起爆方式對線性成型裝藥爆炸威力的影響

周 濤，王康康，杜忠華，劉 杰

（1．西安近代化學研究所，陜西西安710065；2．南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

引 言

線性成型裝藥是聚能裝藥的一種，裝藥爆炸后藥型罩在爆轟產物的作用下翻轉，在對稱面上形成具有一定長度的線性爆炸成型侵徹體。線性成型裝藥在軍事和民用等領域應用廣泛，如航天飛機及導彈的分離裝置和自毀系統，或制作成條狀的反坦克履帶地雷，爆破拆除和水下切割等。

國內外線性聚能裝藥的起爆方式大多數采用端面起爆［1］，這種起爆形成的爆炸成型侵徹體會向起爆端面的另一方向匯聚。不同的起爆方式直接影響線性成型侵徹體的幾何形態、飛散速度和方向，進而影響其毀傷效果，因此，可以根據實際目標特性選擇合適的起爆方式。茍瑞君等［2］探討了試驗材料和手段對線性成型裝藥爆炸威力測試結果的影響，但僅對端面點起爆和棱上中點起爆兩種起爆方式進行了研究。杜忠華等［3］研究了單棱和多棱線性同步起爆下線性爆炸成型彈丸（LEFP）的成型機理，并對LEFP 侵徹半無限鋼靶進行了數值模擬。文獻［4－6］從理論和數值模擬兩方面探討了起爆方式對聚能裝藥射流的影響。

為了全面研究不同起爆方式對線性成型裝藥爆炸威力的影響，實現線性成型裝藥威力的可控性，本研究設計了5種起爆方式，并研究了各種起爆方式下形成侵徹體的侵徹性能，針對試驗中出現的多點起爆時的起爆誤差進行了研究。

1 爆轟機理

1．1 爆轟波的驅動

為了計算炮彈和炸彈破片的初速，Gurney［7］提出了爆轟驅動理論。在一些簡化條件下，得到殼體破裂時破片的速度：

式中：MA為藥型罩微元的質量；CpA為罩微元相對應的平板加速公式的炸藥質量（定義為微元A 所對應的沿y 方向的柱狀炸藥）；為炸藥的Gurney常數。

滑移爆轟是指波陣面基本垂直于被驅動平板或圓管的爆轟傳播方式，平板或圓管在爆轟產物壓力下做橫向運動。滑移爆轟產物對金屬平板的驅動如圖1所示，一定厚度的炸藥層覆蓋在無限大金屬平板上，自無限遠處傳來的爆轟波陣面垂直于板面。采用運動波陣面為參考系，波后產物膨脹壓迫平板向下運動和彎曲。

圖1 滑移爆轟驅動平板的運動Fig．1 Sliding detonation driving plate

其上任一微元A 的翻轉速度VAo，在O－SZ 坐標系中S、Z 方向上的分量可表示為：

式中：δ為微元A 的壓垮角；D 為炸藥爆速。

1．2 大威力EFP的成型

線性聚能裝藥在兩端面等強度同時點起爆，爆轟波未發生對撞時，可看成線性裝藥一端起爆，藥型罩在爆轟產物的壓力作用下進行壓垮、變形及翻轉，形成LEFP，爆轟波傳播過程見圖2。藥型罩上任一微元獲得的翻轉速度為［8］：

式中：VA01與VA02是由爆轟波速不同方向的分量壓垮藥型罩微元產生的翻轉速度。

圖2 端面點起爆爆轟波的傳播過程Fig．2 The propagation process of detonation wave by end point initiation

圖中DS為爆轟波對微元A 的爆速。在整個無限長裝藥結構上，Z 的變化范圍為：Z∈［0，∞）。

若微元A 位于起爆點對應的藥型罩上，則Z＝0，Ds1＝1，Ds2＝0

若傳播距離大于Rm＝（2～3．5）d，即Z→∞，Ds1＝0，Ds2＝1

若傳播距離小于Rm＝（2～3．5）d，以式（5）表示。

當同強度爆轟波在線性裝藥中發生對撞后，在對撞面兩側的爆轟產物中分別產生與爆轟波方向相反的沖擊波，對爆轟產物進行壓縮，致使產物壓力大幅度提高。翻轉后藥型罩的中部重新獲得新的能量，運動速度將增大。隨著稀疏波的入侵，沖擊波傳播速度減弱，LEFP 從裝藥中部到兩端獲得能量逐漸減小，形成一定的速度梯度。由于LEFP為中間對稱結構，爆轟波對撞后，中部速度大，加快了運動速度，而兩側速度逐漸減小，這樣LEFP在y方向上（見圖2）重新被拉伸且向對稱軸重新閉合，將LEFP變成大威力EFP。

由此可見，起爆點位置和數量不同，線性成型裝藥形成侵徹體的速度和形狀也不相同，侵徹能力也相差很大。

2 實 驗

2．1 單點和兩點起爆

裝藥為壓裝8 701炸藥，壓藥密度1．70g／cm3。裝藥長120mm、寬22mm、高20mm；線性裝藥藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚35mm。

第1組起爆方式為一端起爆，第2組起爆方式為上端面中心點起爆，第3組起爆方式為兩端同時起爆。對于兩端同時起爆，使用同步儀和微秒級雷管控制同步起爆時間誤差。試驗裝置示意圖見圖3。

圖3 試驗裝置示意圖Fig．3 Sketch of experiment device

2．2 多點起爆

裝藥為注裝B炸藥（RDX 與TNT 質量比60∶40），裝 藥 密 度1．68g／cm3，裝 藥 長100mm、寬50mm、高60mm；藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚40mm。

采用柔性起爆網絡，鉛導爆索21根，等距離分布，尺寸為Φ3mm×（280～300）mm。起爆端用引信起爆傳爆藥柱，再同時起爆鉛導爆索，實現同時起爆傳爆藥柱及裝藥。傳爆藥為R791（聚黑14），藥柱尺寸為Φ10mm×10mm，密度1．62g／cm3。起爆方式為上端面中心線多點起爆，試驗炸高為10倍裝藥寬度。

2．3 多點對碰起爆

上端面兩棱多點對碰起爆由于起爆點較多，起爆誤差較大，因此，采用導爆索起爆和網絡起爆。導爆索起爆上端蓋和網絡起爆上端蓋見圖4。

圖4 導爆索起爆上端蓋和網絡起爆上端蓋Fig．4 The upper cover under detonating cord initiation and network initiation

線性裝藥為注裝B 炸藥，裝藥密度1．60g／cm3，裝藥長100mm、寬40mm、高50mm；藥型罩為無氧紫銅，厚2mm；靶板為45號鋼，厚40mm。

導爆索起爆裝置由起爆器、鉛導爆索和傳爆藥柱組成。鉛導爆索16根，尺寸為Φ3mm×100mm；傳爆藥柱為鈍化RDX，密度1．58g／cm3。兩棱對碰起爆裝藥結構見圖5。網絡起爆溝槽內裝有鈍化RDX，密度1．588g／cm3。

圖5 導爆索起爆和網絡起爆裝藥結構Fig．5 The charge structure of detonating cord initiation and network initiation

3 結果與討論

3．1 單點和兩點起爆試驗

第1組試驗設置3組炸高，爆炸試驗后部分靶板照片見圖6；設最大侵徹深度為Hmax，切口起點距起爆點偏移量為A，試驗結果見表1。

圖6 端面起爆后靶板照片Fig．6 Photographs of targets under single end initiation

表1 一端起爆試驗結果Table 1 Test results under single end initiation

由圖6 和表1 可以看出，線性裝藥端面起爆時，形成的線性侵徹體會向一端傾斜，切口起始處距起爆端面有一定的距離。切口在起爆端處侵徹深度較淺，在距起爆端面最遠處侵徹深度達到最大。切口全長基本不隨炸高變化，且略大于藥柱長度。

當線性裝藥端面起爆后，炸藥有一段爆轟成長過程，最后達到穩定爆轟。爆轟波在成長過程中，爆速、爆壓都較小，金屬藥型罩的壓垮速度也較慢，因此形成的侵徹體速度小，對靶板的切割深度也小。端面起爆端的爆轟成長是不可避免的，起爆深度的長短與輸入沖擊波的壓力有關，壓力大，起爆深度小。爆轟波經過成長期后，很快展開并垂直于棱面，形成滑移爆轟。爆轟波以滑移爆轟波的形式向另一端傳播，形成的侵徹體較均勻。當爆轟波到達另一端端蓋時，撞擊剛性壁面，發生反射，使得爆轟壓力達到滑移爆轟波的2倍，但由于邊界稀疏波影響，使得端面爆轟壓力大大降低，稍大于滑移爆轟波波陣面壓力。

第2組試驗設置3組炸高爆炸試驗后部分靶板的照片見圖7；設最大侵徹深度為Hmax，試驗結果見表2。

圖7 上端面中心點起爆后靶板照片Fig．7 Photographs of targets under center－point initiation on upper surface

表2 上端面中心點起爆試驗結果Table 2 Test results under center－point initiation on upper surface

由圖7和表2可以看出，當線性裝藥上端面中心點起爆時，形成的侵徹體從中間向兩邊發散。切口總體呈兩邊深、中間稍淺，侵徹威力和端面起爆相差不大，而且切口全長大于藥柱長度。

上端面中心點起爆形成的爆轟波開始是在起爆點處以球面波的形式向外傳播的，若裝藥長度足夠大，離起爆點較遠的地方，可以認為是滑移爆轟波作用驅動金屬罩的壓跨，故侵徹體長度要大于藥柱長度。在起爆點附近的截面，由于爆轟波成長不完全，其侵徹效果稍差。

第3組試驗設置2組炸高，爆炸試驗后部分靶板照片見圖8；設最大侵徹深度為Hmax，試驗結果見表3。

圖8 兩端同時起爆后的靶板照片Fig．8 Photographs of targets under two ends initiation simultaneously

表3 兩端同時起爆試驗結果Table 3 Test results under center－point initiation on upper end surface

由圖8和表3可以看出，當線性裝藥兩端同時起爆時，形成的侵徹體為桿狀，兩側略有發散。桿狀侵徹體的侵徹速度較高，侵徹能力很強，而且在大炸高下仍然具有很強的侵徹能力，并且可以通過控制兩起爆點之間的時差，來控制侵徹體頭部偏向。但是桿狀侵徹體的毀傷范圍較小。

兩端同時起爆線裝藥的結構示意圖見圖9。

圖9 兩端同時起爆線性裝藥的結構示意圖Fig．9 Schematic diagram of linear charge structure under two ends initiation simultaneously

當線性裝藥兩端同時起爆后，爆轟波經歷一段時間后波陣面基本呈平面爆轟波，碰撞之前波陣面壓力緩慢增大，碰撞后碰撞區壓力陡然升高，碰撞區爆轟產物的密度產生突躍，接觸的藥型罩上形成高速凸起，整個藥型罩在Y 方向速度梯度驟然增加。

侵徹體成型分為兩個方向的變形：縱向變形即藥型罩沿其軸線Y 方向的變形；橫向變形即藥型罩沿裝藥長度Z 方向的變形。藥型罩在縱向上變形大體經歷翻轉、壓縮和拉伸的過程，藥型罩在爆轟波及爆轟產物的作用下，受到強烈壓縮，產生塑性變形，在沿軸線方向運動的同時，也向軸線匯聚。藥型罩的橫向變形是LEFP 的主要特征，起爆后藥型罩兩端受滑移爆轟波和爆轟產物的作用，壓縮變形，藥型罩從兩端開始向前運動；爆轟波傳到接觸面，在接觸面進行碰撞，壓力驟然升高，推動碰撞區藥型罩加速，藥型罩在碰撞區實現翻轉、產生凸起，兩端在中間凸起藥型罩高速運動的帶動下，沿接觸面位置開始靠攏，在飛行中逐漸形成大威力EFP。

3．2 上端面中心線多點起爆試驗

起爆后靶板被穿透并被撕裂成兩塊。靶板切口長220mm，略大于裝藥長度（200mm），試驗結果見圖10。

圖10 上端面中心線多點起爆后的靶板照片Fig．10 Photograph of target under multi－point initiation in center line of upper surface

由圖10可以看出，整個切口不平滑和不規則，可被分為兩部分。左邊部分切口雜亂無章、參差不齊，這是因為在多點同時起爆時，左邊的起爆點不同步，產生起爆誤差，使侵徹體發生不規則的變化，變得散亂，最終使得左邊切口不齊整。右邊部分出現明顯深淺不一的束形切槽，切槽貫穿靶板，分布均勻，是相鄰爆轟波對撞形成的凸起侵徹的結果。

由于受邊界稀疏波和兩端爆轟波成長期的影響，侵徹體兩端在飛行過程中被拉長，使侵徹體撞擊靶板后，切口長度大于裝藥長度。上端面中心線多點起爆時，在炸藥中可以形成平面波，平面波作用在金屬罩上產生的壓力較大，形成侵徹體的頭部速度大、有效長度長、斷裂時間晚，侵徹深度要比端面起爆和上端面中心點起爆大。

3．3 上端面兩棱多點對碰起爆試驗

炸高為15倍裝藥寬度時，導爆索起爆和網絡起爆試驗結果見圖11。

由圖11看出，兩種方式起爆后切口均不規則，有較為嚴重的分坑效果；侵深分布不規律，導爆索起爆后侵徹深度最深為19mm，網絡起爆后侵徹深度最深為32mm，切口全長145mm。

由圖11還可以看出，切口均出現嚴重的分坑集束現象，這是因為在同一條棱線上多個起爆點起爆時，起爆點之間的誤差引起的，并導致爆轟波的非正規碰撞，致使某些區域壓強較大，侵徹效果較好，而某些區域壓強較小，侵徹效果不明顯，出現分坑集束現象。兩棱上相對應的起爆點之間的起爆誤差會導致侵徹體在橫向上形態不對稱，靶板切口寬度沿縱向分布不均，影響侵徹效果。兩棱多點起爆后，若起爆誤差較小，可近似認為兩棱線起爆，爆轟波在兩棱中間發生碰撞，形成超壓，能夠增強侵徹體的侵徹效果。網絡起爆侵徹深度明顯大于導爆索起爆，這是由起爆誤差決定的，起爆誤差越大，侵徹效果越差。導爆索起爆時，起爆誤差由起爆器、鉛導爆索和傳爆藥3方面決定，起爆誤差較大。網絡起爆時，起爆誤差由刻槽精度和傳爆藥決定，相比下，其起爆誤差要小于導爆索起爆。

目前能夠減少起爆誤差的主要方法有：高精密網絡起爆技術；高精度微秒級或納米級雷管；提高裝藥的加工精度。

4 結 論

（1）起爆方式是影響線性成型裝藥起爆威力的主要因素。端面起爆可以形成偏向的線性EFP；上端面中心點起爆和上端面中心線多點起爆可以形成正向線性EFP；兩端同時起爆可以形成大威力EFP；上端面兩棱多點對碰起爆可以通過控制橫向和軸向的起爆時差形成散點EFP。

（2）網絡起爆的起爆誤差要小于導爆索起爆。多點起爆時，起爆誤差是影響線性成型裝藥侵徹威力的主要因素，盡可能減小起爆誤差，能大大增強線性成型裝藥的侵徹威力。

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