǎn)7和測點(diǎn)8分別位于密排探頭軸向前后18 mm處，用于驗(yàn)證圓筒滑移爆轟的穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 殼體膨脹速度

試驗(yàn)利用速度頻譜圖分別獲得6個(gè)工況下金屬柱殼的各個(gè)測點(diǎn)膨脹速度曲線，如圖3所示。從圖3中可以看出，單一膨脹速度曲線在速度剖面的前段，位于柱殼中心位置處測點(diǎn)1～測點(diǎn)6的速度歷程曲線重合得非常好，在這段時(shí)間內(nèi)被測區(qū)域的膨脹變形完全一致，殼體所有單元均勻膨脹、尚未發(fā)生破裂。位于軸向的測點(diǎn)7和測點(diǎn)8其速度歷程曲線與密排處6個(gè)測點(diǎn)的曲線僅是速度起跳時(shí)刻的差異，通過數(shù)據(jù)處理可得到接近重合的曲線，表明殼體在膨脹過程中是穩(wěn)定的，沒有出現(xiàn)軸線偏移的情況。在曲線中間段出現(xiàn)了較明顯的速度分叉現(xiàn)象。從圖3中還可以看出，1號殼體～6號殼體的速度曲線分叉時(shí)刻分別為11.43 μs、16.70 μs、20.39 μs、13.12 μs、19.63 μs、24.08 μs.速度曲線的分叉點(diǎn)正是殼體表面出現(xiàn)相對速度差的表現(xiàn)，此時(shí)刻為裂紋貫穿內(nèi)表面、外表面即殼體發(fā)生破裂對應(yīng)的時(shí)刻。分叉點(diǎn)時(shí)刻隨著殼體厚度的增大，破裂時(shí)刻出現(xiàn)得越晚。曲線后期速度出現(xiàn)較大的振蕩，對比相應(yīng)的頻譜圖，此時(shí)信號非常弱，可以認(rèn)為后期的振蕩是無效信息，為了數(shù)據(jù)的完整性，本文并未做相應(yīng)的刪除，而是一并給出。

對比分析各個(gè)柱殼膨脹速度曲線可知，在速度增長時(shí)分別出現(xiàn)了幾次震蕩波峰，柱殼膨脹速度曲線出現(xiàn)第1個(gè)峰值時(shí)刻和峰值速度如表2所示。從殼體膨脹的物理過程分析可知，膨脹速度曲線出現(xiàn)第1個(gè)峰值對應(yīng)為沖擊波加載到殼體內(nèi)表面的時(shí)刻，隨著柱殼壁厚的增大，作用時(shí)刻基本一致，但沖擊波加載效應(yīng)對殼體的加速逐漸變小，而且沖擊波在金屬內(nèi)部震蕩幅度變大。

表2 金屬柱殼第1個(gè)峰值時(shí)刻和峰值速度

2.2 膨脹斷裂過程

拍攝金屬柱殼膨脹過程中的分幅圖片是診斷柱殼斷裂的傳統(tǒng)方法，本文試驗(yàn)拍攝了鋼柱殼膨脹中晚期的圖像，清晰地展示了殼體外表面的裂紋萌生、擴(kuò)展、貫穿及爆轟產(chǎn)物泄漏的動(dòng)態(tài)過程。圖4給出了各試驗(yàn)工況下對應(yīng)于速度分叉點(diǎn)時(shí)刻的分幅圖片。對比不同壁厚的鋼金屬柱殼破裂過程可以看出，薄壁殼體破裂時(shí)裂紋擴(kuò)展較快，在起爆端裂紋已經(jīng)貫通，殼體破裂使氣體產(chǎn)物大量泄漏，但隨著殼體厚度的增大，裂紋擴(kuò)展減緩，在厚壁殼體圖像中只能看到微量的氣體產(chǎn)物泄漏。表明破裂的貫穿要求整個(gè)殼體內(nèi)部的環(huán)向應(yīng)力處于拉伸狀態(tài)，由于殼體厚度越大，維持殼體內(nèi)部爆轟產(chǎn)物壓力的時(shí)間越長，殼體發(fā)生貫穿破裂的時(shí)間越晚，形成的破片尺寸也越大。

圖5和圖6為回收的金屬殼體破片和破片斷口掃描電鏡分析。由圖5和圖6可知，β=0.22時(shí)，厚壁殼體形成的破片裂紋與剪切帶沿徑向呈45°夾角方向擴(kuò)展形貌，在殼體內(nèi)表面及內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，裂紋前端為組織呈現(xiàn)流線狀態(tài)的剪切帶，表明殼體內(nèi)表面溫度較高，而且高壓持續(xù)了較長時(shí)間，殼體破裂模式為拉剪混合。β=0.72時(shí)，薄壁殼體形成破片裂紋與發(fā)展并不充分的剪切帶，沒有觀察到有明顯的塑性變形出現(xiàn)，表明殼體內(nèi)表面壓力相對較低, 高壓持續(xù)時(shí)間相對較短，殼體破裂模式為純剪切。

3 討論

Gurney公式中的裝藥載荷系數(shù)β是計(jì)算破片初速的重要參數(shù)，當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)和殼體材料均一致時(shí)，β值由殼體壁厚決定。為分析不同β值對爆轟驅(qū)動(dòng)金屬膨脹過程的影響，本文試驗(yàn)對相同密度的50SiMnVB鋼和45號鋼柱殼設(shè)計(jì)了3種壁厚，分別為薄壁殼體β=0.72、中間壁厚β=0.34和厚壁殼體β=0.22.對3種壁厚的50SiMnVB鋼和45號鋼柱殼的膨脹速度- 時(shí)間曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，對于相同材料密度的殼體，相同β值的殼體膨脹速度歷程基本一致，但不同壁厚對膨脹過程有明顯不同，主要體現(xiàn)在沖擊波加載效應(yīng)和破裂差異兩方面。

首先，由于裝藥結(jié)構(gòu)一致，膨脹速度起跳時(shí)間點(diǎn)基本相同，但是速度起跳后的第1個(gè)速度峰值不同，β=0.72時(shí)薄壁鋼殼體的第1個(gè)速度峰值最大，速度曲線在出現(xiàn)第1個(gè)峰值后迅速上升，基本沒有速度振蕩過程；β=0.34時(shí)中間厚壁鋼殼體的第1個(gè)速度峰值有所下降，峰值過后速度曲線略有波動(dòng)后再次上升，已明顯看出速度振蕩過程，但振蕩幅度并不大；β=0.22時(shí)厚壁鋼殼體的第1個(gè)速度峰值又略有降低，且在第1個(gè)速度峰值過后的速度下降而后再次上升到第2個(gè)峰值，速度振蕩過程更清晰，隨著振蕩幅值的減小，在經(jīng)過5次振蕩后趨于平穩(wěn)上升。這種現(xiàn)象主要是由沖擊波在殼體內(nèi)部的反射稀疏波引起，內(nèi)外表面之間形成卸載波反復(fù)傳播，使得在柱殼外表面的測點(diǎn)測到的速度出現(xiàn)了波動(dòng)。隨著殼體厚度的增大，卸載波傳播較慢，反射次數(shù)隨之增加，因此速度的振蕩過程隨壁厚的增加越為明顯，脈動(dòng)的幅值逐漸增大，脈動(dòng)次數(shù)也逐漸增多。

其次，殼體壁厚對兩種鋼殼體的膨脹破裂位置有明顯影響。表3給出了不同壁厚鋼殼體在速度分叉點(diǎn)處(即破裂點(diǎn)處)的特征參數(shù)。從圖7和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，45號鋼殼體破裂時(shí)刻都晚于50SiMnVB鋼殼體，而且隨著壁厚的增大，兩種鋼殼體破裂時(shí)刻差值越大，膨脹破裂半徑差值也越大。但相同壁厚的兩種鋼殼體膨脹最終狀態(tài)基本接近，再次表明對于破裂較早的50SiMnVB鋼殼體，在破裂后爆轟產(chǎn)物膨脹對其破片的加速作用高于晚破裂的45號鋼殼體，使得兩種鋼殼體在驅(qū)動(dòng)終態(tài)時(shí)的破片速度和膨脹半徑基本一致。

表3 不同β值下金屬柱殼特征點(diǎn)處的特征參數(shù)

4 結(jié)論

本文采用高速轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)和PDV陣列式光子多普勒測速儀聯(lián)合同步測試的方法，獲得了TNT炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)不同β值的50SiMnVB鋼和45號鋼柱殼表面膨脹加速以及破裂過程的細(xì)節(jié)，通過分析分幅圖像和速度時(shí)程曲線，重點(diǎn)分析了金屬柱殼膨脹加速過程的沖擊波效應(yīng)以及金屬柱殼破裂后繼續(xù)加速階段對驅(qū)動(dòng)終態(tài)速度的影響。所得主要結(jié)論如下：

1) 高速轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)和PDV陣列式多普勒探測系統(tǒng)聯(lián)合同步測試方法能夠獲得直觀的爆轟驅(qū)動(dòng)金屬柱殼膨脹過程細(xì)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果揭示了金屬柱殼膨脹速度因沖擊波效應(yīng)而導(dǎo)致的脈動(dòng)振蕩現(xiàn)象以及金屬柱殼破裂后繼續(xù)加速過程的趨勢和規(guī)律。

2) 殼體壁厚不同，沖擊波加載效應(yīng)差異顯著，殼體厚度增加其外表面膨脹速度的振蕩幅值增大、脈動(dòng)次數(shù)增多，且隨著壁厚的增大，破裂模式由純剪切轉(zhuǎn)變?yōu)槔艋旌稀?/p>

3) 因殼體壁厚以及由此產(chǎn)生的不同β值，45號鋼殼體破裂時(shí)刻都晚于50SiMnVB鋼殼體，且隨壁厚的增大，破裂時(shí)刻和膨脹破裂半徑相差越大，但由于殼體破裂后爆轟產(chǎn)物的繼續(xù)加速作用，相同壁厚的兩種鋼殼體膨脹最終狀態(tài)基本接近。