聚能装药用多点同步起爆网络设计

施春成，王保国，陈亚芳，康建成



聚能装药用多点同步起爆网络设计

施春成1，王保国1，陈亚芳1，康建成2

（1.中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原，030051；2. 空军驻山西地区军事代表室，山西 太原，030024）

为提高爆炸网络的传爆同步性和起爆能力，以亚微米级HMX/DNTF熔铸炸药作为沟槽装药、亚微米级HMX为基的JO-11C传爆药作为传爆药，设计了一种聚能装药用“一入八出”式多点同步起爆网络，采用传爆药轴向钢凹法研究了多点同步起爆网络的起爆、传爆、隔爆情况和起爆能力，并应用PXI数据采集仪对多点同步起爆网络的同步时间进行了测试。结果表明：该起爆网络起爆后钢鉴定块的凹陷深度明显且均匀对称分布，同步性误差不超过100ns，起爆能力的钢凹值比JO-9C传爆药的高7.45%。

聚能装药；多点同步起爆；同步性；起爆能力

聚能破甲战斗部主要用来侵彻和破坏某些坚固目标，通过聚能装药爆炸形成侵彻体对目标在小面积上释放大量动能来实现，因此侵彻体成型的好坏直接影响战斗部的毁伤能力。研究表明[1-5]：采用多点同步起爆网络作为聚能装药的起爆方式，可以有效控制爆轰波形成，但多点同步起爆网络的起爆能力和起爆同步性对侵彻体成型影响很大。多点同步起爆网络依其载体不同分为刚性和柔性两类[6]：柔性网络中多采用导爆索为传爆线路，刚性网络多采用沟槽装药为传爆线路。郑宇等[5]设计的“一入六出”的柔性同步起爆网络具有一定的起爆能力，但其隔爆能力差，同时网络的起爆同步性只能控制在200ns以内，且战斗部形状不完全轴对称，头部出现断裂；胡双启[7-8]等设计了4点和8点同步起爆网络，设计的环形传爆药柱的起爆能力虽高于圆柱形传爆药柱，但网络本身的起爆能力弱，需要小主装药配合传爆，而由于小主装药的加入，爆炸形成的爆轰波形难于控制，致使破甲效果不佳。

本文结合XX破甲战斗部实际需要，设计了一种聚能装药用“一入八出”式多点同步起爆网络，以亚微米HMX/DNTF熔铸炸药为沟槽装药、亚微米HMX为基的高聚物粘结传爆药（JO-11C）为传爆药，采用传爆药轴向钢凹法研究了同步起爆网络的起爆、传爆、隔爆情况和起爆能力，并测试其起爆同步性。

1 多点同步起爆网络设计

多点同步起爆网络主要由起爆装置、传爆装置和隔爆装置组成。雷管引爆起爆装置装药，爆轰波经传爆装置的传爆面装药和沟槽装药传到传爆孔中，引爆传爆孔装药，形成对主装药的多点环形起爆。由此可知，起爆装置和传爆装置的设计直接影响爆炸网络起爆同步性和起爆能力。

1.1 起爆装置的设计

为避免雷管等起爆器材的偏心而引起的爆炸网络起爆同步性问题，起爆装置设计为哑铃型结构，其结构示意图如图1所示。

图1 起爆装置的结构示意图

亚微米HMX/DNTF基熔铸炸药具有临界直径小、爆速高、爆速极差小以及爆轰传播稳定性好的特点。用它作为爆炸网络的传爆药，在网络基体上制作沟槽，可减小多点起爆的同步性误差[9-10]。

关于爆炸网络的传爆问题，在设计上应尽可能减少沟槽装药的药量或装药直径，但沟槽装药的直径一般应大于该炸药的临界直径，才能保证装药的稳定传爆。相关研究表明，炸药的临界起爆直径是制约爆炸网络小型化的关键因素。亚微米HMX的临界直径小于1mm，新型DNTF基熔铸炸药作为传爆药，其临界直径仅为0.2mm[9]，为爆炸网络的小型化提供了技术保障。结合起爆装置的加工工艺和XX破甲战斗部的设计要求，采用直径1.0mm（即起爆主装药的最小直径）的沟槽装药。该装药结构通过减小起爆主装药的最小尺寸，使爆轰波在此向起爆中心汇聚，不仅避免了因雷管的偏心导致起爆同步性差的问题，而且在可靠传递爆轰波的情况下降低了起爆装置的装药量。考虑该多点同步网络要在破甲战斗部中实际应用，爆炸网络基体选用质量轻、机械强度适中的尼龙。为保证起爆、传爆同步性，要求基体有较高的加工精度。

1.2 传爆装置的设计

在刚性同步起爆网络中，为满足破甲战斗部的多点同步起爆要求，需要将起爆装置的爆轰波放大、分束输出，以实现对主装药的“一入八出”式的多点同步起爆[11]。在传爆装置的设计中，不仅要考虑同步起爆网络在战斗部中的布置要求和爆轰波形的特点，解决有限空间和有效载荷条件下的传爆和隔爆的矛盾，而且在保证不破坏原有战斗部结构及装药的条件下，使爆炸网络可靠传爆；同时还要考虑装药工艺和装药爆速以及传爆孔数对爆轰波输出同步性的影响。所以，在设计中应尽可能保证沟槽装药和传爆面装药（亚微米HMX/DNTF基熔铸炸药）密度的连续性和均匀性，用爆速较高的压装传爆药（JO-11C）为传爆孔装药。该传爆装置由传爆面、沟槽和传爆孔为主要元件组成。传爆面与沟槽、沟槽与传爆孔之间彼此相通，如图2所示。

图2 传爆装置的结构示意图

Fig.2 Schematic of detonation transmission device

亚微米HMX/DNTF基熔铸炸药作为传爆药，沟槽尺寸也选为1.0mm，并使其在爆炸网络基体上等长均布，以确保沟槽装药的连续性和密度一致性。它不仅可降低爆速极差，提高多点起爆的同步性，而且有利于解决爆炸网络的传爆与隔爆的矛盾[9]。为简化装药工艺和确保装药密度的一致性，设计的传爆面深度、沟槽的深度和宽度均为1.0mm；传爆孔内装药选取输出能量高于JO-9C传爆药（质量百分组成：HMX/FPM2602=95/5）的JO-11C传爆药（质量百分组成：亚微米HMX/FPM2602=96/4）作为传爆药，传爆孔药柱尺寸为Φ8.0mm×10.0mm、起爆直径选取75.0mm，基体的外径为89.0mm。该传爆装置结构具有以下特点：

（1）传爆面的面积略大于起爆装置的输出端面积，有利于爆轰波的可靠传递，即爆轰波在起爆和传爆装置之间的传递方式为“面面式”；同时由于传爆面与沟槽彼此相通，易于装药密度的控制，而相对8个沟槽而言，传爆面就是起爆中心处，且具有相同的装药密度，这种设计有利于保证传爆面和沟槽内爆轰波传递的同步性。

（2）传爆孔装药选用JO-11C传爆药，与JO-9C传爆药相比，具有较高的爆速，可以提高爆炸网络的起爆能力和爆轰波传递的同步性；采用Φ8.0mm ×10.0mm的传爆孔，其装药药柱的长度（8.0mm）可保证形成连续平滑的爆轰波，进而提高传爆装置对主装药的起爆能力；8个传爆孔的装药密度和质量相同，保证了装药密度的一致性，借鉴传爆面与沟槽的连接方式，孔内装药预留一定空间（2.0mm）由沟槽装药填充，确保沟槽装药和传爆孔装药连接紧密，提高了爆轰波传递的同步性。

1.3 隔爆装置设计

为使爆轰波按照爆炸网络的路径来传播，针对该传爆装置设计了两种隔爆方案：（1）直接采用基体对冲击波进行衰减而达到隔爆的目的，如图2所示；（2）在基体底部内嵌比基体弹性大的橡胶垫(1～3mm)对冲击波进行衰减而达到隔爆的目的，如图3所示。

图3 隔爆装置的结构示意图

2 试验验证

2.1 起爆试验

起爆试验是在图1起爆装置的雷管安插处插上电雷管，基体的底部垫45#钢鉴定块，用钢鉴定块上的炸痕（钢凹）来判定起爆装置是否被正常引爆。当沟槽的最小直径为1.0mm、亚微米HMX/DNTF=50/50时，起爆结构在钢鉴定块上有直径15mm、深度为1.80mm的凹坑，说明雷管可正常起爆该起爆装置。

2.2 传爆和隔爆试验

在图1起爆装置的雷管安插处插上电雷管，将起爆装置与传爆装置相连接，在传爆装置基体的底部垫45#钢鉴定块，用钢鉴定块上的炸痕（钢凹）来判定该传爆装置的传爆、隔爆情况。表1为沟槽直径为1.0mm、亚微米HMX/DNTF=50/50时，传爆结构在钢鉴定块上的炸痕情况。

表1 传爆、隔爆试验情况

Tab.1 Test results of the explosion propagation and isolation

从表1中可以看出，不加隔爆装置或隔爆层的厚度较小时，均不能实现传爆和隔爆。当隔爆层的厚度为3mm时，可以解决爆炸网络传爆和隔爆的矛盾。分析原因，由于橡胶的弹性大于尼龙，对冲击波的衰减作用更大，两者的合理组合使得该爆炸网络传爆、隔爆试验成功，使爆炸按照预先设定的路径传播。图4所示是试验的钢鉴定块的照片。

图4 传爆试验结果

2.3 起爆能力试验

利用本文设计的同步起爆网络，采用传爆药轴向钢凹法研究了传爆药种类对爆炸网络起爆能力的影响。试验结果如表2所示。可以看出，JO-11C作为传爆药时爆炸网络的钢凹值比JO-9C作为传爆药的爆炸网络的钢凹值提高了7.45%。这是因为非均相炸药冲击波起爆的能量输出决定于爆轰速度，即爆轰传播速度，JO-11C传爆药的理论爆速大于JO-9C传爆药的理论爆速；而爆轰成长的化学反应是颗粒燃烧，其主要影响因素是炸药的比表面积，因而炸药的粒度对能量输出的影响关键在于该过程中炸药颗粒的表面燃烧，炸药的颗粒越小，比表面积越大，化学反应速度越大，爆轰反应建立地越快，爆速就越大，输出能量就越高[12-13]。

表2 两种传爆药的起爆能力

Tab.2 The initiating capacity of two kinds booster

2.4 起爆网络同步性试验

采用16通道的PXI数据采集仪（精度为10ns）对设计的同步起爆网络进行了同步性测试。测试时使用2个模块（8个通道）测量8个起爆点的起爆时间。8个通道被同时触发计时，计时结束时刻为爆轰波传到传爆药柱末端时间，通过比较时间差来验证多点起爆的同步性。为避免不同模块测量带来的偏差值，进行2发试验，计算得到的多点同步起爆网络的输出时间差数据如表3所示。

表3 同步误差计算结果

Tab.3 The experimental results of the initiating time difference of eight-point synchronous explosive circuit

从表3中可以看出，最大时间差为94ns，同步性较好，满足聚能侵彻体形成的同步性要求。

3 结论

（1）本文设计的聚能装药采用多点同步起爆网络，以亚微米HMX/DNTF熔铸炸药为沟槽装药、亚微米HMX为基的JO-11C传爆药为传爆药，实现了中心一点起爆输入并能对由于雷管的偏心而引起的爆轰波偏差进行自动汇聚，八点同步起爆输出。（2）传爆药轴向钢凹法的试验结果表明，八点同步起爆网络具有足够的传爆、起爆和隔爆能力，起爆能力高于JO-9C传爆药，为爆炸网络的小型化和爆轰波精准控制技术提供了参考依据。（3）从单点起爆放大成八点同步起爆的同步性测试表明：“一入八出”式多点同步起爆网络各点起爆时间偏差不超过100ns，能够满足聚能侵彻体的同步性要求。

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Design of Multi-point Synchronous Initiation Circuit for Shaped Charge

SHI Chun-chen1，WANG Bao-guo1，CHEN Ya-fang1，KANG Jian-cheng2

（1.National Defence Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan，030051；2. The Military Affairs Department of Shanxi, Taiyuan, 030024）

In order to improve the synchronicity and initiation capacity of multi-point explosive circuit (MEC), a “one-in-and-eight-out” multi-point synchronous initiation circuit applying for shaped charge was developed, sub-micro HMX/ DNTF melt-cast explosive was used as channel charge and JO-11C based on sub-micro HMX was also used as booster explosive. The initiation situation, booster situation, explosive-proof situation and initiation capacity of synchronous initiation circuit were studied, by the axial steel concave act of booster explosive charge, and multi-point synchronous initiation time were tested by PXI data acquisition instrument. Test results show that steel concave depth of steel piece of identification are very clear and evenly distributed after the device was initiated , the synchronous time difference is no more than 100ns,its initiation capacity is higher 7.45% than that of JO-9C booster explosive.

Shaped charge; Multi-point synchronous initiation; Synchronicity; Initiation capacity

TJ45+6

A

1003-1480（2014）06-0001-04

2014-09-01

施春成（1987-），男，在读硕士研究生，主要从事超细材料制备及改性技术研究。

2013年中北大学自然科学基金（NUC2013018）