王 鋒，王 保，董 靜，馮成良，劉俞平

(1.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760； 2.空軍駐西南地區(qū)軍事代表室， 重慶 402760)

隨著重要軍事目標(biāo)的堅固化和地下化，使侵徹彈技術(shù)成為彈藥領(lǐng)域的一個重要研究方向，越來越引起世界各國的高度重視。國內(nèi)外學(xué)者在侵徹彈技術(shù)研究中，除首先重點(diǎn)關(guān)注侵徹能力指標(biāo)評價侵徹彈性能外，爆炸威力也常常作為所關(guān)注的一個重要指標(biāo)。

沖擊波超壓是侵徹彈爆炸產(chǎn)生的重要?dú)蛩刂?，因此對侵徹彈在?nèi)的各種爆炸物進(jìn)行爆炸威力評估時，普遍認(rèn)同和采用沖擊波超壓測試。通過沖擊波超壓的測試不但可以直觀了解爆炸的作用力，還可以得到侵徹彈的有效TNT當(dāng)量，這是衡量爆炸威力的重要參數(shù)[1]。因此沖擊波超壓測量的準(zhǔn)確性直接影響到侵徹彈爆炸威力的評估和方案設(shè)計優(yōu)選。而爆炸場三波點(diǎn)的規(guī)律對爆炸沖擊波壓力場分布研究以及測量又具有重要意義和影響，因此研究侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)的規(guī)律特性顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對爆炸場三波點(diǎn)以及三波點(diǎn)對超壓測試的影響已開展了研究，但大部分研究基于裸裝炸藥或是壁厚較薄、長徑比較小的彈藥，其中許多研究對象為小藥量。由于彈體結(jié)構(gòu)不同(侵徹彈與普通彈藥相比，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是：彈材要求更嚴(yán)格；頭部厚度明顯增加；殼體壁厚明顯增加，長徑比較大)[2]，侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)與裸裝炸藥以及接近球形裝藥的薄壁彈藥爆炸場的三波點(diǎn)存在差異。

1 三波點(diǎn)

圖1為炸藥在地面附近爆炸時空氣壓力場的分布示意圖。由圖1可見，炸藥爆炸時產(chǎn)生的沖擊波以球形向外傳播，A為入射沖擊波以球面波的形式向外傳播，B為入射沖擊波與地面接觸，從交界面產(chǎn)生的反射波。當(dāng)入射沖擊波向外擴(kuò)展時，從地面產(chǎn)生的反射波也向上擴(kuò)展，與入射沖擊波在爆心地面投影附近的地面匯合。當(dāng)入射沖擊波進(jìn)一步擴(kuò)展時，反射波與入射波的交點(diǎn)C已經(jīng)離開了地面，此時在B、C、D、E的下方形成了一個向水平方向推進(jìn)的新激波——馬赫波。B、C、D、E是入射波、反射波和馬赫波的交點(diǎn)，稱為三波點(diǎn)[3-5]。

2 數(shù)值模型建立

2.1 計算模型

侵徹彈中心離地面高度h,設(shè)為尾端起爆。設(shè)置地面為剛性邊界，其余方向為流動邊界。侵徹彈裝填炸藥為TNT，藥量200 kg；侵徹彈頭部為卵形，厚200 mm，彈身為圓柱形，彈體壁厚25 mm；侵徹彈長徑比4.5，殼體材料為高強(qiáng)合金鋼。

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

炸藥采用JWL狀態(tài)方程：

(1)

式中：P為爆轟壓力；V是相對體積；E為單位體積內(nèi)能；A、B、R1、R2和ω為試驗確定的常數(shù)。炸藥密度ρ為1 600 kg/m3，爆速D為6 390 m/s，壓力PCJ為21 GPa。TNT炸藥模型材料參數(shù)見表1[6-8]。

表1 TNT炸藥模型材料參數(shù)

空氣采用Ideal Gas狀態(tài)方程描述。即：

P=(γ-1)ρe+Pshift

(2)

其中：γ為理想氣體常數(shù)，ρ為密度，Pshift為初始壓強(qiáng)，e為內(nèi)能。表2給出了具體的空氣材料參數(shù)[9]。

表2 空氣材料參數(shù)

彈體材料采用Gruneisen狀態(tài)方程描述，對于受到?jīng)_擊載荷作用的情況，可用Gruneisen狀態(tài)方程來計算可壓縮材料的壓力：

(γ0+aμ)E

(3)

材料在膨脹時的狀態(tài)方程為P=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E。式中，C為殼體材料參數(shù)；S1、S2、S3、γ0為Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)；E為殼體材料單位體積內(nèi)能；a是對γ0的一階體積的修正量；μ=(ρ/ρ0)-1。彈體材料參數(shù)見表3[10]。

表3 彈體材料參數(shù)

3 計算結(jié)果及分析

1) 侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)形成過程

圖2表示不同時刻沖擊波壓力場分布，由圖2可見不同時刻沖擊波壓力場分布可明顯看出侵徹彈空氣中爆炸時沖擊波傳播及反射過程：(1)在爆炸初期，炸藥內(nèi)部爆轟波由尾部起爆點(diǎn)向整個彈體擴(kuò)展，逐步破壞戰(zhàn)斗部周向殼體，在空氣中形成一定強(qiáng)度沖擊波；(2)由于戰(zhàn)斗部前端殼體較厚，對爆轟產(chǎn)物膨脹過程約束較強(qiáng)，加上裝藥結(jié)構(gòu)及起爆點(diǎn)影響，沖擊波以扁平的橢球體形狀向外擴(kuò)展傳播；(3)橢球型沖擊波向下傳播與剛性地面接觸形成反射波；(4)在沖擊波傳播達(dá)到一定距離時，形成具有一定強(qiáng)度馬赫反射波。入射沖擊波、正規(guī)反射沖擊波和馬赫反射波在一定高度交匯，形成三波點(diǎn)。

2) 三波點(diǎn)位置對沖擊波超壓測試的影響

圖3為三波點(diǎn)以上沖擊波超壓歷時曲線，圖4為三波點(diǎn)以下沖擊波超壓歷時曲線。由圖3和圖4可以看出，當(dāng)沖擊波超壓測試點(diǎn)位于三波點(diǎn)以上時，會存在入射沖擊波和反射沖擊波兩個峰值超壓(其中前者為入射沖擊波超壓，后者為反射沖擊波超壓)，值超壓相對較低；當(dāng)沖擊波超壓測試點(diǎn)位于三波點(diǎn)以下時，沖擊波超壓歷時曲線僅存在一個峰值超壓，峰值超壓大于相同距離處入射沖擊波超壓。計算結(jié)果表明，馬赫反射能夠顯著提高沖擊波的超壓。因此，為保證侵徹彈爆炸沖擊波參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)將測試點(diǎn)置于侵徹彈三波點(diǎn)以上位置。

3) 侵徹彈三波點(diǎn)位置與其他彈藥的不同

圖5所示為三波點(diǎn)高度與水平距離的關(guān)系曲線，由圖5可以看出，相對于同藥量的裸裝炸藥或薄壁彈藥，侵徹彈三波點(diǎn)的位置高度相對要低。這是由于侵徹彈殼體壁厚較厚，其爆炸能量一部分用于消耗在殼體破碎，致使沖擊波強(qiáng)度與同藥量裸裝炸藥或薄壁彈藥爆炸時的沖擊波強(qiáng)度相比較低，又由于厚壁殼體的約束，導(dǎo)致侵徹彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波陣面碰到地面后發(fā)生發(fā)射的時間較裸裝炸藥或薄壁彈藥滯后，而反射沖擊波的角度依賴于入射沖擊波的強(qiáng)度和入射角，因此侵徹彈的反射沖擊波角度相對于裸裝炸藥或薄壁彈藥較小，最終導(dǎo)致侵徹彈三波點(diǎn)的位置高度低于同藥量的裸裝炸藥和薄壁彈藥。

由沖擊波壓力場分布圖還可以看出，裸裝炸藥或薄壁彈藥爆炸后形成的初始沖擊波形狀為圓球形(參見圖6)，而侵徹彈由于頭部形狀、殼體壁厚、裝藥結(jié)構(gòu)等影響，其爆炸后形成的初始沖擊波形狀并非為標(biāo)準(zhǔn)圓球形，而是壓扁的橢球型，在同一爆心處，侵徹彈的三波點(diǎn)高度要低于裸裝炸藥或薄壁彈藥。

4) 侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)軌跡

通過分析不同時刻沖擊波壓力場分布，可以得到爆炸場不同距離處三波點(diǎn)高度。

當(dāng)侵徹彈在一定炸高爆炸時，三波點(diǎn)高度隨傳播距離的增加逐漸升高。當(dāng)傳播距離小于某一值時，沖擊波反射以正規(guī)反射為主，當(dāng)距離大于該值時，逐漸發(fā)生馬赫反射現(xiàn)象。

當(dāng)侵徹彈在不同炸高爆炸時，同一傳播距離處，三波點(diǎn)高度隨炸高的增加而降低。圖7所示為不同炸高(1.6 m、2 m、2.4 m)時侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)高度與傳播距離的關(guān)系曲線。

4 結(jié)論

1) 由于侵徹彈結(jié)構(gòu)和起爆位置影響，其爆炸后形成的初始沖擊波形狀并非為標(biāo)準(zhǔn)圓球形，而是扁橢球型，距爆心一定距離處的三波點(diǎn)位置高度低于同藥量的裸裝炸藥或球型裝藥、中心起爆的彈藥。

2) 隨傳播距離的增加，侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)位置高度逐漸升高；距爆心同一距離處，侵徹彈三波點(diǎn)位置高度隨炸高的增高而降低。

3) 侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)位置高度以下的馬赫反射能夠提高沖擊波的超壓。

4) 本文對侵徹彈爆炸場三波點(diǎn)位置高度研究可為侵徹彈三波點(diǎn)位置高度預(yù)測以及沖擊波超壓測試提供借鑒和參考。

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