环形传爆药柱的优化设计*

解朝变，胡双启，胡立双，孙彬峰

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)



环形传爆药柱的优化设计*

解朝变，胡双启，胡立双，孙彬峰

(中北大学 化工与环境学院，山西 太原 030051)

摘要:采用冲击波碰撞理论对环形传爆药柱中心线处冲击波碰撞类型进行了理论分析，对不同类型的冲击波碰撞给出了碰撞压力理论计算公式，得出了环形传爆药柱高径比和碰撞压力的关系曲线. 计算表明，当环形传爆药柱高径比为0.5时，碰撞压力最大. 与此同时，通过实验测试了环形传爆药柱在高径比为0.3，0.4，0.5，0.6和0.7时冲击波碰撞压力，实验结果表明在高径比为0.5时，碰撞压力最大，故实验得出的变化规律和理论计算结果变化规律一致.

关键词:冲击波； 碰撞； 环形传爆药； 压力测试

0引言

现代战场环境形势越来越严峻，故大力发展钝感弹药以保证弹药在战场环境中的安全性已成为各国武器发展的准则之一. 钝感主装药通常会有以下两种情况： ① 起爆时装药直径很大； ② 起爆时外界起爆压力需要很高[1-3]. 为了满足钝感主装药的这两种起爆要求，以保证其可靠起爆，就需要对引信中的传爆药进行重新设计. 最常用的办法是加大传爆药的用药量和尺寸，但是加大传爆药用量会提高武器系统对外界的敏感度，从而导致武器发生意外爆炸次数增多[4-5]. 为了解决此问题，一种行之有效的方法就是合理利用聚能效应在原先使用的传爆药柱基础上设计一种带凹穴的新结构传爆药柱，通过聚能效应使能量汇聚，从而提高传爆药柱的输出能量. 作者先前设计了环形、 锥环形等特殊结构的传爆药柱，研究表明设计的这些异形结构传爆药柱输出能量较圆柱形传爆药柱提高很多[6-12]，但是先前设计的异形传爆药柱缺乏理论支持. 本文从理论分析入手，对环形传爆药柱进行尺寸优化，然后通过实验研究设计的环形传爆药柱输出压力.

1理论研究

当两个爆轰波(冲击波)迎面传播时，将发生爆轰波(冲击波)正碰撞，碰撞点处压力急剧提高. 两爆轰波(冲击波)成一定角度传播时，将发生爆轰波(冲击波)斜碰撞，斜碰撞处压力也会提高，根据碰撞角度的不同，斜碰撞分为正规斜碰撞和非正规斜碰撞(Mach碰撞). 环形传爆药柱在多点起爆下，冲击波碰撞示意图见图 1 所示. 图中A点为冲击波正碰撞，B点为正规斜碰撞，C点为非正规斜碰撞.

在进行理论计算时，我们作如下假设： ① 忽略环形传爆药柱厚度，因为传爆药柱厚度只对初始入射波强度有影响，计算所得结果为一个相对值，因此厚度对计算结果没有影响； ② 将向环形传爆药柱径向汇聚的冲击波看成由波源点组成的线； ③ 忽略冲击波在空气中的衰减.

因为正碰撞计算比较简单，且本文重点考虑环形传爆药柱的优化设计及环形传爆药柱高径比设计，故只考虑正规斜碰撞和非正规斜碰撞两种情况.

设炸药入射波压力为P1，绝热指数为k，入射角为φ1，反射角为φ2，折转角为θ，马赫数为M，药柱高度为h，环形药柱内半径为R. 那么根据冲击波碰撞理论，当高度为hn时，入射角、 反射角、 马赫数和转折角为φ1n，φ2n，Mn和θn，有[13]

(1)

(2)

(3)

斜反射冲击波后流动折转角θn与波前流动角φ2n+θn的关系如式(4)所示

(4)

若式(4)在1°<φ2n+θn<90°范围内存在实数解，则为正规斜反射，否则为Mach斜反射. 对于正规斜反射有

(5)

对于Mach斜反射有

(6)

图与关系曲线Fig.2　Relationship curve of and

2实验

图 3　五种尺寸环形传爆药柱Fig.3　Annular booster pellet of five different sizes

2.1实验方法

实验采用锰铜传感器来测量传爆药柱端面的输出压力[14]. 锰铜压阻传感器和脉冲恒流源一起组成有源压力探测器. 在恒流源向传感器提供恒流I的条件下，当传感器受到外界压力作用时，电阻变化和电阻上的电压变化存在如式(7)关系

(7)

(8)

2.2实验装置

环形传爆药柱输出压力测试装置见图 4 所示.

图 4　环形传爆药柱输出压力测试装置Fig.4　Diagrammatic illustration of the pressure test method

2.3实验结果

表 1　环形传爆药柱输出压力实验测试结果

图 =0.5时环形传爆药柱输出压力Fig.5　The output pressure of annular booster pellet at =0.5

3结论

基于冲击波碰撞理论，采用理论计算对环形传爆药柱优化进行了计算，并通过实验研究了环形传爆药柱输出压力，得出以下结论：

1) 根据理论计算，环形传爆药柱存在一个最佳高径比，为0.5，在最佳高径比时环形传爆药柱输出压力最大，为86.84GPa.

2) 实验研究了环形传爆药柱在5种不同高径比条件下的输出压力，得出环形传爆药柱高径比为0.5时输出压力最大，为34.89GPa.

3) 实验结果和理论计算结果相差甚大，但是两者变化趋势一致，理论计算结果可用于指导实验研究.

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Hu Lishuang, Hu Shuangqi, Cao Xiong, et al. Initiation capacity of a special shape booster pellet[J]. Explosiong and Shock Wave, 2013, 33(2): 207-211. (in Chinese)

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Optimal Design of Annular Booster Pellet

XIE Zhao-bian, HU Shuang-qi, HU Li-shuang, SUN Bin-feng

(North University of China, Taiyuan 030051, China )

Abstract:The collision style of shock wave in the center line of annular booster pellet was analysed through shock wave collision theory. The calculation formulas of different shock wave collision were provided. The relationship curve between the ratio of the height to diameter and the collision pressure was obtained. The theoretical calculation result showed that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The collision pressure of the annular booster pellet was experimentally tested when the ratio of the height to diameter was 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7. The experiment result also shows that the collision pressure is the largest when the ratio of height to diameter of annular booster pellet is 0.5. The variation tendency of the experiment result is well agreed with that of the calculation result.

Key words:shock wave; collision; annular booster explosive; pressure test

文章编号:1673-3193(2016)02-0177-04

*收稿日期:2015-08-16

作者简介：解朝变(1978-)，女，讲师，硕士，主要从事武器系统与运用工程的研究.

中图分类号:TQ560.7

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.02.015