非對(duì)稱起爆云霧爆轟威力場(chǎng)分布特性研究*

韓天一,杜海文,余建斌,袁秋長(zhǎng),郭 莎

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

非對(duì)稱起爆云霧爆轟威力場(chǎng)分布特性研究*

韓天一,杜海文,余建斌,袁秋長(zhǎng),郭 莎

(西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

為獲取起爆方式對(duì)云霧爆轟威力場(chǎng)的影響,采用TNT裝藥對(duì)拋撒云團(tuán)進(jìn)行了非對(duì)稱單點(diǎn)起爆,通過高速攝影儀及壓力傳感器獲取了云霧爆轟過程及不同距離、方向的超壓值,分析了云霧爆轟波傳播特性及超壓隨距離、方向的變化規(guī)律。結(jié)果表明,采用非對(duì)稱偏心起爆時(shí),云霧場(chǎng)內(nèi)超壓分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性,部分區(qū)域存在沖擊波疊加效應(yīng),而隨著距離的增大,超壓分布逐漸趨于均勻,起爆方式對(duì)云霧爆轟威力場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在近場(chǎng)區(qū)域。

云霧爆轟;威力場(chǎng);沖擊波超壓

0 引言

二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部的作用過程分為兩個(gè)階段:第一階段是通過拋撒裝藥爆炸作用形成燃料空氣炸藥云團(tuán);第二階段是通過高能炸藥對(duì)燃料空氣炸藥云團(tuán)進(jìn)行二次起爆,形成云霧爆轟,主要通過云霧爆轟波及沖擊波對(duì)目標(biāo)造成殺傷。由于云霧爆轟屬于典型的體爆轟,且拋撒云團(tuán)覆蓋范圍較大,如對(duì)于10 kg級(jí)云爆彈,拋撒云團(tuán)直徑可達(dá)10～12 m,與凝聚相炸藥的點(diǎn)爆轟不同,云團(tuán)形態(tài)及起爆方式對(duì)威力場(chǎng)有著重要影響。廣大學(xué)者分別開展了戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)、爆炸拋撒方式及云爆劑裝藥等各方面對(duì)云霧爆轟威力場(chǎng)分布特性的影響研究[1-6]。文中主要針對(duì)拋撒云團(tuán)二次起爆方式對(duì)威力場(chǎng)的影響,開展了非對(duì)稱單點(diǎn)起爆方式下,FAE的爆轟過程及云霧爆轟威力場(chǎng)分布特性研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣彈

試驗(yàn)采用13 kg裝藥云爆戰(zhàn)斗部樣彈,樣彈整體為薄壁圓柱結(jié)構(gòu),殼體材料為聚乙烯,中心拋撒裝藥為TNT裝藥,樣彈直徑210 mm,高度為290 mm,樣彈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。云爆劑為自主研發(fā)的液固型高能云爆劑,主要由高活性金屬粉、液體高能燃料等組成,裝藥密度為1.31 g/cm3,裝藥量為13 kg。

圖1 試驗(yàn)樣彈結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)布局

試驗(yàn)選擇地面平坦、視野開闊的場(chǎng)地進(jìn)行,確保在沖擊波測(cè)量范圍內(nèi)無明顯障礙物。試驗(yàn)時(shí),將試驗(yàn)樣彈豎直放置于彈架上,樣彈中心距離地面約1.2 m,以其地面投影為爆心。云霧起爆方式采用非對(duì)稱單點(diǎn)偏心起爆,根據(jù)前期拋撒試驗(yàn)結(jié)果,13 kg裝藥樣彈拋撒云團(tuán)直徑約為11 m,根據(jù)云霧起爆特性研究,當(dāng)采用高能炸藥點(diǎn)起爆方式時(shí),二次起爆裝藥需布設(shè)于3/4云團(tuán)半徑處,因此對(duì)于本次試驗(yàn),二次起爆點(diǎn)布設(shè)于距離爆心4 m處,起爆藥為壓裝TNT裝藥,裝藥密度1.56 g/cm3,裝藥質(zhì)量425 g。樣彈布局如圖2所示。

圖2 樣彈布局示意圖

試驗(yàn)起爆采用遠(yuǎn)距離多通道延遲起爆裝置,首先起爆試驗(yàn)樣彈上端雷管,雷管起爆拋撒裝藥完成云爆劑的拋撒,在經(jīng)過50 ms延遲后,起爆二次起爆裝藥,完成對(duì)拋撒云團(tuán)的起爆。

為獲取云爆劑拋撒及云霧爆轟過程以及威力場(chǎng)分布特性,沿著與試驗(yàn)樣彈中心同一水平面內(nèi)布設(shè)高速攝影儀,并在0°、45°、90°、135°、180°方向上布置5條地表反射壓測(cè)線,每條測(cè)線上距爆心7 m及31 m處布置1個(gè)地表反射壓傳感器,測(cè)試場(chǎng)布局如圖3所示。

圖3 測(cè)試場(chǎng)布局示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 云霧拋撒及爆轟過程

采用同樣的樣彈及測(cè)試布局進(jìn)行了2組試驗(yàn),高速攝影儀清晰地記錄了云爆劑的拋撒及云霧爆轟的傳播過程,圖4所示為1#樣彈試驗(yàn)時(shí)高速攝影儀記錄的云爆劑拋撒及云霧爆轟過程。

圖4 偏心起爆時(shí)云霧拋撒及爆轟傳播過程

由圖4可見,0 ms至50 ms為云爆劑在中心拋撒藥作用下拋撒形成FAE的過程,在50 ms時(shí)拋撒云團(tuán)直徑約為11 m;在50.2 ms時(shí)二次起爆藥起爆,拋撒云團(tuán)在二次起爆裝藥爆炸作用下開始形成云霧爆轟,云霧爆轟首先發(fā)生在二次起爆點(diǎn)附近,逐漸擴(kuò)展至整個(gè)云團(tuán),約59.6 ms時(shí)云霧爆轟完成。

對(duì)于直徑為11 m的拋撒云團(tuán),半周長(zhǎng)約17.3 m,估算可得云霧爆轟的平均爆速約為1 840 m/s。由于高速攝影無法準(zhǔn)確捕捉云霧爆轟波傳爆過程,僅通過爆轟火球及爆轟產(chǎn)物膨脹判斷爆轟波傳播距離,而實(shí)際云霧爆轟波傳播速度大于爆轟火球及爆轟產(chǎn)物膨脹速度,因此上述計(jì)算的云霧爆轟爆速較之實(shí)際值偏小。

為與中心起爆方式云霧爆轟過程進(jìn)行對(duì)比,圖5列舉了中心起爆方式時(shí)云霧爆轟傳播過程的高速照片。

圖5 中心起爆時(shí)云霧爆轟過程

對(duì)比圖4、圖5可見,采用偏心起爆時(shí),云霧爆轟從右至左的傳播過程較為明顯。由于云霧爆轟速度較低,在云霧爆轟波傳播過程中,由于受起爆端稀疏波的影響,云霧爆轟強(qiáng)度將有所降低。

2.2 云霧爆轟威力場(chǎng)分布

云霧爆轟主要通過沖擊波超壓等對(duì)目標(biāo)造成毀傷,圖6所示為距離爆心7 m及31 m處試驗(yàn)樣彈的典型超壓曲線。

圖6 不同半徑處的沖擊波超壓——時(shí)間曲線(樣彈1)

由圖6可見,超壓曲線呈現(xiàn)明顯的多峰結(jié)構(gòu),其中第一個(gè)波峰為拋撒裝藥爆炸形成的沖擊波超壓,該超壓峰值較小,基本對(duì)目標(biāo)不構(gòu)成毀傷;第二個(gè)波峰為云霧爆轟形成的沖擊波超壓峰值,為云霧爆轟的主要?dú)麉?shù)。

云霧爆轟為典型的多相爆轟[7],爆轟波由前導(dǎo)沖擊波及后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)構(gòu)成,具有明顯的弛豫結(jié)構(gòu),弛豫區(qū)寬度與前導(dǎo)沖擊波強(qiáng)度及反應(yīng)區(qū)內(nèi)兩相介質(zhì)濃度及粒度相關(guān),由于云霧爆轟區(qū)域較大,并且受殼體破裂及云爆劑裝藥不均勻性影響,拋撒云團(tuán)內(nèi)部濃度分布呈現(xiàn)一定的差異,由此導(dǎo)致云霧區(qū)內(nèi)外威力場(chǎng)的不均勻。表1、表2所示為7 m及31 m處不同角度的超壓值。

表1 7 m處不同角度測(cè)線的超壓值

表2 31 m處不同角度測(cè)線的超壓值

由表1可見,在距離爆心相同距離處的沖擊波超壓分布呈現(xiàn)較大的波動(dòng),對(duì)于1#樣彈在7 m處5點(diǎn)超壓數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.129,而31 m處超壓數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.004。標(biāo)準(zhǔn)差反映一組數(shù)據(jù)集的離散程度,由此可見,隨著距離的增大,超壓分布的不均性逐漸降低。

圖5、圖6所示為距爆心7 m及31 m沖擊波超壓隨測(cè)點(diǎn)方向角度的變化曲線。

圖7 7 m處不同角度處超壓分布

圖8 31 m處不同角度處超壓分布

由圖7、圖8可見,兩發(fā)樣彈在7 m及31 m處超壓分布特性基本相同,均呈現(xiàn)90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的特性,并且以90°方向?yàn)橹行妮S,超壓分布呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性。

其中1#樣彈7 m半徑處測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)4的超壓相差較大,對(duì)比測(cè)點(diǎn)4的P-T曲線(圖6(a))可見,壓力上升及下降過程均無異常,分析原因可能是由于殼體破裂不均勻,導(dǎo)致云團(tuán)尺寸及濃度分布不均勻(甚至可能出現(xiàn)尖角,如圖9所示),使得測(cè)點(diǎn)4的超壓偏大,這種由于云團(tuán)不規(guī)則導(dǎo)致的超壓變化將隨著距離的增大快速衰減,并且由于云團(tuán)形態(tài)的不規(guī)則分布影響,使得該區(qū)域濃度波動(dòng)較大,整體爆轟能力降低,因此在31 m處測(cè)點(diǎn)9的超壓反而低于測(cè)點(diǎn)7。

圖9 拋撒云團(tuán)形態(tài)

表3列舉了采用中心起爆方式時(shí)不同距離處0°方向和90°方向超壓值。

表3 中心起爆時(shí)的超壓值

對(duì)比表1、表2及表3可見,當(dāng)采用中心起爆方式時(shí),0°方向與90°方向沖擊波超壓值基本相同,因此可以認(rèn)為起爆方式的不同是導(dǎo)致云霧爆轟威力場(chǎng)分布不均勻的主要原因。

這是由于云爆劑在中心拋撒藥爆炸作用下,拋撒形成環(huán)形云霧的濃度分布不均勻,云霧中間出現(xiàn)濃度稀薄區(qū)(或稱“空洞”),由于該區(qū)域云霧濃度較低,難以形成穩(wěn)定的云霧爆轟,在位于環(huán)形云霧區(qū)內(nèi)二次起爆藥爆炸作用下,云霧爆轟將沿環(huán)形云霧兩端同時(shí)開始爆轟及傳播,云霧爆轟波傳播示意圖如圖10所示。

圖10 云霧爆轟傳播過程

忽略云團(tuán)濃度分布的局部不均勻性對(duì)云霧爆轟的影響,認(rèn)為環(huán)形云霧區(qū)內(nèi)云霧爆轟傳播速度相同,采用單點(diǎn)起爆時(shí),沿兩端傳播的云霧爆轟波將在A點(diǎn)處相撞,由于受沖擊波疊加效應(yīng)影響,導(dǎo)致90°方向上沖擊波超壓明顯大于其他方向,同時(shí)由于這種疊加效應(yīng)帶來沖擊波超壓的增益隨著距疊加點(diǎn)距離的增大而減小,由此導(dǎo)致非對(duì)稱單點(diǎn)起爆時(shí),云霧爆轟威力場(chǎng)呈現(xiàn)90°方向偏大而0°方向及180°方向偏小的分布特性。

3 結(jié)論

1)采用非對(duì)稱偏心單點(diǎn)起爆時(shí),由于受中心稀疏區(qū)的影響,云霧爆轟將以二次起爆裝藥為起點(diǎn),分別為沿環(huán)形兩側(cè)傳播,并由此導(dǎo)致在起爆點(diǎn)對(duì)稱方向形成云霧爆轟波的疊加,使得云霧場(chǎng)內(nèi)超壓分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性。

2)采用非對(duì)稱偏心單點(diǎn)起爆時(shí),以過起爆點(diǎn)的直徑為對(duì)稱軸,超壓分布呈現(xiàn)較好的對(duì)稱性。

3)超壓分布不均勻性隨距離的增大逐漸趨于減小,即起爆方式對(duì)威力場(chǎng)分布的影響主要體現(xiàn)在近場(chǎng)區(qū)域。

[1] 張?zhí)? 惠君明, 解立峰, 等. FAE爆炸場(chǎng)超壓與威力的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 爆炸與沖擊, 2004, 24(2): 176-181.

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Study on Blast Field of FAE by Unsymmetrical Detonation

HAN Tianyi,DU Haiwen,YU Jianbin,YUAN Qiuchang,GUO Sha

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In order to obtain the influence of initiation mode on power field of cloud detonation, the TNT charge was applied to throwing clouds for asymmetric single point initiation. Through cloud detonation process and overpressure values of different distances and directions got by high speed camera and pressure sensor, the propagation characteristics of cloud detonation wave and the variation law of overpressure with distance and direction were analyzed. The results show that with asymmetric single point initiation, clouds inside overpressure distribution show obvious uneven, part of the region takes on superimposed effect of shock wave, and with increase of the distance, overpressure distribution tends to be uniform, detonating manner on cloud detonation power field effect is mainly reflected in the near field.

cloud detonation; blast field; overpressure of blast wave

2015-09-01

韓天一(1984-),男,甘肅天水人,工程師,碩士,研究方向:爆炸力學(xué)與云爆戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。

O381

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