多点起爆网络结构参数设计及其同步性误差分析

沈慧铭， 李伟兵， 王晓鸣， 李文彬

(南京理工大学智能弹药技术国防重点实验室， 江苏 南京 210094)

1 引 言

刚性爆炸网络通常是以刚性基板为载体的沟槽型爆炸网络，其输出点通常呈环形或平面状分布，以达到环起爆或面起爆的目的，常应用于多模式SC(Selectable Charge)战斗部的研究。相对于点起爆而言，环起爆或面起爆可以激发炸药潜能，在炸药内部形成超压从而更快的压垮药型罩，形成头部速度较高的毁伤元，提高战斗部的侵彻能力。当采用多点起爆的方式来引爆主装药，若起爆网络的同步性精度不高则对侵彻体的侵彻能力影响非常大，侵彻效果甚至不及单点起爆方式，所以聚能装药多模式战斗部对多点起爆网络的同步性精度都有明确的要求[1-2]。为了提高起爆网络的同步性，研究人员提出了不同的方法，如李晓刚等[3]采用超细化HMX炸药作为沟槽装药，研究表明细化后的炸药装药均匀性好，可以显著提高提高爆炸网络的同步性。温玉全等[4]研究了以RDX为主体的橡皮炸药用作沟槽炸药的可行性，得到了RDX橡皮炸药在沟槽通道中爆轰传爆的各种临界尺寸，同时，他还采用精密压装装药技术将传爆药更均匀的压在沟槽中，用以提高爆炸网络的同步性精度[5]。胡华权[6]设计出一种在刚性基板外端联结导爆索的刚性和柔性相结合的起爆网络，利用柔性导爆索可弯曲的特点消除炸药传爆过程中的拐角误差以提高同步性。郑宇等[7]采用导爆索和扩爆头设计了一种用于形成杆式射流的六点同步起爆装置，由于导爆索的误差较大所以对成型影响很大。段卓平等[8]设计了一种用于大口径装药24点同步起爆网络，狭缝摄影表明该起爆网络可以在装药中产生喇叭状爆轰波。张郑伟[9]等针对柔性起爆网络提出了导爆索分束的方法，分束结构可减少转换接头的尺寸和内部装药量，有助于提高和保证爆轰波输出的同步性。前人的研究侧重传爆炸药的性能的提高或者优化起爆网络设计这两个方面，而对起爆网络结构参数和将起爆网络应用于实弹效果的检验则少有报道。

基于此，本研究在前期对多点起爆代替环起爆研究的基础上[10]，设计 8点起爆网络，采用新型的纳米颗粒炸药作为传爆药，分析起爆网络关键参数，如基板厚度、刻槽宽度以及起爆威力的影响，计算起爆网络的同步性精度，并进行了实弹检验。

2 起爆网络总体结构设计

起爆网络由基板、端盖和传爆药三部分构成，采用典型的板式传爆结构，如图1所示，以基板为主体，其上刻八条长度相同的沟槽，传爆药压装于沟槽内，雷管插入雷管座，从中心点处引爆沟槽中的传爆药，爆轰波通过沟槽传播至被发主装药端面引爆主装药，起爆网络的起爆点数与沟槽刻槽数一致。

端盖材料为45#钢，中心处加工有直径7.2 mm的定位孔用于插入8号火雷管，为起爆网络的输入端；基板材料为45#钢，基板直径d2=60 mm，厚度H，端面沟槽的槽宽和槽深均为d1，方形槽，并由底部打通，作为起爆网络的输出端，槽长L=25 mm，即起爆网络的起爆直径为d3=2L=50 mm，其他具体尺寸如图2所示。传爆药为RDX和HMX的混合物(RDX/HMX=45%/45%，10%的含能粘结剂，爆速5500 m·s-1，密度1.62 g·cm-3)，炸药颗粒的直径小于100 nm。

图1 典型的板式传爆装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of a typical plate booster device

图2 起爆网络结构(单位： mm)

Fig.2 Structure of explosive circuit(unit： mm)

3 起爆网络关键结构参数影响分析

该起爆网络要形成多点环形起爆必须保证中心处向下的爆轰波不能引爆主装药，所以起爆网络必须具备一定的隔爆能力，基板越厚则隔爆能力越强，但聚能战斗部在武器系统中可利用空间有限，所以应选择满足隔爆条件的最小厚度；刻槽宽度d1(方形槽，宽度等于深度)影响传爆药的传爆能力，设计上一般尽量减小刻槽宽度以降低沟槽装药的药量，但应大于传爆炸药的临界起爆直径，才能保证炸药稳定传播；少量的沟槽炸药是否有足够威力起爆被发主装药决定着该起爆网络是否起作用。所以对于上节所设计的网络结构有三个关键的参量需要考虑：刻槽宽度d1、基板厚度H以及起爆威力。

3.1 刻槽宽度(d1)

采用如图3所示的方法确定该纳米颗粒炸药的临界起爆直径，在长条状的板上刻有1.2 mm×1.2 mm、1.0 mm×1.0 mm、0.8 mm×0.8 mm、0.6 mm×0.6 mm，4种宽度的沟槽，每段长30 mm，采用了精密压装装药，将纳米颗粒炸药与含能粘结剂混合成胶状放置于沟槽，将透模与网络基板固定，在抽真空的条件下进行加压，一段时间后卸下模具，沟槽炸药置于真空烤箱，12 h后取出，最后进行表面处理，可以较好地保证装药的均匀性，用雷管从顶端引爆，炸药从上而下传爆，若炸药在某一沟槽内熄爆，则上一沟槽的宽度即为该炸药的临界起爆直径。共进行3发试验，试验结果见表1，其中1代表传爆，0代表熄爆。

图3 炸药临界起爆尺寸测试示意图及实验结果

Fig.3 Test diagram of explosive critical initiation size and test result

表1 临界起爆直径测量结果

Table 1 Measurement results of critical initiation diameter

d1/mmNo.1No.2No.31.21111.01000.80000.6000

Note： 1 represents detonation； 0 represents detonation failure.

通过观察试验中钢板沟槽有翘边以及被爆炸火焰熏黑来判断炸药是否爆轰，若炸药只是燃烧，45#钢板沟槽不会产生翘边。由表1看出，在刻槽宽度为1.2 mm，3发试验爆轰波都可以传播，当刻槽宽度为1 mm时，第一发试验炸药中爆轰波可以传爆，第二发和第三发均不能传爆，而炸药的临界尺寸为爆轰波100%能稳定传播的最小装药宽度，所以该炸药的临界起爆直径为1.2 mm，设计的起爆网络中刻槽宽度定为1.2 mm。

3.2 基板厚度(H)及起爆威力分析

利用AUTODYN-3D有限元分析软件[11]模拟不同基板厚度H(1，2，3，4 mm和5 mm)下起爆网络对爆轰波压力的削减情况，采用TrueGrid网格划分软件[11]建立起爆网络的三维模型，如图4所示。算法采用Lagrange算法[12]，虽然该方法网格在计算过程中会发生较大的扭曲变形，但该方法可以对介质运动的整体或局部的变化都描述的比较清晰，能清楚的显示节点的压力，动能等物理量。为了判断被发主装药是否被引爆，设置了多个历史变量测点，如图4所示，将测点的压力值与被发主装药的起爆阀值比较，来判断被发主装药是否被引爆。被发主装药采用常用的8701炸药，具体材料模型及参数[12]见表2。

图5为各测点的压力时程曲线，从图5可知，起爆点从中心处开始起爆到爆轰波传播到主装药所用时间为3.191 μs，起爆网络由中心点起爆，爆轰波通过沟槽径向传播，同时轴向应力波驱动基板向主装药方向移动，在2.26 μs时刻，gauge1#产生了压力突跃，峰值约2.25 GPa，此时基板在中心位置与被发主装药碰撞，随着爆轰波的传播，gauge2#、3#、4#相继产生压力峰值，最大压力峰值不超过2.3 GPa，小于8701炸药的起爆阈值pC=2.9 GPa[13]，主装药不会起爆。在3.191 μs时刻爆轰波到达爆炸网络的输出孔，此时位于输出孔处的测点gauge5#，压力增长至46.41 GPa，被发主装药起爆，形成一点输入 8点输出的环起爆模式。测点4在4.1 μs时刻的压力曲线峰值大于观测点5、6的压力值，这是因为在4.1 μs时刻主装药已被引爆，主装药中的爆轰波传播到测点4时与基座壁面发生斜反射，导致测点4的爆轰波压力突跃，而观测点5、6没有发生斜反射的条件。表3为不同的基板厚度下各测点的压力值，可以发现当基板厚度为1 mm和2 mm时，gauge1#～4#测得的压力分别为5.17 GPa和3.65 GPa，均高于8701炸药的临界起爆压力，当基板厚度增加到3 mm时，测点压力值为2.28 GPa，小于临界起爆压力值，传爆药不会在中心点处引爆被发主装药，所以设计起爆网络中45#钢基板的厚度至少取3 mm，为了起爆网络隔爆的可靠性，确定基板厚度为3.8 mm。

图4 起爆网络三维有限元模型及测点布置

Fig.4 3D finite element model of explosive circuit and arrangement of gauge points

表2 各材料参数及材料模型

Table 2 Material parameters and material models

namematerialdensity/g·cm-3materialmodelequationofstateparentplate45#7.83JOHNSON_COOKGRUNEISENboosterexplosiveRDX/HMX1.62HIGH_EXPLOSIVE_BURNGRUNEISENmaincharge87011.7HIGH_EXPLOSIVE_BURNGRUNEISEN

从表3还可知，输出孔处测点gauge5#～6#的压力值大于被发主装药的临界起爆压力，所以1.2 mm×1.2 mm方形孔装药量的传爆药有足够威力引爆被发主装药，同时，3.1节中的45#钢沟槽翘边也印证该纳米颗粒炸药有足够的起爆威力。

图5 测点压力时程曲线

Fig.5 Pressure-time curves of six gauge points

表3 不同基板厚度下测点的压力值

Table 3 Pressure values of the gauge points with different thickness substrate

H/mmpressure/GPagauge1#-4#gauge5#-6#15.1738.6623.6543.332.346.441.6946.550.8647.08

4 起爆网络同步性

4.1 理论分析

刚性起爆网络传爆所用时间分为两部分：第一部分是从输入端到输出端爆轰波传播所需要的时间，第二部分是爆轰波通过拐角由于爆速差导致的时间延迟。而导致起爆网络同步性误差的原因主要有传爆药的装药密度、基板机械加工精度、传爆药的爆速误差、爆轰拐角误差[7]等。对设计的起爆网络进行同步性分析，首先假设该起爆网络传爆时间为t，则：

(1)

式中，L1为输入端到输出端的长度，mm；D为传爆药的爆速，m·s-1；n为输入端到输出端经过的90°拐角个数，n=1；tπ/2为爆轰波沿直角传播的延迟时间, ns。

起爆网络同步性误差时间Δt可以用误差分析[14]法得到：

(2)

式中，ΔL1为输入端到输出端沟槽的长度误差，mm； ΔD炸药爆速差, m·s-1，取决于沟槽装药均匀性、装药截面尺寸以及装药密度； Δtπ/2为爆轰波拐过直角传播延迟时间偏差,ns。

对公式(1)进行偏微分：

(3)

(4)

(5)

对于本研究设计的刚性8点同步起爆网络的结构，基板刻槽总长度L1=30 mm(起爆半径25 mm，基板厚度5 mm)； 基板加工精度为0.01 mm，即ΔL1=0.01 mm； 炸药的爆速D=5500 m·s-1，爆速差ΔD=76 m·s-1，假设爆轰波拐过直角传播延迟时间偏差Δtπ/2=10 ns[15]。

将参数代入式(2)，理论上可以计算出设计的起爆网络的同步性误差时间为：

Δt=±76.1 ns

即该同步起爆网络八个输出端的同步性误差最大值理论上不超过152.2 ns。

4.2 试验验证

图6为设计的8点同步起爆网络成品图，采用6通道PXI(PCI extensions for instrumentation)测时仪测量起爆网络的同步性误差时间。测时仪采集精度为2 ns，任取 8点同步起爆网络中的六个输出点测量，如图7所示，测试方式为“断断靶”形式，每个通道的2个回路都选择“通触发”启动逻辑。起爆前6个通道的回路都处于被断开状态。起爆后，雷管首先起爆产生电离导通触发线，计时仪开始计时，当爆轰波传到沟槽炸药末端时，爆炸产生电离将第二回路导通，计时结束。6个通道同时触发计时，计时结束时刻由爆轰波传到沟槽末端时间决定，通过比较计时结束值即可考察多点起爆网络的同步性。共2发实验。测量结果如表4所示，因为有一路通道损坏，只测得5路数值。取用时最少的一路作为标准值，其他各路与其比较为表中的相对时间。

第一发试验的通道4未测到结果。可能是由于触发线未贴合紧密，炸药爆炸产生的电离只导通一处触发线，导致计时仪一直在计时。从两次试验9组数据可以发现，由于机械加工及压药工艺等原因，起爆网络的每个输出端经历的时间都不相同，但跳动不大，9组数据中，最大偏差时间为210 ns，其余6组数据均为170 ns左右。基本满足要求(起爆网络同步起爆精度控制在200 ns以内，聚能装药多模式战斗部可以形成外形良好的侵彻体[2])。

图6 8点同步起爆网络成品图

Fig.6 Product graphic of 8 multi-point synchronous explosive circuit

图7 8点同步起爆网络起爆精度测试图

Fig.7 Test pattern of initiating bursting precision for 8 multi-point synchronous explosive circuit

表4 同步性测量结果

Table 4 Synchronization test result

No.relativetime/nsfirstexplosivecircuitsecondexplosivecircuit1 0 02 1661703 1741684 8888881305 164210

4.3 实弹检验

将该起爆网络应用于某基准弹进行实弹检验，并使用X光机拍摄下不同时刻侵彻体的成型形状，以此来观察起爆网络在实弹中的效果。基准弹结构及试验布置如图8所示，8点起爆、起爆直径为50 mm，X光拍摄了基准弹在10 μs和30 μs时刻的侵彻体成型形状，并与相同条件下(相同装药结构的基准弹、8点起爆、起爆直径50 mm、起爆网络偏差时间为Δt=210 ns)通过有限元软件模拟的侵彻体成型形状进行对比，如图9所示，从侵彻体外部形状、头部速度、长径比来看，数值模拟结果与试验结果都吻合较好，从图9可以看出，侵彻体头部有向下偏离轴线的现象，表明同步起爆网络存在同步性偏差，但总体来看侵彻体成型良好，横向偏移量不大，因为射流对同步性要求要比EFP(explosively formed projectile)或杆式射流高得多，所以该同步起爆网络完全可以满足EFP和杆式射流的同步性要求。设计的刚性8点同步起爆网络可以形成成型良好，横向偏移较小的射流战斗部，满足聚能战斗部的使用要求。

a. dimension of reference ammunition b. reference ammunition c. experiment site

图8 基准弹和8点同步起爆网络

Fig.8 Reference ammunition and 8 multi-point synchronous explosive circuit

t=10 μsv=9365.3 m·s-1L/D=4.7t=30 μsv=9373.6 m·s-1L/D=9.7

a. simulation results

t=10 μsv=9427.3 m·s-1L/D=4.6t=30 μsv=9435.2 m·s-1L/D=10

b. X ray results

图9 试验与仿真结果对比

Fig.9 Comparison of experiment and simulation

4 结 论

(1)设计了刚性8点同步起爆网络，确定关键结构参数为： 刻槽宽度为1.2 mm，基板厚度为3.8 mm。

(2)理论分析起爆网络同步性，发现所设计的同步起爆网络八个输出端的同步性误差最大值理论上不超过152.2 ns。实验验证表明，所设计的起爆网络同步起爆精度约为170 ns，满足聚能装药多模式战斗部形成外形良好的侵彻体的要求。

(3)实弹检验表明，刚性8点同步起爆网络可以形成成型良好，横向偏移较小的射流战斗部，满足聚能战斗部的使用要求。

本研究所采用的纳米颗粒炸药中存在10%的粘结剂，使得炸药的爆速和密度下降，对起爆网络的同步性精度有一定的负影响。下一步工作可以通过改进粘结剂的性能进一步提高起爆网络的同步性精度。

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