慣性起爆彈丸內裝藥摩擦起爆特性

章猛華,張 成,阮文俊,王 健

(1.蘇州工業職業技術學院 機電工程系,江蘇 蘇州 215100;2.南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094;3.上海宇航系統工程研究所,上海 201109)

隨著重型裝甲、新型復合材料、輕型高強度防護材料的廣泛運用,現代戰場逐步走向多功能化。現代高科技戰爭對多功能彈藥的性能提出了更高的要求。為滿足未來戰場的任務需求,迫切需要對傳統多功能彈藥進行性能改進并增強毀傷能力。因此,深入分析及研究多功能彈藥的作用機理,可以很大程度地減小研制周期及成本。

受內部空間的限制,穿爆類小型彈藥如果采用傳統引信技術,會對引信技術提出很大挑戰,同時也會大大增加生產成本。所以此類彈丸的起爆一般采用無引信結構,彈丸的起爆依靠的是慣性體的慣性作用力。慣性體既是點火元件又可以作為殺傷元件,因此,彈丸在擊穿目標之后的適時釋能是此類彈藥有效毀傷的關鍵。傳統穿甲爆炸燃燒子彈由于作用效果不佳,較難實現靶后釋能[1]。美國ATK公司在21世紀初對穿爆類彈藥進行技術改進,使彈藥能更高效地完成預期毀傷效果[2]。為了對現有彈藥進行優化,合理控制靶后釋能,需要對彈丸內裝藥的點火起爆特性進行定量分析。彈丸在穿透靶板的過程中,慣性體在慣性力的作用下向前運動,刺入及擠壓彈內裝藥,兩者之間的摩擦作用是裝藥起爆的關鍵因素[3]。

慣性體對裝藥的作用壓力和滑動速度是影響炸藥摩擦溫升的主要因素。由于彈丸的高速撞靶過程只能持續數十微秒,慣性體對內部裝藥的作用過程難于進行測量,無法對內部裝藥的起爆過程進行詳細描述[4]。因此,數值模擬方法成為解決此類問題經濟且高效的首要研究手段[5-7]。本文對彈丸撞擊起爆過程進行試驗研究,并基于炸藥的熱爆炸理論,建立裝藥摩擦起爆模型,結合非線性軟件LS-DYNA,分析慣性體對裝藥接觸面間強摩擦生成熱點的溫度上升特性。通過試驗與數值計算的相互印證,驗證模型的有效性。

1 試驗研究

出于機理分析考慮,對彈丸結構進行適當簡化,簡化后結構如圖1所示。彈頭采用截錐形設計,錐度為40°,截錐直徑為2.75 mm。彈頭、殼體和底蓋均為高強度鋼。彈帶用以保證發射過程內彈道數據的穩定,材料為紫銅。內部裝藥為鈍化RDX,顆粒直徑小于等于0.38 mm,裝藥密度均為1.65 g/cm3。慣性體采用雙錐結構設計,頭錐為90°,二錐為20°,直徑為7 mm,長度為36 mm,慣性體材料為高強度鋼。導向套用以保證慣性體的平穩運動,材料為2024鋁。

圖1 彈丸平面結構

彈丸由14.5 mm的彈道槍發射,高速攝像機(Fastcam Mini UX50)由彈丸穿過第一個錫紙靶后觸發并開始采集,由于穿靶時間及炸藥爆炸時間較短,所以在能夠滿足觀測的情況下,盡量提高高速錄像的拍攝頻率,本次試驗的拍攝頻率為40 000 s-1,確保能夠獲取較為精確的起爆時間數據。試驗中的目標鋼靶材料為Q235,由于需要根據調整靶板厚度來確定彈丸的撞擊起爆條件,所以準備的靶板厚度為4～8 mm。

圖2 彈丸及其構件實物

圖3 場地布置

通過升降法(改變彈丸的著靶速度v0及靶板厚度δ)來確定彈丸的撞擊起爆閾值條件,根據高速攝像記錄的數據及目標靶板的毀傷情況來確定彈丸起爆與否。試驗篩選出5發有效數據,如表1所示,表中,m表示彈丸質量。

表1 撞擊起爆試驗數據

對起爆的試驗進行高速錄像分析,第4發試驗未獲得高速錄像數據,第3發及第5發高速錄像數據如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,第3發彈丸的起爆時間為125～150 μs,第5發彈丸在著靶后75～100 μs起爆,2發彈丸起爆后都伴有強烈的火光,且持續幾毫秒。由于第5發的鋼靶的厚度更大,所以彈丸的起爆時間較早,從撞靶500 μs時爆炸火球中心與靶面的距離也能看出,后者的火光位置距離靶板更遠。

圖4 第3發試驗撞擊起爆過程

圖5 第5發試驗撞擊起爆過程

2 摩擦起爆計算

2.1 溫升模型

在穿甲過程中,彈丸的尖形慣性體在慣性力的作用下與裝藥產生相對滑移,界面間相互摩擦產生熱量,熱量同時向炸藥及慣性體內部傳導,炸藥及慣性體溫度隨之升高。彈丸穿甲的過程一般為微秒量級,因而摩擦加熱的時間也是微秒量級。因此,熱傳導引起的裝藥溫度升高區域很薄,可以近似看作為薄板型熱點。

在一定時間內,熱能夠傳輸的距離被稱為熱擴散距離L,其特征尺寸為[8-9]

(1)

式中:α為熱擴散率,α=λ/(ρcp),λ為導熱率,ρ為密度,cp為比定壓熱容;t為摩擦加熱特征時間。

由于摩擦加熱特征時間為微秒量級,因此炸藥熱層的加熱尺寸為微米量級,此特征尺寸遠小于裝藥半徑,可以把問題簡化成一維平面傳熱。炸藥采用一維熱反應擴散方程,厚度方向為x方向,則

(2)

式中:下標1表示炸藥,T1為炸藥薄層溫度,Q1為傳入炸藥的摩擦熱。

慣性體熱傳導方程為

(3)

式中:下標2表示慣性體。

炸藥與慣性體摩擦產生的熱量為摩擦力做的總功,Q=μpΔv,其中p是慣性體與炸藥中的壓力,μ是動摩擦系數,Δv是慣性體與炸藥之間的相對速度。如果不考慮其他能量損失,認為摩擦產生熱全部傳入了慣性體和炸藥,則Q=Q1+Q2。

(4)

求解這個方程組的關鍵在于求解炸藥和彈芯邊界的Q。因此,要得到炸藥薄層內的溫度分布,首先要確定彈芯與裝藥之間的相對滑動速度和彈芯對裝藥的最大壓力,而這個作用過程較為復雜,因此,采用非線性動力學分析軟件LS-DYNA對彈丸侵徹靶板過程進行數值分析,獲取彈芯與裝藥之間的相對滑動速度和表面壓力曲線。

2.2 穿靶過程數值模型

對模型進行簡化,并建立1/4模型,簡化后的模型如圖6所示。考慮到炸藥材料的特殊性,采用SPH方法模擬的結果更為準確[11],因此,對炸藥進行SPH建模,對其他部分進行有限元網格劃分,圖7為彈丸數值模型。

圖6 簡化后的彈丸結構

圖7 彈丸數值模型

分別對400 m/s,600 m/s,800 m/s速度時彈丸撞擊4 mm靶板的情況進行模擬。裝藥所受壓力云圖如圖8所示,從圖中可以看出,壓力最大的區域出現在與慣性體頭錐接觸的部位,所以這個區域是裝藥的點火起爆區域。3種情況下裝藥表面的壓力如圖9所示,由圖可知,撞擊速度越大,應力波的傳播速度越快,慣性體對裝藥的慣性作用時刻越靠前,壓力曲線上升時間越早。但是,撞擊速度越大,裝藥表面壓力持續時間越短,最大壓力越小。這是由于隨著撞擊速度增加,彈丸穿透靶板所用時間越短,所以慣性體對裝藥的作用時間越短,壓力成長時間越短,最大壓力也越小。因此,在其他條件都相同的情況下,撞擊速度越大,慣性作用時間越短,裝藥所受總沖量越小,裝藥越不容易起爆。

圖8 炸藥所受壓力云圖

圖9 不同速度時炸藥表面壓力曲線

因此,相對于第1發573 m/s的撞擊速度,第2發402 m/s的撞擊速度更接近臨界起爆條件。根據實驗結果,彈丸穿透靶板未起爆的最大撞擊條件為,以402 m/s速度撞擊4 mm靶板(以下簡稱工況1);裝藥被起爆的最小撞擊條件為,以565 m/s的速度撞擊4.75 mm厚的靶板(以下簡稱工況2)。所以,可以確定彈丸的點火閾值在這2種工況之間。對2種工況下的穿靶過程進行模擬,得到2種工況下的表面最大壓力曲線,如圖10所示。從圖中可以看出,彈丸在侵徹靶板時,由于工況2時彈丸的速度較高,應力波的傳播速度較快,慣性作用時間也相對較靠前,所以壓力上升時刻較早。由于靶板變厚了,所以2種工況下裝藥所受慣性力的結束時間相差不大。但是工況2的最大壓力高于工況1,所以炸藥所受沖量也越大,印證了試驗中工況2爆而工況1未爆的結果。同樣,也可以得到2種工況下慣性體與裝藥之間的相對速度,如圖11所示。

圖10 2種工況炸藥表面的壓力曲線

圖11 2種工況炸藥與慣性體相對速度曲線

2.3 溫升計算結果及分析

根據前文建立的摩擦起爆模型,對裝藥的摩擦起爆過程進行計算,計算過程中炸藥及慣性體的材料參數見表2[12-13]。計算過程中先假定一個動摩擦系數μ,對工況2的摩擦溫升進行求解。如果不發生起爆,則增大摩擦系數重新計算;如果發生爆炸,則減小摩擦系數,直到找到發生爆炸的最小μ值。最終得到的炸藥與慣性體的動摩擦系數為0.04。

表2 炸藥及慣性體材料參數

圖12為2種工況下炸藥溫度變化曲線。從圖中可以看出,工況1炸藥未起爆,最高溫度為560 K,出現在92 μs。此后,由于炸藥與慣性體的相對速度降為0,炸藥反應放熱量小于熱傳導的耗散量,失去摩擦熱的作用,炸藥溫度將持續下降,最終降為0,炸藥未起爆。工況2中炸藥溫度在105 μs產生拐點,說明此時炸藥的反應熱已經超過熱傳導所散失的熱量,達到了起爆的臨界條件,在120 μs左右溫度開始急劇上升,炸藥發生起爆。

圖12 2種工況炸藥溫度變化曲線

從工況2模擬的穿靶情況可以知道,在撞靶120 μs時,裝藥段已經穿過靶板,如圖13所示。所以此時爆炸發生在靶后,試驗得到的起爆時間在125～150 μs。由于本文只針對炸藥的起爆階段進行分析,并沒有考慮裝藥在點火起爆后的增長過程,炸藥的實際起爆時間應該略晚于計算得到的炸藥起爆時間。同時高速讀取存在一定的誤差,造成計算結果與試驗結果存在一定誤差。但是總體而言,起爆時間的數值模擬結果與試驗觀測值符合較好。

圖13 彈丸撞靶120 μs時的狀態

為進一步驗證計算結果,對第5發試驗(工況3)起爆時間進行計算分析,通過計算,得到裝藥的溫升曲線,如圖14所示。從圖中可以看出,在67 μs時裝藥溫度開始急劇上升,此時熱點開始向外擴散,裝藥被點火,70 μs后實現起爆。試驗得到的起爆時間為75～100 μs,模擬結果與之吻合較好。

圖14 工況3炸藥溫升曲線

3 結論

①在彈丸能夠有效穿透靶板的情況下,彈丸著靶速度越低,彈丸穿透靶板的時間越長,慣性體對裝藥的作用時間也越長,裝藥所受總沖量越大,越容易起爆。

②彈丸的最低起爆條件是以576 m/s的速度撞擊4.75 mm的鋼靶,最高不起爆條件是以410 m/s的速度撞擊4 mm鋼靶。通過摩擦起爆計算,得到鈍化RDX與慣性體之間的動摩擦系數為0.04。

③采用計算擬合得到的摩擦系數對工況3的起爆時間進行計算,得到裝藥的起爆時間為70 μs,與試驗得到的起爆時間75～100 μs吻合較好。