戰(zhàn)斗部殼體破片平均質(zhì)量與平均穿孔面積的關(guān)系

李一鳴，李文彬，韓 偉，張 慶，王曉鳴

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094； 2.北京特種機(jī)電研究所，北京 100081)

引 言

戰(zhàn)斗部殼體破片平均質(zhì)量是衡量炸藥爆轟性能的主要指標(biāo)，獲得戰(zhàn)斗部殼體在膨脹破碎過(guò)程中產(chǎn)生自然破片的平均質(zhì)量是進(jìn)行戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是用于評(píng)價(jià)不敏感彈藥的定量方法之一。

針對(duì)破片質(zhì)量分布規(guī)律模型，早在1943年Mott[1-2]提出了數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型來(lái)預(yù)測(cè)爆炸條件下金屬殼體材料斷裂內(nèi)部卸載波的傳播過(guò)程，并建立了殼體爆炸破碎形成破片質(zhì)量分布規(guī)律模型。但Mott公式是統(tǒng)計(jì)意義的半經(jīng)驗(yàn)性公式，未考慮殼體和炸藥材料性能、破片形貌特征與分布情況之間關(guān)系。對(duì)采用新型殼體材料和裝藥戰(zhàn)斗部破片質(zhì)量分布預(yù)測(cè)上存在較大誤差。隨后許多學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量的改進(jìn)和提升[3-7]，但這些研究均屬于均勻情況下的隨機(jī)破碎模型，如中心點(diǎn)起爆條件下球形殼體的爆炸過(guò)程，與實(shí)際軍事應(yīng)用中的常規(guī)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及起爆方式不符。朱建軍等[8]采用戰(zhàn)斗部的微圓柱方法分析了一端起爆條件下殼體軸向不同位置破碎情況，建立了殼體軸向不同位置處形成破片平均質(zhì)量的簡(jiǎn)化模型。并基于分形理論，利用碼尺法原理[9-10]驗(yàn)證了破片穿孔輪廓與實(shí)際破片輪廓的相似性，證明了破片穿孔線分形維數(shù)與實(shí)際破片照片輪廓線分形維數(shù)是一致的，說(shuō)明實(shí)際工程應(yīng)用中可以利用破片穿孔形狀來(lái)表征實(shí)際破片質(zhì)量結(jié)果，并依據(jù)多發(fā)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)獲得破片平均質(zhì)量與侵徹孔洞圖像二維輪廓平均面積之間的關(guān)系[11-12]。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部在空氣中的靜爆試驗(yàn)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，獲得侵徹孔洞圖像輪廓信息；通過(guò)設(shè)計(jì)水井回收試驗(yàn)，獲得戰(zhàn)斗部形成自然破片的平均質(zhì)量。利用侵徹孔洞圖像輪廓信息和自然破片的平均質(zhì)量，標(biāo)定3種炸藥：RBOE-1、JOXL-1和JH-2的殼體破片平均質(zhì)量比例系數(shù)k，其中，JH-2是我國(guó)研制用于戰(zhàn)斗部裝藥的猛炸藥；RBOE-1和JOXL-1是最新研制出的不敏感炸藥，以期為彈藥毀傷效能評(píng)估研究提供一種新的技術(shù)途徑。

1 試 驗(yàn)

表1為3種炸藥的配方及性能參數(shù)。通過(guò)戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)可獲得鋁板上孔洞的平均面積。通過(guò)水井回收試驗(yàn)[13]可獲得破片的平均質(zhì)量。

表1 3種炸藥配方及性能參數(shù)Table 1 Composition and performance parameters of three explosives

1.1 殼體破片平均穿孔面積確定

戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)布局如圖1所示，由蓋板、炸藥、殼體、背板、固定裝置及鋁板組成。殼體采用壁厚7mm的45號(hào)鋼，密度為7.83g/cm3。裝藥分別為JH-2、JOXL-1、RBOE-1，尺寸均為Φ98mm×55mm，如圖2(a)所示。蓋板和背板材料均為Q235鋼，尺寸分別為200mm×200mm×6mm、200mm×200mm×16mm。距爆心1.5m處布置尺寸為1500mm×1500mm×2mm的2A12鋁板，代表全戰(zhàn)斗部對(duì)鋁板的穿孔情況。

圖1 試驗(yàn)布局圖Fig.1 Test layout

圖2 炸藥與殼體Fig.2 Explosives and shell

試驗(yàn)選用3種裝藥：RBOE-1、JOXL-1、JH-2。每種裝藥均進(jìn)行兩發(fā)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)方案Table 2 The test of warhead static explosion

1.2 殼體破片平均質(zhì)量確定

水井回收試驗(yàn)彈體與空氣中戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)所用彈體一樣：壁厚7mm的45號(hào)鋼殼體，尺寸為Φ98mm×55mm的炸藥裝藥，如圖3所示。一端裝有尺寸為Φ20mm×20mm的鈍化RDX藥柱，作為擴(kuò)爆藥柱。采用8號(hào)火雷管進(jìn)行起爆。

圖3 水井回收試驗(yàn)所用彈體Fig.3 Warhead used in water well recovery test

水井深10m、直徑為8m。將戰(zhàn)斗部放在空氣室的中間，空氣室的尺寸為Φ600mm×700mm。為了避免戰(zhàn)斗部爆炸前水井中的水進(jìn)入空氣室，在空氣室外加塑料防水套。將空氣室置于水井中間，如圖4所示。使用網(wǎng)眼大小為0.1mm×0.1mm 多層尼龍網(wǎng)回收破片。試驗(yàn)后回收的破片除去空氣室殘骸。為避免破片被氧化，使用工業(yè)酒精浸泡，然后進(jìn)行干燥處理。使用精度為0.01g天平稱量破片，進(jìn)行破片的統(tǒng)計(jì)分類。

圖4 水井回收試驗(yàn)布局圖Fig.4 Schematic diagram of water well recovery test

試驗(yàn)選用3種裝藥：RBOE-1、JOXL-1和JH-2。每種裝藥均進(jìn)行兩發(fā)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 水井回收試驗(yàn)方案Table 3 Scheme of recovery experiment for static explosion in well

2 結(jié)果與討論

2.1 戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)結(jié)果與分析

3種裝藥戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表4所示。

圖5 戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)后蓋板(左)、背板(中)和鋁板(右)的損傷程度Fig.5 Damage degree of cover plate (left), back plate (middle) and aluminum plate (right) after warhead static explosion test

表4 戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of warhead static explosion test

圖5中“鋁板”的穿孔圖像采用ImageJ圖像處理軟件對(duì)鋁板上孔洞進(jìn)行二值化處理得到，圖像流程如圖6所示。

圖6 ImageJ圖像處理流程Fig.6 ImageJ image processing flow

根據(jù)圖5中3種炸藥的蓋板、背板回收情況可知，當(dāng)炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)時(shí)，蓋板破碎，背板因裝藥爆轟作用或有與炸藥直徑相當(dāng)?shù)?、明顯的壓痕，或被沖出與炸藥直徑相當(dāng)?shù)膱A形飛片。JH-2和JOXL-1裝藥反應(yīng)后形成的飛片較完整，RBOE-1裝藥反應(yīng)后形成的飛片是破碎的。

2.2 水井回收試驗(yàn)結(jié)果與分析

水井試驗(yàn)后回收的破片情況如圖7所示。

圖7 破片回收情況Fig.7 Fragments recovery

表5 水井回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 5 The statistical data of water well recovery test

表6 不同方案不同質(zhì)量區(qū)間的破片質(zhì)量占回收到破片總質(zhì)量的百分比δTable 6 Percentage of the total mass of recovered fragments in different quality ranges with respect to different cases

根據(jù)表6數(shù)據(jù)可知，JH-2裝藥爆轟后，占破片總質(zhì)量90%以上的破片質(zhì)量集中在0.1～8.0g；JOXL-1和RBOE-1裝藥爆轟后，占破片總質(zhì)量80%以上的破片質(zhì)量集中在0.1～8.0g。綜合每種炸藥的兩次試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)裝藥為JH-2時(shí)，占破片總質(zhì)量50%～60%左右的破片質(zhì)量集中在2.0～8.0g，占破片總質(zhì)量70%以上的破片質(zhì)量集中在1.0～8.0g；當(dāng)裝藥為JOXL-1時(shí)，占破片總質(zhì)量50%左右的破片質(zhì)量集中在2.0～8.0g，占破片總質(zhì)量的60%以上的破片質(zhì)量集中在1.0～8.0g，占破片總質(zhì)量的70%以上的破片質(zhì)量集中在0.5～8.0g；當(dāng)裝藥為RBOE-1時(shí)，占破片總質(zhì)量50%左右的破片質(zhì)量集中在2.0～8.0g，占破片總質(zhì)量的60%以上的破片質(zhì)量集中在1.0～8.0g，占破片總質(zhì)量的70%以上的破片質(zhì)量集中在0.5～8.0g。

根據(jù)水井試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算3種炸藥完全爆轟后生成有效破片的平均質(zhì)量如表7所示(取兩發(fā)的平均值)。

表7 3種炸藥完全爆轟后生成有效破片的平均質(zhì)量Table 7 Average effective fragment mass produced by three types of explosives after complete detonation

2.3 k值確定

將試驗(yàn)所得的3種裝藥戰(zhàn)斗部完全爆轟時(shí)鋁板穿孔的平均面積與表7中的數(shù)據(jù)代入公式(1)[12]可計(jì)算出k值，結(jié)果見(jiàn)表8。其中，k0.1為殼體破片質(zhì)量大于0.1g的破片計(jì)入有效破片時(shí)的標(biāo)定結(jié)果；k1為殼體破片質(zhì)量大于1g的破片計(jì)入有效破片時(shí)的標(biāo)定結(jié)果。

表8 3種裝藥的k值Table 8 k value of three kinds of charges

(1)

綜上所述，3種裝藥戰(zhàn)斗部的殼體破片平均質(zhì)量可分別由下式計(jì)算：

當(dāng)裝藥為JH-2時(shí)，有：

(2)

(3)

當(dāng)裝藥為JOXL-1時(shí)，有：

(4)

(5)

當(dāng)裝藥為RBOE-1時(shí)，有：

(6)

(7)

研究表明，殼體破片平均質(zhì)量比例系數(shù)k為無(wú)量綱值。對(duì)于自然破片式戰(zhàn)斗部，在內(nèi)部裝藥爆炸膨脹的情況下，戰(zhàn)斗部殼體的基本斷裂模式一般為拉-剪混合型斷裂。柱殼內(nèi)壁由于巨大的剪應(yīng)力而率先萌生剪切帶，并向柱殼外壁擴(kuò)展，然后在拉應(yīng)力作用下，裂紋在外表面生成，并沿著已經(jīng)形成的剪切帶向內(nèi)表面擴(kuò)展。由此可見(jiàn)，殼體裂紋的擴(kuò)展與炸藥性能影響戰(zhàn)斗部殼體的破碎情況，同時(shí)影響k值的變化。

3 結(jié) 論

(2)通過(guò)戰(zhàn)斗部形成自然破片的穿靶試驗(yàn)獲得殼體破片平均質(zhì)量的方法，較大程度地減少了以往試驗(yàn)的復(fù)雜性，在實(shí)際工程應(yīng)用中較為便利，為常規(guī)戰(zhàn)斗部乃至不敏感戰(zhàn)斗部的毀傷效能評(píng)估研究提供一種新的技術(shù)途徑。