深水炸弹引信传爆序列设计研究.pdf

爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 鄹5 2 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 1 4 深水炸弹引信传爆序列设计研究亲 张世林王清华 中船重工第7 1 0 研究所 湖北宜昌，4 4 3 0 0 0 [ 摘要]为了提高深水炸弹引信传爆序列的可靠性，设计了两种方案的传爆序列结构，其中方案I 是典型的垂 直式传爆序列结构，方案Ⅱ为改进型搭接式传爆序列结构。应用非线性有限元软件A u T O D Y N 对两种方案的传爆 序列的可靠性进行了数值模拟分析，结果表明方案Ⅱ提高了传爆的可靠性，缩短了爆轰波稳定转向的时间，对装 药间隙值的控制要求相对较低。通过高温、低温和常温环境试验对比分析了两种传爆序列结构的传爆可靠性，结 果表明方案I 的传爆率为8 7 ％，而方案Ⅱ传爆率为1 0 0 ％。方案Ⅱ相比方案I 传爆率提高了1 3 ％。 [ 关键词]引信；传爆序列；数值模拟 『分类号] T J 4 3 1 ．7 引言 引信作为弹药战斗部的重要组成部分，是激发 弹药产生毁伤作用的执行机构，主要功能是把微小 的初始能量有控制性地逐级放大到适当的爆轰能量 以可靠地起爆战斗部主装药，实现弹药的高效毁伤 作用。而传爆序列作为爆轰能量传递的关键部件， 其传爆可靠性直接决定引信功能的发挥。因此，传 爆序列的设计直接影响着引信的性能和结构设计乃 至战斗部能否正常引爆。国内外学者为此进行了大 量的研究武双章⋯对传爆序列输入端界面的引传 爆可靠性的设计方法进行了研究，为其他传爆序列 的界面引传爆可靠性试验方法的选择、数据分析和 处理提供了参考胡立双等[ 2 ．3 ] 提出了一种异形传爆 药柱并对其传爆能力进行了研究，发现异形传爆药 柱的起爆能力受到面积效应系数的影响，后续又设 计出半球形反射板传爆序列。对提高传爆可靠性具 有现实意义；美国海军水面武器中心的S p a } l n [ 4 ] 发 明了两种新型爆炸序列环形传爆药爆炸序列和在 主装药中埋有反射板的爆炸序列，提高了用钝感传 爆药引爆极钝感主装药的可靠性。目前，各国在直 列式传爆序列上进行了大量研究[ 5 ] 。但因其成本高 昂，直列式传爆序列主要用于高价值弹药的引信。 由于引信可利用的空间位置有限，在传爆序列 设计时存在诸多的限制因素，约束了设计方案的选 取。本文为解决某型深水炸弹引信传爆序列的可靠 性，实现传爆序列爆轰波的9 0 。转向，以便快速安全 可靠地完成传爆序列的工作，依据典型传爆序列的 基本结构特点[ 6 。1 | ，设计了两种传爆序列方案I 和 Ⅱ 图1 。方案I 是典型的垂直式传爆序列结构， 方案Ⅱ为改进型搭接式传爆序列结构。依据两种方 案下的传爆设计进行数值模拟计算和不同温度下传 爆试验的对比分析，选择最优传爆序列结构．确保了 产品功能发挥，实现战斗部的高效毁伤。 2345 a 方案1 234， hJ 方案I I 1 一电雷管；2 一药柱A ；3 一纸垫；4 一堵盖；5 一药柱B 图l 传爆序列方案 F i g ．1 S c h e m e so fe x p l o s i v et r a i n s 1 传爆序列方案 两种传爆序列结构中 图1 ，传爆药柱主要由 药柱A 和药柱B 两部分组成，炸药采用J H ．1 4 c ，压 { l } 收稿日期2 0 1 4 0 5 ．2 2 作者简介张世林 1 9 8 6 一 ，男，工程师，硕士，主要从事弹药工程的研究。E ．m a i l ．z s l ．3 l 1 6 3 ．c o m 圈 一 万方数据 2 0 1 5 年2 月 深水炸弹引信传爆序列设计研究张世林，等 药密度为 1 ．6 5 0 ．0 2 g ／c m 3 ，爆速为8 1 8 2n ∥s 。 爆轰波在传输过程中实现一次9 0 0 转向。逐级放大 爆轰强度，实现对战斗部的可靠起爆。 2 炸药冲击引爆爆轰机理 非均质炸药会在炸药某些局部点产生热点效 应[ 3 ] ，最终引起爆轰。本文引入非均质炸药冲击起 爆临界判断理论，采用临界起爆能量和G ．C ．M ． F o a n 积分能量作为爆轰判断依据[ 3 ] 当引信解除保 险后，电雷管点火工作，炸药A 爆轰后，其波阵面压 力为p ，当爆轰波传播至药柱B 端面时，压力角为 a ，则药柱B 端面受到的冲击压力为p 。。炸药B 受 到的冲击压力值达到其临界能量值，才可实现爆轰。 传爆药柱的结构尺寸不同，起爆能力也不同，主 要是因为传爆药柱和主装药的接触面积不同。起爆 能力Ⅳ和临界起爆能量E ．可表示为[ 8 ] Ⅳ粤岛； ￡ d ￡； 厶 E 。 p ；￡似。； 1 2 p l P c J c o s a 。 3 式中卢为面积效应系数；z 为被发炸药的冲击阻 抗；p 。为作用在药柱表面法线方向的冲击压力；f 为 人射冲击波的脉冲持续时间；p 为传爆药柱的密度； 肛。为炸药爆轰后的冲击波速度；P 。。为波阵面压力；d 为压力角。 由式 1 、式 2 可知，Ⅳ随着卢和p 。的增大而 变强，传爆药和主装药的接触面积对传爆药柱的起 爆能力影响很大。方案I 的面积效应系数要小于方 案Ⅱ．并且当药柱A 以面起爆后，爆轰波近似平面 爆轰波沿着药柱轴向运动，同时也向径向方向以稀 疏波的形式高速膨胀。方案I 中药柱B 主要受到径 向爆轰压力，方案Ⅱ中药柱B 主要受到轴向爆轰波 压力，且作用在主装药B 上的波阵面压力角a 小于 方案I ，根据式 3 知p l I p 1 Ⅱ 。被发炸药的冲 击阻抗z 相同，作用于药柱B 的波阵面冲击压力持 续时间近似相同时．则方案I 的起爆能力Ⅳ要小于 方案Ⅱ。即方案Ⅱ可提高深水炸弹引信传爆可靠性。 3 数值模拟 采用A u T O D Y N 软件，依据产品尺寸建立相应 的二维有限元模型 图2 ，进行数值模拟分析。为 简化模型．计算模型只包括J H ．1 4 c 炸药和引信部分 基座。采用拉格朗日算法模拟冲击引爆，为保证药 柱B 的计算精确性，将其网格尽可能加密处理。炸 药选择J H ．1 4 C 猛炸药，药柱A 采用H i g h E x p l o s i v e B u m 材料模型和J W L 状态方程．药柱B 采用点火增 l 么 3 | 1 一基座；2 一药柱A ；3 一药柱B 图2 传爆有限元模型 F i g ．2 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd e t o n a t i o n 长方程L e e T a r v e r ，引信基座选用T 4 硬铝．采用 S h o c k 冲击方程，参考值见文献[ 1 2 ．1 4 ] 。为了观测 药柱B 端面压力变化情况和是否正常冲击引爆。在 其端面沿径向等间距设置5 个高斯观测点。 3 ．1 方案I 数值模拟结果 计算采用线起爆，药柱B 距药柱A 间距分别为 0 、l 、2 、3m m 和5m m 。图3 和图4 为药柱B 距药柱 _ 篡 卜 _ 三 ‘I f 2 ．0 吣 矧3 方案I 不同时刻爆轰波传播波形 F i g ．3P r 1 p a g a t i o nr f 】e l I n a t ； 1w a v ea l 1 i f f o r r n tI i m e sf rI ’m i e II 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第1 期 图4 方案I 高斯观测点压力曲线图 F i g ．4 P r e s s u r e - t i m ec u r v e s0 fG a u s s o b s en r a t i o np o i n t sf o rP r o j e c tI A 为Om m 时，不同时刻的爆轰波传播波形和观测 点的压力变化。 由图4 知，高斯观测点的平均压力值为1 3 G P a ，根据文献[ 1 5 1 6 ] 知，该值大于药柱B 的临界 起爆压力值，满足起爆条件；同时根据不同时刻爆轰 波传播过程可知，药柱B 实现了稳定爆轰。 通过5 种间距的冲击引爆的爆轰波形分析，药 柱间距为0 、1 、2 、3m m 时均可起爆，但起爆时间和 形成爆轰时的热点位置有所不同。药柱B 爆轰后完 成9 0 0 转向的时间和位置也不相同，随着距离的增 加，稳定爆炸中心点形成的距离和时间也随之增大 药柱间距为5m m 时，药柱B 只是发生了冲塞、开垦 等剪切现象，没有发生爆轰。统计结果如表1 所示。 表1方案I 不同间距药柱B 殉爆状态 T a b ．1D e t o n a t i o ns t a t eo fc h a 唱eBw i t hd i f f e r e n t d i s t a n c e sf o rP r o j e c tI 由于药柱A 端面起爆后，爆轰波近似平面爆轰 波沿着药柱轴向运动，同时也向径向方向以稀疏波 的形式高速膨胀，随着药柱B 间距的增大，径向稀 疏波衰减也越快．则作用在药柱B 端面的压力也越 低，能量衰减也越快；随着轴向爆轰波传播至药柱底 端面，爆轰产物在贴近基座表面积聚堆积，爆轰产物 大部分质点速度突然变为零，部分向药柱B 端面处 膨胀运动，基座表面压力和密度快速增大，当压力和 密度增加到一定程度时便向相反方向运动，形成反 射冲击波。爆轰波一部分以应力波的形式穿透基 座，形成透射波，另一部分则为反射冲击波。反射波 和后续运动至底端面的稀疏波叠加．在药柱底面形 成一超压区域，药柱B 受到的冲量快速增大。温度 也快速升高，达到临界起爆能量时实现爆轰。 3 ．2 方案Ⅱ数值模拟分析 计算采用线起爆，药柱B 距药柱A 间距0 、l m m 。图5 和图6 为药柱B 距药柱A 为0m m 时。不 同时刻的爆轰波传播波形和观测点的压力变化。 药柱B 在受到爆轰冲击后。和药柱A 接触的端 面压力值瞬间到达1 7G P a 左右，受到的冲击能量达 到冲击引爆的能量临界值。从而在端面处快速形成 I 罡 一一●芝 _ ‘ 仁2 ．O s 图5 方案Ⅱ不同时刻爆轰波传播波形 F i g ．5P r o p a g a t i o no fd e t o n a t i o nw a v ea t d 虢r e n tt i m e sf o rP m j e c t Ⅱ 万方数据 2 0 1 5 年2 月 深水炸弹引信传爆序列设计研究张世林，等 图6 方案Ⅱ高斯观测点压力曲线图 F i g ．6 P r e s s u r e - f i m ec u r v e so fG a u s s o b s e r v a f i o np o i n t sf o rP r o j e c t Ⅱ 一热点，发生爆轰。从开始爆轰到爆轰波的9 0 。稳定 转向时间也很短暂 表2 ，间距om m 时大约1 ．7 斗s ，间距1m m 时大约2 ．1 斗s 。这是由于沿着药柱 A 轴向运动的爆轰波压力与药柱B 面法线间的夹角 比较小，药柱B 主要受到轴向爆轰波的冲击，作用 在端面处的冲量和能量很大，能够快速实现爆轰。 表2方案Ⅱ不同间距药柱B 爆轰状态 T a b ．2D e t o n a t i o ns t a t eo fc h a r g eBw i t h d i f 珞r e n td i s t a n c e sf o rP 1 1 。j e c t Ⅱ 药柱间是否时间／爆轰波转向状态爆轰波转向状态 彤m m殉爆 “s ￡ 1 ．7 斗s ￡ 2 ．1 肛s ’ ◆ O 是0 ．7 一 l是0 ．8 少’ 一 4 试验及结果分析 将设计的两种传爆序列，分别进行高温6 5 ℃、 低温一2 8 ℃和常温3 种状态下的试验验证，考核其 传爆可靠性。每种温度下利用5 枚样机进行试验。 传爆药柱采用J H ．1 4 C ，压药密度为 1 ．6 5 o ．0 2 g ／c m 3 ，雷管采用3 9 号瞬发电雷管，装药间距均为O m m 。结果表明方案I 低温和高温下各有1 枚样机 未正常引爆。而方案Ⅱ有1 5 枚样机全部引爆，见证 板严重变形．变形长度约4 8 0m m ，与扩爆药柱长度 相当，证明1 2 节扩爆药柱均可靠起爆。因此，采用 斜面设计的传爆药柱能够可靠地完成爆轰波9 0 。转 向．确保传爆序列传爆可靠。试验及其结果见图7 。 试验后拆卸2 枚未爆引信发现，电雷管和药柱A 均 可靠完成爆轰，药柱B 存在冲蚀但未发生爆轰，分 析认为是药柱B 装药间隙超过了极限殉爆距离， 导致传爆序列爆轰中断。结合仿真分析可知装药 间隙值相比方案Ⅱ，对方案I 影响较大，在实际装配 过程中更应严格控制装配间隙。 - ●L i 药柱A药柱B a 药f { 状态 一‘o - ．孺 见证板 t 1 虬十夏5 婪{ 乃队，怎 I g 『7f 0 爆} 』{ g 台J 支JC 鼻 i 果 坚7I ㈨川。l i i I I l 】I _ ⋯l ⋯⋯】l 川】I l1 卜l l I 】I 、 5 结论 1 方案I 利用径向稀疏波和反射波叠加后形 成的超压在药柱底端面形成热点来冲击引爆药柱， 随着药柱间距的增大．热点形成的时间和离端面的 距离也随之增大。爆轰波实现9 0 。转向时间也加大， 当间距超过极限值后．药柱不能正常爆轰。在实际 产品中，如果装药密度未满足技术要求，或者底盖处 漏气发生泄爆导致爆轰能量降低，则不能正常引爆 药柱。 2 方案Ⅱ改变了爆轰波的波形，使波阵面压力 与药柱面法线之间的夹角变小，提高了作用在药柱 上的冲击能量，增加了爆轰的可靠性，缩短了药柱爆 轰的时间。 3 方案Ⅱ提高了爆轰的可靠性，缩短爆轰转向 时间，对装药间隙值要求相对较低，传爆率提高了 万方数据 6 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第1 期 1 3 ％。因此，方案Ⅱ的设计优于方案I 。 参考文献 [ 1 ]武双章．某传爆序列输入端界面引传爆可靠性设计方 法研究[ J ] ．火工品，2 册8 6 3 5 - 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