李燕華, 李 元, 李曉剛, 熊詩輝, 溫玉全

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081)

1 引 言

爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)是由零門和其他爆炸線路組成的具有邏輯判斷和運算功能的爆炸網(wǎng)絡(luò),它采用類似數(shù)字電路的方法實現(xiàn)了爆炸的邏輯功能,其特點有：第一,自選擇性,用內(nèi)部邏輯的判斷實現(xiàn)輸出方式的選擇; 第二,少輸入多輸出性,可以減少保險機構(gòu)的數(shù)量; 第三,抗干擾性,炸藥通道不受外界電磁環(huán)境的影響。爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)在引信保險與解保機構(gòu)、火箭發(fā)動機的安全程控點火以及定向戰(zhàn)斗部的定向起爆控制等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

爆炸零門是指能夠切斷或破壞爆轟通道裝藥,從而關(guān)閉爆轟傳播通道的爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)元件。通常為T字型結(jié)構(gòu),主要包括間隙零門、接觸零門、拐角效應(yīng)零門三種類型[1]。它是組成爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)元件,其作用的可靠性直接影響爆炸網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

為了提高爆炸零門的作用可靠性,很多學(xué)者對此開展了研究,取得了一定效果[2-8]。但隨著網(wǎng)絡(luò)小型化的發(fā)展趨勢,網(wǎng)絡(luò)裝藥尺寸的大幅減小,接近其極限尺寸,傳統(tǒng)爆炸零門的可靠性大幅降低,難以滿足要求。主要存在以下問題：拐角效應(yīng)零門,可靠性差,無明顯可靠性窗口; 接觸零門可靠性較高,但零門的關(guān)閉時間較長,不利于網(wǎng)絡(luò)的小型化設(shè)計; 傳統(tǒng)間隙零門可靠性較高,但可靠性窗口窄,不利于加工及裝藥[6]。為此,溫玉全等[6]對傳統(tǒng)間隙零門做了改進設(shè)計,在零門交叉處前方設(shè)計一個泄爆方槽,避免了沖擊波對裝藥的壓實作用能使通道裝藥被快速破壞,在一定程度上提高了間隙零門作用可靠性,但依然存在間隙厚度可靠性窗口窄的問題。如果能通過一定方式弱化零門間隙的結(jié)構(gòu)強度,使得較小的沖擊波壓力也能快速打開間隙,阻斷信息通道爆轟波傳播,則能進一步提高間隙厚度的可靠性窗口?；谶@一思想,文獻[8]提出在傳統(tǒng)間隙零門的間隙處增設(shè)圓孔空氣隙,獲得了一種新型的間隙弱化零門,實驗表明此類爆炸零門的間隙厚度的可靠性窗口得到了提高,但未對其機理進行分析。

為了探究此種間隙弱化零門的作用機理,得到其間隙厚度的可靠性窗口,本研究借助ANSYS/LS-DYNA軟件對其進行了三維數(shù)值模擬。利用沖擊起爆理論和點火與成長爆轟模型,對比分析傳統(tǒng)間隙零門和弱化間隙零門中的沖擊波壓力衰減規(guī)律,并對仿真模擬結(jié)果進行了實驗驗證。本研究在有效降低試驗成本的同時能夠為爆炸零門間隙結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計提供依據(jù)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 物理模型

兩種間隙零門的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)間隙零門是一個四特征參數(shù)零門,特征參量為溝槽尺寸d、間隙厚度H、方槽與裝藥溝槽間距l(xiāng)、方槽尺寸m×n×d。新型的間隙弱化零門除具有傳統(tǒng)間隙零門的特征參量外,圓孔空氣隙尺寸φ也是重要的特征參量。本研究主要是對間隙厚度H的可靠性窗口進行分析,故固定其它特征參量,裝溝槽尺寸均為0.8 mm×0.8 mm,方槽與裝藥溝槽間距為0.1 mm,泄爆方槽的長寬深分別為4 mm、2 mm和0.8 mm,圓孔空氣隙尺寸為Φ0.6 mm×0.8 mm。約束材料為LY-12硬鋁,溝槽裝藥均為以HMX為基的某型標準傳爆藥,裝藥密度為1.77 g·cm-3。

a. traditional gap null gate b. weak gap null gate

圖1 傳統(tǒng)間隙零門和間隙弱化零門的物理模型

Fig.1 Physical models of traditional and weak gap null gate

2.2 計算模型

采用ANSYS/LS-DYNA的多物質(zhì)流固耦合算法進行計算,溝槽裝藥采用Euler網(wǎng)格,蓋板和基板采用Lagrange網(wǎng)格。空氣設(shè)置無反射邊界,并采用體積粘度和沙漏控制。在控制通道初始端設(shè)置起爆點來實現(xiàn)爆轟波的輸入,數(shù)值模擬過程采用cm-g-us單位制。按圖1所述物理模型建立數(shù)值計算模型,兩種間隙零門的計算模型如圖2所示。

a. traditional gap null gate b. weak gap null gate

圖2 傳統(tǒng)間隙零門和間隙弱化零門的數(shù)值模型

Fig.2 Numerical models oftraditional and weak clearance null gate

2.3 材料模型及狀態(tài)方程

約束材料LY-12鋁合金為應(yīng)變率無關(guān)材料,選用塑性隨動硬化材料模型,失效應(yīng)變?nèi)?.77[9]。控制通道裝藥采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程[10],參數(shù)選取參見文獻[11]。信息通道的炸藥采用點火增長模型,除利用JWL狀態(tài)方程來描述未反應(yīng)炸藥和反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)外,還引入了一個描述炸藥受沖擊反應(yīng)的反應(yīng)速率方程[12]：

0

(1)

式中,F是炸藥的反應(yīng)質(zhì)量分數(shù)(F=0表示沒有反應(yīng),F=1表示反應(yīng)完成),t為反應(yīng)時間,μs；P為壓力,GPa；I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z、Figmax、FG1max、FG2min為常數(shù)。參數(shù)a是阻止點火的臨界壓縮度,I、x是控制起爆的參量,G1、d控制點火后反應(yīng)的早期增長,G2、z確定高壓反應(yīng)速率。本研究所用網(wǎng)絡(luò)裝藥組分與LX-10接近,故參數(shù)選取參考文獻[12],具體參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)裝藥的點火增長模型參數(shù)(=1.77 g·cm-3)

Table 1 Ignition and Growth model parameter of network charge (=1.77 g·cm-3)

unreactedJWLEOSproductJWLEOSreactionrateparametersA=952200GPaA=722.4GPa I=7.43×1011μs-1B=-5.944GPaB=9.02GPa a=0.667R1=14.1R1=4.6 b=0R2=1.41R2=1.3 x=20w=0.8867w=0.38 Figmax=0.3Cv=2.7813×10-3GPa/KCv=1×10-3GPa/K G1=120GPa-2·μs-1T0=298KE0=10.2GPa c=0.667shearmodulus=5.0GPa d=0.333yieldstrength=0.2GPa y=2 FG1max=0.5 G2=400GPa-2·μs-1 e=0.333 z=2 g=1 FG2min=0.5

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.4.1 傳統(tǒng)間隙零門模擬結(jié)果

傳統(tǒng)間隙零門的間隙厚度為0.6 mm時,爆轟波傳播路徑上單元的壓力曲線如圖3所示。從圖3中看出,控制通道裝藥形成穩(wěn)定爆轟波的壓力約為18.8 GPa,在t=1.44 μs時,沖擊波傳播到零門間隙,受到間隙零門金屬鋁阻擋開始衰減,單元E、F、G、H、I、J的壓力值依次為16.9、14.4、12.7、11.1、9.17、6.04 GPa。從圖3可以看出,金屬鋁對沖擊波的衰減作用明顯,經(jīng)過0.6 mm間隙后,沖擊波的壓力降為6.04 GPa,低于網(wǎng)絡(luò)用藥的起爆閾值6.45 GPa,不能起爆信息通道裝藥。傳統(tǒng)間隙零門的作用過程見圖4,爆轟波在1.46 μs時開始進入零門間隙,3.5 μs左右時,爆轟波已經(jīng)通過間隙并且完全打斷間隙,零門功能實現(xiàn)。

圖3 傳統(tǒng)間隙零門爆轟波傳播路徑上單元的壓力曲線

Fig.3 Pressure curves of several elements in detonation wave propagation path of traditional gap explosive null gate

a.t=1.4296 μs b.t=1.4584 μs

c.t=2.8097 μs d.t=3.4045 μs

圖4 傳統(tǒng)間隙零門作用過程

Fig.4 Action process of traditional gap explosive null gate

當(dāng)間隙厚度為0.5 mm時,通過零門后的沖擊波的壓力為8.06 GPa,大于網(wǎng)絡(luò)用藥的起爆閾值,信息通道裝藥被起爆,見圖5。當(dāng)厚度達到0.8 mm時,沖擊波壓力低于4.70 GPa,不會引爆信息通道裝藥,但間隙強度太大,間隙沒有打開,不能阻斷信息通道爆轟波傳播。由此得出本間隙零門以間隙厚度表征的可靠性窗口為: 0.6～0.7 mm。

從以上模擬可以看出,減小間隙厚度,到達信息通道裝藥的沖擊波壓力過大,易引爆裝藥; 增加間隙厚度,沖擊波壓力減低,但間隙強度過大無法切斷零門。因此,傳統(tǒng)間隙零門的可靠性窗口很窄,需要對其進行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 間隙厚度為0.5 mm的作用效果

Fig.5 Performance for traditional gap explosive null gate in 0.5 mm gap

2.4.2 間隙弱化零門模擬結(jié)果

以傳統(tǒng)間隙零門為基礎(chǔ),適當(dāng)增加間隙厚度,并在間隙中心處設(shè)計一個Φ0.6 mm×0.8 mm的圓形孔,在降低沖擊波壓力的同時弱化間隙強度,獲得了間隙弱化的新型零門。以間隙總厚度0.8 mm為例,當(dāng)爆轟波穩(wěn)定傳播至零門,首先通過鋁介質(zhì),然后通過空氣隙,最終通過鋁介質(zhì)衰減到達信息通道裝藥。在此過程中,鋁惰性介質(zhì)被推沖變形破壞,切斷被發(fā)裝藥,實現(xiàn)零門的關(guān)閉功能。此沖擊過程如圖6所示。

a.t=1.4392 μs b.t=1.65 μs

c.t=2.5797 μs d.t=4.0999 μs

圖6 間隙弱化零門作用過程

Fig.6 Action process of improved weak gap explosive null gate

爆轟波傳播路徑上單元的壓力變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出,爆轟波到達零門前已穩(wěn)定在18.8 GPa左右,達到零門并進入惰性介質(zhì)后沖擊波壓力迅速下降,零門間隙處前后兩個單元E、F的壓力值分別為17.2 GPa和3.45 GPa。由此可見,傳遞至信息通道裝藥的沖擊波壓力已遠低于其起爆閾值,信息通道裝藥不會被起爆,安全地實現(xiàn)零門關(guān)閉功能。

圖7 間隙弱化零門爆轟波傳播路徑上單元的壓力曲線

Fig.7 Pressure curves of several elements in detonation wave propagation path of weak gap explosive null gate

2.4.3 仿真結(jié)果統(tǒng)計及分析

通過一系列仿真,得到傳統(tǒng)間隙零門和間隙弱零門的仿真結(jié)果,分別見表2和表3。

表2 傳統(tǒng)間隙零門的仿真結(jié)果

Table 2 Simulation results of the traditional gap null gate

H/mmp/GPacutoffdetonationofsignalcharge0.48.06YesYes0.57.03YesYes0.66.04YesNo0.75.32YesNo0.84.70NoNo0.94.11NoNo1.03.65NoNo

Note:His gap thickness;pis shock wave pressure through gap.

表3 間隙弱化零門的仿真結(jié)果

Table 3 Simulation results of the weak gap null gate

H/mmp/GPacutoffdetonationofsignalcharge0.74.58YesNo0.83.45YesNo0.92.46YesNo1.01.98YesNo1.11.41NoNo

Note:His gap thickness;pis shock wave pressure through gap.

從表2和3可以看出,通過兩種零門后的沖擊波壓力都隨著間隙厚度的增加而降低。但當(dāng)間隙總厚度相同時,沖擊波通過間隙弱化零門后的壓力的小于傳統(tǒng)間隙零門后的壓力。這說明增設(shè)圓孔空氣隙能有效加速沖擊波的衰減,防止信息通道裝藥被起爆; 同時還能使零門結(jié)構(gòu)強度減弱、易于變形,利于零門實現(xiàn)關(guān)閉功能。零門間隙厚度窗口由原來的0.6～0.7 mm提高為0.7～1.0 mm。

3 試驗研究

為了驗證仿真結(jié)果,考核零門的作用效果,以傳統(tǒng)間隙零門和間隙弱化零門為基本元件,組合設(shè)計加工了異步與門,相關(guān)材料與尺寸與仿真模型相同,如圖8所示。在異步與門中,I1、I2為兩個獨立的輸入端,S為三通,N1、N2為間隙零門,O為輸出端。若考核N1零門的作用效果,則單獨從I1端輸入爆轟波,爆轟波首先沿直線SN2N1傳播到N1,切斷零門N1處的裝藥,此時爆轟波經(jīng)SMN1拐彎傳播到N1時中止,O端無輸出。同理,若考核N2零門作用效果,則I2端先輸入爆轟波,一定時間后I1端輸入的爆轟波才到N2處,此時零門N2已經(jīng)打開,SN2N1間的裝藥被破壞,爆轟波只能沿三通S拐彎傳播,O端有輸出。

圖8 異步與門的裝藥效果圖

Fig.8 Charge photo of asynchronous AND gate

用36#電雷管分別以單輸入和雙輸入模式起爆異步與門,爆轟試驗效果如圖9所示,從圖9可以看出,當(dāng)單獨I1點起爆時,零門N1關(guān)閉,輸出端O沒有爆轟波輸出; 當(dāng)雷管先從I2起爆,關(guān)閉零門N2,然后從I1起爆,爆轟波繞行SMN1經(jīng)N1輸出爆轟波。

根據(jù)不同的輸入模式,觀察溝槽裝藥爆轟傳播及輸出端的輸出情況,考核間隙零門是否成功作用。兩種間隙零門的試驗結(jié)果統(tǒng)計見表4和表5。

從表4可以看出,傳統(tǒng)間隙零門的間隙厚度在0.6 mm以下時,信息通道裝藥易被沖擊起爆,成功率較低; 間隙厚度在0.6～0.7 mm時,所有零門成功作用; 間隙厚度在0.8 mm以上時,零門難以切開,零門的成功率較低。

a. Single-input

b. Double-input

圖9 異步與門的測試效果圖

Fig.9 Experimental effect photo of asynchronous AND gate

表4 傳統(tǒng)間隙零門試驗結(jié)果

Table 4 Experimental results of the traditional gap null gate

gapthicknessH/mmtotalnumbersucceededfailedsuccessrate/%0.430030 00.530624 200.630300 1000.730300 1000.830822 26.70.930228 6.7

表5 間隙弱化零門試驗結(jié)果

Table 5 Experimental results of the weak gap null gate

gapthicknessH/mmtotalnumbersucceededfailedsuccessrate/%0.7303001000.8303001000.9303001001.0303001001.130246801.230181260

從表5可以看出,間隙弱化零門的間隙厚度在0.7～1.0 mm時,所有零門成功作用; 間隙厚度在1.1 mm以上時,成功率降低,但依然高于50%。由此可以看出,增設(shè)圓孔空氣隙既能弱化間隙強度也能避免起爆信息通道裝藥,明顯提高了間隙零門的可靠性。

4 結(jié) 論

(1) 仿真結(jié)果表明,通過增設(shè)圓形空氣隙弱化了零門間隙,既能使得間隙惰性介質(zhì)更易變形破壞,也能有效加速沖擊波的衰減,防止信息通道裝藥的誤爆,有利于零門實現(xiàn)關(guān)閉功能; 在裝藥尺寸為0.8 mm×0.8 mm條件下,零門間隙厚度窗口從0.6～0.7 mm提高為0.7～1.0 mm。

(2) 試驗結(jié)果表明,在傳統(tǒng)間隙零門上增設(shè)圓形空氣隙有利于零門功能的實現(xiàn),此結(jié)構(gòu)可以作為基礎(chǔ)元件用以組網(wǎng)。

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