撞击器前驱波起爆屏蔽炸药的理论与数值研究.pdf

第3 0 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．3 0N o 4 2 0 1 3 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 2 8 撞击器前驱波起爆屏蔽炸药的理论与数值研究 张俊坤h ，高欣宝l a , l b ，熊冉1 8 ，贾波2 1 ．军械工程学院a ．弹药工程系；b ．弹药保障与安全性评估军队重点实验室； 石家庄0 5 0 0 0 3 ；2 ．西安军代局驻8 0 3 厂代表室，西安7 1 0 0 4 3 摘要为得到撞击器前驱波冲击起爆靶板屏蔽炸药的相关规律，以撞击器前驱波起爆屏蔽炸药为研究内 容，结合H e l d 起爆准则与冲击波作用理论，通过作用面积增大的假设，构建前驱波冲击起爆靶板屏蔽炸药的 数学模型，并利用相应材料参数对模型进行数值计算和分析，结果显示在小直径撞击器和短脉冲压力作用 下，屏蔽炸药的起爆阈值随撞击器直径的增大而减小，随靶板厚度的增加而增大，且起爆阈值受撞击器直径 的影响随靶板厚度的增加而增加，反之则相反，且对于速度在1 0 0 0 2 0 0 0m ／s 常规破破片，只有直径达到 1 0m m 左右时方可起爆较薄靶板屏蔽的炸药，这为弹药毁伤能力和安全水平的提高、反导拦截的设计及相关 试验提供了理论指导。 关键词撞击器；冲击波；冲击起爆；屏蔽炸药 中图分类号T J 5 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 1 2 5 0 4 T h e o r e t i c a la n dN u m e r i c a lI n v e s t i g a t i o n so n S h i e l d e dE x p l o s i v eD e t o n a t e db yI m p a c t o rS h o c kW a v e Z H A N GJ u n ．k u n l 。，G A OX i n ．b a 0 1 8 1 6 ，X I O N GR a n l 。，J I AB 0 2 1 ．a ．D e p a r t m e n to fA m m u n i t i o nE n g i n e e r i n g ；b ．M i l i t a r yK e yL a b o r a t o r yf o rA m m u n i t i o nS u p p o r t a n dS a f e t yE v a l u a t i o n ，O r d n a n c eE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 0 3 ，C h i n a ；2 ．S e c t i o no fP L A R e p r e s e n t a t i o ni nN o ．8 0 3F a c t o r y ，X i ’a n7 1 0 0 4 3 ，C h i n a A b s t r a c t T og e tt h ee x p l o s i o nr u l eo fs h i e l d e de x p l o s i v ed e t o n a t e db yi m p a c t o rs h o c kw a v e ，t h eH e l di n i t i a t i o n c r i t e r i o n ，s h o c kw a v et h e o r ya n dt h eh y p o t h e s i so fa u g m e n t a t i o na r e aw e r ea p p l i e dt o e s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n g m o d e l ．F o rt h er u l e o fs h i e l d e de x p l o s i v ed e t o n a t e db yi m p a c t o rs h o c kw a v e 。m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r eu s e di n t h em o d e lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ．O b t a i n e dr e s u l t ss h o wt h a tt h es h o c kt h r e s h o l do fs h i e l d e de x p l o s i v eb e c a m e s m a l l e rw i t hi m p a c t o rd i a m e t e rd e c r e a s i n ga n db e c a m eb i g g e rw i t ht h ei n c r e a s i n go ft a r g e tb e a r dt h i c k n e s s ．I n f l u e n c e o fi m p a c t o rd i a m e t e rf o rt h es h o c kt h r e s h o l do fs h i e l d e de x p l o s i v eb e c a m eb i g g e rw i t ht a r g e tb e a r dt h i c k n e s si n e r e a s i n g ，w h i l et h eo p p o s i t eo nt h eo t h e rw a ya r o u n d ．F o rc o n v e n t i o n a lf r a g m e n t s ，t h ev e l o c i t yb e t w e e n1 0 0 0m ／sa n d 2 0 0 0m ／s ，t h es h i e l d e de x p l o s i v eb yt h i nt a r g e tb e a r dw o u l db ed e t o n a t e do n l yi ft h ed i a m e t e rr e a c h e d1 0m m ．T h e s t u d yw i l lh e l pt oi m p r o v et h ed a m a g i n ga b i l i t ya n ds a f e t yl e v e lo fa m m u n i t i o n ，m i s s i l ei n t e r c e p t i o na n dc o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t a t i o n ． K e yw o r d s i m p a c t o r ；s h o c kw a v e ；s h o c ki n i t i a t i o n ；s h i e l d e de x p l o s i v e 现代战争中，精确制导武器对重大军事目标的 收稿日期2 0 1 3 0 3 2 9 作者简介张俊坤 1 9 8 5 一 ，男，军械工程学院博士，主要从事弹药 毁伤研究， E m a i l s h e n l a n f e i y u 1 6 3 ．c o r n 。 威胁十分严重，如何打击精确制导弹药，建立有效反 导防空体系，保卫重大军事目标，已成为现代军事领 域一个迫在眉睫的重大课题‘1 | 。因此研究含能结 构 主要是指装有炸药的爆炸装置或常规弹头，文 万方数据 爆破2 0 1 3 年1 2 月 中将其等效为靶板屏蔽炸药 在冲击载荷作用下的 安全性，对弹头突防和拦截均具有重要的作用。海 湾战争中，美国使用爱国者导弹拦截系统对飞毛腿 导弹进行了成功的拦截，原理在于利用撞击器 破 片、E F P 等 撞击来袭的弹头，使其失去效能，这是 局部高技术战争中一种十分有效的方法怛j 。撞击 器在撞击来袭弹头时，引起来袭弹头中炸药爆炸的 情况很多，主要有以下两种一，撞击产生的冲击波 速度较大，屏蔽靶板厚度小于临界厚度，直接依靠撞 击产生的冲击波起爆炸药；- - ，炸药屏蔽靶板厚度大 于临界厚度，产生的冲击波不足以起爆装药，侵彻继 续进行，直至穿透壳体产生冲塞或崩落，依靠剩余侵 彻体及壳体崩落物的动能起爆炸药∞j 。以第一种 情况为研究对象，以靶板屏蔽炸药作为弹丸的等效 模型，以平头柱形撞击器垂直冲击起爆为研究内容， 通过理论建模和数值计算，研究分析炸药的冲击起 爆规律，了解炸药性能，为掌握炸药冲击起爆机理及 提高弹药毁伤能力和安全性水平提供依据，同时为 进一步研究间隙靶板屏蔽炸药的冲击起爆奠定理论 基础。 1 理论模型构建 理论和试验研究表明，开放炸药在高速撞击器 撞击作用下 见图1 ，起爆阈值与撞击产生的冲击 波作用在炸药表面的能量密度直接相关。MH e l d 首次使用V 2 d C 式中秽为撞击器速度；d 为撞击 器直径；C 为炸药起爆阈值 的形式来描述炸药受到 聚能射流作用时的起爆阈值，此种冲击加载作用的 起爆能力可综合表示为H J G p v 2 d 1 式中G 为单位横截面积上一定长度的撞击器所包 含的动能密度；p 为撞击器材料密度。 由于靶板的屏蔽作用，使得撞击器撞击靶板产 生的冲击波传人炸药时，能量密度大幅减小。当靶 板较薄时，炸药的起爆是由撞击器撞击靶板时产生 的冲击波引起的。假设靶板的屏蔽作用在于使得炸 药受加载作区域直径的增大 见图2 ，可得垂直撞 击时加载区内能量密度与靶板厚度有以下关系 一2o ． G 鳓 G 1 m 号 p v 2 d 1 m 号 2 式中m 为加载区域直径增大系数，近似值为靶板与 撞击器材料密度的比值；6 为靶板厚度。 靶板中动能密度的减小是由于一，冲击波发散 引起其波阵面面积的增大；二，两者界面处冲击间断 的瓦解造成介质粒子速度的突变。试验表明，动能 密度的比值与相互作用材料粒子速度平方的比值以 及它们密度的比值成正比。 撞击器 图1开放炸药撞击起爆示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fe x p l o s i v ei n i t i a t i o nb yi m p a c t 撞击器 图2 屏蔽炸药撞击起爆 F i g ．2 S l l i e l d e de x p l o s i v ei n i t i a t i o nb yi m p a c t 由撞击器一靶板界面上压力的平衡条件口1 ，可得 靶板中初始冲击波阵面处粒子速度为 M 口意 3 厶I1 - 厶1 式中M 为材料中冲击波阵面处粒子速度；z 为材料 声阻抗；下角标1 、2 、3 为撞击器和靶板 全文相 同 。 因此可得撞击初始阶段靶板中的动能密度为 讧G 。鲁 赢1Z 2 2 ㈩ p l 、z ， 联立式 2 、式 4 ，可得冲击波进入炸药之前瞬间 见图3 ，靶板中冲击阵面处的动能密度为 万方数据 第3 0 卷第4 期张俊坤，高欣宝，熊冉，等撞击器前驱波起爆屏蔽炸药的理论与数值研究 G z ㈣筹 毫 2 1 m ∥㈤ 式中k 为声波衰减指数，球形波时k 一2 。 同理，当冲击波从靶板传人炸药时，发生动能密 度的第二次转化，结合撞击器头部形状的影响，最终 传人炸药中的动能密度为 G ， 华 毫脏2 Z 搿zI m ∥ 6 式中a 为修正系数，平头撞击器为0 ，球头撞击器 为1 。 由于G 。／p 。 C ，P ，一常数，所以靶板屏蔽炸药 的起爆阈值为 c 巩 警 2 Z 2 2 驯 Z 3 ／2 m 翁㈩ 式中c b 为开放炸药的起爆阈值。 又声阻抗为 Z p c 8 式中c 为材料中的声速。 联立式 7 、式 8 得，撞击器冲击靶板屏蔽炸 药的起爆阈值为 c 巩 警 2 警 2 1 m 翁㈩ 2 模型数值计算与分析 为直观清晰地反映模型中各参数间的变化关 系，采用M a t l a b 数学计算软件，结合相关计算参 数哺引 见表1 ，编写程序进行计算和绘图，并将所 得规律与试验进行对比分析。 表1 材料参数 T a b l e1M a t e d a lc h a r a c t e r i s f i c s 将表1 中各材料的参数代人相关公式，可得靶 板屏蔽炸药临界起爆阈值、撞击器临界起爆速度、撞 击器直径及靶板厚度之间的变化关系如图3 一图5 所示。 o 幻 g V ＼ 舀 屋 蹬 捌 图3 起爆阈值随靶板厚度变化曲线 F i g ．3 S h o c kt h r e s h o l dc h a n g e dw i t ht h e t h i c k n e s so ft a r g e tb o a r d 从图3 中可以看出，随着靶板厚度的增加，起爆 阈值逐渐增加，且增加的速率也在不断变大，结合式 9 可以看出，在其他条件固定时，起爆阈值与靶板 厚度是二次函数的关系。 o ‘呐 ● g 一 魁 瑙 蹬 捌 Ⅲ鲁 竖 图4 临界起爆速度随靶板厚度变化曲线 F i g ．4D e t o n a t i n gv e l o c i t yc h a n g e dw i t ht h e t h i c k n e s so ft a r g e tb o a r d 从图4 中可以看出，随着靶板厚度的增加，撞击 器冲击起爆所需的临界速度不断增加，且l 临界起爆 速度最小值在2 0 0 0m ／s 之上，这是由于开放T N T 起爆阈值较大而撞击器直径较小造成的，同时也说 明一般直径较小的撞击器即破片，在靶板中形成的 前驱波基本无法起爆靶板屏蔽的T N T 。 万方数据 爆破 撞击器直径／r a m 5 0 靶板J 覃度／r a m a 1 星1 越 剥 蝼 捌 映 磐 陶5起爆阈值随靶板厚度、撞击器直径的变化图 F i g ．5 5 h o c kt h r e s h o l dc h a n g e dw i t ht h et h i c k n e s so ft a r g e tb o a r da n dt h ed i a m e t e ro fi m p a c t o r 从图5 中可以看出，当靶板厚度为定值时，随着 撞击器直径的增加，起爆阈值和临界起爆速度不断 降低，这与试验结果是一致的[ 10 I ，但降低的速率在 不断减小，这说明随着撞击器直径的增加，靶板厚度 对起爆阈值和临界起爆速度的影响越来越小，当撞 击器直径达到1 0m l n 以上时，对于较薄靶板屏蔽的 炸药，其临界起爆速度在1 0 0 0 ～2 0 0 0m ／s 之间，即 常规破片也可起爆；当撞击器直径为定值时，随着靶 板厚度的增加，起爆阈值和临界起爆速度不断增加， 且增加的速度在不断变大。综合图5 a 和5 b 可 以得到，增加撞击器直径，不仅可以减小临界起爆速 度，而且可以减小起爆阈值，这就使得临界起爆速度 进一步降低，所以在撞击器冲击起爆靶板屏蔽炸药 时，可以在增加撞击器速度提高撞击器能量的同时 通过增加撞击器直径来减小起爆阈值，从而增加起 爆的可靠性。 3总结 通过以上的理论建模和计算分析，可以得到以 下结论 1 在撞击器直径较小，前驱波作用时时间较 短时，屏蔽炸药的起爆阈值随撞击器直径的增加而 减小，这与实验结果是一致的，证明了文中模型的可 行性‘10 | 。 2 撞击器直径对起爆阈值的影响随靶板厚度 的增加而增加，当撞击器直径小于1 0 m m 的此现象 尤为明显。 3 靶板厚度对起爆阈值的影响随撞击器直径 的增加而减小。 4 增加撞击器直径比增加撞击器速度更有利 于撞击器前驱波对靶板屏蔽炸药的冲击起爆。 参考文献 R e f e r e n c e s 李佳轩，张健，林溪石．某串联发射弹药威力研究 [ J ] ．沈阳理工大学学报，2 0 1 1 ，3 0 6 5 3 - 5 6 ． L IJ i a x n a n ，Z H A N GJ i a ，L I NX i n s h i ．R e s e a r c ho np o w e r o ft a n d e mf i r e da m m u n i t i o n [ J ] ．T r a n s a c t i o n so fS h e n y a n g L i g o n gU n i v e r s i t y ，2 0 1 1 ，3 0 6 5 3 - 5 6 ． i nC h i n e s e 陈忠富，梁斌，陈刚．不同几何形状弹丸对撞击起爆阈 值速度的影响[ J ] ．绵阳师范学院学报，2 0 0 9 ，2 8 1 1 1 ．4 ． C H E NZ h o n g - f u ，L I A N GB i n ，C H E NG a n g ．E f f e c t so fp r o - j e c t si n d i f f e r e n tg e o m e t r i c a ls h a p eo ni m p a c ti n i t i a t i o n t h r e s h o l dv e l o c i t y [ J ] ．J o u r n a lo fM i a n y a n gN o r m a lU n i - v e r s i t y ，2 0 0 9 ，2 8 1 1 1 - 4 ． i nC h i n e s e 吴园园．大炸高下射流引爆带壳装药的研究[ D ] ．南 京南京理工大学，2 0 0 7 ． J In 奥尔连科．爆炸物理学[ M ] ．孙承纬，译．北京科 学出版社，2 0 1 1 2 4 1 - 2 5 3 ． M A R CA n d r eM e y e r s ．材料动力学行为[ M ] ．张庆明， 等，译．北京国防工业出版社，2 0 0 6 1 3 4 1 4 3 ． 宋桂飞，李成国，夏福君，等．聚能射流侵彻带壳装药 引爆参数计算[ J ] ．火工品，2 0 0 9 6 4 3 4 5 ． S O N GG u i - f e i ，L IC h e n g g u o ，X I AF u - j u n ，e ta 1 ．C a l c u l a - t i o no fi n i t i a t i o np a r a m e t e r so fs h a p e dc h a r g ej e tp e n e t r a t i n gi n t o s h e l l e dc h a r g e [ J ] ．I n i t i a t o r s ＆P y r o t e c h n i c s ， 2 0 0 9 6 4 3 4 5 ． i nC h i n e s e 杜忠华，宋丽丽．横向效应增强型侵彻体撞击金属薄 板理论模型[ J ] ．南京理工大学学报，2 0 1 l ，3 2 6 8 2 2 8 2 6 ． 下转第1 5 1 页 l 1 9 8 7 6 5 4 3 2 7 6 5 4 3 2 1 0 O k．g一＼蝈屡螫捌 1 j 1 J 1 J 1 J 1』1j 1 J 1 J 1 l 2 2 3 4 5 6 6 7 r ．L r l r l r ．L r}rL r L P ．L 万方数据 第3 0 卷第4 期位晓成，崔晓荣，宋良波，等矿山民爆一体化在高硫矿山中的应用与优化设计 1 5 1 上接第1 2 8 页 [ 7 ] D UZ h o n g - h u a ，S O N GL i - l i ．T h e o r e t i c a lm o d e lo fp e n e t r a p l a t e [ J ] ．O r d n a n c eM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ， t o rw i t he n h a n c e dl a t e r a le f f e c ti m p a c t i n gt h i nm e t a lt a r g e t 2 9 2 7 0 - 7 2 ． i nC h i n e s e [ J ] ．J o u r n a lo fN a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h ．[ 9 ] 陈智刚，赵太勇，侯秀成．爆炸及其终点效应[ M ] ．北 n o l o g y N a t u r eS c i e n c e ，2 0 11 ，3 2 6 8 2 2 - 8 2 6 ． i nC h i ．京兵器工业出版社，2 0 0 4 7 2 - 7 4 ． n e s e [ 1 0 ] 文尚刚，卫玉章．炸药起爆研究的若干问题[ J ] ．含能 [ 8 ]孙素杰，赵宝荣，王军．不同背板对陶瓷复合装甲抗材料，2 0 0 4 2 4 6 7 4 7 2 ． 弹性能影响的研究[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 6 ，[ 1 0 ] W E NS h a n g z h a n g ，W E IY u z h a n g ．R e s e a r c ho ns o m e 29270-72．problems o fe x p l o s i v e [ J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo fE n e r g e t i c [ 8 ] S U NS u - j i e ，Z H A OB a o ．r o n g ，W A N GJ u n ．S t u d y0 1 1t h ep e n e - M a t e r i a l s ，2 0 0 4 2 4 6 7 4 7 2 ． i nC h i n e s e t r a t i o np e r f o r m a n c eo fc e r a m i ca l T l l O r sw i t l ld i f f e r e n tb a c k i n g 万方数据