一种销毁哑弹的聚能射流设计

爆󰀁破󰀁󰀁BLASTING󰀁󰀁

Vo.l25󰀁No.4󰀁󰀁

Dec.2008󰀁󰀁

文章编号:1001-487X(2008)04-0082-03

一种销毁哑弹的聚能射流设计

任新见,李󰀁林,汪剑辉

(总参科研三所,河南洛阳471023)

摘󰀁要:󰀁分析了哑弹销毁机理,探讨了聚能射流设计的核心因素。针对某型哑弹,采用经验公式和数值模拟相结合的方法设计了一种线型聚能射流切割器。实践证明,该切割器可以有效销毁哑弹,值得进一步推广。

关键词:󰀁聚能射流;󰀁哑弹;󰀁LS󰀁DYNA;󰀁数值分析中图分类号:󰀁O383󰀁󰀁文献标识码:󰀁A

DesignofCumulativeJettoEliminateUnexplodedBomb

RENXin󰀁jian,LILin,WANGJian󰀁hui

(LuoyangHydrotechnicsInstitute,Luoyang471023,China)

minatingunexplodedbombisanalysed,andthekeyfactorsarediscussedforthede󰀁Abstract:󰀁Thetheoryofelisignofcumulativejet.Numericalanalysisandexperientialformulaareusedtodesignalinearcumulativejet.Prac󰀁ticesprovethatcumulativejetcaneliminateunexplodedbombeffectively.

Keywords:󰀁cumulativejet;unexplodedbomb;LS󰀁DYNA;numericalanalysis

󰀁󰀁某型弹在研制过程中产生了部分哑弹,采用常

规方法难于销毁,某试验场采用捆绑TNT药块二次起爆试图排除哑弹均未获成功。设计了一种线型聚能射流切割器,有效地解决了这一问题。

为了提高聚能效应,须尽量避免高压膨胀引起能量分散而不利于能量集中的因素。聚能作用能量集中的程度可用单位体积能量即能量密度来作比较。爆轰波的能量中,位能占3/4,动能占1/4。聚能过程中动能是能够集中的,位能却起分散作用,所以,聚能气流的能量集中程度不是很高。

把能量尽可能转换成动能形式可大大提高能量的集中程度

[2]

[1]

1󰀁销毁机理

爆轰是炸药在瞬间发生分解反应的一种特定形式,其实质是爆轰波在炸药中的传播。爆轰过程

中,化学反应区很薄,凝聚相的化学反应区厚度在0.5󰀂2.5mm之间;化学反应区以常速传播,该速度大于炸药中的声速,在波阵面上产生很高的温度梯度和压力梯度。

爆轰产物在高温、高压下基本沿炸药表面的外法线方向飞散。因此,带凹槽的装药在引爆后,在凹槽轴线上会汇聚一股高速和高压的爆轰产物流,在一定范围内使炸药爆炸释放出的化学能集中起来。

收稿日期:2008-08-24.

作者简介:任新见(1979-),男;洛阳:总参科研三所助理研究员.

,为此,在装药凹槽内表面衬上一个

金属药型罩。装药爆轰后,凹槽附近炸药爆炸的能量会传递给药型罩,使药型罩以很大的速度向轴线运动,药型罩在高温、高压的爆轰产物作用下形成金属杆,可以看作流体。其中,药型罩内表面形成细长的金属射流,药型罩外表面形成杵体。在药型罩压垮并产生射流的过程中,射流吸收的爆炸能量不会像爆炸产物那样再散失掉。

射流具有高温、高压、高速的特点,有极强的侵蚀能力

[3]

。当它作用于哑弹时,可以瞬间切割哑弹

的金属外壳,继而引爆哑弹内的装药,最终达到销毁第25卷󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁任新见󰀁等󰀁一种销毁哑弹的聚能射流设计83

哑弹的目的。某一距离处集中程度达到最大,之后又迅速飞散开。这样就存在一个药罩面形状端的优化问题,尤其需要选择合适的药型罩顶角角度。在实际使用时,采用80 ,既充分利用了既有的铸装模具,又可保证较大的切割深度。

金属射流和爆轰产物聚能流都需要一定的作用距离,能量最集中的断面总是在药柱底部外的某点,断面至锥底的距离称为炸高。对于位于炸高处的目标,破甲、切割效果最好。

2󰀁核心因素

药型罩材料及其几何形状与尺寸、装药性能与质量、装药结构、起爆方式、炸高等对射流的形成和切割能力均有显著影响。另外,除去技术层面因素,实际操作中还必须符合经济原则,以及材料易于购置、便于加工、使用方便、安全等特点。

按照聚能爆破原理,为了得到稳定的射流,装药的爆速越高越好

[4]

。但是,爆速越高的炸药敏感度

越高,加工、保管、使用都不安全,且因其价格较高而提高了使用成本。综合考虑,采用黑索今(RDX)和梯恩梯(TNT)铸装混合炸药,其配比RDX/TNT为60/40。用蒸气锅将TNT熔化,然后加入RDX粉并搅拌均匀,可熔铸于加工好的装药壳体内,冷却凝固后即可使用。

药型罩的作用是将炸药的爆轰能量转换成罩的动能,从而提高聚能作用,所以对罩材料的要求为:可压缩性小、聚能过程中不气化、密度大、延性好。目前,钨合金、钽合金是药型罩材料研究的热点。根据定常理想不可压缩流体动力学理论,聚能罩材料的密度越大越好,但密度大的金属往往是贵金属,会提高其使用成本。经大量试验比较表明,采用紫铜既可满足切割要求,又可降低成本。

锥形罩、抛物线形罩、半球形罩均产生聚能作用,锥形罩又分圆锥形、喇叭形、双锥罩等多种形式,这些都属于轴对称聚能装药。图1为线型聚能切割器金属罩示意图。此处采用线型锥形罩聚能装药,药型罩较长,可以产生一条聚能射流起到切割作用。

圆柱形药柱爆轰后,爆轰产物沿近似垂直原药柱表面的方向向四周飞散,作用于钢板部分的仅仅是药柱端部的爆轰产物,作用面积等于药柱端面积。带锥孔的线型装药,锥孔部分爆轰产物飞散时,先向轴线集中,汇聚成一股速度和压力都很高的气流,称为聚能气流。爆轰产物的能量集中在较小的面积上,具有很强的侵蚀能力,即锥形孔能提高破坏作用。此处药柱形状选择带锥孔线型药柱。

锥孔处爆轰产物向轴线汇聚时,爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于药罩面的方向向轴线汇聚,使能量集中;但爆轰产物的压力本来就很高,汇聚在轴线处形成更高的压力区后,高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀,使能量分散。这2种因素的综合作用使得气流不能无限集中,而在离药柱端面

图2󰀁聚能装药截面尺寸(单位:mm)

图1󰀁线型聚能切割器金属罩

3󰀁数值分析

基于ANSYS/LS󰀁DYNA对诸因素进行优选。线型聚能装药截面尺寸如图2所示。药型罩厚度为1.5mm,母线长为15mm,药型罩顶角为80 ,装药高度为16mm,起爆方式为炸药顶端棱上同时起爆,分析线型聚能射流的形成过程。

线型聚能装药结构具有平面对称的特点,在线起爆方式的前提下,问题可以转化为二维平面应变问题

[5󰀁6]

,计算模型中使用的起爆方式也就转化为点

起爆方式,因此可以建立二维模型进行计算。

数值模型由炸药、药型罩、空气3部分组成,采用cm󰀁g󰀁󰀁s单位制,利用欧拉网格建模,单元使用多物质ALE算法。为方便网格制作,采用单层实体网格建模,这种简化既可以充分利用LS󰀁DYNA程序中的多物质ALE算法,又将模型尺寸大大减小。84爆󰀁破󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年12月

由于金属罩在形成射流的过程中,单元会产生大变形,因此要使用自适应网格技术。炸药和金属罩之间、金属罩各部分之间均定义接触。

线型罩聚能射流的形成过程如图3所示。

量的增加部分表现为动能形式,避免了高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中。罩壁在轴线处汇聚碰撞时,发生能量重新分配,罩内表面铜层的速度比闭合时高1󰀂2倍,使能量密度进一步提高,形成金属射流,罩的其余部分则形成速度较低的杵。锥形罩壁在向轴线运动的过程中,能量逐渐由外层向内层转移。

从以上分析可看出,聚能效应的主要特点是能量密度高和方向性强,使得在锥孔方向有极强的局部破坏作用

[7󰀁8]

。因此,线型聚能装药切割哑弹外壳

的方法是可行的。

4󰀁结󰀁语

聚能射流切割器排除哑弹法已经在某试验场得到成功应用,仅2006年就成功销毁哑弹300余枚,安全无事故。图5为哑弹引爆瞬间。

图3󰀁线型聚能射流

显示有关节点速度信息,如图4所示。

图5󰀁哑弹引爆瞬间

参考文献

[1]󰀁沃尔特斯,朱卡斯.成型装药原理及其应用[M].王树

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分析[M].北京:清华大学出版社,2005:44󰀁50.[3]󰀁亨利奇J.爆炸动力学及其应用[M].熊建国,译.北

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图4󰀁节点速度等值线

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87󰀁94.

[8]󰀁北京工业学院八系.爆炸及其作用[M].北京:国防工

业出版社,1979:98󰀁111.

射流各部分速度不同,端部速度高,尾部速度低,因此射流在向前运动过程中将被拉长。但由于铜有良好的延性,射流可以比原长延伸好几倍而不断裂。金属射流在延伸过程中不像聚能气流那样膨胀分散,仍保持着原来的能量密度。

由于在药柱锥孔表面加了一个铜罩,爆轰产物在推动罩壁向轴线运动的过程中,将能量传递给铜罩。由于铜的可压缩性很小,因此内能增加很少,能