趙玉清，靳朝陽(yáng)，李建強(qiáng)，莫安華，劉友紅

(豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司， 河南 南陽(yáng) 473000)

不敏感彈藥是新發(fā)展的常規(guī)彈藥，不敏感彈藥受外界的加熱、撞擊、彈藥攻擊等激烈刺激表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，大大降低了由于事故或外界激發(fā)對(duì)作戰(zhàn)人員和武器裝備的破壞，特別是減少了由于小事故而引發(fā)災(zāi)難性事故的危險(xiǎn)。不敏感彈藥可以大大提高作戰(zhàn)人員、武器裝備的生存能力，降低對(duì)存儲(chǔ)、運(yùn)輸、維護(hù)的需求，減輕后勤保障的壓力。

1991年，美國(guó)制定了不敏感彈藥軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL—STD—2105A(海軍)，現(xiàn)已完善形成MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》。20世紀(jì)90年代初，國(guó)際上逐漸形成了公認(rèn)的不敏感彈藥的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)程序，其評(píng)價(jià)測(cè)試方法主要有：美國(guó)MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》和STANG4439《不敏感彈藥評(píng)估和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。

不敏感彈藥低易損試驗(yàn)項(xiàng)目包括快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、射流撞擊、殉爆反應(yīng)和熱碎片撞擊試驗(yàn)。其中進(jìn)行射流撞擊和熱碎片撞擊試驗(yàn)需要有標(biāo)準(zhǔn)的射流源，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的射流源，所以，需要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)射流源，為我們國(guó)家制定不敏感彈藥低易損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提供支撐。

1 低易損試驗(yàn)簡(jiǎn)介

美國(guó)在低易損(鈍感)彈藥(IM)研究方面處于世界領(lǐng)先地位。目前，國(guó)際上已形成了較完備的低易損彈藥試驗(yàn)體系。以美軍MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》和北約STANAG4439《不敏感彈藥評(píng)估和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》為總綱，以北約AOP-39《不敏感彈藥的研制、評(píng)估和試驗(yàn)指南》為執(zhí)行文件，以STANAG單項(xiàng)試驗(yàn)程序?yàn)榫唧w說(shuō)明的標(biāo)準(zhǔn)體系，適用范圍包括所有非核彈藥(即裝備好的導(dǎo)彈、火箭、煙火裝置)、彈藥子系統(tǒng)(如戰(zhàn)斗部、引信、彈藥驅(qū)動(dòng)裝置、推進(jìn)裝置、安全和解保裝置等)和其他爆炸裝置[1]。下面介紹用到標(biāo)準(zhǔn)射流源的北約STANAG4439和美軍MIL—STD—2105D兩項(xiàng)低易損試驗(yàn)。

1.1 射流撞擊試驗(yàn)

1.1.1北約STANAG4526聚能射流撞擊試驗(yàn)

聚能射流撞擊試驗(yàn)用于模擬彈藥在儲(chǔ)運(yùn)和戰(zhàn)備狀態(tài)下受到聚能射流沖擊反應(yīng)程度。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序1中試樣受直徑為50 mm射流彈或具有相同V2d值戰(zhàn)斗部的射流沖擊。程序2(特定試驗(yàn))中由威脅危險(xiǎn)評(píng)估決定聚能射流戰(zhàn)斗部類(lèi)型。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，射流速度的平方和射流直徑的乘積(V2d)與射流沖擊強(qiáng)度呈正比關(guān)系。為了便于北約各成員國(guó)之間的信息交換，STANAG 4526給出了4種標(biāo)準(zhǔn)的威脅類(lèi)型，如表1所列。

表1 銅藥型罩射流的標(biāo)準(zhǔn)化V2d值

通常為了實(shí)現(xiàn)理想的V2d值，可在射流彈和試驗(yàn)彈藥間安裝調(diào)節(jié)板以改變射流速度。采用調(diào)節(jié)板，在極小的情況下會(huì)產(chǎn)生碎片，產(chǎn)生的碎片將影響試樣反應(yīng)，故為減小碎片對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證試樣與調(diào)節(jié)板間的距離為射流直徑的2倍。為準(zhǔn)確評(píng)估試樣的反應(yīng)，應(yīng)根據(jù)碎片類(lèi)型和速度決定采用何種材料的見(jiàn)證板，如對(duì)鋼制殼體的大型彈藥至少使用25 mm厚的鋼見(jiàn)證板，而對(duì)鋁制殼體或薄的鋼制殼體使用鋁見(jiàn)證板即可。試驗(yàn)時(shí)射流距離由危險(xiǎn)評(píng)估程序決定，考慮到試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性和可比較性，一般要求射流距離能夠保證射流微粒在遇到試樣的含能材料前不會(huì)碎化。

1.1.2美軍MIL—STD—2105D中的聚能射流撞擊試驗(yàn)[2]

按照STANAG4526,程序2進(jìn)行此試驗(yàn)[3],并使用81毫米精密空心裝藥射流源，裝藥為 LX-14 炸藥,使用見(jiàn)證板。

1.1.3聚能射流撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議

建議聚能射流撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照北約STANAG4526聚能射流撞擊試驗(yàn)程序制定。因?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)上來(lái)自小型火箭筒和槍榴彈的危險(xiǎn)更多，美軍研制了小型射流源[4]。建議聚能射流撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案如下。

1) 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

考核彈藥受到聚能裝藥射流沖擊時(shí)的反應(yīng)情況。

2) 試驗(yàn)設(shè)備及布置

試驗(yàn)布置如圖1所示，試樣采用水平放置和豎直放置兩種方式，射流中心分別對(duì)準(zhǔn)試樣的柱面中心和端面中心。

見(jiàn)證板布置如圖1所示，分別布置在試樣底部——底見(jiàn)證板5和側(cè)面——側(cè)見(jiàn)證板2。

1.試樣；2.側(cè)見(jiàn)證板；3.壓力傳感器；4.墊塊；5.底見(jiàn)證板；6.基板；7.射流源；8.標(biāo)準(zhǔn)隔板；9.炸高管

圖1 射流試驗(yàn)布置示意圖

超壓測(cè)量系統(tǒng)：采用壁面超壓傳感器測(cè)量系統(tǒng)(由壁面超壓傳感器、放大器和數(shù)字示波器組成)，測(cè)量試樣反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的超壓數(shù)值。壓力傳感器量程0～0.35 MPa。數(shù)據(jù)采集器采樣率1 kHz。

標(biāo)準(zhǔn)射流源北約為50 mm標(biāo)準(zhǔn)射流源，口徑為50 mm，其V2d要求>360 mm3/μs2。

使用高速攝像機(jī)拍攝圖像記錄試樣反應(yīng)過(guò)程，為評(píng)估試樣反應(yīng)程度提供輔助信息。

試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定：試驗(yàn)后通過(guò)見(jiàn)證板的破壞程度以及沖擊波超壓測(cè)量結(jié)果判斷試樣反應(yīng)類(lèi)型，試驗(yàn)不發(fā)生比燃燒更劇烈的反應(yīng)為合格[5]。

1.2 熱碎片撞擊試驗(yàn)

熱碎片撞擊試驗(yàn)是為了考核彈藥受到來(lái)自裝甲后面的熱碎片的攻擊的響應(yīng)。北約標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。美軍MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》的熱碎片撞擊試驗(yàn)規(guī)定如下：

標(biāo)準(zhǔn)射流源口徑為81 mm，在炸高147 mm，射流穿透25 mm厚的均值軋制鋼靶板后產(chǎn)生熱碎片，在6 450 mm2試樣面積上至少有4個(gè)熱破片來(lái)撞擊被測(cè)樣品，(總計(jì)達(dá)到40個(gè)碎片)。

建議參照美軍MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》制定熱碎片撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。熱碎片撞擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案如下[6]。

試驗(yàn)?zāi)康模簾崴槠矒粼囼?yàn)是用來(lái)測(cè)定彈藥對(duì)熱碎片撞擊的響應(yīng)。

試驗(yàn)設(shè)備及布置如圖2所示。

圖2 熱碎片撞擊試驗(yàn)布置示意圖

標(biāo)準(zhǔn)射流源：標(biāo)準(zhǔn)射流源口徑為81 mm，在炸高147 mm，射流穿透25 mm厚的均值軋制鋼靶板后產(chǎn)生熱碎片，在6 400 mm2試樣面積上至少有4個(gè)熱破片來(lái)撞擊被測(cè)樣品(總計(jì)達(dá)到40個(gè)碎片)。防護(hù)板采用6～25 mm的Q235鋼制作。擋板采用25 mm厚的均質(zhì)鋼板制成。見(jiàn)證板：底見(jiàn)證板采用6 mm厚的Q235鋼板，尺寸200 mm×200 mm。

試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定：試驗(yàn)后通過(guò)見(jiàn)證板的破壞程度以及沖擊波超壓測(cè)量結(jié)果判斷試樣反應(yīng)類(lèi)型，試驗(yàn)不發(fā)生比燃燒更劇烈的反應(yīng)為合格。

2 國(guó)內(nèi)外射流源介紹

2.1 國(guó)內(nèi)外射流源介紹

2.1.1某單位A型射流源介紹

文獻(xiàn)[7]介紹了他們研制的射流源。研制目的是為了比較各種炸藥的射流感度,研制能量輸出穩(wěn)定的射流源,即穩(wěn)定的射流頭部速度和直徑。通過(guò)多次試驗(yàn),研制出了射流頭部速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小 于1.5%的穩(wěn)定射流源。射流源由主藥柱、副藥柱和藥型罩組成,如圖3所示。

圖3 射流源

應(yīng)用情況：炸藥射流感度測(cè)量的準(zhǔn)確性主要取決于射流源能量輸出的穩(wěn)定性,在對(duì)射流源各組成部分的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制后,對(duì)射流源的穩(wěn)定性進(jìn)行了考核,試驗(yàn)分3項(xiàng)進(jìn)行:穿深、射流在鋼中侵徹深度與侵徹時(shí)間的關(guān)系及射流頭部速度。

研制的射流源能量輸出穩(wěn)定?？梢詽M足射流感度試驗(yàn)的要求[7]。

2.1.2某單位B型射流源介紹

文獻(xiàn)[8]中：射流撞擊試驗(yàn)，用于考察推進(jìn)劑在受到射流撞擊時(shí)的反應(yīng)程度。標(biāo)準(zhǔn)射流源技術(shù)參數(shù)：直徑50 mm，采用聚奧-8 炸藥壓制；46°錐角紫銅藥型罩；后端傳爆藥柱為 JH-14 炸藥壓制，并帶起爆雷管孔，炸高為 90 mm；隔板材料為 45#鋼，尺寸為 50 mm×85 mm。X光計(jì)算得到射流平均頭部速度為7.9～8.1 mm/μs，射流頭部直徑小于 5 mm[8]。

2.1.3某單位C型射流源介紹

文獻(xiàn)[9]介紹的空心裝藥射流源為某單位研制的50 mm 標(biāo)準(zhǔn)射流源，主裝藥為聚黑-16，密度為1.73 g/cm3， 爆速約8 390 m/s，能量為360 m3/μs2， 藥型罩直徑 50 mm， 錐角60°。

文獻(xiàn)[10]介紹了國(guó)內(nèi)另外一種使用36 mm 標(biāo)準(zhǔn)空心裝藥射流源,射流速度值為 7557m/s。

2.2 國(guó)外射流源介紹

2.2.1北約標(biāo)準(zhǔn)射流源

直徑50 mm，V2d要求>360 mm3/μs2(V2d值通過(guò)調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié))。

2.2.2美軍標(biāo)準(zhǔn)射流源

美軍標(biāo)準(zhǔn)射流源：直徑81 mm，主裝藥為L(zhǎng)X-14，射流頭部速度6 200 m/s，藥型罩直徑81 mm，厚度1.9 mm，詳見(jiàn)圖4[11]。

圖4 美81毫米射流源

2.2.3法國(guó)CCEB62標(biāo)準(zhǔn)射流源

法國(guó)射流源由NEXTER公司制造，其外形見(jiàn)圖5[12]。

圖5 法國(guó)CCEB62標(biāo)準(zhǔn)射流源

3 射流源設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

為滿足我國(guó)不敏感彈藥試驗(yàn)的要求，建議盡快制定《不敏感彈藥試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)低易損試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求開(kāi)展我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)射流源設(shè)計(jì)工作。

1) 研制符合北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG4526《射流撞擊試驗(yàn)》用的50毫米標(biāo)準(zhǔn)射流源；

2) 研制符合美軍標(biāo)MIL—STD—2015D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》的射流撞擊試驗(yàn)和熱碎片撞擊試驗(yàn)用81毫米標(biāo)準(zhǔn)射流源。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

3.2.150毫米射流源

北約STANG4526射流撞擊試驗(yàn)程序1(美軍標(biāo)MIL—STD—2015D射流撞擊試驗(yàn)是按北約STANG4526射流撞擊試驗(yàn)程序2進(jìn)行，采用81毫米射流源。)，對(duì)射流源要求如下：

直徑50 mm，V2d要求>360 mm3/μs2(V2d值通過(guò)調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié))。

V為射流速度;d為射流直徑

因此確定設(shè)計(jì)輸入如下：

1) 射流源直徑50 mm、高度100 mm。

2)V2d要求>360 mm3/μs2(試驗(yàn)時(shí)V2d值通過(guò)調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié))。

3) 穿透標(biāo)準(zhǔn)偏差<3%。

3.2.281毫米射流源

美軍標(biāo)MIL—STD—2015D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》的射流撞擊試驗(yàn)和熱碎片撞擊試驗(yàn)對(duì)射流源要求如下：

標(biāo)準(zhǔn)射流源口徑為81 mm，在炸高147 mm，射流穿透25 mm厚的均值軋制鋼靶板后產(chǎn)生熱碎片，在6 450 mm2試樣面積上至少有4個(gè)熱破片來(lái)撞擊被測(cè)樣品(總計(jì)達(dá)到40個(gè)碎片)。

因此確定設(shè)計(jì)輸入如下：

標(biāo)準(zhǔn)射流源口徑為81 mm，在炸高147 mm，射流穿透25 mm厚的均值軋制鋼靶板后產(chǎn)生熱碎片，在6 400 mm2試樣面積上至少有4個(gè)熱破片來(lái)撞擊被測(cè)樣品(總計(jì)達(dá)到40個(gè)碎片)。

3.3 射流源設(shè)計(jì)

在研制過(guò)程中，結(jié)合總體目標(biāo)，先設(shè)計(jì)再試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行研制工作。

1) 做好總體優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2) 按照相似性原理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)射流源設(shè)計(jì)。

3) 通過(guò)仿真計(jì)算，確定射流源射流速度和直徑。

4) 零部件原材料盡量采用普通材料，降低產(chǎn)品研制成本。

3.3.150毫米射流源設(shè)計(jì)

射流源由藥型罩、主藥柱、副藥柱和傳爆藥柱組成。試驗(yàn)時(shí)將射流源裝入殼體，用8號(hào)軍用電雷管起爆。

炸藥被雷管起爆后，在炸藥中形成的爆轟波傳到藥型罩時(shí)，爆轟產(chǎn)物推動(dòng)罩壁向軸線運(yùn)動(dòng)，爆轟產(chǎn)物的能量傳遞給藥型罩，離罩壁一定距離的軸向位置上形成了高能量密度的金屬射流，為了考核各種彈藥的射流感度，需要研制能量輸出穩(wěn)定的射流源，即穩(wěn)定的射流頭部速度和直徑，射流源輸出的穩(wěn)定性與裝藥，藥型罩的錐角及加工方法，藥型罩與藥柱的貼合程度有關(guān)。

裝藥及成型方法：國(guó)外聚能裝藥大多采用注裝法裝藥，工藝簡(jiǎn)單，藥柱與藥型罩貼合性好，穿深大，但藥柱容易產(chǎn)生縮孔和固體組份沉降，因而能量輸出穩(wěn)定性差，而壓裝藥柱的組份和密度均勻性比柱裝好，最好采用雙向壓裝。

藥型罩錐角及加工方法：錐角一般為30°～70°，一般采用40°～60°，錐角過(guò)小，射流速度提高，破甲深度增加，但破甲的穩(wěn)定性變差；錐角過(guò)大，破甲深度下降，所以選用60°錐角。

藥型罩的材料選用紫銅，紫銅的密度較大，有一定強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)塑性也較好，缺點(diǎn)是比較貴。藥型罩壁厚要適當(dāng)，過(guò)厚使射流速度減少甚至不能形成射流，過(guò)薄會(huì)使射流質(zhì)量過(guò)小或不能形成正常射流。常用壁厚為罩底直徑的2%～3%，中口徑藥型罩的壁厚一般在2 mm左右。

裝藥結(jié)構(gòu)：炸藥裝藥是形成射流的能源，因此選用猛度大的炸藥裝藥。炸藥的猛度是由其密度和爆速?zèng)Q定的，密度大或爆速高的炸藥爆炸時(shí)可以提高作用于藥型罩上的壓力沖量，從而提高射流的速度。

美軍LX-14炸藥與我國(guó)聚奧-8相當(dāng)。選用聚奧-8炸藥。

壓裝方法：帶罩壓藥能夠保證藥型罩和藥柱的貼合性，能夠提高射流速度，所以采用帶罩壓藥的壓裝方法。

3.3.281毫米射流源設(shè)計(jì)

根據(jù)相似性原理設(shè)計(jì)81毫米射流源，射流源由藥型罩、主藥柱、副藥柱和傳爆藥柱組成。

直徑：φ81 mm；總高：162 mm。

藥型罩采用紫銅，壁厚1.9 mm，錐角60°，藥型罩壁厚差±0.02 mm。

主、副藥柱裝藥：炸藥選用聚奧-8。壓藥密度1.8 g/cm3，主藥柱采用帶罩壓裝工藝。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)被試彈藥的位置來(lái)滿足在炸高147 mm，射流穿透25 mm厚的均值軋制鋼靶板后產(chǎn)生熱碎片，在6 400 mm2試樣面積上至少有4個(gè)熱破片來(lái)撞擊被測(cè)樣品(總計(jì)達(dá)到40個(gè)碎片)的要求[13]。

3.3.3建立數(shù)值模型

采用LS-DYNA軟件對(duì)該聚能裝藥進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)前述方案，設(shè)計(jì)了如下計(jì)算模型。

50 mm射流源的數(shù)值模型由藥型罩、炸藥和空氣三部分組成，采用歐拉網(wǎng)格和ALE算法，并且三部分的網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)。聚能射流模型是軸對(duì)稱(chēng)的，因此可以只建立1/4模型，只需在對(duì)稱(chēng)軸施加約束即可，三維數(shù)值模型如圖6所示。藥型罩采用JOHNSON_COOK模型及GRUNEISEN狀態(tài)方程，主要材料參數(shù)見(jiàn)表2；炸藥選擇聚奧-8，采用高能燃燒HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型及JWL狀態(tài)方程來(lái)描述，主要參數(shù)見(jiàn)表3；空氣采用空殼模型。

圖6 50 mm射流源的三維數(shù)值模型

3.3.4仿真結(jié)果

炸藥在裝藥中心起爆以后形成爆轟波，爆轟波在炸藥內(nèi)部傳播，并且逐漸作用于藥型罩，形成射流，如圖7所示。從t=10 μs開(kāi)始，藥型罩自上而下逐漸被壓垮，內(nèi)層罩體形成射流，外層罩體成長(zhǎng)為杵體，隨著時(shí)間的推移，射流不斷被拉長(zhǎng)。

表2 藥型罩材料參數(shù)

表3 聚奧-8炸藥材料參數(shù)

從圖7可以看到射流的頭部直徑小、尾部直徑大，實(shí)際上頭部直徑基本都小于2 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)射流源的要求，因此比較合理的辦法是取整個(gè)射流長(zhǎng)度方向上的平均直徑，仿真結(jié)果見(jiàn)表4。工況1和工況2的藥型罩壁厚相差一倍以上，其他參數(shù)相同，但是射流直徑相差不大，說(shuō)明藥型罩的壁厚不是決定射流直徑的主要因素。另外，仿真計(jì)算表明，聚能裝藥的口徑大小對(duì)射流直徑有較大的影響，因此在設(shè)計(jì)50 mm標(biāo)準(zhǔn)射流源時(shí)應(yīng)當(dāng)從提高射流速度方面入手，故設(shè)計(jì)了工況3，經(jīng)仿真計(jì)算表明，該工況能夠滿足要求。

圖7 50 mm口徑射流的成型過(guò)程

表4 三種不同參數(shù)模型仿真結(jié)果

50 mm口徑射流源仿真計(jì)算結(jié)果：

射流速度：8.34 mm/μs

射流直徑：5.19 mm

V2d= 361 mm3/μs2，滿足V2d要求>360 mm3/μs2

根據(jù)計(jì)算確定產(chǎn)品主要尺寸如下：

藥型罩采用紫銅，壁厚1.15 mm，錐角60°，藥型罩壁厚差±0.02 mm。

主、副藥柱裝藥：炸藥選用聚奧-8，主藥柱采用帶罩壓裝工藝。壓藥密度1.8 g/cm3。

傳爆藥：聚奧-8,壓藥密度1.8 g/cm3。

直徑：φ50 mm；總高：120 mm。

81 mm口徑射流源對(duì)裝甲鋼的侵徹過(guò)程如圖8所示。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，射流穿透靶板之后射流的平均直徑為6.66 mm，速度7.52 mm/μs，V2d=376 mm3/μs。

圖8 81 mm口徑射流源侵徹鋼靶過(guò)程

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了50 mm和81 mm射流源，分別用于射流撞擊試驗(yàn)和熱碎片試驗(yàn)，設(shè)計(jì)滿足要求。