壳体形状对云爆战斗部抛撒云团尺寸的影响

许志峰， 尹俊婷， 何 超， 刘 扬

(西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065)

0 引 言

云爆战斗部是内部装填有高能活性燃料， 通过抛撒炸药的爆炸驱动加载作用[1-3]， 高能燃料被抛撒到空气中， 形成一定空间覆盖范围的活性云团[4-6]， 再经起爆炸药二次起爆， 活性云团产生体爆轰的杀伤性武器[7-10]. 体爆轰的爆炸方式产生的冲击波具有冲量高[11]、 持续作用时间长等特点[12]； 其与固体炸药爆轰场相比， 体爆轰场产生的冲击波超压峰值虽不高[12]， 但冲击波衰减得慢[13]， 低压(≥0.029 MPa)作用范围远高于同质量的固体炸药[13]， 超过0.029 MPa的超压区域可以对人员造成中等杀伤效果[14]， 在战场上足以对人员造成足够的伤害[12]， 使其丧失作战能力， 因此， 云爆战斗部是战场上以人为目标的有效杀伤性武器之一.

云爆战斗部的云团尺寸影响着起爆后爆轰波的发展及传播[15]， 进而影响爆轰场冲击波超压大小及低压(≥0.029 MPa)作用范围. 田园[15]等研究了云团形态对爆轰压力场的影响， 研究结果表明， 冲击波超压的衰减随云团径向尺寸的增加而减慢， 对于相同质量的装药量， 扁平形状的云团形态可达到最好的破坏效应， 低压(≥0.029 MPa)作用范围可达到最大. 因此， 云团尺寸是云爆战斗部重要设计参量之一， 对云团尺寸的控制技术是云爆战斗部关键技术之一.

关于燃料抛撒后云团尺寸的影响因素， 国内外已经开展大量工作. 郭俊[16]等研究了端盖对FAE战斗部抛撒云团的影响， 研究结果表明， 端盖的材料屈服强度和厚度越大， 对燃料的轴向抛撒限制效果越好， 有利于燃料的抛撒. 李席[17]等研究了燃料种类和比药量对液固复合燃料空气炸药云团状态的影响. 研究结果表明， 在一定范围内， 比药量只影响燃料轴向抛撒. 惠君明[18]等对燃料抛撒与云团状态的控制进行了研究， 研究结果表明， 控制云团状态的因素主要是： 弹体结构、 高径比、 抛撒炸药、 延迟时间等. 郭学永[19]等研究了长径比对FAE云团状态的影响， 研究结果表明， 长径比不是FAE云团最终形态的主要影响因素. 最终的云团形态与装填的燃料量有关. 以上研究所采用的战斗部壳体均为圆柱形， 对于非圆柱形壳体对抛撒云团尺寸的影响研究尚未见公开报道.

云爆战斗部内部装填的燃料为固液相， 战斗部壳体内腔形状决定了燃料的初始形状， 燃料初始形状是抛撒后云团尺寸的主要影响因素之一. 战斗部在武器平台上应用时， 为了具有较好的气动外形， 壳体外形通常为非圆柱形. 张明星[20]等介绍了远程火箭弹武器平台， 所装备的战斗部采用圆锥圆柱结合壳体外形(简称柱锥形)， 雷娟棉[21]等介绍了高制导航弹武器平台， 所装备的战斗部采用圆锥壳体外形. 因此， 研究非圆柱形壳体结构对抛撒云团尺寸的影响具有实际意义， 本文通过设计相同装药量不同壳体形状的云爆战斗部， 对比分析抛撒实验结果， 研究壳体形状对云爆战斗部抛撒云团尺寸的影响.

1 实 验

本次实验采用的云爆战斗部共3发， 战斗部外形尺寸如图 1～图 3 所示， 云爆剂装药量均为300 kg量级， 战斗部的壳体均采用ZL-114A材料(GB/T 1173)， 战斗部的长度均为1 m级， 壳体外形分别采用圆锥形壳体(圆锥角10.6°)、 柱锥形壳体(圆锥角18.1°)和圆柱形壳体(圆锥角0°)， 战斗部壳体壁厚均为5 mm量级. 3发战斗部采用的抛撒药均为TNT， 抛撒药尺寸质量均为3 kg量级. 实验时， 战斗部离地面高度均为1 m量级， 弹轴线垂直于地面.

云爆剂及TNT由西安近代化学研究所提供.

图 1 圆锥形壳体外形Fig.1 Conical shell shape

图 2 柱锥形壳体外形Fig.2 Conical and cylindrical shell shape

图 3 圆柱形壳体外形Fig.3 Cylindrical shell shape

2 结果与分析

本次实验的3发云爆战斗部不同时刻(0 ms, 25 ms, 50 ms)抛撒云团尺寸如图 4～图 6 所示. 50 ms时三种形状的壳体抛撒形成的云团均为扁平圆柱形.

图 4 圆锥形壳体Fig.4 Conical shell

图 5 柱锥形壳体Fig.5 Conical and cylindrical shell

图 6 圆柱形壳体Fig.6 Cylindrical shell

本次实验的3发云爆战斗部抛撒实验分别开展， 图 4～图 6 所示照片对云爆战斗部取景主要是为了观察抛撒云团形态. 实验前在实验场地放置了固定距离的标杆作为比例尺， 实验结束后通过比例尺对抛撒云团直径进行等比例换算， 可得出抛撒云团直径随时间变化的数据， 如图 7 所示， 抛撒云团的高度随时间的变化如图 8 所示.

图 7 云团直径随时间的变化Fig.7 Variation of cloud diameter with time

图 8 云团高度随时间的变化Fig.8 Variation of cloud height with time

文献[22]中报道了云爆剂爆炸抛撒的运动特征， 研究结果表明， 抛撒炸药起爆后， 燃料沿径向射流运动， 40 ms左右， 射流完全消失， 燃料与空气混合形成云团， 燃料后续的运动为扩散运动. 从图 7 中可以看出， 圆柱形壳体和柱锥形壳体抛撒40 ms前云团直径随时间变化较大， 可见燃料沿径向做射流运动， 40 ms后射流运动逐渐消失[22]， 燃料与空气混合形成云团， 后续的运动转为扩散运动. 从数据中可以看出， 燃料在射流运动过程中云团尺寸变化快， 当燃料处于扩散运动时云团尺寸的增加变得缓慢， 因此， 云团尺寸主要由射流运动决定. 在云爆战斗部实际应用中， 抛撒后50 ms已经达到了可以进行二次起爆的时间， 因此， 本文研究从起爆开始到抛撒50 ms时的云团尺寸数据.

本文试验研究出现的现象及分析原因如下：

1) 由图 7 可知， 3发战斗部抛撒云团的直径均随时间增加而增大. 在45 ms之前， 圆柱形壳体抛撒云团直径最大， 圆锥形壳体抛撒云团直径居中， 柱锥形壳体抛撒云团直径最小. 在45 ms后， 圆锥形壳体抛撒云团直径超过圆柱形壳体抛撒云团直径， 成为最大. 分析3发战斗部抛撒云团直径的增长趋势， 在25 ms之前， 圆柱形壳体抛撒云团直径增大速度较大， 在25 ms以后， 这种壳体抛撒云团直径增大速度逐渐减小， 而圆锥形壳体抛撒云团直径增大速度未出现随时间逐渐减小的趋势， 因此， 在45 ms后， 圆锥形壳体抛撒云团直径成为最大. 出现该结果可能的原因之一为： 抛撒炸药起爆后， 壳体破裂， 云爆剂的抛撒初始方向为壳体法线方向， 柱锥形壳体圆锥角最大， 圆锥形壳体圆锥角居中， 圆柱形壳体圆锥角最小， 随着壳体圆锥角的增加， 沿着战斗部径向的速度分量减小， 因此， 在 25 ms 之前， 出现抛撒云团直径增大幅度随着壳体圆锥角增大而减小的现象. 在25 ms以后， 抛撒云团直径增大幅度的快慢主要由径向运动射流存在时间的长短而定. 由于圆锥形壳体的最大直径比圆柱形壳体和柱锥形壳体都大， 在最大直径的截面上， 云爆剂的质量多， 形成射流的质量大， 从而惯性高， 射流存在时间长， 速度衰减得慢， 在45 ms之后， 圆锥形壳体抛撒云团直径成为最大， 在50 ms时， 圆锥形壳体抛撒云团直径比圆柱形壳体抛撒云团直径大8%， 比柱锥形壳体抛撒云团直径大41%.

2) 由图 8 可知， 13 ms以前， 3发战斗部抛撒云团的高度增大速度较大， 而且3发战斗部抛撒云团高度随时间变化的曲线基本重合. 在13 ms以后， 3发战斗部抛撒云团的高度增大速度大幅度减小. 圆锥形壳体抛撒云团高度最小， 圆柱形壳体抛撒云团高度居中， 柱锥形壳体抛撒云团高度最大. 出现这种结果可能的原因之一为： 3发云爆战斗部壳体长度相同， 抛撒药的尺寸也相同， 因此， 抛撒药与壳体两端之间的云爆剂厚度相同. 抛撒炸药起爆后， 抛撒药与壳体两端的云爆剂被加速， 沿轴向运动， 由于3发战斗部的抛撒药与壳体两端的云爆剂厚度相同， 抛撒药尺寸也相同， 抛撒药与壳体两端之间的云爆剂加载模式相近， 因此， 在13 ms以前， 出现3发战斗部抛撒云团高度基本重合的现象. 在13 ms以后， 云团高度主要由沿着径向运动的云爆剂在轴向上雾化的程度决定. 圆锥形壳体抛撒云团径向射流存在时间最长， 轴向上雾化的量最少， 因此， 云团高度最小.

3) 结合3发战斗部抛撒云团直径和高度来分析， 在45 ms以后， 圆锥形壳体抛撒云团直径最大， 有利于提高云团的毁伤面积， 而抛撒云团高度最小， 提高了云团能量密度， 进一步提高了云团的爆炸威力.

3 结论与展望

3.1 结 论

1) 本文实验的3发战斗部， 在45 ms之前， 圆柱形壳体抛撒云团直径最大， 圆锥形壳体抛撒云团直径居中， 柱锥形壳体抛撒云团直径最小. 但圆锥形壳体抛撒云团直径增长速度减小得慢， 在50 ms时， 圆锥形壳体抛撒云团直径成为最大， 比圆柱形壳体抛撒云团直径大8%， 比柱锥形壳体抛撒云团直径大41%. 抛撒云团直径增大有利于提高战斗部的毁伤面积.

2) 本次实验的3发战斗部， 13 ms以前， 抛撒云团高度随时间变化的曲线基本重合. 在13 ms以后， 圆锥形壳体抛撒云团高度最小， 抛撒云团高度减小提高云团的能量密度， 可以进一步提高了云团的爆炸威力. 研究结果为云爆战斗部壳体结构优化设计提供实验数据参考.

3.2 展 望

1) 对于圆锥形壳体的战斗部， 抛撒云团直径最大时的壳体圆锥角， 还需要后续进一步开展深入研究.

2) 当云爆剂装药量改变时， 抛撒云团直径最大时对应的壳体形状， 还需要后续进一步开展深入研究.