約束空間內殼裝炸藥殉爆及防護*

張所碩，聶建新，張 劍，孫曉樂，郭學永，張 韜

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學機電學院，北京 100081；3.92228 部隊，北京 100072；4.重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶 402760）

隨著現代軍事裝備的發展，為提高己方作戰平臺的生存能力，各國越來越重視彈藥安全性問題。其中，殉爆（sympathetic detonation，SD）安全性是彈藥重要的性能指標之一，北約組織對彈藥的殉爆試驗條件和殉爆安全性評價方法建立了標準，要求彈藥的殉爆反應等級不得高于爆炸[1-3]。而彈藥在其壽命周期內，大多數時間均處于包裝箱內，且處于密集堆垛狀態，包裝箱成為彈藥的約束條件，若發生殉爆現象，將導致彈藥受到的沖擊載荷增強，使得被發彈藥被殉爆概率增大[4]，從而對己方人員和設施造成嚴重打擊，造成災難性后果。因此研究彈藥在包裝箱內的殉爆過程和防殉爆方法，對于彈藥的運輸、儲存和使用具有重要意義。

國內外學者對炸藥殉爆現象進行了較多試驗和數值模擬研究。在試驗研究方面，Kubota 等[5]通過RDX 基炸藥的隔板殉爆試驗，研究了不同有機玻璃隔板厚度下被發裝藥的殉爆情況，獲得了炸藥的臨界隔板厚度。陳朗等[6]開展了裸裝固黑鋁炸藥的殉爆試驗和數值模擬研究，獲得了固黑鋁炸藥的臨界殉爆距離范圍，并分析了被發炸藥內部壓力的成長過程。王晨等[7]開展了殼裝固黑鋁炸藥殉爆試驗，通過殘留炸藥、見證板和被發裝藥殼體破壞情況，判斷裝藥的殉爆反應等級，從而確定炸藥的臨界殉爆距離；并通過數值模擬分析了殼體厚度對裝藥殉爆距離的影響。由于傳統殉爆試驗存在采集數據量少、無法獲取殉爆過程中的數據，通常僅能給出殉爆距離和反應等級數據的問題，吉倩等[8]設計了一種適用于殉爆試驗的多通道并行采集存儲測試系統，可有效采集殉爆過程中被發裝藥的沖擊波壓力和振動加速度數據。胡宏偉等[9]開展了殼裝炸藥水下殉爆試驗，獲得了裝藥在水下環境的殉爆距離和殉爆安全距離數據，并基于氣泡能分析了被發裝藥的反應率。

在彈藥殉爆數值模擬方面，Howe 等[10]采用二維數值模擬方法對殼裝炸藥殉爆試驗進行了研究，分析了殉爆距離、殼體尺寸和隔板對被發炸藥殉爆結果的影響。Chen 等[11]利用數值模擬中的單元分離法和節點隨機失效技術，模擬了殉爆試驗中主發裝藥殼體破裂生成自然破片的過程，研究了不同殉爆距離下自然破片對被發裝藥的隨機起爆現象。Kim 等[12]開展了155 mm 炮彈的全尺寸殉爆試驗，并在殉爆試驗的數值模擬中，采用了Mott 概率分布模型模擬金屬殼體破裂形成自然破片的過程，破片尺寸分布的計算結果與試驗結果符合較好。張立建等[13]采用數值模擬方法研究了尺寸效應和裝藥距離對殼裝B 炸藥殉爆過程的影響，研究發現： ? 60 mm 和 ? 120 mm 兩種裝藥尺寸產生的破片長寬比基本一致；多枚小破片撞擊被發彈后，壓力疊加導致被發彈發生殉爆；單枚大破片撞擊被發彈后，較強的壓力波匯聚效應導致被發彈被起爆；增加彈間距可以降低破片撞擊被發彈的概率。田斌等[14]通過理論分析和數值模擬研究了主發裝藥和被發裝藥之間隔板的材料、結構對防護效果的影響，其結果表明，鋼板-泡沫鋁-鋼板復合結構隔板可有效避免被發裝藥發生殉爆。

綜上所述，針對彈藥的殉爆特性、殉爆影響因素和殉爆數值模擬方法的研究已取得了較多成果。但是，現有彈藥殉爆研究多集中在無約束條件下的殉爆試驗和數值模擬，與彈藥的服役條件和部隊的實際需求有較大差距。因此，本文中擬進行包裝箱約束條件下的彈藥殉爆試驗和防護方法研究，通過試驗研究殼裝聚黑鋁炸藥（JHL-2）在包裝箱內的殉爆現象，綜合考慮被發裝藥殘留炸藥和殼體破碎情況，判斷被發裝藥的殉爆反應情況；應用非線性有限元軟件LS-DYNA，建立殼裝炸藥箱內殉爆計算模型，對殼裝聚黑鋁炸藥箱內殉爆過程開展數值模擬研究，并進行包裝箱防殉爆設計，最后開展試驗驗證。研究成果可為彈藥防殉爆包裝箱設計提供參考。

1 殉爆試驗

1.1 試驗樣品

試驗件為戰斗部模擬件，其結構設計參考某彈藥戰斗部，如圖1 所示。裝藥頭部為模擬引信結構，與殼體通過螺紋連接,殼體和模擬引信材料均為40Cr。試驗采用的炸藥為JHL-2（RDX/Al/粘結劑=65.5/30/4.5），密度為1.85 g/cm3，裝藥尺寸為 ? 52 mm×204 mm。殼裝炸藥實物如圖2 所示。

圖1 裝藥殼體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the charge structure

試驗所用彈藥包裝箱內部尺寸為865 mm×380 mm×130 mm，側面厚度為10 mm，箱蓋厚度為26 mm，箱底厚度為30 mm，內部可放置3 發彈藥。包裝箱主體材料為玻璃鋼，內部無防護設計，僅在兩端有定位和固定彈藥用的木質托架。

1.2 試驗布置

殉爆試驗示意圖如圖3 所示，彈藥包裝箱上下碼放，上層包裝箱內為主發裝藥1 和被發裝藥2、3，下層包裝箱內為被發裝藥4、5 和模擬沙彈，其中主發裝藥采用8#電雷管起爆。現場布置如圖4 所示。

圖3 殉爆試驗布置示意圖Fig.3 Setup of SD test

1.3 殉爆試驗結果及討論

殉爆試驗后，包裝箱和殼裝炸藥的破壞情況如圖5 所示。上下包裝箱被完全炸毀，僅回收到少量箱體殘骸，如圖5(a)所示。被發裝藥2、3、4 僅回收到少量破片，如圖5(b)所示；被發裝藥5 飛出落在距離殉爆位置約20 m 處，模擬引信與殼體于螺紋連接處斷裂，內部裝藥未發生反應，整體結構完整，如圖5(c)所示。根據試驗后回收到的樣品判斷，被發裝藥2、3、4 發生了爆轟反應，而被發裝藥5 未發生反應。

各裝藥之間的距離如圖6 所示，被發裝藥2、3、4、5 與主發裝藥1 的距離分別為38、152、130 和159 mm。被發裝藥3 和5 與主發裝藥1的距離僅相差7 mm，但被發裝藥3 的反應等級為爆轟，而被發裝藥5 未發生反應，兩者反應等級相差較大，表明發生殉爆時，處于同一包裝箱內的裝藥更易發生殉爆，需在包裝箱內進行防殉爆改進設計，且包裝箱對被發裝藥5 具有一定防護作用。對比被發裝藥4 和5，二者均處于下層包裝箱內，與主發裝藥的距離相差29 mm，反應等級分別為爆轟和未反應，表明裝藥之間的距離對殉爆結果影響較大。為了防止彈藥處于堆垛狀態時發生箱間彈藥殉爆，進行箱間彈藥防殉爆研究尤為重要。

圖6 各裝藥間距離示意圖Fig.6 Diagram of the distance between explosive charges

2 殉爆數值模擬和包裝箱防殉爆設計

2.1 殉爆試驗的數值模擬

采用非線性有限元計算方法對殼裝JHL-2 炸藥箱內殉爆試驗進行數值模擬，以驗證模型的正確性，分析殉爆過程。

2.1.1 數值模型及裝藥參數

為簡化計算，根據試驗布置建立二維流固耦合計算模型，有限元模型如圖7 所示。在主發裝藥中心設置起爆點，模擬雷管起爆。為縮短計算時間，計算過程中箱體和殼體碎片運動到空氣域外后，將被刪除。數值模型中未考慮模擬沙彈。

圖7 殉爆試驗數值計算模型Fig.7 Numerical simulation model of SD test

采用歐拉法模擬炸藥裝藥和空氣，采用拉格朗日法描述殼體和箱體的變形破壞，采用流固耦合法描述炸藥與殼體、箱體之間的相互作用。在計算模型底部設置剛性墻邊界條件，模擬殉爆試驗中地面的約束作用。

殉爆試驗的數值計算中，主發炸藥采用爆轟產物的JWL 狀態方程描述：

式中：p為爆轟產物的壓力，V為爆轟產物的相對比容，A、B、R1、R2和ω 為JWL 狀態方程的待定參數，E為初始比內能。JHL-2 炸藥的JWL 方程參數如表1 所示，其中：ρ0為炸藥初始密度，D為炸藥爆速，pCJ為炸藥爆壓。

表1 JHL-2 炸藥的JWL 狀態方程參數[15]Table 1 Parameters of JWL equation of state for JHL-2[15]

采用點火增長模型描述被發炸藥的沖擊起爆過程，點火增長模型反應速率方程為[16]：

式中：F為反應度，t為時間，ρ 為密度，I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為常數。JHL-2 炸藥的反應速率方程參數如表2 所示，該參數由PBXN-109（RDX/Al/粘結劑=64/20/16）的參數[17]以及試驗結果進行調整得到。

表2 JHL-2 炸藥反應速率方程參數Table 2 Reaction rate equation parameters of JHL-2

2.1.2 數值模擬結果及討論

圖8 所示為上層箱體內裝藥的殉爆過程。主發裝藥起爆后，裝藥殼體不斷膨脹，并破裂形成破片，50 μs 時，主發裝藥殼體撞擊到被發裝藥2，上層箱體出現失效；65 μs 時被發裝藥2 開始反應，其殼體不斷膨脹；110 μs 時，被發裝藥2 的殼體撞擊被發裝藥3，導致其發生殉爆。最終，上層箱體內被發裝藥2、3 均發生殉爆。

圖8 無防護措施時上層包裝箱內殉爆過程Fig.8 SD process in the upper packaging box without protective design

圖9 所示為下層箱體內裝藥的殉爆過程。下層包裝箱在上層包裝箱和裝藥殼體破片的撞擊下發生破裂，并撞擊到被發裝藥4 和5；被發裝藥4 在裝藥1 和2 爆轟產物的推動作用下，向下運動并撞擊下層包裝箱的底部。由于地面的約束作用，下層包裝箱的底部發生破裂，被發裝藥4 和5 均發生了一定的變形；900 μs 時，被發裝藥4 內部炸藥壓力升高，發生反應，裝藥殼體發生膨脹變形；1 005 μs 時，裝藥4 的殼體破裂形成破片，并撞擊到被發裝藥5；隨后，被發裝藥5 在爆轟產物的推動下開始向外飛散。

圖9 無防護措施時下層包裝箱內殉爆過程Fig.9 SD process in the lower packaging box without protective design

根據被發裝藥受沖擊方向，提取裝藥內部不同位置單元的壓力曲線和各被發裝藥殼體單元的速度時程曲線，從而綜合判斷被發裝藥的反應等級。裝藥壓力提取點分布如圖10 中1～20 號點所示，殼體單元速度提取點位置分布如圖10 中A～L點所示，壓力曲線如圖11 所示，速度曲線如圖12 所示。

圖10 監測點位置分布Fig.10 Location distribution of gauge points

圖11 無防護措施時被發裝藥內部壓力曲線Fig.11 Pressure curves of acceptor charges without protective design

圖12 無防護措施時裝藥殼體單元速度曲線Fig.12 Velocity curves of acceptor charges’ shell elements without protective design

受到沖擊作用后，被發裝藥2、3 和4 內部壓力發生突躍變化，并不斷升高超過20 GPa，壓力峰值達到25.9 GPa。而被發裝藥5 內部壓力較低，壓力峰值為291 MPa，并沿裝藥內部不斷降低。被發裝藥2、3 和4 殼體單元的速度峰值均超過1 000 m/s，在撞擊相鄰裝藥后，殼體單元速度下降，而被發裝藥5 的殼體單元速度峰值為140 m/s，且達到峰值后不斷降低。

繪制被發裝藥內部監測點1～20 的壓力峰值隨位置變化的曲線，如圖13 所示。圖中橫坐標為各監測點與炸藥最先受到沖擊位置的距離。

圖13 無防護措施時被發裝藥內部壓力隨空間位置變化曲線Fig.13 Curves of pressure inside the acceptor charges at spatial positions

由圖13 可知，被發裝藥2、3 和4 內部的反應壓力沿裝藥直徑方向不斷升高，其中上層包裝箱內被發裝藥3 的壓力高于被發裝藥2 的壓力，這是由于在同一包裝箱內，被發裝藥2 僅受到主發裝藥1 的爆炸沖擊作用，而被發裝藥3 受到了主發裝藥1 和被發裝藥2 的毀傷疊加作用；而由于包裝箱的阻隔防護作用，下層包裝箱內的被發裝藥4 的壓力低于被發裝藥2 和3 的壓力。下層包裝箱內被發裝藥5 內部的壓力峰值低于300 MPa，且呈緩慢降低趨勢。

綜合裝藥內部壓力和殼體單元速度時程曲線判斷，在無防護措施條件下，被發裝藥2、3 和4 發生了爆轟反應，而被發裝藥5 未發生反應，數值模擬結果與試驗結果一致。

根據對殉爆過程的數值模擬結果可知，同一包裝箱內，主發裝藥1 被起爆后，殼體膨脹變形撞擊到被發裝藥2，導致被發裝藥2 發生爆轟反應；隨后，被發裝藥2 的殼體撞擊到被發裝藥3，導致被發裝藥3 發生爆轟反應。被發裝藥4 在裝藥1、2 殼體破片撞擊作用下并未立即發生反應，而是在破片撞擊和地面撞擊共同作用下發生了爆轟反應。

2.2 包裝箱防殉爆設計

由2.1 節對殉爆過程的數值模擬分析可知，在包裝箱內，導致被發裝藥發生殉爆的主要原因為高速破片的撞擊。殉爆過程中，破片對被發裝藥的撞擊涉及破片數量、形狀、尺寸和撞擊角度等參數，可用破片撞擊起爆帶蓋板炸藥的臨界起爆條件[18]近似描述被發裝藥的沖擊起爆條件，即：

式中：v為破片速度，df為破片直徑，k為破片頭部形狀系數，α 為與炸藥相關的常數，β 為取決于蓋板材料的常數，h為蓋板厚度，θ 為破片飛行方向與蓋板法線方向的夾角。

式（3）考慮了撞擊過程中破片的形狀、尺寸和撞擊角度等參數。從安全性防護設計的角度出發，難以控制殉爆過程中主發殼裝炸藥產生的破片參數，但可通過降低破片撞擊速度對被發裝藥進行防護。此外，有研究[19-20]表明，隨著破片數量的增加，裝藥的沖擊起爆速度閾值將減小。

因此，通過在箱內設置隔板的方式，以期衰減破片速度和減少撞擊被發裝藥的破片數量，從而避免被發裝藥發生殉爆。結合包裝箱的結構，防殉爆設計方法為：在相鄰裝藥間設置隔板，防止同一包裝箱內的裝藥發生殉爆；在箱底設置隔板，防止相鄰包裝箱裝藥發生殉爆。

考慮到彈藥實際使用過程中，要求包裝箱需具備質量輕、成本低、材料來源廣泛及彈藥取放方便等特點，對比木材、鋁和鋼這3 種常見材料的密度，如表3 所示。本文中在裝藥間設置20 mm 厚木隔板，在箱底設置2 mm 厚鋁隔板。進行防殉爆設計后的包裝箱結構如圖14 所示。

表3 3 種常見材料的密度Table 3 Density of three commonly used materials

圖14 防殉爆設計后的包裝箱結構示意圖Fig.14 Packaging box structure with anti-SD design

2.3 防殉爆設計有效性的數值模擬

對防殉爆設計后的包裝箱進行殉爆數值模擬，有限元模型如圖15 所示。

圖15 防殉爆設計后的數值計算模型Fig.15 Numerical simulation model with anti-SD design

圖16 所示為上層箱體內裝藥的殉爆過程。主發裝藥起爆后，殼體撞擊隔板和箱體，裝藥1、2 之間的木隔板發生失效，箱底鋁隔板發生形變，60 μs 時，主發裝藥殼體破片撞擊到被發裝藥2；110 μs 時，被發裝藥2 內部壓力升高，開始發生反應；155 μs 時，被發裝藥2 的殼體撞擊到被發裝藥3，至340 μs，被發裝藥3 被裝藥2 的反應產物包圍，其殼體和裝藥均發生了形變，但被發裝藥3 未發生反應。

圖16 有防護措施時上層包裝箱內的殉爆過程Fig.16 SD process in the upper packaging box with protective design

圖17 所示為下層箱體內裝藥的殉爆過程。110 μs 時，主發裝藥的爆轟產物和破片沖擊上層箱體，上層箱體發生形變和破壞，并沖擊到下層箱體，由于被發裝藥4 和5 之間木隔板的支撐作用，下層箱體未發生大變形，而是在木隔板處發生剪切破壞。275 μs時，裝藥1 和2 的爆轟產物、殼體破片和上層箱體不斷沖擊下層箱體，被發裝藥4 和5 受到沖擊作用向下運動。至695 μs，被發裝藥4 和5 撞擊箱底部，并有一定變形，下層箱體結構被破壞，箱內兩塊木隔板向右側傾倒，并發生破壞失效。1 200 μs 時，裝藥3 在裝藥1 和2 爆轟產物的作用下向外飛散，但被發裝藥3、4 和5 均未發生反應。

圖17 有防護措施時下層包裝箱內的殉爆過程Fig.17 Process of SD in the lower packaging box with protective design

提取裝藥內部壓力曲線和殼體單元的速度時程曲線，壓力曲線如圖18 所示，速度曲線如圖19所示。

圖18 有防護措施時裝藥內部的壓力曲線Fig.18 Pressure curves of acceptor charges with protective design

圖19 有防護措施時裝藥殼體單元的速度曲線Fig.19 Velocity curves of acceptor charges’ shell elements with protective design

被發裝藥2 內部的反應壓力峰值為14.3 GPa，與該炸藥的爆壓26 GPa 相比，說明其未達到穩定爆轟；而被發裝藥3、4 和5 內部壓力較低，壓力峰值分別為934、216 和305 MPa。被發裝藥2 殼體單元的速度峰值為895 m/s，被發裝藥3、4 和5 殼體單元的速度峰值分別為80、103 和120 m/s。

繪制各被發裝藥內部監測點的壓力峰值隨位置變化的曲線，如圖20 所示。圖中橫坐標為監測點與炸藥最先受到沖擊位置的距離。由圖20 可知，4 發被發裝藥中，僅被發裝藥2 的壓力超過8 GPa，且隨監測點距離的增大整體呈上升趨勢；其余被發裝藥的壓力均低于1 GPa，且沿著直徑方向隨著監測點距離的增大其壓力緩慢降低。

圖20 有防護措施時被發裝藥內部壓力隨空間位置變化曲線Fig.20 Curves of pressure inside the acceptor charges at spatial positions

綜合裝藥內部壓力和殼體單元速度時程曲線判斷，在有防護措施條件下，被發裝藥2 發生爆炸及以下反應，而被發裝藥3、4 和5 未發生反應。表明針對包裝箱的防殉爆設計可有效降低殉爆的反應等級和發生殉爆的試驗件數量。

3 試驗驗證

根據數值模擬結果，開展了有防護措施條件下的殉爆試驗。試驗樣品和試驗布置均與前文相同，僅在相鄰裝藥間添加20 mm 厚的木隔板，在箱體添加2 mm 厚的鋁隔板，包裝箱內布置如圖21 所示。

圖21 有防護措施時殉爆試驗的箱內布置圖Fig.21 Setup of the box for the SD experiment with protective measures

圖22 為添加隔板后的殉爆試驗現場圖，上層包裝箱被炸毀，下層箱體結構相對完整，圖22(a)中可見上下層包裝箱內的鋁板，上層包裝箱內的鋁板在主發裝藥位置處發生破壞，而下層包裝箱內的鋁板結構完整，未發生大面積失效破壞。圖22(b)為回收到的被發裝藥2 的殼體碎片，被發裝藥2 的殼體未形成小尺寸破片，殼體形成軸向撕裂狀長條形破片，仍具有側面圓柱的圓弧特征，表明被發裝藥2 的反應等級為爆燃至爆炸。圖22(c)為回收到的被發裝藥2 的模擬引信和被發裝藥3、4、5，被發裝藥3、4、5 整體結構完整，內部裝藥未發生反應。

圖22 加隔板后的殉爆試驗結果Fig.22 Result of SD experiment after partitions included

總結殉爆試驗結果體現在添加隔板后的殉爆中，被發裝藥2 發生爆燃至爆炸反應，被發裝藥3、4、5 未發生反應，試驗結果與數值模擬結果基本一致。試驗結果表明，在木隔板和鋁隔板的防護作用下，發生殉爆反應的被發裝藥數量由3 發降低為1 發，在彈藥包裝箱內添加隔板可有效降低殉爆反應的毀傷能力。

4 結 論

箱內殉爆試驗結果和數值模擬結果表明，在無防護條件下，含主發裝藥的上層箱內有2 發、下層箱內有1 發被發裝藥發生殉爆；在裝藥間設置20 mm 木隔板，在箱底設置2 mm 鋁板后，僅有與主發裝藥相鄰的被發裝藥發生爆燃至爆炸反應。在箱內添加隔板可有效防止箱內殉爆和箱間殉爆現象的發生，進而降低彈藥殉爆導致的額外傷害。