1 引言

多点同步起爆网络是实现“单点输入、多点同步输出”的爆炸网络, 主要用于战斗部的多点同步起爆, 以达到调整爆轰波形来提高战斗部威力的作用。依其载体不同分为柔性和刚性两类:柔性起爆网络是以柔性爆炸元件为主的同步起爆网络, 刚性起爆网络是以刚性基板为载体的沟槽型爆炸网络^[1]。当采用多点同步起爆网络来起爆成型装药战斗部, 起爆网络的同步误差对毁伤元成型及侵彻能力影响非常大, 研究表明要保证小炸高下侵彻体不发生弯曲变形, 侵彻体成型参数保持不变, 要求同步误差小于200 ns^[2]。而要使爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)在大炸高情况下发挥很好的侵彻威力, 弹丸需有较好的飞行稳定性, 通常要求同步偏差不大于100 ns^[3-4]。

对于柔性爆炸网络, 张郑伟等^[5]提出了导爆索分束的方法, 分束结构可以减少转换接头的尺寸和内部装药量, 有助于提高输出的同步性。白颖伟等^[6]提出输入端起爆点应位于多点同步起爆网络系统中心, 可以减少输入引起的同步性误差。对于刚性爆炸网络, 在机械加工精度一定的条件下, 沟槽装药是影响同步性重要因素, 为此研究人员提出了不同的装药方法, 如Gibbons等^[7]提出采用爆炸油墨-丝网漏印技术制作爆炸网络, 这种技术具有装药均匀一致和容易检测等优点, 但此技术装药密度低, 作用可靠性差。An等^[8]采用微注射工艺将3, 4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)/聚叠氮基缩水甘油醚(GAP)基传爆药装填于起爆网络沟槽中, 对传爆药的传爆性能和安全性进行了测试, 但没有对起爆网络同步性及起爆可靠性进行测定。温玉全等^[9]采用精密压装法将传爆药压入沟槽中, 以提高同步性, 但此方法所用炸药须是粗细适中、流散性好的球形化造型粉, 且装药感度高, 药体边缘相对粗糙。段卓平等^[10]采用橡胶炸药刻条填充法将RDX基的橡胶炸药压在沟槽中, 此方法对药条尺寸要求极为严格, 所切割的药条须与沟槽通道大小相当, 药量和尺寸不易控制, 药条填充后与沟槽壁面易存在间隙。沈慧铭等^[11]采用手工挤抹法将传爆药压入沟槽中, 操作简单, 但装药密度低, 分布的一致性差、随机性大, 试验测得最大偏差为210 ns, 同步误差较大。

本研究在前期对多点起爆网络的研究基础上^{[4, 11]}, 设计一种实现中心一点起爆输入, 三点同步输出的3点刚性起爆网络, 以超细奥克托今(HMX)为主体炸药, 硝化棉(NC)为粘结剂作为传爆药。对起爆网络同步误差进行理论分析和试验测定, 对起爆网络爆轰性能进行测试, 最后对起爆网络装药结构进行优化。

2 试验部分 2.1 材料与试剂

主炸药选取超细HMX, 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心提供。粘结剂选取NC, 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心提供, NC属于含能高聚物, 在传爆药中加入NC作为粘结剂, 既可以改善混合炸药的氧平衡, 还可以减少因粘结剂所占主体炸药造成的能量损失。溶剂选取乙酸乙酯(CH₃COOC₂H₅), 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司, 乙酸乙酯对NC的溶解性好, 易挥发, 药体干燥快, 两者是比较理想的搭配。

2.2 药浆制备

传爆药(HMX/NC=95:5)的混合制备在容量约50 mL的烧杯中完成, 混合流程为: (1)将NC溶解于乙酸乙酯溶剂; (2)将超细HMX炸药分批次倒入烧杯, 同时充分搅拌, 使各组分相互混合均匀, 保证装药密度的一致性, 至药剂为较稠的粘流状态。

2.3 装药方法

首先将制备的药浆均匀涂入起爆网络基板的沟槽中, 然后置于D2F-6050型真空水浴烘箱(上海精宏实验设备公司), 温度设定在60 ℃, 真空度为0.07 MPa, 固化烘干约10 h。取出常温冷却, 用刻刀修平药体。为了增大沟槽装药密度, 提高爆速, 使用特制的压药模具对沟槽装药进行压药。

2.4 传爆药表征与同步性测试方法

激光粒度分析仪表征:用Malvern Master Sizer激光粒度分析仪对超细HMX粒径分布情况进行表征, 操作温度5~50 ℃。

扫描电镜(SEM)表征:用Hitachi S-4800型冷场发射扫描电子显微镜观察配方中的炸药组分的粒度和形貌情况, 测试条件:加速电压15 kV, 发射电流10 μA。

X射线衍射仪(XRD)表征:用德国布鲁克公司的D8 Advance型射线粉末衍射系统对超细HMX和传爆药的组分进行晶型对比表征。测试条件: Cu靶K_α辐射, 射线管电压40 kV, 电流30 mA, 测试范围2θ为10°~45°, 扫描速度步长0.050257°。

起爆网络同步性:采用PXIS-2508多通道高速动态测试系统中的PXI-1412计时模块(测试精度为2 ns)进行测试。

2.5 感度性能测试

撞击感度测试按照GJB772A-1997炸药试验方法601.3 12型工具法^[12]进行, 测试条件:落锤质量(5.0±0.005) kg, 药量(35±1) mg, 温度10~35 ℃, 相对湿度≤80%。冲击波感度采用GJB2178.1A-2005中的小隔板实验^[13]测试, 隔板厚度的升降步长为0.2 mm。

3 多点起爆网络设计 3.1 多点起爆网络结构

起爆网络采用典型的板式结构, 主要由基板、端盖和传爆药三部分组成, 端盖和基板的材料均为45^#钢, 如图 1所示。在基板上刻有三个长度相同, 槽宽和槽深均为1.5 mm的方形槽, 在输出端由底部打穿。

3.2 基板厚度(H)

起爆网络在形成三点起爆时必须保证沟槽装药被起爆后形成的冲击波在基板中衰减不能引爆被发装药。因此, 要求起爆网络基板要有一定的厚度, 具备一定的隔爆能力。利用AUTODYN-2D有限元分析软件模拟不同基板厚度H (1, 2, 3, 4, 5 mm)下冲击波压力的衰减情况。仿真中采用流固耦合方法计算, 将起爆网络整体结构简化为二维模型, 从而将炸药单元细分, 以获得较精细的数值计算结果, 如图 2所示。传爆药为HMX/NC (这里选用LX-10炸药参数), 基板为45^#钢, 被发装药为8701炸药, 计算中使用材料模型和参数见表 1。将结构简化为二维模型放大了起爆网络基板中的冲击波压力, 所以对起爆网络基板厚度设计而言是偏安全的。

为了判断被发装药是否被引爆, 设置了多个历史变量测点, 将测点的压力值与被发装药的临界起爆压力比较, 来判断被发装药是否被引爆。图 3为基板厚度H=4 mm时各测量点的压力历程曲线, 可以看出, 传爆药中心起爆后, 爆轰波径向传播到被发装药所用时间为4.10 μs, 同时轴向应力波传播驱动基板向被发装药运动, 在被发装药中心位置(gauge1)首先与装药碰撞, 产生峰值约为1.34 GPa的脉冲, 随着爆轰波的传播, gauge 2~7相继产生压力峰值, 最大压力峰值不超过2.8 GPa, 小于8701炸药的临界起爆压力p_c=2.9 GPa^[14], 被发装药不会被起爆。在4.10 μs时刻爆轰波到达爆炸网络的输出端, 此时位于输出端处的测点8, 压力增长至20.92 GPa, 被发装药形成环起爆。之后, 爆轰波在被发装药向内径向、向前轴向传播, 可看出在5.5 μs以后, 测点7, 6, 5, 4, 3, 2, 1先后形成的压力曲线峰值大于38 GPa的脉冲, 说明被发装药此时被起爆, 爆轰波在被发装药中向轴汇聚, 也说明4 mm厚的基板能够有效隔爆。

表 2为不同基板厚度下各测点的最大压力值, 可以发现当基板厚度小于4 mm时, 测点1~7的最大压力为3.32~5.35 GPa, 均高于8701炸药的临界起爆压力p_c。当基板厚度增加到4 mm时, 测点压力值为2.76 GPa, 小于临界起爆压力p_c, 传爆药不会在中心点处引爆被发主装药, 所以设计起爆网络中45^#钢基板的厚度至少取4 mm, 为了保证起爆网络隔爆可靠, 试验中基板厚度设计为5 mm。

为了验证起爆网络基板的隔爆能力, 在钢验证板上中心处放置一个Φ10 mm×10 mm的8701压装药柱(密度为1.70 g·cm^-3), 然后在药柱上放置起爆网络, 使起爆网络中心位于药柱上端面, 插入雷管起爆, 如图 4所示。从图 4b中爆炸网络起爆后验证板上留下的痕迹可以看出, 在起爆网络基板中衰减的冲击波没有起爆8701压装药柱, 说明厚度为5 mm的45^#钢基板能够有效隔爆。

起爆网络爆轰波传爆所用时间分为两部分:第一部分为从输入端到输出端爆轰波传播所需要的时间, 第二部分为爆轰波通过拐角由于爆速差导致的延迟时间, 对于图 1中的起爆网络爆轰波传爆时间t:

$ t = \frac{L}{D} + {t_{{\rm{ \mathsf{ π} }}/2}} $

(1)

式中, L为输入端到输出端的长度, mm; D为传爆药爆速, mm·μs^-1; t_π/2为拐角效应造成的延迟时间, μs。因此, 起爆网络的同步误差主要由长度L、爆速D、t_π/2的偏差ΔL、ΔD、Δt_π/2所决定的, 可以用误差分析公式^[15]进行计算:

$ \Delta t = \pm \sqrt {{{\left( {\frac{{\partial t}}{{\partial L}}\Delta L} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial t}}{{\partial D}}\Delta D} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial t}}{{\partial {t_{{\rm{ \mathsf{ π} }}/2}}}}\Delta {t_{{\rm{ \mathsf{ π} }}/2}}} \right)}^2}} $

(2)

对式(1)求偏导有:

$ \frac{{\partial t}}{{\partial L}} = \frac{1}{D};\frac{{\partial t}}{{\partial D}} = - \frac{L}{{{D^2}}};\frac{{\partial t}}{{\partial {t_{{\rm{ \mathsf{ π} }}/2}}}} = 1 $

(3)

对于图 1的三点刚性同步起爆网络, 输入端到输出端的长度L=40 mm(起爆半径R=35 mm, 基板厚度H=5 mm)。基板加工精度为0.05 mm, 即ΔL=0.05 mm。沟槽装药为HMX基传爆药, 假设其爆速偏差ΔD=0.052 mm·μs^-1, 拐角效应偏差Δt_π/2=0.01 μs^[16]。将L=40 mm、ΔL=0.05 mm、ΔD=0.052 mm·μs^-1、Δt_π/2=0.01 μs和(3)式代入(2)式有:

$ \Delta t = \pm \sqrt {\frac{{2.5 \times {{10}^{ - 3}}}}{{{D^2}}} + \frac{{4.3264}}{{{D^4}}} + 1.0 \times {{10}^{ - 4}}} $

(4)

对于配比一定的传爆药, 爆速D与实际装药密度ρ₀之间的关系^[17]:

$ D = 0.001 \times \left( {\frac{{{D_{{\rm{max}}}}}}{4} + \frac{3}{4}\frac{{{D_{{\rm{max}}}}}}{{{\rho _{{\rm{max}}}}}}{\rho _0}} \right) = \frac{{{D_{{\rm{max}}}}}}{{4000}}\left( {1 - \frac{{3{\rho _0}}}{{{\rho _{{\rm{max}}}}}}} \right) $

(5)

式中, D_max为理论爆速, m·s^-1; ρ_max为混合炸药的理论密度, g·cm^-3。理论爆速D_max和理论密度ρ_max可用Urizar公式进行计算^[17]:

$ \left\{ \begin{array}{l} {D_{{\rm{max}}}} = \sum {D_i}{\omega _{Vi}}\\ {\omega _{Vi}} = {\rho _{{\rm{max}}}}\frac{{{\omega _{mi}}}}{{{\rho _{i, {\rm{max}}}}}}\\ {\rho _{{\rm{max}}}} = \frac{{\sum {\omega _{mi}}}}{{\sum \left( {{\omega _{mi}}/{\rho _{i, {\rm{max}}}}} \right)}} \end{array} \right. $

(6)

式中, D_i为i组分的理论爆速, m·s^-1; ω_Vi为i组分的体积分数, %; ω_mi为i组分的质量分数, %; ρ_{i, max}为传爆药中i组分的理论密度, g·cm^-3; 联立式(4)~(6)计算出HMX/NC传爆药在不同装药密度ρ₀下起爆网络的同步误差, 如图 5所示。

从图 5中可以看出, 随着HMX/NC传爆药装药密度ρ₀的增大, 起爆网络同步误差减小。试验中为了增大沟槽装药密度, 使用特制的压药模具对沟槽装药进行压制, 如图 6所示。

4 性能测试及结果分析 4.1 传爆药相关性能表征

超细HMX的粒径分布如图 7所示。由图 7可以看出, 超细HMX的粒径d₅₀为2 μm左右, 粒度分布较窄, 介于0.3~90 μm之间, 说明HMX为超细炸药。HMX/NC传爆药形貌如图 8所示, 可以明显看出NC作为粘结剂将炸药颗粒粘结成一体形成高聚物粘结炸药。

超细HMX和HMX/NC传爆药的XRD如图 9所示, 可以看出传爆药的衍射角与超细HMX的衍射角基本一致, 表明在传爆药制备过程中HMX保持晶型不变。这是因为在所选定的NC粘结剂体系中, 超细HMX以固体颗粒形式存在于传爆药中, 不存在溶解后重结晶的问题。常温常压下, HMX/NC传爆药中的粘结剂和溶剂分子的极性作用也不足以使HMX发生晶型改变。

4.2 撞击感度与冲击波感度

超细HMX和固化后的HMX/NC传爆药的撞击感度与冲击波感度见表 3。可以看出, 与超细HMX相比, HMX/NC传爆药由于粘结剂的粘结复合作用可以使撞击感度和冲击波感度显著降低, 使所研究的配方作为起爆网络装药具备很好的安全性能。

4.3 装药密度

通过测量装药前后网络基板的质量差得到沟槽装药质量m, 计算出沟槽总体积V₁即压药前沟槽装药体积, 通过测量压药前后沟槽装药下降的深度H计算得到压药后沟槽装药体积V₂, 由密度计算公式计算出压药前后沟槽装药密度, 试验中共测了4发, 如表 4所示。从表中可以看出, 未压药之前起爆网络装药密度为1.17 g·cm^-3, 压药以后密度增大到1.47 g·cm^-3。

4.4 起爆能力测试

采用钢凹法^[18]对起爆网络的起爆能力进行测试。首先在钢板上放置三个Φ10 mm×10 mm的8701压装药柱(密度为1.70 g·cm^-3), 然后在药柱上端放置起爆网络, 放置过程中使起爆网络的3点输出端分别对准三个药柱中心。从中心点处引爆沟槽中的传爆药, 爆轰波通过沟槽分别传播至三个药柱上端面, 起爆药柱。试验中通过钢板上留下的炸痕来判断起爆网络装药的起爆能力。试验中选择5组未压和5组压药后的起爆网络进行测试, 结果如表 5所示。从表 5中可以看出5组未压药的起爆网络有一组未能起爆下端药柱, 而5组经过压药后的起爆网络能够全部起爆下端药柱, 这可能是由于未压药的起爆网络装药中存在孔隙, 密度低, 使得起爆能力下降, 进而不能起爆压装药柱。经过压药后的起爆网络, 沟槽及输出端的传爆药孔隙减小, 密度大, 使得传爆药的传爆可靠性及起爆能力增大。因此对起爆网络装药进行压药有利于提高起爆网络的起爆可靠性。图 10为三点起爆网络未能和能够起爆压装药柱后钢板上留下的痕迹。

4.5 同步误差测试

使用PXIS-2508多通道高速动态测试系统中的PXI-1412计时模块对起爆网络的同步性进行测量。测试采用断-通法, 使用4根探针, 分别设为0^#、1^#、2^#、3^#探针, 如图 11所示。

测试时将0^#探针接入起爆网络输入端, 雷管起爆后发生电离导通0^#探针, 产生触发信号, 开始计时, 当爆轰波沿沟槽装药传至输出端, 1^#、2^#、3^#探针导通, 分别产生触发信号, 计时停止。通过比较计时的结束值即可考察起爆网络的同步性, 取用时最少的一路作为标准值, 其他各路与其作差比较得到表 6中的相对时间, 即起爆网络的同步误差。从表 6中可以看出, 未压药的起爆网络同步误差在300 ns以上, 而对基板的沟槽传爆药进行压药以后, 同步精度约为150 ns。

5 起爆网络优化 5.1 起爆网络优化设计

对基板沟槽装药进行压药以后, 起爆网络的同步精度较未压药有所提高, 但同步误差约为150 ns仍然较大。这可能是由于基板较厚, 起爆网络输出端装药可能出现密度不均匀, 导致起爆网络同步性较差。为此对起爆网络装药结构进行如图 12的改进设计。要保证起爆网络输出端装药密度的一致性, 同时保证隔爆的可靠性, 保持基板厚度5 mm不变, 采用预先压制的三个密度相同(ρ₀=1.70 g·cm^-3), 尺寸均为Φ6.5 mm×4.0 mm的压装JH-2药柱作为输出端装药。鉴于传爆药与输出端装药的连接方式, 在输出装药上端预留高1.0 mm的空间由HMX/NC传爆药填充, 确保沟槽装药和输出端装药连接紧密, 提高爆轰波传播的可靠性。最后使用特制的压药模具对沟槽中的HMX/NC传爆药进行压制以增大装药密度。

5.2 同步性测试

同样采用PXIS-2508多通道高速动态测试系统对优化后的起爆网络同步性进行测量。共2发试验, 如表 7所示。可以看出优化后的起爆网络的同步误差最大为104 ns, 小于优化前起爆网络同步误差150 ns。因此, 采用预先压装的药柱作为输出端装药, 以传爆药作为沟槽装药, 再使用压药模具对起爆网络沟槽装药进行压药能够消除传爆药和输出端药柱之间的界面空气间隙, 增加了传爆可靠性, 同时也增大传爆药装药密度, 大大提高了起爆网络的同步性。

6 结论

(1) 设计了“一入三出”的三点刚性同步起爆网络。综合考虑了沟槽装药密度、爆速、安全性以及基板隔爆性能, 确定以超细HMX/NC=95:5传爆药作为沟槽装药, 确定起爆网络基板厚度为5.0 mm。

(2) 对起爆网络同步性进行理论分析, 认为提高起爆网络沟槽装药密度是提高同步性的有效途径, 试验结果也表明装药密度从1.17 g·cm^-3增加到1.47 g·cm^-3后, 起爆网络的同步性从300 ns降低到150 ns。

(3) 采用沟槽压装装药技术, 起爆网络装药密度增大, 均匀性提高, 起爆网络的同步误差降低, 起爆可靠性增大。

(4) 以JH-2压装药柱作为输出端装药, 以超细HMX/NC传爆药作为沟槽装药, 采用沟槽压装装药技术, 可以使起爆网络的爆轰波输出同步性约为100 ns。