战斗部壳体破片平均质量与平均穿孔面积的关系

李一鸣，李文彬，韩 伟，张 庆，王晓鸣

(1.南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094； 2.北京特种机电研究所，北京 100081)

引 言

战斗部壳体破片平均质量是衡量炸药爆轰性能的主要指标，获得战斗部壳体在膨胀破碎过程中产生自然破片的平均质量是进行战斗部毁伤效应评价的基础，同时也是用于评价不敏感弹药的定量方法之一。

针对破片质量分布规律模型，早在1943年Mott[1-2]提出了数学统计模型来预测爆炸条件下金属壳体材料断裂内部卸载波的传播过程，并建立了壳体爆炸破碎形成破片质量分布规律模型。但Mott公式是统计意义的半经验性公式，未考虑壳体和炸药材料性能、破片形貌特征与分布情况之间关系。对采用新型壳体材料和装药战斗部破片质量分布预测上存在较大误差。随后许多学者在这一领域进行了大量的改进和提升[3-7]，但这些研究均属于均匀情况下的随机破碎模型，如中心点起爆条件下球形壳体的爆炸过程，与实际军事应用中的常规战斗部结构及起爆方式不符。朱建军等[8]采用战斗部的微圆柱方法分析了一端起爆条件下壳体轴向不同位置破碎情况，建立了壳体轴向不同位置处形成破片平均质量的简化模型。并基于分形理论，利用码尺法原理[9-10]验证了破片穿孔轮廓与实际破片轮廓的相似性，证明了破片穿孔线分形维数与实际破片照片轮廓线分形维数是一致的，说明实际工程应用中可以利用破片穿孔形状来表征实际破片质量结果，并依据多发试验统计获得破片平均质量与侵彻孔洞图像二维轮廓平均面积之间的关系[11-12]。

本研究通过设计战斗部在空气中的静爆试验，应用图像处理技术，获得侵彻孔洞图像轮廓信息；通过设计水井回收试验，获得战斗部形成自然破片的平均质量。利用侵彻孔洞图像轮廓信息和自然破片的平均质量，标定3种炸药：RBOE-1、JOXL-1和JH-2的壳体破片平均质量比例系数k，其中，JH-2是我国研制用于战斗部装药的猛炸药；RBOE-1和JOXL-1是最新研制出的不敏感炸药，以期为弹药毁伤效能评估研究提供一种新的技术途径。

1 试 验

表1为3种炸药的配方及性能参数。通过战斗部静爆试验可获得铝板上孔洞的平均面积。通过水井回收试验[13]可获得破片的平均质量。

表1 3种炸药配方及性能参数Table 1 Composition and performance parameters of three explosives

1.1 壳体破片平均穿孔面积确定

战斗部静爆试验布局如图1所示，由盖板、炸药、壳体、背板、固定装置及铝板组成。壳体采用壁厚7mm的45号钢，密度为7.83g/cm3。装药分别为JH-2、JOXL-1、RBOE-1，尺寸均为Φ98mm×55mm，如图2(a)所示。盖板和背板材料均为Q235钢，尺寸分别为200mm×200mm×6mm、200mm×200mm×16mm。距爆心1.5m处布置尺寸为1500mm×1500mm×2mm的2A12铝板，代表全战斗部对铝板的穿孔情况。

图1 试验布局图Fig.1 Test layout

图2 炸药与壳体Fig.2 Explosives and shell

试验选用3种装药：RBOE-1、JOXL-1、JH-2。每种装药均进行两发试验，具体试验方案如表2所示。

表2 战斗部静爆试验方案Table 2 The test of warhead static explosion

1.2 壳体破片平均质量确定

水井回收试验弹体与空气中战斗部静爆试验所用弹体一样：壁厚7mm的45号钢壳体，尺寸为Φ98mm×55mm的炸药装药，如图3所示。一端装有尺寸为Φ20mm×20mm的钝化RDX药柱，作为扩爆药柱。采用8号火雷管进行起爆。

图3 水井回收试验所用弹体Fig.3 Warhead used in water well recovery test

水井深10m、直径为8m。将战斗部放在空气室的中间，空气室的尺寸为Φ600mm×700mm。为了避免战斗部爆炸前水井中的水进入空气室，在空气室外加塑料防水套。将空气室置于水井中间，如图4所示。使用网眼大小为0.1mm×0.1mm 多层尼龙网回收破片。试验后回收的破片除去空气室残骸。为避免破片被氧化，使用工业酒精浸泡，然后进行干燥处理。使用精度为0.01g天平称量破片，进行破片的统计分类。

图4 水井回收试验布局图Fig.4 Schematic diagram of water well recovery test

试验选用3种装药：RBOE-1、JOXL-1和JH-2。每种装药均进行两发试验，具体试验方案如表3所示。

表3 水井回收试验方案Table 3 Scheme of recovery experiment for static explosion in well

2 结果与讨论

2.1 战斗部静爆试验结果与分析

3种装药战斗部静爆试验结果如图5和表4所示。

图5 战斗部静爆试验后盖板(左)、背板(中)和铝板(右)的损伤程度Fig.5 Damage degree of cover plate (left), back plate (middle) and aluminum plate (right) after warhead static explosion test

表4 战斗部静爆试验结果Table 4 Results of warhead static explosion test

图5中“铝板”的穿孔图像采用ImageJ图像处理软件对铝板上孔洞进行二值化处理得到，图像流程如图6所示。

图6 ImageJ图像处理流程Fig.6 ImageJ image processing flow

根据图5中3种炸药的盖板、背板回收情况可知，当炸药发生爆轰反应时，盖板破碎，背板因装药爆轰作用或有与炸药直径相当的、明显的压痕，或被冲出与炸药直径相当的圆形飞片。JH-2和JOXL-1装药反应后形成的飞片较完整，RBOE-1装药反应后形成的飞片是破碎的。

2.2 水井回收试验结果与分析

水井试验后回收的破片情况如图7所示。

图7 破片回收情况Fig.7 Fragments recovery

表5 水井回收试验数据统计表Table 5 The statistical data of water well recovery test

表6 不同方案不同质量区间的破片质量占回收到破片总质量的百分比δTable 6 Percentage of the total mass of recovered fragments in different quality ranges with respect to different cases

根据表6数据可知，JH-2装药爆轰后，占破片总质量90%以上的破片质量集中在0.1～8.0g；JOXL-1和RBOE-1装药爆轰后，占破片总质量80%以上的破片质量集中在0.1～8.0g。综合每种炸药的两次试验结果可知，当装药为JH-2时，占破片总质量50%～60%左右的破片质量集中在2.0～8.0g，占破片总质量70%以上的破片质量集中在1.0～8.0g；当装药为JOXL-1时，占破片总质量50%左右的破片质量集中在2.0～8.0g，占破片总质量的60%以上的破片质量集中在1.0～8.0g，占破片总质量的70%以上的破片质量集中在0.5～8.0g；当装药为RBOE-1时，占破片总质量50%左右的破片质量集中在2.0～8.0g，占破片总质量的60%以上的破片质量集中在1.0～8.0g，占破片总质量的70%以上的破片质量集中在0.5～8.0g。

根据水井试验结果，计算3种炸药完全爆轰后生成有效破片的平均质量如表7所示(取两发的平均值)。

表7 3种炸药完全爆轰后生成有效破片的平均质量Table 7 Average effective fragment mass produced by three types of explosives after complete detonation

2.3 k值确定

将试验所得的3种装药战斗部完全爆轰时铝板穿孔的平均面积与表7中的数据代入公式(1)[12]可计算出k值，结果见表8。其中，k0.1为壳体破片质量大于0.1g的破片计入有效破片时的标定结果；k1为壳体破片质量大于1g的破片计入有效破片时的标定结果。

表8 3种装药的k值Table 8 k value of three kinds of charges

(1)

综上所述，3种装药战斗部的壳体破片平均质量可分别由下式计算：

当装药为JH-2时，有：

(2)

(3)

当装药为JOXL-1时，有：

(4)

(5)

当装药为RBOE-1时，有：

(6)

(7)

研究表明，壳体破片平均质量比例系数k为无量纲值。对于自然破片式战斗部，在内部装药爆炸膨胀的情况下，战斗部壳体的基本断裂模式一般为拉-剪混合型断裂。柱壳内壁由于巨大的剪应力而率先萌生剪切带，并向柱壳外壁扩展，然后在拉应力作用下，裂纹在外表面生成，并沿着已经形成的剪切带向内表面扩展。由此可见，壳体裂纹的扩展与炸药性能影响战斗部壳体的破碎情况，同时影响k值的变化。

3 结 论

(2)通过战斗部形成自然破片的穿靶试验获得壳体破片平均质量的方法，较大程度地减少了以往试验的复杂性，在实际工程应用中较为便利，为常规战斗部乃至不敏感战斗部的毁伤效能评估研究提供一种新的技术途径。