網絡爆轟驅動飛片的設計技術＊

張友君，谷 巖，裴曉陽，杜金梅，楊 佳，喻 寅

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900）

高能炸藥具有較高的化學釋放能和較快的反應速度，是一種常用的高壓沖擊波能源。在化爆加載中，利用高能炸藥爆轟釋放的化學能轉變為飛片的動能，已有了一系列的化爆加載裝置，如接觸爆炸、空腔增壓、多級飛片增壓、二維會聚增壓等方法［1］。目前的化爆加載裝置大都采用平面波透鏡傳爆主炸藥的方式驅動飛片，這種裝置獲得的飛片擊靶速度為數千米每秒，相應的沖擊加載壓力范圍為幾十至幾百吉帕。而在研究材料的損傷與斷裂、低壓沖擊相變以及彈塑性形變特性等動態響應時，需要使待測樣品受到的沖擊應力位于較低的區間。目前，獲得數百米每秒擊靶速度或產生幾吉帕壓力大多使用一級氣體炮，而爆轟驅動技術結構相對簡單、體積小、容易與測試儀器同步工作（如原位實時測量、高速攝影）等［2］，因此研究化爆驅動飛片在低速和穩定狀態下的加載技術十分必要。

在平面波透鏡結構的加載裝置中，為了在材料中獲得較低的沖擊壓力，可采用低爆速炸藥或加惰性材料衰減層等方法［3］。В.И.Цыпкцнн［4］對TNT炸藥爆轟產物經過不同厚度空氣隙驅動10mm銅飛片的運動過程進行了實驗研究，表明隨著空氣隙的增大，飛片速度下降，但空氣隙增加到一定厚度時飛片速度難以再繼續下降。趙劍衡等［5］結合實驗和數值模擬研究了在炸藥透鏡和飛片之間引入空腔對爆轟驅動飛片的影響，結果表明引入空腔的爆轟加載裝置可以推動6mm銅飛片達到約1km／s的速度。張萬甲［6］、G.I.Kanel等［7］設計了組合飛片作為低壓爆轟加載裝置，實驗結果初步表明組合飛片作為低壓爆轟加載的原理是可行的，但設計較復雜。金柯等［8］對爆轟產物與飛片之間預留空氣隙和使用組合飛片的方式分別進行了數值模擬研究，結果表明增加空氣隙或使用組合飛片可以使中等阻抗飛片降至1～2km／s。綜上所述，采用平面波透鏡結構的爆轟加載裝置，很難獲得低于1km／s飛片速度的加載能力。

本文中，通過網絡爆轟技術設計一種新型低速低沖擊應力的加載裝置。結合數值模擬、實驗測量與標定，對網絡爆轟驅動飛片的速度、平面性及裝置結構參數進行系統的研究，擬為低壓動態加載實驗研究提供技術手段。

1 實驗原理與設計

1.1 基本原理

炸藥爆轟驅動飛片的過程中，可用不可壓縮飛片模型估算飛片受到壓縮波驅動的運動規律，得到飛片速度u的關系式［3］

式中：m為裝藥質量，M為飛片質量，l為裝藥長度，D為爆轟波速度，t為飛片飛行時間。

當t趨近于無窮時，可以得到飛片的極限速度umax

由式（2）可知，η越小，飛片速度越低。在炸藥成分與飛片質量一定的情況下，要降低飛片速度，必須降低裝藥質量或裝藥長度。在傳統的平面波透鏡化爆加載裝置中，需要一定的裝藥長度才能保證點源發出的散心爆轟波改造成為平面爆轟波，這個總長度一般都在幾十毫米。同時，在平面波透鏡的加載裝置中，通常還要再加一段主炸藥，厚度在數十毫米范圍，主裝藥長度過短就會影響飛片擊靶的平面性。因此使用平面波透鏡結構驅動飛片的裝置很難降低飛片速度。

1.2 裝置設計

為了得到較低的飛片擊靶速度，本文中提出并使用平面網絡爆轟技術。網絡爆轟是在大口徑裝藥的端面上布置多個起爆點，這些起爆點由炸藥網絡線連接，當雷管引爆時，通過炸藥網絡線的傳爆使多個起爆點同時起爆，由此獲得平面范圍內的爆轟波輸出。利用網絡起爆可以降低裝藥厚度，通常主炸藥厚度在1mm以下。

在一維應變動態加載實驗中，對加載裝置有兩個基本要求。首先，壓力可調，有一定的壓力調節范圍；其次，所產生的沖擊波有一定的平面尺寸和平面度，以便物理力學參數的測量［3］。本文的網絡爆轟驅動飛片技術滿足這兩個基本要求。

根據上述基本原理，網絡爆轟驅動飛片加載的裝置如圖1所示。它由雷管、炸藥網絡板、衰減層、有機玻璃板、飛片、空腔和靶系統等組成。此處的炸藥網絡板包括了多點起爆網絡和主裝藥。

炸藥網絡板中裝藥厚度0.8mm，邊長95mm。衰減層采用沖擊阻抗較高的45鋼板，厚度可視所需飛片速度調節。為使多點爆轟波被改造成為準一維平面波，經過計算取有機玻璃板厚10mm。飛片為?100mm的圓板，厚度3mm，材料為無氧銅。

圖1 網絡爆轟驅動飛片的實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of network detonation－loading device

1.3 數值模擬

使用數值計算檢驗了網絡爆轟驅動飛片技術的可行性。裝置材料采用彈塑性流體模型，炸藥爆轟產物的描述選用JWL狀態方程，表達式為［9］

式中：A、B、ω、R1、R2為常數，e為比內能。炸藥 GI－920的CJ參數為：ρ＝1.540g／cm3，D＝7.35km／s，e＝4.29MJ／kg，狀態方程參數為：A＝2 714.0GPa，B＝17.930GPa，R1＝7.00，R2＝1.60，ω＝0.35。

圖2（a）給出了飛片后自由面粒子速度歷史隨45鋼板厚度變化的計算結果，炸藥在時刻零起爆。圖2（b）給出了飛片穩定飛行后的擊靶速度隨鋼板厚度的變化趨勢。結果表明，當鋼板厚度從1mm增加到10mm時，飛片的擊靶速度相應從330m／s減小到210m／s，并且飛片飛行距離在2mm內即可達到穩定的速度平臺。應力波在飛片中來回反射可造成飛片自由面速度振蕩；鋼板厚度與飛片速度之間并不完全成線性關系，隨著鋼板厚度持續增加，擊靶速度繼續減小的幅度十分有限。如果使用該飛片撞擊相同材料的無氧銅樣品可以達到3.8～6.2GPa沖擊應力，因此初步計算認為該結構的裝置具有可行性，并且通過改變衰減層鋼板的厚度可以使飛片的速度發生連續性的變化，得到不同的沖擊應力。

圖2 飛片速度隨衰減層45鋼板厚度的變化規律Fig.2 Simulation results of flyer velocity as a function of steel thickness

2 實驗測量與標定

為了對飛片飛行狀態進行實時測量，將靶板設計為可安裝測量探針的基板。探針基板為?80mm的LY12鋁，可布局多路多圈的測量探針。飛片與探針基板間的空腔距離為約2mm。為了準確測量和標定，使用DPS測速系統［10］。通過多路多圈的DPS探針布置（見圖3），可以得出飛片直徑40mm內的平面性分布。其中，探針1～9從內至外分別分布于圓心、?20mm和?40mm，主要是測量飛片速度和評估飛片擊靶的平面性。探針10、11和12分別對應炸藥網絡爆轟的一波點、二波點和四波點，主要測量網絡起爆點對爆轟波傳播均勻性的影響。在位于?40mm的圓上設計了4個?6mm的圓孔用于排出飛片飛行時的壓縮氣流，避免對DPS測量的影響。

進行了兩發典型加載狀態的實驗測量和標定，實驗參數與部分結果見表1，DPS測量結果見圖4。表中，h1、h2、h3和h4分別為飛片厚度、有機玻璃厚度、45鋼板厚度和空腔距離。可以發現，在2mm空腔距離內，飛片已經達到一個穩定的最大速度飛行狀態。實驗1、2的飛片速度分別為v1＝（299±4）m／s，v2＝（221±3）m／s。多點測量表明，?40mm內飛片的擊靶速度相對誤差在1.5%以內，飛片飛行速度均勻性很好。

圖3 DPS探針布局Fig.3 Position of DPS probes

表1 標定實驗的加載狀態和部分實驗結果Table1 Experimental parameters and results of the calibrated equipment

圖4 不同測點處飛片后自由面速度歷史Fig.4 Free surface velocity histories for flyers at different points

為了分析飛片的擊靶平面性，對飛片后自由面速度歷史進行積分處理。在空腔的某個面上飛片最早和最晚到達的時間差即為這個面上飛片的擊靶波形差。實驗1、2中當飛片分別到達1.9和1.7mm的空腔距離時，各測點的時間點分布見圖5所示。實驗1、2中飛片擊靶波形差在?20mm范圍內分別為146和224ns，到?40mm時，飛片擊靶波形差分別為224和468ns，各個測點的位移差在0.04～0.08mm之間，表明飛片在?40mm的范圍內具有較好的平面性。利用最小二乘法對實驗點進行曲線擬合，時間t隨半徑r呈拋物線分布，實驗1、2的t（r）關系分別為t1（r）＝3.1×10－4r2＋48.795 4、t2（r）＝8.7×10－4r2＋51.519 5，t和r的單位分別為μs和mm。由擊靶波形差可計算得?40mm范圍內實驗1、2飛片的擊靶傾角分別為0.189°和0.298°，與一級輕氣炮約0.5°和二級輕氣炮約1°相比［11］，本文的飛片驅動裝置的擊靶波形完全可以滿足一維平面沖擊加載的要求。

綜上所述，實驗表明：網絡爆轟驅動飛片的速度可以在一定范圍內可調，飛片擊靶均勻性和平面性較好，飛片在2mm的空腔距離內能夠達到穩定飛行狀態。

圖5 飛片擊靶波形Fig.5 The flyer front surface

將實驗結果與數值模擬進行對比。首先，對飛片穩定時的平均速度幅值進行比較，實驗1、2的飛片擊靶速度實驗值分別為299和221m／s，相應的計算值為302和220m／s，實驗測量與計算的相對誤差小于2%。其次，對飛片飛行過程的速度歷史進行比較，圖6給出了飛片中心測點1的后自由面速度－時間曲線的實驗結果與計算結果，兩者符合程度很好。

圖6 后自由面速度剖面的實驗結果與數值模擬結果對比Fig.6 Comparison between experimental and calculated free－surface velocity profile

3 結 論

基于網絡爆轟的原理，提出并設計了一種網絡爆轟驅動飛片的加載技術，并對典型加載裝置進行了實驗測量和標定，結合實驗和數值模擬對該技術進行了系統的分析和研究，得到以下主要結論：

使用網絡爆轟驅動飛片技術，可以有效降低傳統平面波透鏡加載裝置中的主炸藥裝藥厚度，極大地降低飛片運動速度，使低壓下的材料動態響應特性研究得到新的加載手段；網絡爆轟驅動飛片在一定范圍內的擊靶均勻性和平面性較好，完全滿足一維應變平面沖擊波加載的需求；通過改變衰減層的厚度，飛片速度可以實現在200～350m／s間連續可調。

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