李來福，王雨時，聞 泉

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京，210094）

引信傳爆管用于放大爆轟并起爆戰(zhàn)斗部裝藥，而戰(zhàn)斗部可靠起爆要求傳爆管必須輸出足夠的爆炸威力。文獻[1]通過試驗發(fā)現(xiàn)傳爆管中傳爆藥柱結(jié)構(gòu)不同對傳爆藥柱的起爆能力有顯著影響，改變裝藥結(jié)構(gòu)可以明顯改變傳爆藥柱的起爆威力。引信在戰(zhàn)斗部中裝配時，由于定位誤差和制造誤差，傳爆管輸出端面與戰(zhàn)斗部裝藥輸入端面有可能緊密接觸，更可能有較小的間隙，甚至是有一定的距離使得傳爆距離發(fā)生變化，因此，傳爆管起爆后輸出到戰(zhàn)斗部的爆炸威力可能有所差異，從而會影響戰(zhàn)斗部起爆可靠性。文獻[2]通過試驗研究了裝藥間隙對炸藥爆轟性能的影響，發(fā)現(xiàn)在主發(fā)藥柱與被發(fā)藥柱不同的間隙下，被發(fā)藥柱的激發(fā)起爆情況不同。文獻[3]采用電離法研究了圓環(huán)形裝藥不同間隙以及填充氧化劑膠液后對炸藥爆轟性能的影響，發(fā)現(xiàn)圓環(huán)形藥柱裝藥軸向間隙和徑向間隙對藥柱爆炸性能的影響不同。

傳爆管軸向輸出爆炸威力評定方法有鋼凹試驗法、鋁凹試驗法和鉛板試驗法[4]。工程上常用鋼凹試驗法和鉛板試驗法評定火工品爆炸威力。本研究針對某彈底引信兩種結(jié)構(gòu)傳爆管（圓柱形傳爆管和聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管）不同傳爆距離下軸向輸出威力的鋼凹試驗、鋁凹試驗法和鉛板試驗，進行仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果分析不同傳爆距離下兩種結(jié)構(gòu)傳爆管輸出到戰(zhàn)斗部爆炸威力大小，并對比3種試驗方法結(jié)果的差異，為彈藥傳爆序列設(shè)計以及爆炸元件爆炸威力試驗評定提供參考。

1 引信爆炸輸出結(jié)構(gòu)及作用原理

該引信通過雷管引爆傳爆管中加強帽裝藥，然后加強帽裝藥再引爆傳爆管內(nèi)主藥柱即傳爆藥柱，傳爆藥柱輸出爆轟沖擊波以起爆戰(zhàn)斗部主裝藥。引信設(shè)計時初選兩種引信爆炸威力輸出結(jié)構(gòu)模型——圓柱形傳爆藥柱結(jié)構(gòu)的傳爆管Ⅰ和聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆藥柱結(jié)構(gòu)的傳爆管Ⅱ，如圖1和圖2所示。

圖1 圓柱形傳爆管I結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic structure of cylindrical booster

圖2 聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管Ⅱ結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic structure of the booster with shapedcharge indentation structure

引信加強帽裝藥和傳爆藥柱裝藥種類相同，均為JH-14c，但加強帽裝藥密度小于傳爆藥柱密度。加強帽裝藥主要作用是將上級（雷管）爆轟傳至傳爆藥柱，并放大傳輸能量，其功能相當于導爆藥。引信輸出的爆炸威力主要取決于傳爆管輸出的爆炸威力。

2 數(shù)值仿真

2.1 傳爆管鋼凹試驗和鋁凹試驗數(shù)值仿真模型

根據(jù)文獻[4]可知鋼凹試驗法和鋁凹試驗法除了試驗塊材料（分別用20鋼和6A02鋁合金）不同之外，其它諸如尺寸、輔助部件等均相同。因此對這兩種試驗法建立相同仿真模型，建立的簡化有限元1/4仿真模型如圖3～4所示。

圖3 圓柱形傳爆管Ⅰ鋼凹試驗和鋁凹試驗1/4有限元仿真模型Fig.3 A quarter simulation model of the cylindrical booster for steel dent test and aluminum dent test

圖4 聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管Ⅱ鋼凹和鋁凹試驗1/4有限元仿真模型Fig.4 A quarter simulation model of the booster with shaped charge indentation structure for steel dent test and aluminum dent test

圖3～4中傳爆管殼仿真模型是圖1～2中傳爆管殼的簡化模型。利用LS-DYNA仿真?zhèn)鞅芘c鋼塊和鋁塊不同傳爆距離下，傳爆管起爆后試驗塊最大軸向深度情況。以cm·g·μs為基本單位建立仿真模型。圓柱形傳爆藥柱尺寸為φ15.3mm×4.8mm；聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆藥柱外形尺寸也為φ15.3mm×4.8mm，凹穴口部直徑為φ5.9mm，錐角為 90°；鋼塊和鋁塊尺寸均為φ35mm×16mm；傳爆管殼厚度均為0.30mm；傳爆藥柱密度均設(shè)為 1.63g/cm3。傳爆管中圓柱形加強帽裝藥尺寸仿真參數(shù)為定值，如表1所示。

表1 加強帽裝藥相關(guān)參數(shù)Tab.1 Charge parameters of reinforcing cup

鋼凹試驗中鋼塊采用冷拉狀態(tài)的20鋼；鋁凹試驗中鋁塊采用6A02鋁合金；傳爆管殼和加強帽材料均為08鋼。加強帽裝藥和傳爆藥柱均為JH-14c。用炸藥模型“*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN”和狀態(tài)方程定義加強帽裝藥。因為傳爆藥柱依靠加強帽裝藥輸出的沖擊波而起爆，所以需要對傳爆藥柱設(shè)置點火增長模型，因此對其用關(guān)鍵字“*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO”和狀態(tài)方程“*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE”來定義?！癕AT_PLASTIC_KINEMATIC”定義 20鋼、6A02鋁合金和08鋼材料模型，其主要材料參數(shù)如表2所示。根據(jù)文獻[6]可知JH-14c炸藥點火與增長模型參數(shù)，如表3所示。

表2 試驗鋼塊、鋁塊及加強帽、傳爆管殼主要材料參數(shù)[5-6]Tab.2 The main material parameters

表3 JH-14c炸藥點火增長模型材料參數(shù)[7]Tab.3 JH-14C growth model material parameters

2.2 傳爆管鉛板試驗數(shù)值仿真模型

建立鉛板試驗有限元模型時，傳爆管尺寸、裝藥種類和密度、網(wǎng)格劃分和所取單位制均與鋼凹試驗有限元模型相同。傳爆管Ⅰ和傳爆管Ⅱ仿真模型與鋼凹試驗中傳爆管仿真模型相同。傳爆藥柱和加強帽尺寸與材料參數(shù)均與鋼凹試驗仿真模型中相同。參考文獻[7]取鉛板尺寸為φ50mm×6 mm，取鉛板材料為Pb-6，鉛板主要材料仿真參數(shù)如表4所列。建立的鉛板試驗1/4有限元模型如圖5～6所示。

表4 試驗鉛板材料主要仿真參數(shù)[8]Tab.4 Main material simulation parameters of lead disc

圖5 圓柱形傳爆管Ⅰ鉛板試驗1/4有限元仿真模型Fig.5 A quarter simulation model of cylindrical booster for lead disc test

圖6 聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管Ⅱ鉛板試驗1/4有限元仿真模型Fig.6 A quarter simulation model of the booster with shaped charge indentation structure for lead disc test

2.3 仿真驗證結(jié)果

對傳爆管進行了部分鋼凹試驗，圓柱形的傳爆管Ⅰ、聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管Ⅱ起爆后鋼凹變形情況如圖7所示。對應(yīng)的傳爆管鋼凹試驗中鋼凹變形仿真結(jié)果如圖8所示。在傳爆距離為0的情況下，對比相應(yīng)的傳爆管鋼凹試驗結(jié)果與仿真結(jié)果，如表5所示。

圖7 傳爆管爆炸作用下鋼塊變形試驗結(jié)果Fig.7 Steel block morph after booster exploding

圖8 傳爆管起爆后鋼凹形狀的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the steel dent morph after booster exploding

表5 鋼凹深度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比 （mm）Tab.5 Comparison of the simulation result and test result of steel dent depth

將圖7中鋼凹變形試驗結(jié)果與圖8中鋼凹變形仿真結(jié)果進行對比，可以看出仿真得到的鋼凹形狀與試驗所得鋼凹形狀基本一致。從表5可以看出聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管Ⅱ?qū)?yīng)的鋼凹深度試驗結(jié)果大于圓柱形傳爆管Ⅰ對應(yīng)的鋼凹深度試驗結(jié)果，與仿真結(jié)果是一致的；而仿真結(jié)果與試驗結(jié)果略有差異，可能是因為仿真得到的鋼凹深度是某一單元的極值，而這一單元在試驗結(jié)果中是觀測不到的，因此仿真結(jié)果是基本可信的。傳爆管Ⅰ、傳爆管Ⅱ不同傳爆距離下鋼凹試驗和鋁凹試驗對應(yīng)的鋼凹深度和鋁凹深度仿真結(jié)果如表6所示。傳爆管Ⅰ、傳爆管Ⅱ在不同傳爆距離下形成的鉛板炸孔直徑仿真結(jié)果如表7所示。

表6 不同傳爆距離下的鋼凹最大深度和鋁凹最大深度 （mm）Tab.6 Maximum depth of steel dent and aluminum dent under different detonation transmission distance

表7 不同傳爆距離下的鉛板炸孔直徑 （mm）Tab.7 Explosive hole diameter of lead disc under differentdetonation transmission distance

3 結(jié)果分析

根據(jù)表6得到傳爆管I、傳爆管II的鋼凹深度和鋁凹深度隨傳爆距離變化曲線，分別如圖 9和圖 10所示。由表6、圖9～10可以看出，隨著傳爆距離的增大，傳爆管Ⅱ?qū)?yīng)的鋼凹深度和鋁凹深度均對大于傳爆管Ⅰ對應(yīng)的鋼凹深度和鋁凹深度；隨著傳爆距離由0增大到6.4mm，傳爆管Ⅱ?qū)?yīng)的鋼凹深度變化幅度明顯小于傳爆管Ⅰ；隨著傳爆距離由0增大到6.4mm，相同傳爆管對應(yīng)的鋁凹深度變化幅度大于鋼凹深度變化幅度。

圖9 鋼凹深度隨傳爆距離變化曲線Fig.9 Change curve of steel dent depth with detonation transmission distance

圖10 鋁凹深度隨傳爆距離變化曲線Fig.10 Change curve of aluminum dent depth with detonation transmission distance

根據(jù)表7得到傳爆管I、傳爆管II的鉛板炸孔直徑隨傳爆距離變化曲線，如圖11所示。

圖11 鉛板炸孔直徑隨傳爆距離變化曲線Fig.11 Change curve of explosive hole diameter of lead disc with detonation transmission distance

由于傳爆管Ⅱ爆炸后能形成聚能射流，而聚能射流能提高傳爆管軸向爆炸威力，所以其軸向輸出威力大于相同外形尺寸和裝藥密度的傳爆管Ⅰ。例如對于尺寸為φ50mm×6 mm的試驗鉛板，傳爆距離0～0.4 mm時，傳爆管Ⅱ起爆后對應(yīng)鉛板均被破壞掉；而傳爆管Ⅰ在傳爆距離為0和0.1 mm時將鉛板完全破壞，在傳爆距離 0.2mm和 0.4mm時鉛板產(chǎn)生直徑為φ47.08 mm和φ43.52 mm的炸孔。

由表6和表7可以看出隨著傳爆距離的增大，對于相同外徑和高度尺寸的傳爆管Ⅰ、傳爆管Ⅱ，傳爆管Ⅱ比傳爆管Ⅰ軸向輸出的威力大，且傳爆距離對傳爆管Ⅰ輸出的爆炸威力影響較大，而對傳爆管Ⅱ輸出的威力影響較小。因此在裝配傳爆管時應(yīng)嚴格控制圓柱形傳爆管輸出端面與戰(zhàn)斗部的軸向間隙，使其盡可能緊密接觸，而對于聚能凹穴結(jié)構(gòu)的傳爆管與戰(zhàn)斗部的裝配間隙要求相對較低。

對比鋼凹試驗法、鋁凹試驗法和鉛板試驗法仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著傳爆距離由0增大到6.4 mm時，鋼凹深度最大變化幅度為64.8%，鋁凹深度最大變化幅度為68.3%，大于鋼凹深度變化幅度，而鉛板存在完全被破壞的情況；又因為試驗結(jié)果對傳爆距離比較敏感，所以工程上在進行傳爆管爆炸威力評定試驗時應(yīng)使傳爆管與試驗塊緊密接觸；在評定不同傳爆距離對傳爆管輸出的爆炸威力時，為便于分析傳爆距離變化對威力的影響，應(yīng)優(yōu)選鋁凹試驗法。

4 結(jié)論

（1）在戰(zhàn)斗部裝配圓柱形傳爆管時，為提高戰(zhàn)斗部起爆可靠性，要控制傳爆管輸出端面與戰(zhàn)斗部的軸向間隙，使其輸出端面盡可能緊靠戰(zhàn)斗部主裝藥輸入端或者使兩者間隙盡可能小。而裝配聚能凹穴結(jié)構(gòu)傳爆管時，不需要特別控制輸出端面與戰(zhàn)斗部的間隙。

（2）將圓柱形傳爆管設(shè)計成聚能凹穴結(jié)構(gòu)的傳爆管能顯著提高其軸向輸出威力。

（3）評定圓柱形傳爆管威力試驗時，鋼塊、鋁塊或鉛板與傳爆管輸出端的軸向距離對其結(jié)果會有較大影響，在進行質(zhì)量一致性評定試驗時應(yīng)予以注意。

（4）相比于鋼凹試驗法和鉛板試驗法，鋁凹試驗法結(jié)果更易于對比分析。因此工程上在評定不同傳爆距離下傳爆管爆炸威力試驗時，應(yīng)優(yōu)選鋁凹試驗法。

[1]胡立雙,胡雙啟,曹雄,等.異形傳爆藥柱的起爆能力[J].爆炸與沖擊,2013,33(2):207-211.

[2]魏曉安,王澤山,楊慧群.裝藥間隙及填充物對炸藥爆轟性能的影響[J].含能材料,2006,14(4):241-243.

[3]楊慧群,王澤山,魏曉安.裝藥中的不同間隙對炸藥爆轟性能的影響[J].含能材料,2005,13(4):214-216.

[4]GJB 5309-2004火工品試驗方法[S].北京:國防科學技術(shù)工業(yè)委員會,2004.

[5]《工程材料實用手冊》編輯委員會編.工程材料實用手冊（第二版第1卷·結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼）[M].北京：中國標準出版社，2001.

[6]《中國航空材料手冊》編輯委員會編.中國航空材料手冊（第二版第3卷·鋁合金鎂合金）[M].北京:中國標準出版社,2001.

[7]張磊.機場跑道反封鎖彈藥技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學,2013.

[8]《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會.機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995.