网络爆轰驱动飞片的设计技术＊

张友君，谷 岩，裴晓阳，杜金梅，杨 佳，喻 寅

（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621900）

高能炸药具有较高的化学释放能和较快的反应速度，是一种常用的高压冲击波能源。在化爆加载中，利用高能炸药爆轰释放的化学能转变为飞片的动能，已有了一系列的化爆加载装置，如接触爆炸、空腔增压、多级飞片增压、二维会聚增压等方法［1］。目前的化爆加载装置大都采用平面波透镜传爆主炸药的方式驱动飞片，这种装置获得的飞片击靶速度为数千米每秒，相应的冲击加载压力范围为几十至几百吉帕。而在研究材料的损伤与断裂、低压冲击相变以及弹塑性形变特性等动态响应时，需要使待测样品受到的冲击应力位于较低的区间。目前，获得数百米每秒击靶速度或产生几吉帕压力大多使用一级气体炮，而爆轰驱动技术结构相对简单、体积小、容易与测试仪器同步工作（如原位实时测量、高速摄影）等［2］，因此研究化爆驱动飞片在低速和稳定状态下的加载技术十分必要。

在平面波透镜结构的加载装置中，为了在材料中获得较低的冲击压力，可采用低爆速炸药或加惰性材料衰减层等方法［3］。В.И.Цыпкцнн［4］对TNT炸药爆轰产物经过不同厚度空气隙驱动10mm铜飞片的运动过程进行了实验研究，表明随着空气隙的增大，飞片速度下降，但空气隙增加到一定厚度时飞片速度难以再继续下降。赵剑衡等［5］结合实验和数值模拟研究了在炸药透镜和飞片之间引入空腔对爆轰驱动飞片的影响，结果表明引入空腔的爆轰加载装置可以推动6mm铜飞片达到约1km／s的速度。张万甲［6］、G.I.Kanel等［7］设计了组合飞片作为低压爆轰加载装置，实验结果初步表明组合飞片作为低压爆轰加载的原理是可行的，但设计较复杂。金柯等［8］对爆轰产物与飞片之间预留空气隙和使用组合飞片的方式分别进行了数值模拟研究，结果表明增加空气隙或使用组合飞片可以使中等阻抗飞片降至1～2km／s。综上所述，采用平面波透镜结构的爆轰加载装置，很难获得低于1km／s飞片速度的加载能力。

本文中，通过网络爆轰技术设计一种新型低速低冲击应力的加载装置。结合数值模拟、实验测量与标定，对网络爆轰驱动飞片的速度、平面性及装置结构参数进行系统的研究，拟为低压动态加载实验研究提供技术手段。

1 实验原理与设计

1.1 基本原理

炸药爆轰驱动飞片的过程中，可用不可压缩飞片模型估算飞片受到压缩波驱动的运动规律，得到飞片速度u的关系式［3］

式中：m为装药质量，M为飞片质量，l为装药长度，D为爆轰波速度，t为飞片飞行时间。

当t趋近于无穷时，可以得到飞片的极限速度umax

由式（2）可知，η越小，飞片速度越低。在炸药成分与飞片质量一定的情况下，要降低飞片速度，必须降低装药质量或装药长度。在传统的平面波透镜化爆加载装置中，需要一定的装药长度才能保证点源发出的散心爆轰波改造成为平面爆轰波，这个总长度一般都在几十毫米。同时，在平面波透镜的加载装置中，通常还要再加一段主炸药，厚度在数十毫米范围，主装药长度过短就会影响飞片击靶的平面性。因此使用平面波透镜结构驱动飞片的装置很难降低飞片速度。

1.2 装置设计

为了得到较低的飞片击靶速度，本文中提出并使用平面网络爆轰技术。网络爆轰是在大口径装药的端面上布置多个起爆点，这些起爆点由炸药网络线连接，当雷管引爆时，通过炸药网络线的传爆使多个起爆点同时起爆，由此获得平面范围内的爆轰波输出。利用网络起爆可以降低装药厚度，通常主炸药厚度在1mm以下。

在一维应变动态加载实验中，对加载装置有两个基本要求。首先，压力可调，有一定的压力调节范围；其次，所产生的冲击波有一定的平面尺寸和平面度，以便物理力学参数的测量［3］。本文的网络爆轰驱动飞片技术满足这两个基本要求。

根据上述基本原理，网络爆轰驱动飞片加载的装置如图1所示。它由雷管、炸药网络板、衰减层、有机玻璃板、飞片、空腔和靶系统等组成。此处的炸药网络板包括了多点起爆网络和主装药。

炸药网络板中装药厚度0.8mm，边长95mm。衰减层采用冲击阻抗较高的45钢板，厚度可视所需飞片速度调节。为使多点爆轰波被改造成为准一维平面波，经过计算取有机玻璃板厚10mm。飞片为∅100mm的圆板，厚度3mm，材料为无氧铜。

图1 网络爆轰驱动飞片的实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of network detonation－loading device

1.3 数值模拟

使用数值计算检验了网络爆轰驱动飞片技术的可行性。装置材料采用弹塑性流体模型，炸药爆轰产物的描述选用JWL状态方程，表达式为［9］

式中：A、B、ω、R1、R2为常数，e为比内能。炸药 GI－920的CJ参数为：ρ＝1.540g／cm3，D＝7.35km／s，e＝4.29MJ／kg，状态方程参数为：A＝2 714.0GPa，B＝17.930GPa，R1＝7.00，R2＝1.60，ω＝0.35。

图2（a）给出了飞片后自由面粒子速度历史随45钢板厚度变化的计算结果，炸药在时刻零起爆。图2（b）给出了飞片稳定飞行后的击靶速度随钢板厚度的变化趋势。结果表明，当钢板厚度从1mm增加到10mm时，飞片的击靶速度相应从330m／s减小到210m／s，并且飞片飞行距离在2mm内即可达到稳定的速度平台。应力波在飞片中来回反射可造成飞片自由面速度振荡；钢板厚度与飞片速度之间并不完全成线性关系，随着钢板厚度持续增加，击靶速度继续减小的幅度十分有限。如果使用该飞片撞击相同材料的无氧铜样品可以达到3.8～6.2GPa冲击应力，因此初步计算认为该结构的装置具有可行性，并且通过改变衰减层钢板的厚度可以使飞片的速度发生连续性的变化，得到不同的冲击应力。

图2 飞片速度随衰减层45钢板厚度的变化规律Fig.2 Simulation results of flyer velocity as a function of steel thickness

2 实验测量与标定

为了对飞片飞行状态进行实时测量，将靶板设计为可安装测量探针的基板。探针基板为∅80mm的LY12铝，可布局多路多圈的测量探针。飞片与探针基板间的空腔距离为约2mm。为了准确测量和标定，使用DPS测速系统［10］。通过多路多圈的DPS探针布置（见图3），可以得出飞片直径40mm内的平面性分布。其中，探针1～9从内至外分别分布于圆心、∅20mm和∅40mm，主要是测量飞片速度和评估飞片击靶的平面性。探针10、11和12分别对应炸药网络爆轰的一波点、二波点和四波点，主要测量网络起爆点对爆轰波传播均匀性的影响。在位于∅40mm的圆上设计了4个∅6mm的圆孔用于排出飞片飞行时的压缩气流，避免对DPS测量的影响。

进行了两发典型加载状态的实验测量和标定，实验参数与部分结果见表1，DPS测量结果见图4。表中，h1、h2、h3和h4分别为飞片厚度、有机玻璃厚度、45钢板厚度和空腔距离。可以发现，在2mm空腔距离内，飞片已经达到一个稳定的最大速度飞行状态。实验1、2的飞片速度分别为v1＝（299±4）m／s，v2＝（221±3）m／s。多点测量表明，∅40mm内飞片的击靶速度相对误差在1.5%以内，飞片飞行速度均匀性很好。

图3 DPS探针布局Fig.3 Position of DPS probes

表1 标定实验的加载状态和部分实验结果Table1 Experimental parameters and results of the calibrated equipment

图4 不同测点处飞片后自由面速度历史Fig.4 Free surface velocity histories for flyers at different points

为了分析飞片的击靶平面性，对飞片后自由面速度历史进行积分处理。在空腔的某个面上飞片最早和最晚到达的时间差即为这个面上飞片的击靶波形差。实验1、2中当飞片分别到达1.9和1.7mm的空腔距离时，各测点的时间点分布见图5所示。实验1、2中飞片击靶波形差在∅20mm范围内分别为146和224ns，到∅40mm时，飞片击靶波形差分别为224和468ns，各个测点的位移差在0.04～0.08mm之间，表明飞片在∅40mm的范围内具有较好的平面性。利用最小二乘法对实验点进行曲线拟合，时间t随半径r呈抛物线分布，实验1、2的t（r）关系分别为t1（r）＝3.1×10－4r2＋48.795 4、t2（r）＝8.7×10－4r2＋51.519 5，t和r的单位分别为μs和mm。由击靶波形差可计算得∅40mm范围内实验1、2飞片的击靶倾角分别为0.189°和0.298°，与一级轻气炮约0.5°和二级轻气炮约1°相比［11］，本文的飞片驱动装置的击靶波形完全可以满足一维平面冲击加载的要求。

综上所述，实验表明：网络爆轰驱动飞片的速度可以在一定范围内可调，飞片击靶均匀性和平面性较好，飞片在2mm的空腔距离内能够达到稳定飞行状态。

图5 飞片击靶波形Fig.5 The flyer front surface

将实验结果与数值模拟进行对比。首先，对飞片稳定时的平均速度幅值进行比较，实验1、2的飞片击靶速度实验值分别为299和221m／s，相应的计算值为302和220m／s，实验测量与计算的相对误差小于2%。其次，对飞片飞行过程的速度历史进行比较，图6给出了飞片中心测点1的后自由面速度－时间曲线的实验结果与计算结果，两者符合程度很好。

图6 后自由面速度剖面的实验结果与数值模拟结果对比Fig.6 Comparison between experimental and calculated free－surface velocity profile

3 结 论

基于网络爆轰的原理，提出并设计了一种网络爆轰驱动飞片的加载技术，并对典型加载装置进行了实验测量和标定，结合实验和数值模拟对该技术进行了系统的分析和研究，得到以下主要结论：

使用网络爆轰驱动飞片技术，可以有效降低传统平面波透镜加载装置中的主炸药装药厚度，极大地降低飞片运动速度，使低压下的材料动态响应特性研究得到新的加载手段；网络爆轰驱动飞片在一定范围内的击靶均匀性和平面性较好，完全满足一维应变平面冲击波加载的需求；通过改变衰减层的厚度，飞片速度可以实现在200～350m／s间连续可调。

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