二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性研究

趙彩慧，李建平，賈曉亮，張 瑩

(1 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 遼寧錦華機(jī)電有限公司,遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

云爆彈作為大面積殺傷武器，其作用過程可分為兩個(gè)階段：一次引信引爆中心藥，將云爆劑從戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)拋射出，與空氣混合、霧化形成可爆云團(tuán)；二次引信起爆二次起爆裝置，再有二次起爆裝置起爆形成的可爆云團(tuán)，產(chǎn)生云霧爆轟，對(duì)目標(biāo)造成沖擊毀傷。為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)“遠(yuǎn)程打擊，高效毀傷”的發(fā)展需求，投放云爆彈的方式正由低落速轉(zhuǎn)為高落速。

針對(duì)高落速的云霧爆轟研究主要集中在燃料分散階段，以數(shù)值模擬為主，試驗(yàn)數(shù)據(jù)大多來源于靜爆和初始低落速條件。2004年，席志德等建立了高速運(yùn)動(dòng)液體燃料的爆炸拋射模型，分別模擬了初始速度為100 m/s 、200 m/s時(shí)FAE爆炸拋射的云霧狀態(tài)。2005年，白春華等分別利用熱氣球和飛機(jī)將燃料裝填裝置在空中釋放，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)加載條件，較早的開展了具有一定初始速度的云霧爆轟試驗(yàn)。2018年，王世英等利用火箭橇發(fā)射方式開展了云爆彈動(dòng)態(tài)飛行下云爆劑拋射試驗(yàn)。2019年，劉麗娟等建立了高落速全比例大體積云霧形成和爆轟數(shù)值仿真方法，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格方法，開展了高落速燃料分散和云霧爆轟特性研究。為提高云霧爆轟成功率和可靠性，有學(xué)者針對(duì)二次起爆裝置的投放方式及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究。2017年，王曄等進(jìn)行了動(dòng)態(tài)條件下的爆轟試驗(yàn)，試驗(yàn)中，將二次起爆裝置設(shè)置在減速傘傘頂中心處，通過高速攝影裝置獲得了起爆裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡。2020年，葉從亮等將二次起爆裝置設(shè)置在云爆彈彈頭頂部，受減速傘控制，建立了二次起爆裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的非線性力學(xué)計(jì)算模型。到目前為止，雖有對(duì)二次起爆裝置的固定方式和運(yùn)動(dòng)軌跡做了相應(yīng)研究，但針對(duì)高落速云爆彈而言，存在一定的局限性。

二次起爆裝置的落點(diǎn)和引爆時(shí)機(jī)關(guān)乎云霧爆轟產(chǎn)生的超壓以及毀傷效果。一般而言，云爆戰(zhàn)斗部的威力與二次起爆時(shí)間呈拋物線關(guān)系，起爆云霧過早，由于云霧還未來得及散開或與空氣混合不夠充分，可能只發(fā)生云霧爆燃，不能發(fā)揮燃料空氣炸藥的最大威力；起爆云霧過遲，由于云霧在重力和風(fēng)的作用下發(fā)生漂移，云團(tuán)逐漸變得稀薄，影響爆轟效果。云霧濃度與云霧半徑呈拋物線關(guān)系，距離云爆彈最近的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生空洞，之后隨著云霧半徑增大，云霧濃度先升高后降低。為使得云霧爆轟效果最好，存在最佳爆轟濃度范圍。在最佳爆轟濃度范圍內(nèi)，云爆劑與空氣混合程度最好，在此點(diǎn)引爆云霧，能產(chǎn)生最大沖擊波壓力，將殺傷面積最大化。例如環(huán)氧丙烷燃料的爆轟濃度為2.5%～38.5%，最佳爆轟濃度約為8%～12%。因此，為保證云霧爆轟可靠性和成功率，必須使二次起爆裝置在合適的時(shí)間落在合適的位置。

而影響落點(diǎn)的重要因素之一是二次起爆裝置的初速。文中設(shè)計(jì)了一種二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)，利用其略簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二次起爆裝置的拋射試驗(yàn)，對(duì)影響拋射速度的重要因素進(jìn)行了分析，以期為精準(zhǔn)引爆云霧提供理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

1 二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 二次起爆裝置及拋射機(jī)構(gòu)的布設(shè)

二次云爆戰(zhàn)斗部包括一次引信、中心管裝藥、云爆劑、殼體以及二次起爆裝置(內(nèi)含二次引信)。將二次起爆裝置放置在戰(zhàn)斗部尾端的二次起爆裝置拋射艙內(nèi)，與其余部件用隔板隔開，采用獨(dú)立動(dòng)力驅(qū)動(dòng)將二次起爆裝置拋出，具體布設(shè)位置如圖1所示。

圖1 二次云爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 二次起爆裝置及拋射機(jī)構(gòu)

二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)由拋射艙殼體、拋射藥、高壓氣室、氣道、發(fā)射筒、二次起爆裝置組成，具體結(jié)構(gòu)及其分布如圖2所示。

圖2 二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

二次起爆裝置由二次引信、起爆藥、固定翼、折疊翼及殼體組成，具體結(jié)構(gòu)及其分布如圖3所示。二次起爆裝置的固定翼與二次起爆裝置殼體通過翼片焊接在一起，固定翼同時(shí)作為窗蓋與拋射艙殼體通過螺釘連接，折疊翼與固定翼通過銷軸、鋼簧連接，折疊翼的大小由二次起爆裝置拋射后減速要求來設(shè)計(jì)。

圖3 二次起爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為保證爆轟可靠性，冗余設(shè)計(jì)兩套二次起爆裝置。其工作原理為：電點(diǎn)火頭工作，拋射藥被點(diǎn)燃，產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，充滿高壓氣室，進(jìn)而通過氣道推動(dòng)二次起爆裝置，使得固定翼與殼體連接處的螺釘斷裂，二次起爆裝置得以以一定拋射速度被拋出?？赏ㄟ^改變折疊翼面積大小調(diào)整二次起爆裝置在空氣中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，更好的為起爆云霧服務(wù)。

2 二次起爆裝置靜態(tài)拋射試驗(yàn)

2.1 二次起爆裝置靜態(tài)拋射試驗(yàn)裝置及布置

為方便試驗(yàn)和數(shù)據(jù)測(cè)量，將設(shè)計(jì)的二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化，二次起爆裝置采用等直徑等質(zhì)量的彈丸進(jìn)行試驗(yàn)。簡(jiǎn)化的二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)主要由高壓氣室、氣道、發(fā)射筒及底板組成,拋射機(jī)構(gòu)及二次起爆裝置實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 拋射機(jī)構(gòu)及二次起爆裝置實(shí)物圖

拋射機(jī)構(gòu)和二次起爆裝置均選用鋼材。其中高壓室直徑為22 cm，高17.5 cm，壁厚0.5 cm；氣道長(zhǎng)17 cm，寬3 cm，高17 cm，壁厚0.5 cm；發(fā)射筒直徑為14 cm，壁厚0.5 cm。在高壓氣室頂端中心處開帶螺紋的孔，方便放置拋撒藥。制作帶小孔的螺母，方便點(diǎn)火頭腳線通過。文中選擇黑火藥作為拋射藥，2 Ω電阻絲作為點(diǎn)火頭，如圖5所示。將高壓氣室、氣道、發(fā)射筒及底板焊接為一體，利用膨脹螺釘將拋射機(jī)構(gòu)固定在混凝土墩上。制作如圖6所示的黑火藥藥包，將點(diǎn)火頭的電阻絲插入藥包內(nèi)，放置在高壓氣室中心處。將點(diǎn)火頭的腳線通過點(diǎn)火電纜與起爆器相連。起爆器工作，點(diǎn)火頭點(diǎn)燃黑火藥，產(chǎn)生大量高溫高壓氣體充滿高壓氣室，高壓氣室和氣道內(nèi)的壓力逐漸上升，當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)，二次起爆裝置開始沿發(fā)射筒軸向運(yùn)動(dòng)，隨著氣體壓力的進(jìn)一步上升，二次起爆裝置以一定的初速?gòu)陌l(fā)射筒中拋射出去。

起爆器工作的同時(shí)，觸發(fā)高速攝像機(jī)裝置，記錄二次起爆裝置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)距離。拋射試驗(yàn)布置示意圖和現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)情況分別如圖7、圖8所示。

圖7 拋射試驗(yàn)布置示意圖

為模擬二次起爆裝置撞開拋射艙殼體拋射而出的過程，本實(shí)驗(yàn)在發(fā)射筒前端增加了擋板，連接方式為螺釘連接。如圖9所示。制作10 mm厚的套圈，并在其上打合適數(shù)量的直徑為3 mm的孔，通過螺紋與發(fā)射筒連接，制作3 mm厚擋板，在與套圈孔相對(duì)應(yīng)的位置打孔，方便通過螺釘連接。

2.2 二次起爆裝置靜態(tài)拋射試驗(yàn)方案

影響二次起爆裝置拋射速度的影響因素有拋射藥黑火藥質(zhì)量、二次起爆裝置質(zhì)量、高壓氣室體積、發(fā)射筒長(zhǎng)度、固定擋板的螺釘數(shù)等因素，根據(jù)各因素的重要程度和實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的可操作性，試驗(yàn)保持二次起爆裝置質(zhì)量5 kg不變，選取了兩個(gè)變量，分別為黑火藥質(zhì)量及固定擋板的螺釘數(shù)。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 二次起爆裝置拋射試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 拋射藥質(zhì)量對(duì)二次起爆裝置拋射速度的影響

保持二次起爆裝置質(zhì)量5 kg不變，不設(shè)擋板，改變拋射藥(黑火藥)質(zhì)量，研究黑火藥質(zhì)量對(duì)拋射速度的影響。制作質(zhì)量為2.5 g、5 g、7.5 g、10 g、12.5 g、15 g、20 g的黑火藥藥包，利用高速攝像機(jī)拍攝二次起爆裝置的拋射軌跡，進(jìn)而得到其拋射速度。設(shè)置高速攝像機(jī)的拍攝速度為1 000 幀/s，則每1 ms便記錄一次二次起爆裝置的位置與姿態(tài)。

以10 g黑火藥為例，分析高速攝像機(jī)拍攝的照片，獲得二次起爆裝置剛出發(fā)射筒一定時(shí)間內(nèi)的速度變化。記錄二次起爆裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。從圖10可以看出，在二次起爆裝置右端還未出發(fā)射筒時(shí)，已有煙氣通過發(fā)射筒和二次起爆裝置間的空隙溢出，隨后二次起爆裝置才沿著發(fā)射筒運(yùn)動(dòng)出筒口，溢出的煙氣亦增多。當(dāng)二次起爆裝置的左端到達(dá)發(fā)射筒筒口時(shí)(18 ms),大量煙氣被釋放，并在發(fā)射筒筒口形成較為明亮的火光。隨著時(shí)間的推移，二次起爆裝置在初始速度和重力作用下做平拋運(yùn)動(dòng)。

圖10 10 g黑火藥條件下二次起爆裝置運(yùn)動(dòng)過程

由記錄圖片中已知實(shí)際距離及對(duì)應(yīng)的像素值得到比例關(guān)系為16.63 mm/pt。處理結(jié)果時(shí)依次記錄每張圖片上二次起爆裝置左端、右端所在的位置，則可獲得二次起爆裝置的中心點(diǎn)(質(zhì)心)的位置，進(jìn)而可獲得其每毫秒運(yùn)動(dòng)的水平距離。為減小人工讀取誤差，將某時(shí)刻前2 ms與后3 ms間的距離差與時(shí)間差的比值作為該時(shí)刻二次起爆裝置的水平速度。據(jù)此可得二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖,如圖11所示。

圖11 10 g黑火藥下二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

從圖11可以看出，在二次起爆裝置右端到達(dá)發(fā)射筒筒口后，隨著時(shí)間的推進(jìn)，二次起爆裝置的水平運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大，后逐漸趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)槎纹鸨b置在發(fā)射筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到黑火藥燃燒產(chǎn)生的氣體的推力、二次起爆裝置與發(fā)射筒間的摩擦阻力以及二次起爆裝置右端的空氣阻力。隨著黑火藥燃燒程度加劇，高壓室內(nèi)壓力升高，二次起爆裝置速度逐漸增大，但隨著二次起爆裝置逐漸從發(fā)射筒內(nèi)被推出，二次起爆裝置所受推力逐漸減小，所受摩擦力逐漸減小，合力也逐漸減小，加速度逐漸減小，速度緩慢增加到一定值后保持穩(wěn)定。

將不同黑火藥質(zhì)量下二次起爆裝置運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化曲線圖繪制在同一坐標(biāo)軸下，如圖12所示。藥量較小時(shí)，加速度較小，曲線較平緩，隨著藥量增大，加速度逐漸增大，曲線逐漸陡峭。總體而言，2.5～20 g藥量范圍內(nèi)，二次起爆裝置右端剛出發(fā)射筒到其速度達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間均為15 ms左右。且隨著藥量增加，煙氣出現(xiàn)到二次起爆裝置右端到達(dá)發(fā)射筒筒口的時(shí)間有一定程度的縮短。

圖12 不同黑火藥質(zhì)量下二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

保持二次起爆裝置質(zhì)量5 kg，螺釘數(shù)0顆不變時(shí)，不同黑火藥質(zhì)量下的拋射速度如表2所示，繪得如圖13所示的曲線關(guān)系圖。

表2 不同黑火藥質(zhì)量下的拋射速度

圖13 二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨黑火藥藥量變化趨勢(shì)圖

由表2及圖13可知，保持其他影響因素不變的情況下，隨著黑火藥質(zhì)量的增加，拋射速度逐漸增大。對(duì)速度-黑火藥質(zhì)量曲線進(jìn)行擬合，如圖13所示紅色曲線，可得：

=10487×037

(1)

式中：為拋射速度；為黑火藥質(zhì)量,二者呈冪指數(shù)關(guān)系。

3.2 螺釘數(shù)對(duì)拋射速度的影響

設(shè)定黑火藥質(zhì)量為15 g,通過增加螺釘數(shù)模擬二次起爆裝置撞開拋射艙殼體的難易程度，并分析其對(duì)拋射速度的影響。

圖14為8個(gè)螺釘固定下的二次起爆裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖。間隔截取45 ms內(nèi)的圖片作為素材進(jìn)行分析，如圖14所示。從圖中可看出，煙氣緩慢溢出時(shí)間較長(zhǎng)，約15 ms左右，螺釘斷裂，擋板隨二次起爆裝置一起被拋出。

圖14 8顆螺釘固定下二次起爆裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

圖15為8個(gè)螺釘固定下的二次起爆裝置的水平運(yùn)動(dòng)速度變化趨勢(shì)圖，不同于無擋板條件下的二次起爆裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有擋板條件下的二次起爆裝置速度會(huì)出現(xiàn)驟降，再上升的現(xiàn)象。當(dāng)二次起爆裝置以一定速度撞上擋板后，螺釘被拉斷，擋板與發(fā)射筒套圈分離，并隨二次起爆裝置一起運(yùn)動(dòng)。在此過程中，二次起爆裝置動(dòng)能損失，速度下降。當(dāng)擋板被撞離之后，整個(gè)拋射機(jī)構(gòu)內(nèi)的壓力被釋放，二次起爆裝置受到的推力增大，速度迅速上升，之后達(dá)到穩(wěn)定值。結(jié)合圖14和圖15可知當(dāng)大量煙氣被釋放，發(fā)射筒筒口出現(xiàn)明亮火光，二次起爆裝置的拋射速度迅速增大，當(dāng)火光和煙氣逐漸消散，二次起爆裝置的運(yùn)動(dòng)速度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖15 8顆螺釘固定下二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

將不同螺釘數(shù)固定條件下的二次起爆裝置速度隨時(shí)間變化曲線圖繪制在同一坐標(biāo)軸下，得到如圖16所示的曲線圖。從圖中可看出，總體而言，有擋板狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)于無擋板狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)速度較低。當(dāng)螺釘數(shù)逐漸增加，二次起爆裝置撞上擋板后的運(yùn)動(dòng)速度隨之降低。但4顆螺釘固定下，速度下降較小，之后每相差4顆螺釘，速度下降約1.5 m/s左右。

圖16 不同螺釘數(shù)下二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

表3為黑火藥質(zhì)量為15 g,二次起爆裝置質(zhì)量為5 kg,不同螺釘數(shù)下二次起爆裝置的最大拋射速度，并由此繪得如圖17所示的趨勢(shì)圖。由表3和圖17可以看出，隨著螺釘數(shù)目的增加，二次起爆裝置所損失動(dòng)能增加，拋射速度降低。

表3 不同螺釘數(shù)下二次起爆裝置的拋射速度

圖17 二次起爆裝置水平運(yùn)動(dòng)速度隨螺釘數(shù)變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了二次起爆裝置及其拋射機(jī)構(gòu)，并通過二次起爆裝置靜態(tài)拋射試驗(yàn)對(duì)其拋射速度影響因素進(jìn)行研究，所得結(jié)論如下：

1)二次起爆裝置拋射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理可行，強(qiáng)度滿足拋射要求，可實(shí)現(xiàn)拋射二次起爆裝置的功能，且其對(duì)現(xiàn)有云爆彈拋射艙的空間利用率較高，所設(shè)計(jì)冗余二次起爆裝置可提高云霧爆轟可靠性及成功率。

2)隨著黑火藥質(zhì)量的增加，二次起爆裝置的拋射速度增加，對(duì)黑火藥質(zhì)量-拋射速度曲線進(jìn)行擬合可得二者呈冪指數(shù)關(guān)系。黑火藥藥量增大到一定程度對(duì)二次起爆裝置的拋射速度的增大效果逐漸降低。隨著固定擋板的螺釘數(shù)目的增多，二次起爆裝置的拋射速度有所降低。

3)針對(duì)該拋射機(jī)構(gòu)，黑火藥質(zhì)量小于15 g，固定螺釘數(shù)不小于12顆時(shí)，二次起爆裝置的拋射速度可控制在25 m/s范圍內(nèi)。