飞片初始形状对雷管起爆能力的影响

陈清畴，刘 刚，马 弢

飞片初始形状对雷管起爆能力的影响

陈清畴，刘 刚，马 弢

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900)

为了研究飞片初始形状对雷管输出能力的影响规律，采用数值模拟方法计算了HNS炸药驱动平面飞片、椭圆飞片和三角飞片起爆PBX-9404炸药的冲击起爆过程。计算结果表明：椭圆飞片着靶速度较其他两种飞片略高，起爆炸药在对称面上为汇聚的双波结构；平面飞片起爆炸药在对称面上为单波结构；三角飞片起爆炸药在对称面上为发散的双波结构，稳定爆轰波阵面平整性较平面飞片平整，较椭圆飞片弯曲，其起爆时的压力成长相对平面飞片缓慢。

雷管；飞片；初始形状；冲击起爆；飞片速度

随着武器系统安全性提升，雷管装药逐渐向钝感化和微小药量化方向发展，由此带来了做功能力不足的问题。而飞片增压技术可以获得比接触爆炸高得多的冲击压力[1]，即将雷管底部设计成飞片，以有效提高雷管的输出能力和起爆能力。国内外关于飞片冲击起爆开展了大量研究。W. Prinse等[2]采用飞片起爆技术，使爆炸箔起爆器成功起爆了低密度（1.688 g·cm-3）TATB炸药，显著提高了起爆能力。ZENG Qingxuan等[3]采用微小尺寸装药驱动飞片，实现了亚毫米装药可靠起爆下级HNS-IV炸药。数值模拟结果表明飞片速度可以达到3km·s-1[4]。吕军军等[5]采用二级飞片成功起爆了高密度（1.895 g·cm-3）TATB炸药，并初步确定了钛飞片起爆高密度TATB炸药速度阈值约在3.83~4.35 km·s-1之间。张冬冬等[6]通过实验研究了铝、钛、钢和铜4种飞片材料对雷管爆轰性能的影响。郭俊峰等[7]采用飞片回收方法研究了微小尺寸起爆系统的飞片形态。陈清畴等[8]采用数值模拟研究飞片着靶形态的影响因素。以上研究均限于平面飞片及其特性对飞片速度和形态的影响，未开展飞片初始形状对其起爆能力或输出能力的影响研究。

本文通过数值模拟计算不同初始形态飞片冲击起爆炸药过程，获得飞片初始形状对雷管输出能力的影响规律，为雷管输出能力增强设计提供理论支撑。

1 数值计算模型

以球对称或柱对称方式聚心传播的爆轰波，能够在对称中心附近区域产生极高温度和压力的等离子体[9]。对于飞片冲击起爆而言，飞片的着靶姿态决定着碰撞后形成的冲击波阵面形状。雷管属于点起爆，形成的爆轰波为球面，平面飞片在爆轰波作用下变形为凸起球面，且飞片中心速度较边缘位置快。为了形成聚心爆轰波，飞片应设计成内凹型，且加速膛长度不宜过长，以免飞片凹凸形状发生反转。

通过以上分析，兼顾飞片的加工性，设计了两种内凹飞片，并与平面飞片对比。根据飞片轴对称截面形状，将3种飞片分别命名为平面飞片、椭圆飞片和三角飞片。采用AUTODYN显式非线性动力学分析软件建立二维模型进行数值模拟。图1为计算模型图，模型主要包括雷管装药、飞片和被起爆炸药3个部分。

图1 计算模型

作为第三代火工品的代表，爆炸箔起爆器普遍采用六硝基茋（HNS）装药。雷管装药选用HNS（= 1.40g·cm-3），主体尺寸为Φ4mm×6.8mm，采用JWL状态方程描述。雷管壳体为铝，厚度为0.5mm，采用Shock状态方程描述。飞片材料为铜，主体尺寸为Φ4mm×0.2mm，采用Shock状态方程描述。装药冲击起爆过程计算采用Lee-Tarver状态方程描述。Lee- Tarver状态方程拥有较多参数，且网格尺寸较小，计算容易不收敛。因此，被起爆炸药选用PBX-9404炸药，尺寸为Φ6mm×3mm，采用Lee-Tarver状态方程描述。加速膛长度为2mm。采用Lagrange-Euler流固耦合算法，飞片、炸药采用多物质Euler网格，雷管壳体采用Lagrange网格描述。材料参数及状态方程均选自AUTODYN标准材料库。网格大小为20μm。在PBX-9404炸药轴线上以0.1mm为间隔选取观测点，观测炸药被起爆过程中压力变化，以表征不同形状飞片的起爆能力。

2 计算结果及分析

2.1 飞片着靶形态、速度对比

按照图1计算模型，计算了HNS炸药驱动3种飞片起爆PBX-9404炸药过程。图2给出了3种飞片的着靶形态。3种飞片着靶时的有效直径分别为4.8mm，3.4mm和4.5mm，平面飞片最大，椭圆飞片最小。

在平整度方面，椭圆飞片的平整度相对较好，在中心Φ3mm区域平面度不超过80μm。平面飞片和三角飞片均呈球面，三角飞片中心已初步形成射流形态，飞片前部有约0.5mm凸起，后部形成约0.6mm长的杵体。

图2 飞片着靶形态

飞片起爆属于冲击起爆。根据冲击起爆的临界起爆能量理论[10]，冲击压力和脉宽是冲击起爆的关键。在飞片材料和厚度不变的条件下，脉宽基本不变，冲击压力仅与飞片速度相关。图3为3种飞片速度比较。

图3 3种飞片速度历程比较

从图3可知，椭圆飞片的飞片速度最高，达到了1.53km/s；平面飞片和三角飞片速度基本相当，均为1.45km/s。同时，椭圆飞片和三角飞片的着靶时间较平面飞片延迟了约100ns。这是由于椭圆飞片和三角飞片向炸药内凹，使加速膛长度变长，即飞行距离变长造成的。

球面爆轰波的传播过程中，在受到侧向稀疏波作用下，边缘处压力低于中心处压力。在球面爆轰波作用下，平面飞片中心区域首先被加速，且中心速度高于边缘速度，飞片内部受到拉伸应力作用。椭圆飞片在球面爆轰波作用下，中心区域受压被加速，同时，向四周挤压，飞片内部受到压缩应力作用。三角飞片在球面爆轰波作用下，中心区域被压垮，压垮区域形成杵体；外围大部分区域与平面飞片类似，受到拉伸应力作用。飞片内部应力状态差异是造成飞片着靶形态和速度不同的主要原因。

2.2 平面飞片冲击起爆过程分析

为了分析冲击起爆过程的压力建立，监测了炸药中对称面上的压力线图和对称轴上的压力成长历程。图4为平面飞片冲击起爆PBX-9404炸药在不同时刻的压力线图。

图4 不同时刻平面飞片冲击起爆过程的压力线图

从图4可以看出，由于平面飞片着靶时飞片中心区域首先撞击炸药，近似于点起爆。炸药中心区域首先被起爆，并逐渐向炸药内部扩展。到2.105μs时刻，爆轰波直径已与飞片直径相当，炸药被完全起爆。平面飞片起爆炸药在对称面上为单波结构。图5为平面飞片起爆时，炸药对称轴上以0.1mm为间隔、不同炸药深度处的压力历程。

图5 平面飞片起爆炸药内部压力成长曲线

从图5中的计算结果来看，0.2mm的平面铜飞片撞击时产生了1个峰值压力15GPa、持续时间50ns的短脉冲冲击波。在此冲击波作用下，炸药发生反应，释放出化学能。随着炸药内部深度增加，压力逐步增加。到0.2mm时，炸药内部压力已经达到34GPa；到0.3mm时，压力已达到37GPa，压力已成长为稳定爆轰。

2.3 椭圆飞片冲击起爆过程分析

图6为椭圆飞片冲击起爆PBX-9404炸药在不同时刻的压力线图。

图6 不同时刻椭圆飞片冲击起爆过程的压力线图

从图6可以看出，椭圆飞片着靶时飞片外沿区域首先撞击炸药，可以看作环形起爆。随着飞片向前运动，环形起爆面逐渐向中心区域汇聚。椭圆飞片起爆炸药在对称面上为汇聚的双波结构。在2.010μs时刻，观察双波的冲击波波头，可以发现波头的高压区域位于波头靠近对称轴侧。到2.050μs时刻，双波的高压区域已发生碰撞并汇聚，在对称轴处形成了极高压区域。随着汇聚爆轰波的发展，双波结构逐渐合并为单波。此时的爆轰波前沿较平面飞片的稳定爆轰波前沿更为平整。图7为椭圆飞片起爆时，炸药对称轴上以0.1mm为间隔、不同炸药深度处的压力历程。

图7 椭圆飞片起爆炸药内部压力成长曲线

0.2mm的椭圆铜飞片撞击炸药时产生了1个环形冲击波。从图7中的计算结果来看，环形冲击波汇聚到炸药对称轴上，汇聚中心为0.2mm处，在此处形成1个约49GPa的强压力脉冲，远高于PBX-9404炸药的爆压（39.8GPa[11]），可以认为对称轴上的炸药瞬间达到稳定爆轰。随着汇聚爆轰波向前发展，爆轰压力在0.3mm处达到峰值，约88GPa。此后，由于稀疏波的作用，强爆轰波逐渐衰减为正常稳定爆轰。

2.4 三角飞片冲击起爆过程分析

图8为三角飞片冲击起爆PBX-9404炸药在不同时刻的压力线图。

图8 不同时刻三角飞片冲击起爆过程的压力线图

从图8可以看出，三角飞片着靶时飞片中心杵体首先撞击炸药。随着杵体继续冲击炸药，由于杵体的挤压作用，杵体周侧的压力较头部压力高，形成1个直径不断增大的高压环。在炸药对称面上为发散的双波结构，双波的低压区域在对称轴上发生汇聚。随着冲击波向前传播，炸药释放出化学能，对称轴上的压力逐步增强。到2.140μs时刻，对称轴上的压力已经超过了双波波头压力，双波汇聚成单波。到2.186μs时刻，整个波阵面都发展为稳定爆轰。对比发现，三角飞片起爆时，稳定爆轰波阵面平整性较平面飞片平整，较椭圆飞片弯曲，处于二者之间。图9为椭圆飞片起爆时，炸药对称轴上以0.1mm为间隔、不同炸药深度处的压力历程。

图9 三角飞片起爆炸药内部压力成长曲线

从图9可以看出，三角飞片杵体撞击炸药后形成了1个约17GPa的压力尖峰，但压力脉宽较平面飞片窄。在此冲击波作用下，炸药发生反应，释放出化学能。随着炸药内部深度增加，压力逐步增加。与平面飞片相比，三角飞片起爆时的压力成长相对缓慢，到0.3mm位置处压力成长到24GPa，在0.4mm处达到稳定爆轰。

3 结论

采用数值模拟方法计算了HNS炸药驱动平面飞片、椭圆飞片和三角飞片起爆PBX-9404炸药的冲击起爆过程。计算结果表明：（1）椭圆飞片较其他两种飞片而言，着靶速度略高，飞片平整度较好。飞片内部应力状态差异是造成飞片着靶形态和速度不同的主要原因；（2）平面飞片起爆炸药在对称面上为单波结构，在炸药的0.3mm深度时可以达到稳定爆轰；（3）椭圆飞片起爆炸药时在对称面上为汇聚的双波结构，聚心冲击波使炸药瞬间达到强爆轰状态。椭圆飞片稳定爆轰波前沿较平面飞片更为平整。（4）三角飞片起爆时在炸药对称面上为发散的双波结构，稳定爆轰波阵面平整性较平面飞片平整，较椭圆飞片弯曲，处于二者之间。三角飞片起爆时的压力成长相对缓慢，在炸药的0.4mm深度达到稳定爆轰。

[1] 经福谦.实验物态方程导引[M].北京:科学出版社,1999.

[2] W. Prinse, G. Scholtes. A Development Platform for a Microchip EFI[C] // 52nd Annual Fuze Conference. Sparks, NV,2008.

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[4] 简国祚,曾庆轩,郭俊峰,等.叠氮化铜微装药爆轰驱动飞片的数值模拟[J].爆炸与冲击,2016, 36(2):248-252.

[5] 吕军军,曾庆轩,李明愉,等.起爆高密度TATB炸药的飞片速度阈值[J].爆炸与冲击,2014, 34(1): 125-128.

[6] 张冬冬,黄寅生,李瑞,等.飞片式无起爆药雷管飞片材料与加速膛匹配关系研究[J].火工品,2013 (3): 10-13.

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Effects of the Flyer Shape on Detonator Output

CHEN Qing-chou，LIU Gang，MA Tao

（Institute of Chemical Material, CAEP, Mianyang，621900)

To investigate the influences of flyer original shape on the detonator output, numerical simulation method was used to calculate the shock initiation of PBX-9404 by three different shape flyers (plain, ellipse and triangle). The calculation results show that the velocity of the ellipse flyer is the highest, the shock wave impacted by ellipse flyer is an imploding double wave, and the shock wave impacted by plain flyer is a single wave. In the triangle flyer case, the shock wave is a divergent double wave, the detonation wave front stimulates is more flat than the plain flyer yet less than the ellipse flyer, and the pressure growth is slower than that of plain flyer.

Detonator；Flyer；Original shape；Shock initiation；Flyer velocity

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.002

1003-1480（2020）01-0006-04

2019-12-14

陈清畴（1983-），男，工程师，主要从事爆炸箔起爆技术及传爆序列设计研究。