新材料敏化的乳化炸药爆炸特性研究

通过水下爆炸与爆破切割实验,研究了新型材料敏化的乳化炸药爆炸能量输出特性。研究结果表明,材料CMLS敏化的乳化炸药相对玻璃微球敏化的乳化炸药在爆炸威力上有了很大的提高。CMLS型乳化炸药采用的是动态敏化技术,在引爆过程中,CMLS受压分解产生气体,从而引入均匀分布的小气泡,达到了敏化的目的。它保证了初始高密度装药,并且避免了由于敏化气泡破坏而造成的半爆和拒爆现象。材料CMLS分解产生的物质是含能基团,参与乳化基质的爆轰反应,因此其总输出能量会大于现有乳化炸药的输出能量。上述结果对新型乳化炸药设计具有指导意义。     

复合敏化乳化炸药的压力减敏

为了解敏化剂对乳化炸药压力减敏的影响,研究了化学发泡+空心玻璃微球和空心玻璃微球+膨胀珍珠岩2种复合方式分别敏化的乳化炸药压力减敏。依据乳化炸药爆炸冲击波的波峰值,计算了它在水下受到冲击波作用之后的压力减敏度,将复合敏化的乳化炸药与分别用单一敏化剂的乳化炸药压力减敏度作了比较和分析。结果表明,第1种复合方式敏化的乳化炸药压力减敏度介于单一敏化的乳化炸药之间,以10cm受压距离为例,压力减敏度分别为1.000、0.983、0.210;第2种复合敏化的乳化炸药压力减敏度小于单一敏化的乳化炸药,10cm受压距离的压力减敏度分别为0、0.274、0.618。分析认为,敏化剂颗粒或气泡的破损与其微界面周围局部破乳的综合作用是造成乳化炸药压力减敏的主要原因。     

柱状含铝炸药水下爆炸近场的特征线法研究

基于之前提出的一种含熵变项的特征线法,通过控制非等熵流中的能量释放来刻画铝粉燃烧的影响,结合简单Chapman-Jouguet模型和JWL-Miller状态方程,计算了柱形含铝炸药水下爆炸的近场参数。对比模拟结果与实验数据,发现这种特征线法可以较好地预测近场冲击波的传播迹线、爆轰产物的膨胀轨迹以及内部压缩波的反射过程。结果表明,这种特征线法可用于含铝炸药水下爆炸的近场计算,进一步可用于评估含铝炸药性能或计算水下能量输出。     

钛基纤维炸药水下爆炸性能的初步分析

通过爆炸压力时程曲线分析含钛纤维炸药的压力峰值、水下比冲击波能、比气泡能、质量能量及能量密度变化趋势,通过对所得能量结果分析钛纤维炸药的化学反应过程。结果表明:含钛纤维炸药的压力峰值、比冲击波能随钛纤维含量的提高而降低,比气泡能随钛纤维含量的提高而增大,质量能量及能量密度都随钛纤维含量的提高而增大。随距离的增大,钛纤维炸药压力峰值衰减比RDX的慢,而不同钛纤维含量的钛纤维炸药的比冲击波能、比气泡能在不同距离处随钛纤维含量变化趋势基本一致。根据炸药反应释放的总比能量进行理论分析,得出钛纤维炸药爆炸反应方程式。     

低能量导爆索水下爆炸冲击波特性实验研究

为了获得低能量导爆索水下爆炸冲击波特性,在水下爆炸试验容器中对复合铝纤维爆炸索进行水下爆炸实验。采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,获得了复合铝纤维爆炸索冲击波压力峰值,计算了其冲击波比能和高压区冲击波比能。研究结果表明:复合铝纤维爆炸索冲击波能量的输出主要集中在特征时间内的高压区,占到冲击波比能的84%。通过复合铝纤维爆炸索水下爆炸冲击波特性的研究,为其下一步的推广应用奠定了基础。     

负压环境对乳化炸药爆炸温度场和有害效应的影响

为了探究负压条件下乳化炸药的爆轰反应机制,利用自制的可视化球形爆炸罐,通过高速摄像机、压力传感器和噪声仪分别记录乳化炸药的爆炸火焰传播过程、爆轰波压力和爆炸噪声,采用比色测温技术重构了爆炸火球的二维温度场,并深入研究了初始真空度对乳化炸药爆炸温度场、爆轰波特征参数以及爆炸噪声的影响。实验结果表明：随着初始真空度的提高,爆炸火球亮度更高,持续时间更长,形态更稳定;当真空度为0 k Pa时,火球在19.35μs时破裂,而当真空度为100 k Pa时,火球在58.05μs才开始破裂;低初始真空度对火球温度影响较小,而60 k Pa以上的初始真空度会显著提高乳化炸药的爆炸温度;冲击波峰值压力和比冲量均随着初始真空度的升高而降低,但初始真空度对冲击波正压作用时间变化的影响不明显。AUTODYN数值模拟结果表明,随着真空度的提高,冲击波峰值压力降低,冲击波速度逐渐降低至与爆轰产物的膨胀速度接近。此外,初始真空度的提高有利于降低爆炸噪声,与常压相比,当罐体内真空度为100 k Pa时,爆炸噪声的声压级降低了35.9 d B,降幅为29.8%。     

铝纤维对黑索今水下爆炸性能的影响

将铝纤维添加到RDX中得到新型非理想炸药,并与RDX进行水下爆炸对比实验,得到2种炸药在不同位置的压力时程曲线,经过分析计算得到两者水下爆炸的冲击波压力峰值、冲量、冲击波能、气泡脉动周期以及气泡能。结果表明:距离药柱相同位置处,铝纤维炸药的压力峰值低于RDX,铝纤维炸药的冲击波冲量高于RDX,其差值受离药柱的距离影响不大。与RDX相比,铝纤维炸药的比冲击波能降低了2%~5.2%,比气泡能提高了9.4%~23.36%,总能量平均提高了3.5%。铝纤维炸药比气泡能与总能量的比值为55%~60%,高于RDX的50%~53%,其总能量与爆热比值为74%~84%,低于RDX的89%~95%。     

球对称形式物质点法及其在水下爆炸中的应用

利用物质点法求解三维远场水下爆炸冲击响应问题时,爆炸冲击波到达结构物之前传播过程的计算会消耗大量的计算资源,影响求解效率。针对这一问题,并考虑到水下爆炸冲击波在自由场中的传播特点,提出了一维球对称形式的物质点法,对球形炸药水下爆炸过程进行了数值模拟,并与Cole公式以及DYNA计算结果进行了比较,结果吻合较好,验证了一维球对称形式物质点法的正确性。在此基础上,提出了基于物质点法的重映射算法,将爆炸冲击波在自由场中的传播过程在一维球对称模型中进行计算,并将计算结果映射到三维模型中,以便继续完成计算过程,有效避免了计算资源在冲击波传播过程计算上的消耗。     

含铝炸药能量释放的简化模型

为了在水下爆炸效应中反映出非理想爆轰特性的影响,建立了含铝炸药非理想爆轰能量释放的简化模型。该模型以CJ爆轰理论和二次反应理论为基础,把含铝炸药化学反应划分为快速反应和慢速反应,以释放的化学能和慢反应速率常数作为非理想特征参数,并应用于一维数值模拟。计算结果与基本实验结果一致,冲击波峰值的计算误差不大于10％,衰减时间常数的误差小于5％,冲击波能与实验值也具有良好的一致性。简化模型合理地描述了含铝炸药非理想爆轰的主要过程及非理想特性,可应用于含铝炸药的设计和爆炸效应的分析。     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。

     

不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构

针对不同边界条件下,炸药水下爆炸的能量输出结构,设置自由场、沉底、近水底和近水面等不同边界条件水下爆炸实验。结果表明,炸药在距水底、水面一定距离时爆炸,边界条件对冲击波影响较小,对气泡脉动影响较大;当炸药与水底距离小于1倍最大气泡半径处爆炸时,由于水底边界影响,不能形成完整的气泡脉动;当炸药在距水面小于1倍最大气泡半径处爆炸时,气泡直接溢出水面,不能形成气泡脉动压力;当炸药在距水面1~1.5倍最大气泡半径处爆炸时,部分气泡溢出水面,气泡脉动压力较自由场爆炸时小;气泡在膨胀和收缩过程中,由于气泡不断上升,水面对气泡脉动的影响范围要大于水底。     

近自由面水下爆炸冲击载荷特性三维数值模拟

基于三维SPH 方法,对传统链表搜索算法进行了变光滑长度改进,并提出了具有较好稳定性的多相物质交界面的处理方法,模拟了三维无限域水下爆炸问题,验证了改进的三维SPH 方法模拟水下爆炸问题的可行性和有效性。在此基础上,建立了水下爆炸三维数值模型,模拟了近自由面水下爆炸过程,研究了冲击波传播特征、自由面下压力场和能量场特性以及水柱的产生过程。结果表明:自由面可将冲击波压力峰值和压力冲量最大衰减到1/3和1/7;爆深的增加会导致压力比和冲量比的等值柱面曲率变小,产生的水柱也逐渐由破碎的喷柱向高而窄的水冢过渡。     

温压炸药在野外近地空爆中的冲击波规律

为了研究温压炸药在敞开空间爆炸中冲击波的规律,选取典型温压炸药制成不同量级的裸药柱进行野外近地空爆实验,同时用TNT进行对比实验,获取温压炸药与TNT的冲击波参数并拟合得到相似律公式。结果表明,温压炸药的冲击波超压峰值在中远场略高于TNT;在相同对比距离处,温压炸药的比冲量明显高于TNT,在对比距离小于2 m/kg1/3的近场,温压炸药的比冲量达到TNT的2倍。引入超压-比冲量曲线描述冲击波特征,表明当超压峰值相同时,温压炸药比冲量更大, 超压峰值在20~50 kPa的中度以下毁伤范围时,温压炸药的比冲量比TNT高40%~60%,可产生更严重的毁伤效应。冲量是爆炸冲击波的重要毁伤元素,应建立与冲量有关的方法评价温压炸药的威力。     

水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征

基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析,得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量分布。结果表明,基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时间对目标损伤的影响,同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上的分布和衰减的细节信息,由此可确定冲击波和二次压力波各自对目标毁伤的影响。     

MgH2对乳化炸药的压力减敏影响实验

将储氢材料MgH₂作为敏化剂和含能材料引入到乳化炸药的配方中,通过冲击波动压发生装置和水下爆炸实验研究MgH₂对乳化炸药抗冲击波性能的影响,并与玻璃微球敏化的乳化炸药进行对比。研究结果表明,MgH₂能够显著减弱压力减敏作用对乳化炸药爆轰性能的影响,且同等受压程度下爆炸威力远大于玻璃微球敏化的乳化炸药。最后,通过扫描电镜研究受压乳化炸药微观结构,得出乳化基质破乳和有效“热点”减少是乳化炸药受冲击波作用后爆轰压力降低的主要影响因素。

     

不同装药战斗部壳体对水中兵器的爆炸威力

通过对裸炸药和带壳战斗部在无限水域中水下爆炸的实验研究,对比分析了炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能、总比能量及相对比总能量等爆炸特性参数。结果表明:不同装药爆炸后峰值压力从大到小分别是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT,其他对比参数从大到小分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT;带壳战斗部爆炸后比冲击波能、比气泡能、总比能量相对裸炸药均有不同程度的下降,其中总比能量分别比裸炸药减少25%、21%、15%和15%;战斗部壳体对水中兵器爆炸的比冲击波能、比气泡能及总比能量的影响较为显著。因此,研究水中兵器爆炸威力必须考虑战斗部壳体因素,不能简化。研究成果对于战斗部水下爆炸威力考核有一定的借鉴意义。     

温压炸药能量输出结构的初步研究

为了研究温压炸药后燃反应及其对空中爆炸冲击波的影响规律,采用实验和数值模拟相结合的方法对温压炸药能量输出结构进行了初步研究。结果表明,距爆心较近时冲击波压力时程曲线上呈现两个峰值,而在较远处则存在较宽的正压作用区,该炸药正压作用区冲量为相同质量TNT的约1.6~1.8倍。并根据JWL-Miller模型参数得出后燃反应释放的能量占总能量的约1/3,以及非理想组分反应度随时间的变化关系,在完全燃烧的理想情况下,后燃持续时间可达400ms。说明温压炸药中铝粉等高能添加剂的后燃反应对增强冲击波效应和提高炸药做功能力有显著贡献。     

沉底装药水中爆炸现象的实验研究

为获得沉底装药水中爆炸冲击波传播和气泡运动的一般规律,设计开展了沉底装药水中爆炸原理 性实验,通过观测记录装药沉底爆炸作用过程,并与装药自由场水中爆炸进行对比分析,得到主要结论:沉底 装药水中爆炸存在冲击波水底反射、气泡运动形成水底射流等复杂的载荷效应;沉底爆炸气泡呈半球形依附 在水底并同时急剧膨胀,其在收缩运动中连带水底介质颗粒迅速上浮,同时,气泡形状在水底射流作用下发生 显著变化;沉底爆炸冲击波压力呈指数衰减规律,无明显二次压力波,但由于水底介质作用而形成较强的水底 反射冲击波,一般使得迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力。     

夹芯圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击特性

采用声固耦合方法对夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在爆炸载荷作用下的应变、速度和加速度进行有限元计算。结果表明:夹芯防护层对爆炸冲击波可起到较好的衰减作用,即通过芯层的塑性变形,耗散了冲击过程中产生的大部分能量,对里面的圆柱壳体起到较好的保护作用,由于夹芯防护层的存在,与等质量的普通圆柱壳相比,夹芯圆柱壳能够承受更强的爆炸冲击波,降低结构的整体变形。