背板材料及炸药厚度对破片冲击起爆8701炸药装药的影响

李一鸣，杨晓红，姚文进，郑 宇，刘峻豪

(1.南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094；2.中国人民解放军63961部队，北京 100012)

引 言

自20世纪60年代，对破片冲击起爆非均质炸药开展了许多试验研究。非均质炸药冲击起爆研究在破片式反导战斗部，炸药安定性和不敏感弹药设计等领域具有重要的意义。

K. L. Bahl等[1]用平头和圆头钢质弹丸分别冲击起爆裸露的和覆盖不同厚度、不同材料的PBX-9404及HMX/TATB炸药，并测定了两种炸药的冲击起爆阈值；Haskins等[2-4]研究了弹丸直径、形状、质量、入射角度以及盖板材料和厚度等因素对冲击起爆的影响；R. L. Gustavsen等[5]对杆撞击裸露的PBX 9501炸药进行了试验研究；Yuxing Xu等[6]研究了在不同打击速度下采用薄铝壳冲击钢片保护的圆柱形炸药的响应特性，并公式推导得到了壳体屏蔽的爆炸物的冲击起爆/点火的临界比动能标准；董小瑞[7]、王树山[8]、卢锦钊[9]等也针对破片冲击起爆屏蔽装药问题进行了一系列试验研究。

目前，国内外研究大多集中在单破片冲击起爆装药[1-9]，对双破片的冲击起爆研究大多停留在数值模拟阶段[10-11]，相关试验研究较少。当双破片同时撞击装药时，会在炸药中形成压力叠加，与单破片相比，降低了冲击起爆的速度阈值；在炸药厚度较小时，背板反射波与双破片撞击形成的叠加波相互作用，极大地提高了装药起爆的概率。

本研究进行了单一破片和双破片冲击起爆屏蔽8701装药试验。根据试验结果，通过Autodyn-3D软件进行数值模拟，通过改变背板材料及炸药厚度，从而改变背板反射波的幅值，分析其对破片冲击起爆8701装药的影响。

1 试 验

1.1 单破片冲击起爆屏蔽8701装药试验

1.1.1 试验方案

试验系统如图1所示，由弹道枪、钨球、收弹器、高速摄影、盖板、炸药、背板及固定装置组成。试验采用14.5mm滑膛弹道枪，选用小粒黑点火药，多-45发射药，用2A12铝合金制作钨球的弹托，如图2(a)所示。钨球直径为10mm；炸药为压装8701，尺寸为Φ70mm×4mm；盖板和背板均为A3钢，尺寸为100mm×100mm×4.5mm。通过调整发射药的质量来调节钨球的着靶速度。

1.1.2 试验结果

单枚钨球冲击起爆屏蔽8701装药的试验结果如表1所示。

表1 单枚钨球对屏蔽8701装药冲击起爆试验结果

图1 试验布局图Fig.1 Test layout

图2 单破片及双破片的弹托与破片Fig.2 Fragments and sabots for single and dual fragments

1.2 双破片冲击起爆屏蔽8701装药试验

1.2.1 试验方案

试验采用25mm滑膛弹道炮，选用小粒黑点火药，4/7发射药，用2A12铝合金制作钨球的弹托，如图2(b)所示。钨球的直径为10mm；其余如盖板、炸药、背板等试验器材和布局与单破片冲击起爆试验相同。

1.2.2 试验结果

两枚钨球冲击起爆屏蔽8701装药试验结果如表2所示。

表2 双钨球对屏蔽8701装药冲击起爆试验结果

将单破片冲击起爆试验结果与双破片冲击起爆试验结果对比发现，炸药发生爆轰时，双破片的冲击起爆速度阈值仅比单破片低60m/s，速度降低不显著，表明除双破片的冲击波叠加作用影响装药起爆的阈值速度外，背板反射波亦影响装药起爆的阈值速度，且因炸药太薄，背板反射波作用更加显著。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用AUTODYN-3D软件建立离散化模型。考虑模型对称性，建立1/2模型以简化计算。图3为建立的钨球、炸药、盖板和背板的离散化网格模型，采用Lagrange方法开展计算。图3(b)中两钨球的球心距离是17.2mm，即试验时炸药发生爆轰反应时两钨球的着靶距离。

图3 离散化网格模型Fig.3 Discrete model

为了描述装药在破片冲击作用下的起爆过程，其状态方程采用Lee-Tarver状态方程[12]：

dF/dt=I(1-F)b(μ-a)x+G1(1-F)cFdpy
+G2(1-F)eFgpz

式中：I为点火量冲击强度；F为燃烧质量分数，在模拟爆轰过程中控制炸药化学能的释放；b为点火项燃耗阶数；μ为炸药压缩比；a为临界压缩度参数；参数x为持续函数；参数G1和d为控制点火后早期增长函数；c、y为燃烧项的燃耗阶数和压力幂数；参数G2和z为高压反映率相关函数；e、g为常数；p为爆炸气体压力。炸药未反应物和反应物均采用JWL状态方程。炸药模型材料参数见表3。

钨球、盖板和背板选用能较好描述材料大应变、高应变率及高温度状态的Johnson-Cook 强度模型，材料强度模型、状态方程和侵蚀准则列于表4中。参数取自AUTODYN标准数据库。

采用“升降法”获得炸药的临界起爆速度阈值。采用反应度ALPHAλ1判断炸药是否发生爆轰反应。λ1的选取在0～1之间，即炸药发生反应部分与整体的比值。若λ1=0，表示炸药无任何反应；若0<λ1<1，说明炸药发生不完全反应；若λ1=1，表示炸药发生爆轰。

表3 炸药模型参数[13]

表4 钨球、盖板、背板材料模型

2.2 模型校验

根据上述模型及材料参数进行模拟计算，所得结果与试验结果进行对比，如表5所示。从表5可以看出，模拟值与试验值误差在10%以内，即认定模拟算法的正确性。

表5 临界起爆速度的模拟值与试验值对比

2.3 背板材料对单破片冲击起爆屏蔽装药阈值的影响

当冲击波传到炸药与背板交界面时会发生反射，反射波的幅值与炸药和背板之间的波阻抗(ρC，C为材料声速)关系相关，所以背板材料影响反射波的幅值，进而影响炸药的起爆阈值。选择石英、铝、铜、钨4种材料作为背板材料，并与以钢作为背板材料的模拟结果进行比较。5种材料的波阻抗值参见文献[14]，模拟所用背板材料模型如表6所示。

由表6可以看出，破片冲击不同背板材料的屏蔽装药时，临界起爆速度随背板波阻抗的增大而减小。

表6 背板材料模型及临界起爆速度

2.4 炸药厚度对双破片冲击起爆屏蔽装药阈值的影响

为考虑炸药厚度对双破片冲击起爆屏蔽装药阈值的影响，计算炸药厚度(h)分别为8、12、16、20、30、40mm时装药的临界起爆速度，并将结果与炸药厚度为4mm时的计算结果比较。仿真模型与试验相比仅改变炸药厚度，所用材料模型与上述相同。为研究钨球对屏蔽装药的起爆过程，根据炸药厚度的差异，在炸药中心轴线位置处均匀设置一系列高斯点，如图4所示。

经数值计算发现，当两钨球以1250m/s的速度同时撞击炸药厚度为4mm的靶标时，炸药发生爆轰反应。炸药不同时刻的压力云图及反应度ALPHA云图、高斯点处的压力曲线如图5和图6所示。

图4 高斯点位置图Fig.4 Position of Gauss

图5 不同时刻炸药的压力云图及反应度ALPHA云图Fig.5 Pressure and ALPHA contours of explosive at different times

图6 两钨球以1250m/s的速度同时撞击炸药厚度4mm的靶标时炸药高斯点处的压力曲线图Fig.6 Pressure curve at Gauss point of explosive when two tungsten spheres impact the target with the thickness of 4mm at 1250m/s

由图5和图6可看出，当t=2μs时，钨球侵彻盖板，初始冲击波向炸药内传播；从t=2.4μs时的压力云图可以看出，由两钨球侵彻产生的冲击波先到达炸药与背板的交界处，并在炸药与背板界面上发生反射，由于背板材料的波阻抗大于炸药的波阻抗，此时反射波与入射波在背板附近位置处发生叠加，使冲击波压力增大进而使炸药在此处产生一个高压力区(见图5(d))，且背板反射波先于两钨球的叠加波；根据图5(g)，约在t=3.1μs时高斯点处产生压力，根据图5(d)，此时的压力是两钨球冲击波叠加的作用；在t=4～8μs时，两钨球背板反射波与两钨球的叠加波之间不断作用，导致高斯点处的压力曲线呈阶跃增长；约在t=8.5μs时，炸药中心轴线处的压力达到最大峰值，炸药的反应度达到1，炸药发生爆轰反应。

当两钨球以v=1500m/s的速度同时撞击h=8mm的靶标时，装药发生爆轰反应，高斯点处的压力曲线如图7(a)所示，不同时刻装药的压力云图如图7(b)所示。从图7(a)可以看出，约在t=2.8μs时，高斯点处开始产生压力，结合t=3μs时的压力云图可知，两钨球撞击产生的冲击波先于背板反射波叠加，约在t=4μs时，两钨球侵彻产生的冲击波到达炸药与背板的交界处，之后，两钨球背板反射波与两钨球的叠加波之间不断作用，约在t=8.7μs时，压力达到峰值，此时炸药的反应度达到1，炸药发生爆轰反应。

两钨球冲击起爆炸药厚度(h)分别为4、8、12、16、20、30、40mm的屏蔽装药，数值计算所得的临界起爆速度如图8所示。可以看出，随炸药厚度(h)的增大，背板反射波的作用逐渐减弱，当炸药厚度增大到30mm时，靠两钨球产生的冲击波叠加起爆装药，背板对双破片冲击装药的临界起爆速度几乎无影响。

图7 h=8mm，v=1500m/s时，装药轴线处的压力曲线及装药的压力云图Fig.7 Pressure curve at the axis of explosive and the pressure contour of the charge when h=8mm and v=1500m/s

图8 不同装药厚度临界起爆速度对比Fig. 8 Comparison of critical initiation velocity under different charge thicknesses

3 结 论

(1)双破片冲击起爆屏蔽装药时，若炸药较薄(炸药厚度h<30mm)，背板反射波与两破片的叠加波均可影响装药的临界起爆速度。单破片冲击起爆相同装药结构的结果与之相比，背板反射波的存在会加速装药发生爆轰反应，缩小与双破片冲击起爆的差距。

(2)反射冲击波的幅值随背板材料波阻抗值增大而增加，即临界起爆速度随背板波阻抗的增大而减小。

(3)在本研究模型结构下(两破片球心距为17.2mm，同时撞击靶标)，双破片冲击起爆屏蔽装药时，在装药厚度较小时，初始冲击波先到达背板发生反射，反射波先于两钨球的叠加波；随装药厚度的增加，两钨球撞击产生的冲击波先于背板反射波叠加，并且随装药厚度的增大，背板反射波的作用逐渐减弱，当炸药厚度增大到30mm时，靠两钨球产生的冲击波叠加起爆装药，背板对双破片冲击装药的临界起爆速度几乎无影响。