某型深彈引信傳爆序列設計與仿真*

張世林,黎殿來,黃德雨

(1　中船重工第710研究所,湖北宜昌　443000； 2　95874部隊，南京　210000)

某型深彈引信傳爆序列設計與仿真*

張世林1,黎殿來1,黃德雨2

(1中船重工第710研究所,湖北宜昌443000； 295874部隊，南京210000)

摘要:為了提高引信傳爆序列的可靠性,設計兩種傳爆序列結構。應用非線性有限元軟件AUTODYN對兩種方案傳爆序列的可靠性進行了數值模擬分析,數值模擬結果表明:方案Ⅱ提高了爆轟的可靠性,縮短爆轟轉向時間,對裝藥間隙值要求相對較低。同時通過高溫、低溫和常溫環境試驗對比分析兩種傳爆序列結構的傳爆可靠性,試驗結果表明:同等樣本條件下,方案Ⅰ的傳爆率為87%,而方案Ⅱ可靠率為100%,方案Ⅱ相比方案Ⅰ傳爆率提高了13%。該研究為產品工程化設計提供了指導和參考。

關鍵詞:引信;傳爆序列;試驗研究;數值模擬

0引言

引信作為彈藥戰斗部的重要組成部分,它是激發彈藥產生毀傷作用的執行機構,主要功能是把微小的初始能力有控制性的逐級放大到適當的爆轟能量以可靠的起爆戰斗部主裝藥,實現彈藥的高效毀傷作用。而傳爆序列作為爆轟能量傳遞的關鍵部件,其傳爆可靠性直接決定了整個火工系統的功能發揮[1-2]。因此傳爆序列的設計直接影響著引信的性能和機構設計甚至戰斗部能否正常引爆。

引信由于可利用的空間位置有限,決定了在傳爆序列設計時存在諸多的限制因素。所以空間結構限制常常約束了傳爆序列的最優設計。文中為實現爆轟波的90°轉向,以便快速安全可靠的完成傳爆序列的工作,依據典型傳爆序列的基本結構特點[3-4],針對某型產品設計了兩種傳爆序列方案Ⅰ和Ⅱ,如圖1所示。其中方案Ⅰ是典型的垂直式傳爆序列結構,方案Ⅱ為改進型傳爆結構——搭接式。依據兩種方案下的傳爆設計進行數值模擬計算和不同溫度下傳爆試驗的對比分析,確保了產品的可靠工作,實現戰斗部的高效毀傷。

1傳爆序列方案設計

針對引信傳爆序列的結構特點設計的兩種傳爆結構,傳爆藥柱主要由藥柱A和藥柱B兩部分組成,炸藥采用JH-14C,壓藥密度為1.65 g/cm3+0.02 g/cm3。爆轟波在傳輸過程中實現一次90°轉向,逐級放大爆轟強度,實現對戰斗部的可靠起爆。

2炸藥沖擊引爆爆轟機理

爆炸物受到強烈沖擊作用而立即發生高速化學反應,形成高溫高壓的爆炸產物并釋放大量的化學反應熱能的過程即為爆炸。對于非均質炸藥則在炸藥某些局部點形成高溫區,即在炸藥中產生熱點效應[5-6],最終引起爆轟。文中引入非均質炸藥沖擊起爆臨界判斷理論,采用臨界起爆能量和G.C.M.Foan積分能量作為爆轟判斷依據[7-8]:如圖2所示,炸藥A爆轟后,其波陣面壓力為P,當爆轟波傳播至藥柱B端面時,壓力角為α,則藥柱B端面受到的沖擊壓力為P1。若炸藥B受到的沖擊壓力值達到它的臨界能量值,才可實現爆轟。

圖2　爆轟波傳爆示意圖

P1=PCJcosα

式中:Ec為臨界起爆能量;P1為作用在藥柱表面法線方向的沖擊壓力;t為入射沖擊波的脈沖持續時間;ρ為傳爆藥柱的密度;μs為炸藥爆轟后的沖擊波速度。

3數值模擬

采用動力學仿真軟件AUTODYN,依據產品尺寸建立相應的二維有限元模型,并進行數值模擬分析[5]。為簡化模型,計算模型只包括JH炸藥和引信部分基座。采用拉格朗日算法模擬沖擊引爆,為保證藥柱B的計算精確性,將其網格盡可能加密處理。炸藥選擇聚黑猛炸藥,藥柱A采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程,藥柱B采用點火增長方程Lee-Tarver,引信基座選用T4硬鋁,采用Shock沖擊方程[9]。

3.1　方案Ⅰ數值模擬結果

計算模型如圖3所示,為了觀測藥柱B端面壓力變化情況和是否正常沖擊引爆,在其端面設置5個高斯點。計算過程中,起爆方式采用線起爆,藥柱B距藥柱A間距0 mm、1 mm、3 mm和5 mm。圖4和圖5所示為藥柱B距藥柱A間距0 mm時,不同時刻下的爆轟波傳播波形和觀測點的壓力變化曲線。

圖3　傳爆有限元模型

通過4種間距的沖擊引爆的爆轟波形分析,藥柱間距為0 mm、1 mm、3 mm時均可起爆,但起爆時間和形成爆轟時的熱點位置有所不同,藥柱B爆轟后完成90°轉向的時間和位置也不相同,隨著距離的增加,熱點形成的距離和時間也隨之增大,如表1所示。

圖4　不同時刻爆轟波傳播波形

由于藥柱A端面起爆后,爆轟波近似平面爆轟波沿著藥柱軸向運動,同時也向徑向方向以稀疏波的形式高速膨脹,隨著藥柱B間距的增大,徑向稀疏波衰減也越快,則作用在藥柱B端面的壓力也越低,能量衰減也越快;隨著軸向爆轟波傳播至藥柱底端面,爆轟產物在貼近基座表面積聚堆積,爆轟產物大部分質點速度突然變為零,部分向藥柱B端面處膨脹運動,基座表面壓力和密度快速增大,當壓力和密度增加到一定程度時便向相反方向運動,形成反射沖擊波。爆轟波一部分以應力波的形式穿透基座,形成透射波,另一部分則為反射沖擊波。反射波和后續運動至底端面的稀疏波疊加,在藥柱底面形成一超壓區域,藥柱B受到的沖量快速增大,溫度也快速升高,達到臨界起爆能量時便形成局部熱點,從而實現爆轟。

圖5　高斯觀測點壓力曲線圖

距離/mm是否殉爆熱點到藥柱B端面距離/mm時間μs爆轟波轉向狀態t=2.5μs0是11.51是21.62是32.53是835否———

3.2　方案Ⅱ數值模擬分析

計算過程中,起爆方式采用線起爆,藥柱B距藥柱A間距0 mm、1 mm。圖6和圖7所示為藥柱B距藥柱A間距0 mm時,不同時刻下的爆轟波傳播波形。

通過圖示看出:藥柱B在受到爆轟沖擊后,和藥柱A接觸的端面壓力值瞬間到達17 GPa左右,受到的沖擊能量達到沖擊引爆的能量臨界值,從而在端面處快速形成一熱點,發生爆轟。從開始爆轟到實現爆轟波的90°穩定轉向時間也很短暫,間距為0 mm時大約1.7 μs實現90°轉向,間距為1 mm時大約2.1 μs實現90°轉向。這是由于沿著藥柱A軸向運動的爆轟波壓力與藥柱B面法線間的夾角比較小,藥柱B主要受到軸向爆轟波的沖擊,作用在端面處的沖量和能量很大,能夠快速實現爆轟。

圖6　不同時刻爆轟波傳播波形

圖7　高斯觀測點壓力曲線圖

距離/mm是否殉爆時間/μs爆轟波轉向狀態t=1.7μs0是0.71是0.8

4試驗結果分析

根據兩種方案的傳爆序列設計,分別進行高溫+65℃、低溫-28℃和常溫三種狀態下的試驗驗證,考核其傳爆可靠性。每種溫度下進行5枚驗證試驗。試驗統計結果表明:方案Ⅰ低溫和高溫下各有1枚樣機未正常引爆,而采用方案Ⅱ時15枚樣機全部完全引爆,見證板嚴重變形,變形長度約480 mm,與擴爆藥柱長度相當,證明12節擴爆藥柱均可靠起爆。試驗表明:采用斜面設計的傳爆藥柱能夠可靠完成爆轟波90°轉向,確保傳爆序列傳爆可靠。試驗過程如圖8所示。

圖8　傳爆試驗過程

5結論

1)方案Ⅰ利用徑向稀疏波和反射波疊加后形成的超壓在藥柱底端面形成熱點來沖擊引爆藥柱,隨著藥柱間距的增大,熱點形成的時間和離端面的距離也隨之增大,爆轟波實現90°轉向時間也加大,當間距超過極限值后藥柱不能正常爆轟。在實際產品中,若裝藥密度未滿足技術要求或者底蓋處漏氣發生泄爆導致降低了爆轟能量,則不能正常引爆藥柱,為工程化生產提供了借鑒和指導。

2)方案Ⅱ改變了爆轟波的波形,波陣面壓力與藥柱面法線間的夾角變小,提高了作用在藥柱上的沖擊能量,提高了爆轟的可靠性,同時縮短了藥柱爆轟的時間。

3)方案Ⅱ提高了爆轟的可靠性,縮短爆轟轉向時間,對裝藥間隙值要求相對較低,傳爆率提高了13%。

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收稿日期:2014-05-19

作者簡介:張世林(1986-),男,湖北襄陽人,助理工程師,碩士,研究方向:彈藥工程。

中圖分類號:TJ430.3

文獻標志碼:A

Design and Simulation on Explosive Trains in Fuze of a
Certain Type of Depth Charge Bombs

ZHANG Shilin1,LI Dianlai1,HUANG Deyu2

(1CSIC-710, Hubei Yichang 443000, China; 2No.95874 Unit，Nanjing 210000，China)

Abstract:In order to improve reliability of fuze explosive trains, two fuze explosive trains with different structures were designed. A nonlinear finite element analysis software AUTODYN was applied to perform the numerical simulation of reliability of these two explosive trains, illustrating that the second design can improve reliability of the detonation transmission, shrink the time of detonation wave steering and loosen the requirement of the charge gap. The reliability experiments of these two explosive train designs were performed under low temperature, room temperature and high temperature conditions. Compared with the explosive rate 87% of the first design, the second design has a 13% higher detonation transmission reliability of 100%. The research provides guidance and reference for the product engineering design.

Keywords:fuze; explosive trains; experiments; numerical simulation