抛撒药壳体对一次起爆型云爆弹威力的影响规律*

高洪泉，卢芳云，王少龙，罗永锋，颜 澎，袁 伟，胡 健

(1.国防科学技术大学理学院技术物理研究所，湖南 长沙 410073;2.第二炮兵装备研究院，北京 100085)

在一次起爆型云爆弹(single event FAE，SEFAE)中，燃料的抛撒和引爆一次完成。由于SEFAE装置结构简单、爆轰可靠性高，因而成为当前FAE类武器研究的热点［1-7］。SEFAE战斗部一般采用整体型薄壳结构［3］，主体部分为圆柱体薄壁圆筒，在中心装药爆炸驱动下，燃料径向分散，形成轴对称的燃料空气混合物，进而引发燃料空气混合物的爆轰。

研究SEFAE抛撒药壳体(内壳体)对威力的影响具有重要的意义。宋志东等［4］就FAE战斗部外壳体对燃料抛撒速度的影响进行了数值仿真，在满足强度的情况下，外壳体材料的屈服强度越小越有利于燃料抛撒速度的提高，但内壳体材料并不是屈服强度越小越好，而是应满足一定的屈服强度要求。郭学永等［6］就FAE装置外壳体对云雾状态的控制进行了研究，发现同量级钢壳体FAE所形成的云雾，大于铝壳体FAE所形成的云雾且钢壳弹的弹片飞行距离和杀伤能力都优于铝壳弹。

本文中，就内壳体对SEFAE威力的影响进行研究。在对内壳体破裂进行理论计算的基础上，对中心抛撒药结构(结构1)和中心与周边辅助抛撒药结构(结构2)这2种典型的SEFAE结构(如图1所示)进行静爆威力实验。其中，中心与周边辅助抛撒药结构采用了同时起爆技术，可增大抛撒驱动能量，提高了燃料浓度分布的均匀性。实验中，应用高速录像观测爆炸过程，应用壁面压力传感器测量地面超压，通过对火球大小和超压的对比分析，就FAE装置结构、抛撒药壳体强度对威力的影响进行了探讨。

1 内壳体的运动变形理论分析

图1 典型SEFAE装置结构图Fig.1 The figures of the typical SEFAE device

抛撒药起爆后，内壳体在爆炸产物驱动下迅速向外膨胀，在达到某一半径时，壳体破裂形成碎片。此时，爆炸产物一方面继续驱动破片向外加速运动，同时逸出壳体并绕流到破片前方，引燃引爆燃料。由于后续阶段的加速效应在整个壳体加速过程中所占份额很小，在分析中可忽略不计。

在爆炸产物驱动壳体的后期，由于壳体内爆炸产物压力的降低，壳体的强度及塑性变形对能量的消耗已不可忽略。为近似地求得壳体的运动速度，做如下假设［9］:(1)假设装药为瞬时爆轰，壳体在爆轰产物作用下仅做径向运动，忽略实际爆轰过程中的轴向运动;(2)忽略弹性变形，假定材料服从理想刚塑性模型，且遵守体积不变的假定;(3)壳体在周向拉应力作用下发生拉裂，裂纹不能进入压应力区域。

图2 受载壳体微元的受力和变形Fig.2 Stress and strain of the inner shell

建立质量守恒方程、动量守恒方程，展开并略去高阶小量得到

设a和b为壳体的内径和外径，则壳体边界条件为

设壳体内径的径向速度为ua，通过质量、动量守恒方程以及边界条件，得到

根据材料不可压缩条件b2－a2=b20－，由式(5)～(9)可以得到ua关于时间t的导数˙ua

由式(10)可知:抛撒药壳体速度受壳体强度、密度、厚度、壳体破裂半径等诸多因素影响。随着壳体延展性的增强，壳体的破裂半径a、壳体径向速度ua将会显著增加，燃料的抛撒速度也将提高，同时燃料的点火时间得到延长，导致火球直径增大，整个SEFAE实验装置威力增加;随着壳体的屈服强度增加，壳体、燃料的抛撒速度降低，火球的直径也将减小，从而降低SEFAE实验装置的威力;内壳体破碎的均匀性也对实验装置的火球直径、威力产生影响，如果壳体的破碎的均匀性较好，相应的SEFAE装置的威力就较大。

2实验

2.1 实验装置

根据工程经验［3］，2种结构战斗部比药量(抛撒药与燃料质量之比)为30%。结构2的SEFAE装置采用导爆索将中心和周边抛撒药同时起爆。为考核抛撒药壳体对SEFAE装置威力的影响，分别采用强度较低的PVC塑料管和厚度为0.3 mm且延展性较好的无缝钢管作为内壳体，装置外壳体采用厚1 mm的钢壳。

实验共4发，其中不同装药结构、不同抛撒药壳体的各1发，炸高均取1.2 m。测试仪器采用帧数为25 000 s－1的高速摄像仪对爆炸过程摄像，采用自存储式数字压力记录仪测试地面超压，每条主力学线上布置8 个测点，测点距炸药垂心的距离分别为 5、6、8、10、12、14、17、20 m，如图3 所示。

图3 测试现场布置图Fig.3 Scheme of the experimentmeasurement

2.2 实验现象分析与讨论

表1 不同SEFAE装置的爆炸火球参数Table 1 The fireball parameters of different SEFAE

分析高速录像数据，得到SEFAE装置爆炸的最大火球参数如表1所示，其中tm为火球最大半径时刻，dm为火球最大直径，τs为火球持续时间。

由表1中数据可以看出:(1)TNT炸药火球到达最大直径的时间最短，为9 ms，而2种SEFAE装置的火球到达最大直径的时间都较长，为TNT火球到达最大直径时间的约2倍或2倍以上;(2)结构1采用PVC管比采用等厚度的钢壳火球直径大;(3)结构2采用钢内壳比采用等厚度PVC管的火球直径大、持续时间也较长，并延长了火球到达最大直径的时刻;(4)2种不同结构相比较，采用PVC管时，火球的直径、到达最大直径的时刻、火球持续时间等参数变化不大，而采用钢内壳时，结构2的火球直径明显增加，火球到达最大直径的时刻延长，火球持续时间也较长。

对上述现象进行分析后认为:(1)钢内壳的延展性较好，导致壳体的破裂时间、破裂半径增加，加速了燃料的抛撒速度，从而使得火球直径增大，与壳体破裂理论的分析结果一致;(2)钢内壳的屈服强度相对较大，破裂的均匀性比PVC管差，使得燃料的混合和抛撒均匀性减弱，从而有减小火球的直径的趋势。因此，对于不同的SEFAE结构，应选用延展性、强度与SEFAE结构相匹配的壳体材料。

2.3 爆炸场参数测试结果及分析

采用TNT当量法对FAE装置进行威力评价［8］，为弥补爆炸抛撒的不均匀性带来的影响，对2路测试线上得到的TNT当量进行平均，得到表2。

由表2中的数据可以看出，随着距爆心距离的增大，SEFAE的TNT当量先增加再减小，弹在距爆心5～20 m范围内，其TNT当量都大于1.2。

对于结构1，采用 PVC内壳体时，在6、10、12、14 m处的测试结果都在2倍TNT当量以上，在12 m位置处达到最大值2.73;采用钢内壳时，在10、12 m处TNT当量在2倍以上，在12 m处达到最大值2.36，略低于采用PVC管的情形。对以上现象分析后认为:虽然钢壳体破裂半径的增加加速了燃料的抛撒速度，但降低了燃料的抛撒与混合的均匀性;采用PVC壳体可以提高燃料的抛撒与混合的均匀性，进而提高SEFAE的威力。因此，不能简单通过以牺牲燃料的抛撒与混合均匀性增大燃料抛撒速度去提高SEFAE装置的威力。

表2 不同距离处的TNT当量值Table 1 The TNT equivalentmass varied w ith distance

对于结构2，采用钢内壳时，在8～17 m范围内的测试结果都在2倍TNT当量左右，在14 m处达到最大值3.17;采用PVC管内壳时，在8～14 m范围内的测试结果在2倍TNT当量左右，在14 m处达到最大值2.3。可以认为是由于钢壳较PVC管具有更大的破裂半径，从而提高了液体燃料抛撒速度，增加了火球直径，导致了高压区略有外延。

3结论

在对抛撒药壳体破裂过程进行理论分析的基础上，采用2种不同抛撒药壳体、不同结构的SEFAE装置进行了对比实验研究，结果表明:对于结构2装置，采用延展性较好的壳体可以提高燃料的抛撒速度，从而提高SEFAE装置的威力;而对于结构1装置，采用延展性较好的壳体虽能提高燃料的抛撒速度，但壳体的强度过高，不利于提高SEFAE装置的威力。因此，对于不同结构的SEFAE装置，必须兼顾燃料的抛撒均匀性、混合均匀性、抛撒速度等指标，才能有效提高SEFAE的威力。

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