亚音速条件下燃料动态抛撒特性试验研究

韩天一，王世英，杜海文，何 超

(西安近代化学研究所，西安 710065)

0 引言

云爆战斗部以高毁伤威力受到世界各国的高度重视，与常规的爆破类战斗部作用不同，其作用过程分为两个阶段，第一阶段为高能云爆剂抛撒形成燃料空气炸药云团，第二阶段为引爆燃料空气炸药云团形成大尺寸云雾体爆轰[1]。云爆战斗部主要通过大面积云雾体爆轰对目标造成毁伤，云团形态及尺寸是影响云爆武器毁伤威力的关键因素之一。

静态情况下抛撒云团的形态尺寸主要与抛撒装药结构、长径比及云爆剂性能等相关[2-5]，但是当云爆弹以一定的落速作用时，抛撒云团形态及尺寸均发生变化，将对毁伤威力造成重要影响，因此研究速度对抛撒云团形态的影响有着重要意义。

高速条件下燃料的抛撒过程涉及燃料的破碎、蒸发、扩散等复杂的物理力学过程，席德志[6]等分析了高速运动的液体燃料爆炸抛撒过程，建立了包含液滴蒸发、破碎及碰撞聚合等作用的物理力学模型，进行了200 m/s速度燃料抛撒过程的数值计算。王世英[7]等通过数值仿真对动态抛撒云团形态进行了计算，认为随着云爆战斗部运动速度的增加,云团的形态逐渐由扁平形向喇叭形发展,速度越高,喇叭形的开口越小。

目前云爆剂燃料主要采用多组分复合配方体系，现有的理论及数值模型难以准确描述真实的抛撒过程，因此文中通过火箭撬动态试验，研究了270 m/s速度时云爆剂的爆炸抛撒过程，并与静态抛撒情况进行了对比分析，获取了亚音速条件下云爆战斗部动态抛撒特性，为高速云爆战斗部设计提供支撑。

1 动态试验装置及方法

1.1 试验装置

本次试验抛撒装置主要由壳体、抛撒装药、引信及燃料组成，结构如图1所示，壳体材料为铝，高度300 mm，直径200 mm，装填自制的液固混合型燃料，装药质量10 kg。

试验时通过火箭撬实现对抛撒装置的加速，为确保试验装置飞行稳定性，在试验装置前后增加了整流罩与平衡舱，试验装置结构示意图如图2所示。

图1 抛撒装置

图2 试验装置结构示意图

1.2 试验方法

火箭撬设计速度为(270±10) m/s，样弹在轨道终点处通过爆炸螺栓作用解除与火箭橇的连接，助推火箭与橇一起沿弧形轨道向下运动，抛撒装置水平自由飞行，实现弹车分离。试验引信为延时引信，以割刀割断引信触发线为计时零点。

为获取燃料动态抛撒云团形成过程，在距设计爆点200 m处布设高速摄影仪，高速摄影仪与爆点的连线垂直于火箭撬飞行轴线。高速摄影拍摄速率为2 000幅/s，在设计爆点前后每隔4 m布设了5根标杆，用以标定高速摄影图像数据，测试布局如图3所示。

图3 测试布局

为对比分析速度对燃料抛撒过程的影响规律，动态试验后进行了1发静态抛撒试验。试验装置的姿态及离地高度与动态试验保持一致，高速摄影测试布局与动态保持一致。

2 试验结果与分析

2.1 亚音速动态抛撒云团形态分布特性

根据前期静爆威力验证，对于10 kg级样弹，最佳二次起爆时间为40 ms，因此重点关注40 ms时刻动静态抛撒云团形态及尺寸分布。

试验获取的270 m/s动态抛撒过程的高速摄影典型图片如图4所示。

图4 270 m/s动态抛撒云团形态

试验获取的静态抛撒过程的高速摄影典型图片如图5所示。

图5 静态抛撒云团形态

对比分析图4及图5，静态条件下抛撒云团整体呈现“薄饼”状分布，270 m/s速度条件下的动态抛撒云团呈现“伞”状分布。这主要是因为：当抛撒装置以270 m/s速度抛撒时，受爆轰产物膨胀作用及轴向牵连速度的双重影响，燃料颗粒呈现抛物运动特性，由此形成“伞”状分布的抛撒云团；静态条件下，燃料仅受爆轰产物膨胀作用，燃料颗粒主要沿径向运动，由此形成“薄饼”状分布的抛撒云团。

2.2 亚音速动态抛撒云团半径变化特性

图6 动静态云团半径及衰减率随时间的变化关系

对比分析动静态抛撒云团的增长过程可见，在初始阶段(约0～10 ms)，动静态抛撒云团最大半径基本相同，在10 ms时动静态抛撒云团半径相差约6%，在40 ms时，动态抛撒云团半径比静态抛撒云团半径减小了约15%。

对于静态抛撒过程，燃料主要沿径向飞散，而动态抛撒时燃料飞散方向与径向存在一定的角度，抛撒云团半径主要与抛撒云团径向速度相关，图7为动静态抛撒云团径向速度随时间的变化关系。

图7 动静态抛撒云团扩散速度随时间的变化关系

由图7可见，在抛撒的全过程中静态抛撒速度大于动态抛撒径向速度，并且随着抛撒时间的增加，动态抛撒的径向速度衰减更快。

2.3 亚音速动态抛撒云团的“飞散角”

为分析云团沿轴向与径向分散的关系，在高速摄影图像中选取云团最大半径上边缘点，如图8所示。

图8 云团最大半径上边缘点

通过分析高速摄影仪数据，获取动态抛撒云团最大半径上边缘点的坐标随时间的变化关系，如图9所示。

图9 云团最大半径上边缘点的坐标变化关系

由图9可见，以抛撒起点为坐标原点，则不同时间动态抛撒云团半径上边缘点X、Y坐标基本为线性分布，数据拟合的斜率为1.15，倾角约为49°。表明270 m/s动态条件下，燃料颗粒射流沿与落速成49°夹角的方向飞散。

2.4 亚音速动态抛撒云团厚度变化特性

图10为以抛撒起点为坐标原点，抛撒云团轴向最大位移随时间的变化关系。

图10 抛撒云团轴向最大位移随时间的变化关系

对上述关系进行数值拟合，可得到抛撒云团轴向最大位移随时间的经验关系式为：

(1)

由此可见，当以270 m/s速度抛撒时，10 kg抛撒装置燃料颗粒沿轴向的最大抛撒距离约为4.7 m。

静态抛撒时云团基本不沿轴向运动，动态抛撒时，云团将离开抛撒初始位置整体沿速度方向前移， 图11为0 ms与40 ms时试验装置与抛撒云团的相对位置。

图11 动态抛撒云团前移示意图

分析高速摄影数据可得，在40 ms时动态抛撒云团后缘距离抛撒起点约1.2 m，图12为抛撒云团后缘轴向位移及其速度随时间的变化。

图12 抛撒云团后缘轴向位移及速度随时间的变化

在抛撒的初始阶段，云团后缘运动速度逐步升至最大之后迅速衰减，约在10 ms时又开始快速增大，达到局部最大值后又快速衰减，在抛撒后期基本接近0 m/s。通过对比云团动态抛撒过程可见，抛撒云团后缘运动速度突然增大，主要是由于平衡舱高速穿过云团时带动周围云爆剂沿轴向运动所致。

对云团后缘轴向位移随时间的变化进行数值拟合，得到抛撒云团后缘沿轴向位移随时间的经验关系式为：

(2)

结合云团前缘及后缘位移经验关系，通过近似平均处理，可得10 kg抛撒装置270 m/s时动态抛撒云团厚度的经验计算公式为：

(3)

由此可见，以270 m/s速度动态抛撒时，10 kg抛撒装置的动态抛撒云团厚度最大为3.6 m，较静态抛撒云团厚度增加了约73%。

3 结论

1)受270 m/s轴向牵连速度的影响，抛撒云团由静态时的“薄饼”形转变为动态时的“伞”形；

2)对于10 kg级抛撒样弹，以270 m/s速度抛撒时，40 ms时刻动态抛撒云团半径较静态时减小了15%，云团厚度增加了约73%；

3)270 m/s动态条件下，燃料颗粒的动态飞散角约为49°，40 ms时刻抛撒云团的后缘较起爆点前移了1.2 m。