中心装药对FAE燃料成雾特性影响的试验分析

为了优化燃料空气炸药(FAE)装置参数,采用高速运动分析系统,观测燃料云雾的分散过程,研究中心装药对燃料云雾体积的影响规律。试验结果表明,燃料空气炸药装置的中心装药起爆后,燃料开始分散,云雾体积逐渐增大。燃料云雾抛散过程和最终体积与中心装药有关,当中心装药能量较小时,燃料云雾最大体积随中心装药能量增大而增大,当中心装药能量达到临界值以后,燃料云雾的最大体积不再随能量增大而增大。     

燃料空气炸药爆轰产物JWL状态方程参数计算

炸药爆轰产物的Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程参数一般由圆筒试验确定,但圆筒试验并不适用于宏观上呈云雾状态的燃料空气炸药(FAE)。为确定FAE爆轰产物的JWL状态方程参数,基于外场FAE爆轰试验数据,引入反向传播神经网络联合遗传算法(BPNN-GA),建立适用于FAE的状态方程参数计算方法,并与单爆源和多爆源的外场试验结果对比。研究结果表明：引入BPNN-GA可以简化状态方程参数优化过程,提高了寻优速度和精度;基于FAE爆轰产物JWL状态方程参数,建立单爆源与多爆源的FAE云雾爆轰模型,数值仿真所得的冲击波轮廓与实际爆轰冲击波形貌一致,单爆源与多爆源50 m测点处地面峰值超压仿真值与试验值的最大偏差分别为9.0%和11.1%.     

一次引爆型燃料空气炸药装置结构的实验研究

本文介绍一次引爆燃料空气炸药（FAE）装置四种不同结构爆炸作用的实验结果。其结果表明,燃料分散的均匀性是影响一次爆燃料空气炸药爆炸效果的主要因素。非中心对称装药爆炸分散造成云雾分布的非均匀性,爆炸效果较差;中心对称装药有利于形成环向均匀分布的云雾区,改善爆炸作用效果。     

高落速云雾爆轰的数值模拟

为了研究落速1000 m·s^-1条件下的燃料分散和爆轰过程,建立了燃料分散爆轰的计算仿真模型,以静态燃料分散及云雾爆轰实验结果作为数值方法进行了验证,分析了2 kg环氧丙烷燃料在高落速条件下分散爆轰的温度、压力随时间变化规律。结果发现：落速1000 m·s^-1条件下,数值模拟得到了云雾形态、浓度场随时间和空间的分布规律,云雾形态大致呈扇形,浓度随距离增加逐渐降低,最终达到稳定分布,云雾径向半径可达2.24 m,同时得到云雾爆轰过程及爆轰压力场、温度场的影响规律,起爆后形成弧形波阵面向外扩散且温度压力不断衰减。数值模拟结果与实验相吻合,为高落速云爆武器系统的安全设计提供了新途径。     

几种典型燃料空气炸药威力性能研究

采用VLW状态方程及其程序对燃料空气炸药（FAE）爆压进行计算,并引入云雾威力因子,结合试验,研究了典型液态燃料和固液混合燃料配方对FAE爆轰威力性能的影响规律。计算与实验结果相吻合。     

强氧化剂对FAE诱导作用的实验研究

就强氧化剂KClO4、NH4ClO4对一次起爆型燃料空气炸药(FAE)的诱导作用进行了实验研究,结果表明,一次起爆型FAE的云雾覆盖区内的氧含量充足,但对于原复合燃料,空气中氧气的利用率不高,致使燃料的潜能不能充分激发。在FAE总质量不变的情况下,用15%的NH4ClO4作强氧化剂和爆轰反应的诱导剂取代部分复合燃料,可有效提高一次起爆型FAE的爆轰威力和爆轰稳定性。     

云爆燃料分散过程窜火机理的数值模拟

为探索云爆过程窜火现象的物理机制,以环氧丙烷为云爆装药,基于流体力学理论,使用数值模拟软件Ansys对2 kg云爆装置燃料分散过程进行数值模拟,研究燃料分散过程中云雾在驱动和热载荷下的耦合作用;研究耦合作用下云雾的点火条件。结果表明:中心装药量对于云爆装置的窜火具有明显影响,中心装药起爆后产生高温高压推动燃料分散,由于热传导及热辐射机理,在燃料扩散形成的云雾场中同样存在温度场与压力场,云雾场温度高于燃料自燃点,浓度位于燃料爆炸极限区间内时即发生窜火。对2 kg云爆装置的数值模拟表明,发生窜火的位置一般位于云爆装置顶部0.01~0.25 m附近,窜火时间集中在燃料开始分散后的1~5 ms。     

高能液固混合燃料配方优化及毁伤分析

为筛选优化高能燃料空气炸药（FAE）的配方组分,以石油醚、环氧丙烷和乙醚作为液体燃料,硝酸异丙酯和硝基甲烷作为液体敏化剂,金属铝粉作为固体组分,通过EXPLO5计算软件比较了不同配比FAE的爆炸压力和爆炸温度,并在无约束条件下进行了液体和液固FAE配方的云雾爆轰实验,对爆炸场、温度场等参数进行了毁伤效果分析,并量化评估了各体系的热毁伤、超压毁伤的效果。结果表明,石油醚、环氧丙烷与硝酸异丙酯混合的混合液体FAE,在石油醚质量占比55%～70%条件下,爆轰性能上表现较优。液固混合FAE中液固比例为1∶1条件下具有较良好的爆轰性能,并在无约束云雾分散实验中表现出最佳的云雾分散状态。两种体系的FAE配方在1 kg的二次起爆药量下云雾爆轰可以稳定反应,能达到爆轰状态,且在毁伤能力均具有较优效果。     

FAE爆轰参数计算与性能设计探讨

采用VLW状态方程及其程序计算环氧丙烷/铝粉燃料的FAE爆轰参数,研究了分散浓度(氧平衡)对FAE战斗部威力性能的影响.结果表明,按照微负氧设计,有利于提高FAE爆轰威力和燃料能量利用率;铝粉配比的增加能提高FAE爆轰参数,但配比过高不利于燃料分散,导致FAE氧平衡不好,反而影响FAE战斗部的威力性能.     

复合装药威力性能试验分析

为研究复合装药威力性能,设计由高爆速理想炸药和含铝炸药组成的内外复合装药结构.在分析复合装药作用原理的基础上,采用压力传感器法研究不同装药结构的冲击波超压性能,利用靶网测速法研究不同装药结构对破片初速的影响.试验结果表明:相对于单一含铝炸药,外层高爆速炸药、内层由含铝炸药组成的复合装药结构可显著提高冲击波超压值和破片初速.     

铝粉对FAE爆轰性能影响的研究

采用VLWR状态方程及其程序计算环氧丙烷/铝粉燃料的FAE爆轰参数.结果表明,铝粉配比的增加能提高FAE爆轰参数,但配比过高不利于燃料分散,导致单位质量的燃料在空气中覆盖范围的降低,反而影响FAE战斗部的威力性能.同时,铝粉颗粒的直径对燃料空气炸药作功能力和反应时间有一定的影响.     

爆炸抛撒过程中FAE云雾的运动特性

为研究爆炸抛撒过程中燃料空气炸药(FAE)云雾的发展和变化特征,通过高速摄影观测了不同密度FAE的云雾形成和运动状态,用数值仿真计算了燃料圆柱外表面中心点处质点的速度变化,在距爆心2.5 m处利用光电探测方法测量了云雾相对浓度变化。结果表明:燃料在云雾形成之前的运动主要以射流为主,云雾形成后主要为扩散运动。燃料密度越大,相同时刻云雾扩展直径越大。燃料质点的速度在爆炸抛撒条件下经历先快速增大后缓慢降低的过程,最高速度达到377 m·s-1。在10~80 ms,燃料浓度的变化幅度表现出由大到小的变化,显示抛撒云雾内部的燃料颗粒空间分布具有非均匀性的特点,并且适当延长云雾运动时间,燃料颗粒分布的均匀性可得到有效改善。     

基于超声阵列的云爆燃料浓度分布评估试验方法

云爆燃料爆炸抛撒具有高动态性、冲击波湍流和瞬态特性,其燃料浓度分布是燃料空气炸药(FAE)战斗部设计与引信起爆设计的基础。基于脉冲超声在燃料云雾中的衰减特性,建立FAE爆炸抛撒的多点阵列式动态燃料浓度分布评估试验系统。通过获得的燃料云雾中不同位置的超声衰减曲线,对燃料浓度在时间/空间的变化规律进行评估。研究结果表明：FAE静态爆炸抛撒下,中心区燃料云雾浓度由低至高、再由高减低;偏离中心区越远,浓度低的分布特点。该评估方法可以有效表征云爆燃料抛撒过程的浓度分布,为FAE引信系统的最佳起爆时间与位置提供了试验方法与数据支撑。     

中心装药起爆方式对FAE 影响的仿真研究

为提高燃料空气炸弹的释能效率,研究中心装药的起爆方式对燃料空气炸弹爆炸威力的影响。建立1点、2点、5点起爆方式的仿真模型,运用AUTODYN软件,对中心装药起爆过程中的最大压力和最大抛撒速度进行仿真计算,并对爆轰波传播过程进行分析。仿真结果表明:在3种起爆方式中,2点起爆能够形成扁平状火球,作用区域更广;2点起爆的峰值可以达到其他2种起爆方式的2倍左右;2点起爆和5点起爆情况下的燃料抛撒的速度比一点起爆可提高19%。     

环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性影响研究

为研究环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性的影响,依据量热法原理测量了试样在不同含氧量下的爆热,同时在密闭条件下利用PCB压力传感器测量了试样在不同含氧量下的准静态压力,结合傅里叶变换红外光谱仪对爆轰气体产物进行了检测和验证。试验结果表明:随着氧气含量的增加,试样爆热值逐渐增加,爆轰气体产物中CO和CO₂含量逐渐增加; HCN含量先增加后迅速下降,CH₄的含量逐渐下降; 在标准状况和氧气条件下,试样的准静态压力分别为0.255 MPa和0.310 MPa。结果表明:随着环境含氧量的增加,试样的氧化性逐渐增强,同时释放出更多的能量,大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量释放率。     

中心装药对燃料抛散的影响及其空腔效应

中心装药对燃料空气炸药(FAE)装置有重要的影响。利用高速相机测定得到采用耦合装药的FAE装置的抛散速度的最大值为408.5 m·s-1,利用LS-DYNA软件计算得到采用耦合装药的FAE装置的抛散速度的最大值为412.5 m·s-1,误差不足1%,计算方法精确可靠。采用相同的方法对采用不同中心装药方式的FAE装置的燃料抛散速度、中心装药爆炸空腔、空腔内温度进行了计算。结果表明,采用不耦合装药的FAE装置不同位置的抛散速度相差小,约100 m·s-1,速度分布均匀,燃料利用率高;爆炸空腔半径在端部处缩小1/3左右,呈现出中间大,两端小的分布,使二次起爆药包的安装位置有更多选择。同时,与采用耦合中心装药的FAE装置相比,不耦合中心装药的FAE装置爆炸空腔内的温度衰减较快,安全性更好。