串聯(lián)EFP裝藥隔爆結(jié)構(gòu)和延時(shí)起爆控制*

徐浩銘，顧文彬，胡亞鋒，王振雄，陳江海

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.96172部隊(duì)，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

在自然災(zāi)害救援和非戰(zhàn)爭行動(dòng)中，經(jīng)常面臨對大塊度障礙物快速破除的難題。普通民用爆破中通常采取先機(jī)械鉆孔、后裝藥起爆的方法進(jìn)行施工，但在缺少時(shí)間、機(jī)械設(shè)備、電力和人員等條件下，一般方法無法短時(shí)內(nèi)快速清除這些大塊度障礙，常常造成救援目標(biāo)生命及財(cái)產(chǎn)的重大損失。考慮到應(yīng)急保障的高時(shí)效性，采用串聯(lián)裝藥技術(shù)更有效[1]。張先鋒等[2]、王樹有等[3]、曾必強(qiáng)等[4]和涂候杰等[5]分別對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級爆轟對后級的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，王成等[6]對同口徑串聯(lián)裝藥前后級成型關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。傳統(tǒng)的破-爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級聚能開孔裝藥能力有限，在大塊度障礙物破除應(yīng)用中效果不理想。因此，本文中根據(jù)在堅(jiān)硬目標(biāo)上開孔的需要，提出一種新式破-破型串聯(lián)爆炸成型彈丸(explosively formed projectile, EFP)聚能裝藥結(jié)構(gòu)作為多級串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級開孔裝藥，并對串聯(lián)EFP裝藥隔爆結(jié)構(gòu)和裝藥前后級延時(shí)匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；利用有限元程序LS-DYNA對不同起爆延時(shí)條件下串聯(lián)EFP裝藥侵徹進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

圖1 起爆控制電壓波形Fig.1 Voltage wave of detonation controller

1.1 單級EFP裝藥選擇

本文中選擇前期優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]得到的?65 mm球缺型變壁厚EFP裝藥結(jié)構(gòu)方案。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)為：炸藥采用JH-2，其密度為1 700 kg/m3，裝藥長徑比為1.0；藥型罩采用紫銅材料，罩頂厚2.1 mm，罩內(nèi)表面曲率半徑為67 mm，外表面曲率半徑為62 mm。

1.2 串聯(lián)EFP關(guān)鍵技術(shù)

為確保精確控制兩級EFP裝藥的起爆時(shí)間，采用本課題專門設(shè)計(jì)的精確延時(shí)起爆控制器，設(shè)定延時(shí)間隔精度為0.1 μs，可通過專用的應(yīng)用軟件在0～200 μs區(qū)間任意設(shè)定延時(shí)，圖1是2路起爆控制信號輸出時(shí)示波器采集到的觸發(fā)信號波形。

1.3 隔爆體設(shè)計(jì)原則

本研究串聯(lián)EFP采用逆序起爆方式，前級裝藥爆炸后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物和空氣沖擊波不可避免地作用在后級裝藥上，引起后級EFP形狀和性能的改變，從而改變后級EFP的侵徹性能。因此要設(shè)計(jì)一種簡單的隔爆結(jié)構(gòu)，降低前后級之間的影響。本研究的隔爆結(jié)構(gòu)中選用的聚氨酯泡沫材料是一種密度小、隔爆性能好的抗沖擊波材料，廣泛應(yīng)用于國防、軍事領(lǐng)域[8]。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 串聯(lián)EFP數(shù)值模型

圖2 串聯(lián)裝藥模型Fig.2 Tandem EFP model

為了分析隔爆體及起爆延時(shí)對串聯(lián)EFP裝藥成型性能的影響，利用有限元軟件LS-DYNA3D對其成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，串聯(lián)裝藥模型如圖2所示。模型涉及聚能裝藥成型和侵徹2個(gè)部分，采用流-固耦合算法來分析此類情況更貼近實(shí)際。模型中，炸藥、藥型罩、隔爆體和空氣等介質(zhì)均采用Euler算法，靶板則采用Lagrange算法。串聯(lián)EFP裝藥為8701炸藥，采用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程描述；藥型罩材料為軍用紫銅，用Grüneisen狀態(tài)方程和Johnson-Cook本構(gòu)模型描述[9-10]；隔爆體為聚氨酯泡沫，用Grüneisen狀態(tài)方程和Elastic_Plastic_Hydro本構(gòu)模型描述，各材料狀態(tài)方程參數(shù)[11-12]如表1～3所示，其中：ρ為密度，v為爆速，pCJ為炸藥的C-J爆壓，E0為材料的初始內(nèi)能，A、B、R1、R2和ω為炸藥的材料常數(shù)，C為材料的us-up截距，S1、S2和S3為斜度系數(shù)，γ0為材料的Grüneisen系數(shù)，a為γ0的一階體積修正。

表1 JH-2炸藥計(jì)算參數(shù)Table 1 Computational parameters for JH-2

表2 紫銅和聚氨酯泡沫計(jì)算參數(shù)Table 2 Computational parameters for copper liner

表3 聚氨酯泡沫計(jì)算參數(shù)Table 3 Computational parameters for polyurethane foam

2.2 不同炸高條件下單級EFP侵徹過程分析

要充分發(fā)揮兩級串聯(lián)EFP裝藥的侵徹能力，首先需要確定裝藥的有利炸高。如果炸高太小，EFP彈丸還未完全成型，其速度和長徑比仍在快速變化中，侵徹深度和穿孔直徑等侵徹效果隨炸高變化而發(fā)生較大改變。但炸高達(dá)到一定程度后，EFP成型性能已經(jīng)基本穩(wěn)定時(shí)，侵徹效果變化逐漸減小。文中選取了6種不同炸高進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示，其中：H為炸高，D為裝藥直徑。

圖3 串聯(lián)裝藥模型Fig.3 Tandem EFP charge model

對比圖3中6種炸高條件下鋼靶剖面圖得出：在炸高與裝藥直徑比小于2.8時(shí)，EFP侵徹鋼靶孔徑較大，但EFP未得到有效拉伸，侵徹深度不大；隨著炸高的增加，侵徹深度逐漸增加，同時(shí)孔徑逐漸減小；在炸高與裝藥直徑比大于3.2時(shí)，炸高增加，侵徹深度與孔徑基本不變。表4為不同炸高下EPF侵徹鋼靶的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中h為侵徹深度，d為侵徹孔徑。分析表4中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在侵徹深度和孔徑大小上吻合較好，誤差在5%以內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果較貼近實(shí)際，為后面串聯(lián)裝藥模擬提供了一種可行的方法。

表4 EFP侵徹鋼靶數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Simulational and experimental results of EFP penetrating steel targets

2.3 不同隔爆體形狀串聯(lián)EFP成型過程數(shù)值模擬

圖4 不同隔爆體200 μs時(shí)刻后級EFP形態(tài)Fig.4 Shapes of the postpositive EFP charge at 200 μs with different explosion-proof bodies

隔爆效果不僅與材料性能有關(guān)，隔爆體的形狀對后級裝藥成型影的響也十分巨大。文中選取了3種不同結(jié)構(gòu)的隔爆體進(jìn)行分析。圖4為圓柱形隔爆體、錐口向上隔爆體和錐口向下3種條件下串聯(lián)EFP裝藥200 μs時(shí)刻后級EFP成型狀態(tài)。通過對比圖4中的3種后級EFP形態(tài)，發(fā)現(xiàn)隔爆體結(jié)構(gòu)的不同對減少前級爆轟對后級成型的影響差異很大。采用圓柱形隔爆體時(shí)后級EFP基本成型，但頭尾連續(xù)性差，EFP侵徹能力大大降低；采用圓柱底部挖出一個(gè)錐形空腔且錐口向上的隔爆體，隔爆效果差，后級彈丸基本無翻轉(zhuǎn)，后級裝藥侵徹能力基本消失；錐口向下的隔爆體，隔爆效果較理想，可作為串聯(lián)EFP的隔爆結(jié)構(gòu)基本形狀，后級EFP成型較好，但在前級爆轟場影響下，EFP長徑比增大，需要進(jìn)一步優(yōu)化前后級起爆時(shí)間，來提高后級EFP的成型效果。

2.4 不同延時(shí)串聯(lián)EFP侵徹過程數(shù)值模擬分析

串聯(lián)EFP前后級延時(shí)起爆時(shí)間Δt對后級EFP的成型和侵徹性能影響很大[8]。在兩級裝藥間距一定的情況下，合理控制延時(shí)起爆時(shí)間Δt，使后級EFP受前級裝藥爆轟場影響最小，才能最大限度地保持后級EFP裝藥的成型性能。分別對5種不同延時(shí)條件下串聯(lián)EFP侵徹靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見表5。

表5 串聯(lián)EFP裝藥侵徹?cái)?shù)值模擬結(jié)果Table 5 Simulation results of tandem EFP penetration

圖5給出了侵徹深度和侵徹孔徑隨起爆延時(shí)的變化關(guān)系。分析圖5中孔徑和孔深的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，隨著前后級延時(shí)起爆時(shí)間的增加，后級EFP的侵徹深度先增大后快速減小，說明前級爆轟場到達(dá)后級裝藥時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響后級EFP的成型。所以，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)較為合理的延時(shí)為20 μs。圖6為同時(shí)起爆和延時(shí)20 μs的數(shù)值模擬侵徹結(jié)果。

圖5 開孔深度和直徑隨起爆延時(shí)的變化Fig.5 Variation of penetration depth and aperture with delay time

圖6 串聯(lián)裝藥侵徹?cái)?shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Simulational results of tandem EFP penetration

3 串聯(lián)EFP隔爆結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 不同隔爆形體狀串聯(lián)EFP侵徹實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前期研究[1]得到的隔爆體形狀對串聯(lián)EFP裝藥侵徹性能的影響規(guī)律，進(jìn)行6發(fā)串聯(lián)EFP侵徹的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分3組，分別采用圓柱形、錐口向上和錐口向下3種隔爆體，每組進(jìn)行2發(fā)實(shí)驗(yàn)。圖7為3種不同條件下EFP的侵徹性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 不同隔爆體串聯(lián)EFP侵徹結(jié)果Fig.7 Penetration results of tandem EFPs with different explosion-proof bodies

表6給出了串聯(lián)裝藥對靶板的侵徹結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，同時(shí)起爆條件下，錐口向下的隔爆體侵徹深度明顯優(yōu)于其他2種結(jié)構(gòu)。但后級侵徹的開孔孔徑較小，難以滿足后級爆破子彈隨進(jìn)要求，需進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 不同延時(shí)條件下串聯(lián)EFP侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)

圖8為實(shí)驗(yàn)設(shè)置圖。前級裝藥炸高取210 mm，裝藥間距150 mm條件下，采用中心起爆方式，使用8#電雷管同時(shí)起爆兩級裝藥，分別對延時(shí)0、10、20、25和30 μs等5種情況進(jìn)行侵徹靶板分別進(jìn)行2發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果依次記錄為A1～A10。為對比優(yōu)化后的侵徹性能，同時(shí)進(jìn)行2組分2次單獨(dú)侵徹實(shí)驗(yàn)作為參照，結(jié)果記錄為B1和B2。侵徹結(jié)果顯示串聯(lián)EFP開孔形狀前后基本一致。后級EFP受到前級裝藥爆轟場的影響，速度和長徑比都不可避免有所下降，開孔直徑比前級EFP小。

表6 串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of tandem EFPs penetrating steel targets

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.8 Experimental setup

表7給出了不同延時(shí)條件下的侵徹深度和最小侵徹孔徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表7可以看出：隨著延時(shí)的增加，后級EFP受到前級爆轟場影響，形狀變得更加細(xì)長，侵徹的孔徑逐漸變小；而穿孔深度先逐漸增加，隨后逐漸減小。這說明起爆時(shí)間間隔太大，前級爆轟場到達(dá)后級裝藥后，會(huì)嚴(yán)重影響后級EFP的成型，大大降低了后級EFP的速度。將表7與表5進(jìn)行比較，可以看出兩者最大僅相差3.7%，可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

表7 串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶結(jié)果Table 7 Experimental results of tandem EFPs penetrating steel targets

圖9所示靶板，依次為分2次侵徹、延時(shí)0和延時(shí)20 μs侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出：同時(shí)起爆(Δt=0)時(shí)，后級EFP長徑比和速度受影響較大，侵徹孔徑較分2次侵徹時(shí)減小0.4 mm，后級EFP侵徹深度只有分2次侵徹時(shí)第2次侵徹深度的58.9%，侵徹效果大大降低。延時(shí)起爆20 μs時(shí)，侵徹孔徑較分2次侵徹時(shí)減小1 mm，兩級整體侵徹深度為分2次侵徹時(shí)的96.7%，這體現(xiàn)了延時(shí)起爆對后級EFP侵徹性能的重要性。

圖9 不同起爆延時(shí)下串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Tandem EFP charge penetrating steel targets with different delay time

4 結(jié) 論

(1) 在已有的研究成果基礎(chǔ)上,分析了隔爆體形狀和前后級裝藥延時(shí)對串聯(lián)EFP侵徹能力的影響，得到了較合理的串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)。

(2) 通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對串聯(lián)EFP裝藥隔爆結(jié)構(gòu)形狀和延時(shí)匹配進(jìn)行了比較分析，延時(shí)起爆20 μs時(shí)，串聯(lián)侵徹深度為分2次侵徹的96.7%，比同時(shí)起爆侵徹深度提高了約22.8%，大大提高了后級裝藥的利用效率。這可為下一步多級串聯(lián)裝藥研究提供依據(jù)。

[1] 徐浩銘，顧文彬，劉建青，等.串聯(lián)聚能裝藥隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2014,35(2):170-175.Xu Hao-ming, Gu Wen-bin, Liu Jian-qing, et al.Numerical simulation and experimental study on explosion-proof structure design of the tandem shaped charge[J].Acta Armamentarii, 2014,35(2):170-175.

[2] 張先鋒，陳惠武.破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級對后級影響數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006,26(2):66-68.Zhang Xian-feng, Chen Hui-wu.A computational study of blast effect on traveling projectile of tandem warhead[J].Journal of Projectile, Rockets Missiles and Guidance, 2006,26(2):66-68.

[3] 王樹有，陳惠武，趙有守.串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級爆轟場對后級影響分析[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2006,19(2):4-6.Wang Shu-you, Chen Hui-wu, Zhao You-shou.Analysis of following projectile effected by precursory charge of tandem warhead[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2006,19(2):4-6.

[4] 曾必強(qiáng)，姜春蘭，嚴(yán)翰新，等.串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級爆轟場對隨進(jìn)彈隨進(jìn)影響分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2010,31(1):162-166.Zeng Bi-qiang, Jiang Chun-lan, Yan Han-xin, et al.Analysis for effects of precursory detonation field on projectile following course in tandem warhead[J].Acta Armamentarii, 2010,31(1):162-166.

[5] 涂侯杰，惲壽榕，趙衡陽.破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部第一級爆炸對第二級影響的研究[J].兵工學(xué)報(bào)，1994(3):18-22.Tu Hou-jie, Yun Shou-rong, Zhao Heng-yang.Blast effect on the follow-through charge of a tandem warhead[J].Acta Armamentarii, 1994(3):18-22.

[6] 王成，惲壽榕，黃風(fēng)雷.同口徑破-破型串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部的試驗(yàn)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2002,22(2):61-65.Wang Cheng, Yun Shou-rong, Huang Feng-lei.Experiment study on the forward charge blast effect on the follow-through charge of tandem warhead[J].Journal of Projectile, Rockets Missiles and Guidance, 2002,22(2):31-34.

[7] 顧文彬，劉建青，唐勇等.球缺型EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008,32(2):165-168.Gu Wen-bin, Liu Jian-qing, Tang Yong, et al.Optimizing design of EFP warhead with hemispherical liner[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology: Natural Science, 2008,32(2):165-168.

[8] 徐浩銘，顧文彬，劉建青，等.隔爆體形狀對串聯(lián)戰(zhàn)斗部后級影響研究[J].火工品，2013(6):23-26.Xu Hao-ming, Gu Wen-bin, Liu Jian-qing, et al.Study on postpositive charge of tandem warhead effected by explosion-proof nody shape[J].Initiators & Pyrotechnics, 2013(6):23-26.

[9] 吳晗玲，段卓平，汪永慶.桿式射流形成的數(shù)值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2006,26(4):328-332.Wu Han-ling, Duan Zhuo-ping, Wang Yong-qing.Simulation investigation of rod-like jets[J].Explosion and Shock Waves, 2006,26(4):328-332.

[10] 桂毓林，于川，劉倉理，等.帶尾翼的翻轉(zhuǎn)型爆炸成形彈丸的三維數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊，2005,25(4):313-318.Gui Yu-lin, Yu Chuan, Liu Cang-li, et al.3D simulation of over-turned explosively formed projectile (EFP) with star-shaped fins[J].Explosion and Shock Waves, 2005,25(4):313-318.

[11] 白金澤.LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析[M].科學(xué)出版社，2005:74.

[12] 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M].清華大學(xué)出版社，2005:250.