基于HMX/HNS组合的双层装药射孔弹实验研究

贺建磊

(大庆石油管理局射孔弹厂, 黑龙江 大庆 163853)

0 引 言

聚能装药技术是利用聚能效应以增强装药在一个方向爆炸的局部毁伤效应的装药技术,即引爆一端带有空穴(聚能凹槽)的装药,沿此凹槽轴线方向上的爆炸作用效果相当剧烈,远高于普通装药情形。如果装药的开口端带有聚能药型罩,在另一端起爆后,则会产生高温、高压爆轰产物迅速压垮金属药型罩,使其以高速在轴线上碰撞,形成能量密度更高的金属射流,从而实现对靶体的侵彻[1-3]。

聚能装药结构和药型罩作为射孔弹重要构成部分,近几年得到深入的研究和认识。药型罩是射孔弹的核心部分,是形成金属射流的母体,其结构将直接影响金属射流的形态及有关参数,与穿孔效果直接相关。针对药型罩结构和配方的研究相对较多[4-6],另外,学者们还对双层药型罩、多层药型罩、双层壳体进行了研究[7-11]以及关于装药结构的研究,如带隔板中空装药的EFP成型研究[12]、一种用于破甲弹的空心装药结构[13]、聚能装药结构及其制造方法[14]等。但是,有关双层装药射孔弹,公开发表的文献很少。炸药为射孔弹做功和爆轰穿孔能量源,目前常规射孔弹主体炸药为一种,如RDX(黑索金)、HMX(奥克托金)、HNS(六硝基砥)、PYX(皮威克斯)等。这种单一的主体炸药在被引爆后,药柱会在内外同时反应,反应能量只有20%～40%作用于药型罩,用于压垮药型罩,形成射流,其余大部分能量作用于壳体或径向释放,主体炸药的利用率不高,制约了射孔弹的穿透力。本文提供一种高性能双层装药射孔弹,以克服现有射孔弹装药技术中对炸药能量利用率的缺陷。

1 理论基础

聚能装药射孔弹通过传爆孔起爆后,炸药至上而下依次被引爆,在装药中传播的球面散心波与药型罩相遇,爆轰产物驱动药型罩微元加速运动。当药型罩微元以压垮角在轴线汇聚时,在会聚处产生高温高压;在一定条件下,产生高速运动射流[15]。

由经典聚能射流理论

(1)

式中,vj为射流速度;v0为压跨速度;α为药型罩的半锥角;β为压跨角。由此可知压跨角β越大射流速度越大,本文通过使用少量的高爆速辅助炸药改变原主炸药的从起爆端依次传爆的顺序,增大主炸药对药型罩作用的压跨角β,激活原低爆速主炸药的能量,提高炸药的利用率和射流速度,增加射孔弹的穿孔能力。

在实际应用中,辅助炸药对主炸药的覆盖面积存在不同的形式类型。主炸药的药层厚度和形状则根据辅助炸药与药型罩外壁或与壳体内腔决定,且要保持原设计,如封闭高度、压入深度等参数不变。

辅助炸药与主炸药可以有不同组合方式,但需满足辅助炸药爆速高于主炸药爆速的条件(见表1),辅助炸药与主炸药不同组合可以是HMX与HNS、HMX与RDX、RDX与HNS、RDX与TNT等[16]。

表1 一些常用炸药的爆速

本文设计了一种双层装药射孔弹,该射孔弹装药由2种炸药组成,一种为爆速高的辅助炸药HMX,一种爆速较低的主炸药HNS,并利用ANSYS软件进行了计算分析和初步实验验证。

2 双层装药射孔弹设计、计算与分析

2.1 炸药的材料模型与状态方程

爆轰分析的材料方程中采用的能量方程为

(2)

式中,p为压力;E为爆轰产物的内能;V为爆轰产物的相对体积(即爆轰产物体积与初始体积之比);A、B、R1、R2和ω分别为待定常数。

方程(2)即为著名的JWL状态方程[17-18],广泛应用于爆炸过程中流体力学计算。等式的右边3项分别在高压、中压和低压下对压力形成起主要作用。因此JWL状态方程可以适用于爆轰产物在高压、中压和低压时的状态。HMX、HNS炸药的材料模型与状态方程参数见表2。

表2 HMX、HNS炸药计算参数

2.2 药型罩的材料模型与状态方程

图1 双层装药射孔弹结构图

(3)

Mie-Gruneisen状态方程

对于压缩区材料,有

(4)

对于拉伸区材料,有

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E

(5)

式中,S1为材料中冲击波速度与粒子速度曲线的一次项系数;γ0为Gruneisen系数;μ=ρ/ρ0-1。

计算中所采用的药型罩材料模型和状态方程部分计算参数见表3。

表3 药型罩材料模型与状态方程参数

2.3 双层装药射孔弹设计

设计了一种双层装药射孔弹,该射孔弹装药由2种炸药组成:一种为爆速高的HMX辅助炸药,一种爆速较低的HNS主炸药(见表1);2种炸药组合的双层装药射孔弹设计了3种不同的结构类型(见图1)。利用ANSYS软件进行计算分析。

原射孔弹开口45 mm,装药HNS质量为38 g[见图1(a)];双层装药射孔弹炸药由辅助炸药HMX和主炸药HNS构成[(见图1(b)、(c)、(d)]:双层装药射孔弹1辅助炸药HMX质量为4 g,层厚为2 mm,分布于壳体半球腔,传爆孔炸药也为辅助炸药HMX,主炸药HNS质量为34 g[(见图1(b)];双层装药射孔弹2辅助炸药HMX质量为6 g,层厚为2 mm,辅助炸药分布到壳体圆台腔一半位置,传爆孔炸药也为辅助炸药HMX,主炸药HNS质量为32 g[(见图1(c)];双层装药射孔弹3辅助炸药HMX质量为8 g,层厚为2 mm,辅助炸药与主炸药NNS等高传爆孔炸药也为辅助炸药HMX炸药,主炸药HNS质量为30 g[(见图1(d)]。

2.4 有限元计算结果与分析

图2为原射孔弹和双层装药射孔弹1、2、3在t=10 μs射流的速度及状态图[19]。从头部速度来看,原射孔弹头部速度为4 686 m/s;双层装药射孔弹1头部速度为5 498 m/s,比原射孔弹提高17.3%;双层装药射孔弹2头部速度为6 545 m/s,比原射孔弹提高39.7%;双层装药射孔弹3头部速度为5 682 m/s,比原射孔弹提高26.6%,射孔弹最大头部速度得到了明显的提高。图3为10～40 μs时刻对应的头部速度折线图,从图3中可以看出,双层装药射孔弹平均头部速度比原射孔弹高1 000 m/s。但是,双层装药射孔弹3对应的头部速度折线图却与其他3种射孔弹变化不同,从图4中t=30 μs射流状态图看,双层装药射孔弹3射流相对于其他3种射孔弹存在射流异常现象,或已改变了原设计理念。

图2 t=10 μs射流的速度及状态图

图3 不同时刻的头部速度折线图

图4 t=30 μs射流的速度及状态图

从图5药型罩动能对比折线图看[20],原射孔弹药型罩最大动能为2.27×106J,双层装药射孔弹1药型罩最大动能为2.53×106J,比原射孔弹提高11.4%;双层装药射孔弹2药型罩最大动能为3.15×106J,比原射孔弹提高37.8%;双层装药射孔弹3药型罩最大动能为4.05×106J;比原射孔弹提高78.7%;射孔弹药型罩最大动能得到了明显的提高。

图5 4种射孔弹药型罩最大动能

3 双层装药射孔弹初步实验验证

对双层装药聚能射孔弹进行了钢靶穿孔测试和地面穿混凝土靶实验,确定速度和射流的拉伸情况。由于受到炸药成型技术的制约,在炸药分布上不能完全模拟上述设计要求,对炸药采用分步压制的方式,装填HMX/HNS炸药3种射孔弹分别为4 g HMX+34 g HNS、8 g HMX+30 g HNS和12 g HMX+26 g HNS,近似模拟双层装药射孔弹1、2、3的结构设计。

3.1 钢靶穿孔测试

对使用HNS炸药的原射孔弹和3种类型的双层装药射孔弹进行钢靶穿孔测试[21],采用60 mm炸高,地面穿钢靶测试结果见表4。

表4 地面穿钢靶性能实验结果

地面穿钢靶实验结果表明,装填HMX/HNS组合的3种双层装药射孔弹1、2、3钢靶平均穿深分别为193、215、170 mm,相对于原HNS炸药射孔弹钢靶平均穿深174 mm分别提高了10.9%、23.5%和下降了2.3%;钢靶入口孔径除双层装药射孔弹3较大外,其他3种射孔弹钢靶入口孔径相差不大。

3.2 地面穿混凝土靶实验

为进一步验证基于HMX/HNS组合的3种类型的双层装药射孔弹穿混凝土靶效果,进行了地面穿混凝土靶实验[21],实验数据见表5。

表5 地面穿混凝土靶性能实验结果

地面穿混凝土靶实验结果表明,装填HMX/HNS的双层装药射孔弹1、2、3混凝土靶平均穿深分别为816、976、642 mm,相对于原HNS炸药射孔弹混凝土靶平均穿深732 mm,双层装药射孔弹1、2分别提高了11.4%、19.6%,混凝土靶上的射流孔道显示拉伸效果好,双层装药射孔弹3下降了12.3%。双层装药射孔弹3模拟套管的钢板上孔径为14.3 mm,孔径相对HNS炸药的射孔弹孔径11.8 mm,增大21.2%;药型罩材料在孔道末端大量堆积,射流拉伸不充分。这一实验结果与上述计算分析,关于双层装药射孔弹3射流相对于其他3种射孔弹存在射流异常现象相吻合。

4 拓展研究

基于HMX/HNS组合的双层装药射孔弹模拟计算和实验结果,为进一步研究双层装药射孔弹在不同炸药组合上的表现,用RDX炸药替换主炸药HNS,辅助炸药仍为HMX。ANSYS软件模拟计算HMX/RDX组合的双层装药射孔弹头部速度并没有得到明显的提高,最高的双层装药射孔弹类型2也只提高了8%(炸药RDX的原射孔弹头部速度为6 961 m/s),双层装药射孔弹类型3则降了1.4%,炸药RDX的原射孔弹药型罩最大动能为6.62×106J,双层装药射孔弹类型2提高最大,为8.5%,双层装药射孔弹类型3药型罩最大动能比原射孔弹降低9.2%。

HMX/RDX组合的双层炸药射孔弹类型1、2、3钢靶平均穿深分别为228、240、216 mm,相对于RDX炸药射孔弹钢靶平均穿深220 mm分别提高了3.6%、9.1%和下降了1.8%,4种射孔弹钢靶入口孔径相差不大。HMX/RDX组合的双层炸药射孔弹类型1、2、3混凝土靶平均穿深分别为1 033、1 093、930 mm,相对于RDX炸药射孔弹混凝土靶平均穿深985 mm分别提高了4.8%、11%和下降了5.6%。4种射孔弹混凝土靶上的射流孔道显示拉伸效果好,模拟套管上的孔径相差不大。

对HMX/HNS、HMX/RDX的2种炸药组合的双层装药射孔弹的计算分析和实验验证可知,通过少量的高爆速辅助炸药来引爆原主炸药的设计,提高了射流的速度、动能及穿孔性能。同时对比二者可知,双层装药射孔弹的性能同辅助炸药与主炸药爆速差有重要的关系,辅助炸药HMX与主炸药HNS的组合,爆速差值为2 100 m/s,爆速相差大,射流的速度和动能都得到很大的提高,实验钢靶穿深、混凝土靶穿深最大提高分别为23.5%、19.6%,而辅助炸药HMX与主炸药RDX的组合,爆速差值为470 m/s,相差较小,射流的速度和动能的提高相对较小,实验钢靶穿深、混凝土靶穿深最大提高分别只有为9.1%、11%。HMX/RDX组合的双层炸药射孔弹类型3没有出现HMX/HNS组合的双层炸药射孔弹类型3孔道末端大量堆积的现象,其主要原因也在于辅助炸药HMS与主炸药RDX的爆速差相对较小,对主炸药RDX的扰动较小。

5 结 论

(1) HMX/HNS组合的双层装药射孔弹,利用ANSYS软件计算结果显示,高性能双层装药射孔弹最大头部速度比单-HNS炸药射孔弹高10%～40%;药型罩最大动能提高10%～80%。初步实验验证表明,装填HMX/HNS炸药的双层装药射孔弹钢靶平均穿深最大提高23.5%,混凝土靶平均穿深最大提高19.6%。这种通过使用少量的高爆速辅助炸药引爆原主炸药的设计,大大提高了炸药的利用率,提高了射流速度及射孔弹的性能。

(2) 基于HMX/RDX组合的双层装药射孔弹模拟计算和实验结果,3种类型HMX/RDX组合的双层装药射孔弹其射流的速度和动能相对于原RDX炸药射孔弹提高较小,实验钢靶平均穿深、混凝土靶平均穿深最大提高分别只有9.1%、11%。对比HMX/HNS组合与HMX/RDX组合的研究可知,双层装药的射孔弹性能同辅助炸药与主炸药爆速差有重要的关系。

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