两端点起爆对炸药近地场冲击波威力增强效应研究

史利平，王成龙，吴宏斌，史文卿，薛再清

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100074）

爆破战斗部利用炸药在爆炸过程中快速释放的巨大能量，产生强烈的高温、高压爆轰产物和冲击波，并利用冲击波超压对目标进行毁伤[1-2]. 传统爆破战斗部采用一端单点起爆，炸药在空气介质中爆炸形成类球面冲击波[3]，能量向四周均匀释放，但从爆破战斗部对目标毁伤而言，仅有近地方向冲击波才对目标有毁伤作用[4]，其余方向的冲击波能量并未被有效利用. 同时对于存在一定长径比的圆柱形装药，炸药在起爆时两端炸药参与反应受端部效应，影响了炸药反应能量释放. 通过控制战斗部装药的起爆方式，提高炸药爆炸反应能量输出，并改变炸药爆炸冲击波场分布，使对近地方向产生更强的毁伤效果，成为近几年提升爆破战斗部毁伤威力的研究热点.

国内外学者对炸药起爆方式对冲击波传播规律的影响进行了大量研究，研究方向包括起爆方式对爆轰波阵形状和压力影响研究[5-6]，起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场影响仿真研究[7]、起爆方式对炸药水下爆炸作用研究[8-9]和起爆方式对破片驱动控制效应仿真研究[10-11]等. 针对起爆方式对炸药空爆能量释放和冲击波场分布影响研究较少，同时单纯的仿真技术手段难以反映两端起爆近地场冲击波威力增强效应.

本文在其他学者研究的基础上，针对圆柱形装药结构，通过试验研究了上端点起爆、下端点起爆、两端点起爆等不同起爆方向，炸药爆炸在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内地面冲击波超压，并通过仿真得到了不同起爆方向对炸药爆炸冲击波场分布影响规律，研究成果为爆破战斗部威力提升设计提供关键支撑.

1 不同起爆方向对比试验研究

1.1 装药结构和起爆方向

炸药为含RDX、Al 粉等的二代复合炸药，采用圆柱形装药结构，直径为Φ150 mm，长径比为4，装药质量约为20 kg，浇注到PVC 管中. 药柱竖直放置，下端面距离地面0.5 m，起爆方式为上端点起爆、下端点起爆和两端点起爆三种起爆方式，两端点起爆通过导爆索连接实现两端起爆同步性，两端起爆装药试验件如图1 所示.

图1 两端起爆装药试验件Fig. 1 Explosive experiment with single-point initiation at both end

1.2 试验测试方案

按冲击波超压测试方法和TNT 装药地面爆炸超压理论计算值，在距离爆炸原点4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 布置3 组地面超压测量传感器，直接测量地面超压值，对应比例距离近似为1.5 m·kg-1/3，2 m·kg-1/3，3 m·kg-1/3，4 m·kg-1/3和4.5 m·kg-1/3. 试验场地布置如图2 所示. 试验场地选择在空间开廓的地段，要求放置装药试验件的地面比较平整，每个测试距离布置三个传感器，试验结果取平均值. 为减小误差，每个试验状态测试两发.

图2 地面冲击波超压测试现场布置图Fig. 2 Schematic diagram of the shock wave overpressure test setup

1.3 试验结果分析

试验获得了上端点起爆、下端点起爆和两端点起爆在4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 处得地面冲击波超压数据，其中8.15 m 处（Z=3 m·kg-1/3）冲击波超压-时间曲线如图3 所示，各测试点有3 条测试数据，曲线特征复合典型冲击波超压-时间曲线.

图3 试验获得8.15m 处冲击波超压-时间曲线Fig. 3 Shock wave overpressure varying with time at distribution of 8.15m

选取各测试点峰值超压，相同测试位置三点测试结果取平均值，将超压峰值数据通过式（1）进行拟合，如式（2）～（4）所示，获得冲击波超压-比例距离拟合曲线，如图4 所示.

图4 上端点起爆与下端点起爆对比超压-比例距离拟合曲线Fig. 4 Overpressure vs. scaled distance fitting curves in different initiation

上端起爆超压峰值拟合

上端点起爆在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜2 m·kg-1/3内冲击波超压低于下端点起爆，在比例距离2 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3内冲击波超压高于下端点起爆；表明不同起爆方向影响了冲击波场在空气中的传播和分布，上端点起爆在近地场形成更强的马赫发射波，增加了远距离地面场冲击波超压.

两端点起爆在测试距离内的冲击波威力相对上端点起爆提高了43%，相对于下端点起爆提高了44%. 结果表明两端起爆的方式提高了炸药能量释放，改变了冲击波场在空气中的传播和分布，提高了近地场冲击波超压.

2 不同起爆方向对爆炸冲击波场影响规律分析

2.1 仿真模型

为了研究起爆方向对炸药的冲击波场分布和传播规律的影响，通过仿真研究不同起爆方向爆炸冲击波场的传播. 利用AUTODYN 软件对炸药爆炸和冲击波传播过程进行模拟，计算域只有炸药和空气两部分，采用EULER 求解器计算，模型区域上边界和左右边界施加无反射边界以模拟无限空气域，下边界施加刚性反射边界以模拟刚性地面，整体网格为10 mm，炸药附近进行了适当加密，空气和炸药状态方程及材料参数设置参考文献[2]，起爆方向包括上端点起爆、下端点起爆和两端点起爆.

2.2 仿真结果及分析

不同起爆方向炸药爆炸初始阶段冲击波分布云图如表1 所示.

表1 不同起爆方向初始阶段冲击波分布对比Tab. 1 Comparison numerical model of shock wave in different initial explosion direction

在T1时刻，可以看出不同起爆方向爆轰波的传播情况：上端点起爆时爆轰波向下端传播，下端点起爆时爆轰波向上端传播，两端点起爆时则在中心形成了爆轰波汇聚叠加现象.

在T2时刻，可以看出初始冲击波场分布情况：上端点起爆时在上端先形成类球面冲击波场，下端点起爆时在下端先形成类球面冲击波场，两端点起爆时上下两端冲击波场对中间形成汇聚耦合现象.

在T3时刻，冲击波场接近地面，可以看出近冲击波场超压分布情况：上端点起爆冲击波场超压最大为近地侧，向地面方向传播；下端点起爆冲击波场超压最大为远地侧，向远离地面方向传播；两端点起爆冲击波场超压最大为中间，向两端水平传播.

在T4时刻，冲击波场传播到比例距离Z=1 m·kg-1/3，冲击波场已在地面形成马赫波反射. 此时两端点起爆冲击波场在近地面局部超压最高，冲击波场在起爆汇聚中心形成“尖峰”向前传播，冲击波传播距离最远；上端点起爆存在明显的地面马赫反射波，并与空气冲击波形成交汇界面；下端点起爆冲击波场以类球面波传播，冲击波传播距离小于上端点起爆.

在比例距离1 m·kg-1/3＜Z＜4 m·kg-1/3内冲击波传播云图如表2 所示，在Z≈1 m·kg-1/3时上端点起爆、下端点起爆和两端点起爆冲击波场传播呈现明显差异，两端点起爆存在明显的汇聚“尖峰”传播效应，上端点起爆存在明显的地面反射波效应[12]，下端点起爆冲击波由空气向地面形成较强的作用区，地面超压增强；随着传播距离的增加，这种差异逐渐减小，在Z≈2 m·kg-1/3冲击波场传播前沿形状接近，在Z≈3 m·kg-1/3下端起爆冲击波场传播前沿基本形成“竖直”面，在Z≈4 m·kg-1/3不同起爆方向的冲击波场传播前沿均形成“竖直”面，起爆方向对冲击波场传播影响逐渐减小.

表2 不同起爆方向冲击波中近场传播对比Tab. 2 Comparison numerical model of shock wave propagation in the air

仿真获得了距爆炸原点地面4.05 m、5.45 m、8.15 m、10.85 m 和12.2 m 的超压-时间曲线，如图5 所示，两端点起爆相比一端点起爆在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内冲击波传播速度更快，冲击波超压更大. 相比上端点起爆和下端点起爆，两端点起爆冲击波峰值时间分别平均减小了0.03 ms，0.35 ms，1.98 ms，3.31 ms 和3.33 ms，冲击波超压峰值分别平均提高了29%，52%，84%，28%和13%.

图5 仿真获得冲击波超压-时间曲线Fig. 5 Simulation result, shock wave overpressure varying with time

将仿真获得的压力峰值按照公式（1）进行拟合如图6 所示，两端起爆在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内冲击波峰值相比一端起爆显著提高，冲击波超压平均提升34 %. 上端起爆在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜2.4 m·kg-1/3内冲击波超压低于下端起爆，在比例距离2.4 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3内冲击波超压高于下端起爆.

图6 不同起爆方向仿真结果冲击波超压-比例距离拟合曲线Fig. 6 Simulation result, overpressure vs. scaled distance fitting curves

仿真上端点起爆超压峰值拟合

仿真下端起爆超压峰值拟合

3 试验与仿真结果分析讨论

对比上端起爆相比下端起爆的超压增益仿真和试验结果如图7 所示，试验增益曲线由式（2）～（3）获得，仿真增益曲线由式(5)～(6)获得. 仿真结果和试验结果表明在比例距离Z小于一定值（仿真2.4 m·kg-1/3，试验2.1 m·kg-1/3）时上端起爆超压峰值小于下端起爆超压峰值，随着比例距离增加上端起爆超压峰值大于下端起爆超压峰值. 上端点起爆相比下端点起爆增益幅度较小最大仅15%，试验数据容易被测试误差覆盖，试验增益曲线与试验结果离散性较大，仿真增益曲线与仿真结果吻合度较好，试验和仿真有一定偏差. 从试验和仿真获得的增益曲线趋势分析，试验结论和仿真结论基本一致，即上端点起爆和下端点起爆炸药爆炸冲击波场分布和传播在近场和中场有一定差异，在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜2.1 m·kg-1/3（试验）内下端起爆炸药爆炸冲击波从空气直接作用于地面，冲击波超压更高；在比例距离2.1 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3（试验）内上端起爆地面马赫波反射叠加，冲击波超压更高.

图7 上端起爆相比下端起爆超压增益仿真和试验对比曲线Fig. 7 Comparison curve of overpressure increasing at top end initiation by simulation and experiment

对比两端起爆相比一端起爆的超压增益仿真和试验结果如图8 所示，试验增益曲线由式（2）～（4）获得，仿真增益曲线由式（5）～（7）获得. 仿真结果和试验结果超压增益趋势大致相同，均表明在两端起爆在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内冲击波峰值相比一端起爆显著增益，在比距离2.5 m·kg-1/3＜Z＜3 m·kg-1/3的范围内超压增益最为明显. 试验增益曲线与试验结果一致性较好，仿真增益曲线与仿真结果有一定偏差，主要是因为仿真未能体现两端起爆下炸药能量的增强释放. 从试验和仿真获得的增益曲线趋势分析，试验结论与仿真结论基本一致，即两端起爆改变了炸药爆炸冲击波场的分布和传播规律，在一定比例距离方位内相比一端起爆出现了明显的增强效应.

图8 两端起爆相比一端起爆超压增益仿真和试验对比曲线Fig. 8 Comparison curve of overpressure increasing at both end initiation by simulation and experiment

4 结 论

本文通过试验和数值仿真研究了起爆方向对炸药爆炸近地场和冲击波场分布和传播的影响规律，获得了不同起爆方向炸药在比例距离1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内的地面冲击波超压威力，研究结论如下：

①两端点起爆相对一端点起爆在1.5 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3范围内炸药近地场冲击波威力明显提升，冲击波超压平均提升43%，其中比距离2.5 m·kg-1/3＜Z＜3 m·kg-1/3近地场冲击波威力提升最为明显.

②不同起爆方向改变了近地面冲击波的分布和传播规律，上端点起爆相比下端点起爆在比例距离2.1 m·kg-1/3＜Z＜4.5 m·kg-1/3内地面马赫波反射，冲击波超压更高；两端点起爆相比一端点起爆爆轰波向装药中心汇聚，爆炸产生的冲击波场沿汇聚中心向周向水平传播，增加了近地场冲击波传播距离和超压峰值.