非对称起爆云雾爆轰威力场分布特性研究*

韩天一,杜海文,余建斌,袁秋长,郭 莎

(西安近代化学研究所,西安 710065)

非对称起爆云雾爆轰威力场分布特性研究*

韩天一,杜海文,余建斌,袁秋长,郭 莎

(西安近代化学研究所,西安 710065)

为获取起爆方式对云雾爆轰威力场的影响,采用TNT装药对抛撒云团进行了非对称单点起爆,通过高速摄影仪及压力传感器获取了云雾爆轰过程及不同距离、方向的超压值,分析了云雾爆轰波传播特性及超压随距离、方向的变化规律。结果表明,采用非对称偏心起爆时,云雾场内超压分布呈现明显的不均匀性,部分区域存在冲击波叠加效应,而随着距离的增大,超压分布逐渐趋于均匀,起爆方式对云雾爆轰威力场的影响主要体现在近场区域。

云雾爆轰;威力场;冲击波超压

0 引言

二次起爆型云爆战斗部的作用过程分为两个阶段:第一阶段是通过抛撒装药爆炸作用形成燃料空气炸药云团;第二阶段是通过高能炸药对燃料空气炸药云团进行二次起爆,形成云雾爆轰,主要通过云雾爆轰波及冲击波对目标造成杀伤。由于云雾爆轰属于典型的体爆轰,且抛撒云团覆盖范围较大,如对于10 kg级云爆弹,抛撒云团直径可达10～12 m,与凝聚相炸药的点爆轰不同,云团形态及起爆方式对威力场有着重要影响。广大学者分别开展了战斗部结构、爆炸抛撒方式及云爆剂装药等各方面对云雾爆轰威力场分布特性的影响研究[1-6]。文中主要针对抛撒云团二次起爆方式对威力场的影响,开展了非对称单点起爆方式下,FAE的爆轰过程及云雾爆轰威力场分布特性研究。

1 试验

1.1 试验样弹

试验采用13 kg装药云爆战斗部样弹,样弹整体为薄壁圆柱结构,壳体材料为聚乙烯,中心抛撒装药为TNT装药,样弹直径210 mm,高度为290 mm,样弹结构示意图如图1所示。云爆剂为自主研发的液固型高能云爆剂,主要由高活性金属粉、液体高能燃料等组成,装药密度为1.31 g/cm3,装药量为13 kg。

图1 试验样弹结构示意图

1.2 试验布局

试验选择地面平坦、视野开阔的场地进行,确保在冲击波测量范围内无明显障碍物。试验时,将试验样弹竖直放置于弹架上,样弹中心距离地面约1.2 m,以其地面投影为爆心。云雾起爆方式采用非对称单点偏心起爆,根据前期抛撒试验结果,13 kg装药样弹抛撒云团直径约为11 m,根据云雾起爆特性研究,当采用高能炸药点起爆方式时,二次起爆装药需布设于3/4云团半径处,因此对于本次试验,二次起爆点布设于距离爆心4 m处,起爆药为压装TNT装药,装药密度1.56 g/cm3,装药质量425 g。样弹布局如图2所示。

图2 样弹布局示意图

试验起爆采用远距离多通道延迟起爆装置,首先起爆试验样弹上端雷管,雷管起爆抛撒装药完成云爆剂的抛撒,在经过50 ms延迟后,起爆二次起爆装药,完成对抛撒云团的起爆。

为获取云爆剂抛撒及云雾爆轰过程以及威力场分布特性,沿着与试验样弹中心同一水平面内布设高速摄影仪,并在0°、45°、90°、135°、180°方向上布置5条地表反射压测线,每条测线上距爆心7 m及31 m处布置1个地表反射压传感器,测试场布局如图3所示。

图3 测试场布局示意图

2 试验结果及分析

2.1 云雾抛撒及爆轰过程

采用同样的样弹及测试布局进行了2组试验,高速摄影仪清晰地记录了云爆剂的抛撒及云雾爆轰的传播过程,图4所示为1#样弹试验时高速摄影仪记录的云爆剂抛撒及云雾爆轰过程。

图4 偏心起爆时云雾抛撒及爆轰传播过程

由图4可见,0 ms至50 ms为云爆剂在中心抛撒药作用下抛撒形成FAE的过程,在50 ms时抛撒云团直径约为11 m;在50.2 ms时二次起爆药起爆,抛撒云团在二次起爆装药爆炸作用下开始形成云雾爆轰,云雾爆轰首先发生在二次起爆点附近,逐渐扩展至整个云团,约59.6 ms时云雾爆轰完成。

对于直径为11 m的抛撒云团,半周长约17.3 m,估算可得云雾爆轰的平均爆速约为1 840 m/s。由于高速摄影无法准确捕捉云雾爆轰波传爆过程,仅通过爆轰火球及爆轰产物膨胀判断爆轰波传播距离,而实际云雾爆轰波传播速度大于爆轰火球及爆轰产物膨胀速度,因此上述计算的云雾爆轰爆速较之实际值偏小。

为与中心起爆方式云雾爆轰过程进行对比,图5列举了中心起爆方式时云雾爆轰传播过程的高速照片。

图5 中心起爆时云雾爆轰过程

对比图4、图5可见,采用偏心起爆时,云雾爆轰从右至左的传播过程较为明显。由于云雾爆轰速度较低,在云雾爆轰波传播过程中,由于受起爆端稀疏波的影响,云雾爆轰强度将有所降低。

2.2 云雾爆轰威力场分布

云雾爆轰主要通过冲击波超压等对目标造成毁伤,图6所示为距离爆心7 m及31 m处试验样弹的典型超压曲线。

图6 不同半径处的冲击波超压——时间曲线(样弹1)

由图6可见,超压曲线呈现明显的多峰结构,其中第一个波峰为抛撒装药爆炸形成的冲击波超压,该超压峰值较小,基本对目标不构成毁伤;第二个波峰为云雾爆轰形成的冲击波超压峰值,为云雾爆轰的主要毁伤参数。

云雾爆轰为典型的多相爆轰[7],爆轰波由前导冲击波及后续的化学反应区构成,具有明显的弛豫结构,弛豫区宽度与前导冲击波强度及反应区内两相介质浓度及粒度相关,由于云雾爆轰区域较大,并且受壳体破裂及云爆剂装药不均匀性影响,抛撒云团内部浓度分布呈现一定的差异,由此导致云雾区内外威力场的不均匀。表1、表2所示为7 m及31 m处不同角度的超压值。

表1 7 m处不同角度测线的超压值

表2 31 m处不同角度测线的超压值

由表1可见,在距离爆心相同距离处的冲击波超压分布呈现较大的波动,对于1#样弹在7 m处5点超压数据的标准差为0.129,而31 m处超压数据的标准差为0.004。标准差反映一组数据集的离散程度,由此可见,随着距离的增大,超压分布的不均性逐渐降低。

图5、图6所示为距爆心7 m及31 m冲击波超压随测点方向角度的变化曲线。

图7 7 m处不同角度处超压分布

图8 31 m处不同角度处超压分布

由图7、图8可见,两发样弹在7 m及31 m处超压分布特性基本相同,均呈现90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的特性,并且以90°方向为中心轴,超压分布呈现较好的对称性。

其中1#样弹7 m半径处测点2与测点4的超压相差较大,对比测点4的P-T曲线(图6(a))可见,压力上升及下降过程均无异常,分析原因可能是由于壳体破裂不均匀,导致云团尺寸及浓度分布不均匀(甚至可能出现尖角,如图9所示),使得测点4的超压偏大,这种由于云团不规则导致的超压变化将随着距离的增大快速衰减,并且由于云团形态的不规则分布影响,使得该区域浓度波动较大,整体爆轰能力降低,因此在31 m处测点9的超压反而低于测点7。

图9 抛撒云团形态

表3列举了采用中心起爆方式时不同距离处0°方向和90°方向超压值。

表3 中心起爆时的超压值

对比表1、表2及表3可见,当采用中心起爆方式时,0°方向与90°方向冲击波超压值基本相同,因此可以认为起爆方式的不同是导致云雾爆轰威力场分布不均匀的主要原因。

这是由于云爆剂在中心抛撒药爆炸作用下,抛撒形成环形云雾的浓度分布不均匀,云雾中间出现浓度稀薄区(或称“空洞”),由于该区域云雾浓度较低,难以形成稳定的云雾爆轰,在位于环形云雾区内二次起爆药爆炸作用下,云雾爆轰将沿环形云雾两端同时开始爆轰及传播,云雾爆轰波传播示意图如图10所示。

图10 云雾爆轰传播过程

忽略云团浓度分布的局部不均匀性对云雾爆轰的影响,认为环形云雾区内云雾爆轰传播速度相同,采用单点起爆时,沿两端传播的云雾爆轰波将在A点处相撞,由于受冲击波叠加效应影响,导致90°方向上冲击波超压明显大于其他方向,同时由于这种叠加效应带来冲击波超压的增益随着距叠加点距离的增大而减小,由此导致非对称单点起爆时,云雾爆轰威力场呈现90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的分布特性。

3 结论

1)采用非对称偏心单点起爆时,由于受中心稀疏区的影响,云雾爆轰将以二次起爆装药为起点,分别为沿环形两侧传播,并由此导致在起爆点对称方向形成云雾爆轰波的叠加,使得云雾场内超压分布呈现明显的不均匀性。

2)采用非对称偏心单点起爆时,以过起爆点的直径为对称轴,超压分布呈现较好的对称性。

3)超压分布不均匀性随距离的增大逐渐趋于减小,即起爆方式对威力场分布的影响主要体现在近场区域。

[1] 张陶, 惠君明, 解立峰, 等. FAE爆炸场超压与威力的实验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2004, 24(2): 176-181.

[2] 张陶, 惠君明, 郭学永, 等. 燃料空气炸药爆炸场参数的试验研究 [J]. 火炸药学报, 2003, 26(2): 13-15.

[3] 贵大勇, 刘吉平, 冯顺山. 几种典型燃料空气炸药威力性能研究 [J]. 含能材料, 2002, 10(3): 121-124.

[4] 张陶, 於津, 惠君明. 爆炸抛撒方式对FAE云雾爆轰特性及威力影响的试验研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(1): 137-140.

[5] 李秀丽, 惠君明, 王伯良. 云爆剂爆炸/冲击波参数研究 [J]. 含能材料, 2008, 16(4): 410-414.

[6] 许化珍, 彭朝晖, 李向东. 云爆弹杀伤效能研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(3): 114-116.

[7] 范宝春. 两相系统的燃烧、爆炸和爆轰 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1998: 136-139.

Study on Blast Field of FAE by Unsymmetrical Detonation

HAN Tianyi,DU Haiwen,YU Jianbin,YUAN Qiuchang,GUO Sha

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In order to obtain the influence of initiation mode on power field of cloud detonation, the TNT charge was applied to throwing clouds for asymmetric single point initiation. Through cloud detonation process and overpressure values of different distances and directions got by high speed camera and pressure sensor, the propagation characteristics of cloud detonation wave and the variation law of overpressure with distance and direction were analyzed. The results show that with asymmetric single point initiation, clouds inside overpressure distribution show obvious uneven, part of the region takes on superimposed effect of shock wave, and with increase of the distance, overpressure distribution tends to be uniform, detonating manner on cloud detonation power field effect is mainly reflected in the near field.

cloud detonation; blast field; overpressure of blast wave

2015-09-01

韩天一(1984-),男,甘肃天水人,工程师,硕士,研究方向:爆炸力学与云爆战斗部技术研究。

O381

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