起爆方式对线性成型装药爆炸威力的影响

周 涛，王康康，杜忠华，刘 杰

（1．西安近代化学研究所，陕西西安710065；2．南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

引 言

线性成型装药是聚能装药的一种，装药爆炸后药型罩在爆轰产物的作用下翻转，在对称面上形成具有一定长度的线性爆炸成型侵彻体。线性成型装药在军事和民用等领域应用广泛，如航天飞机及导弹的分离装置和自毁系统，或制作成条状的反坦克履带地雷，爆破拆除和水下切割等。

国内外线性聚能装药的起爆方式大多数采用端面起爆［1］，这种起爆形成的爆炸成型侵彻体会向起爆端面的另一方向汇聚。不同的起爆方式直接影响线性成型侵彻体的几何形态、飞散速度和方向，进而影响其毁伤效果，因此，可以根据实际目标特性选择合适的起爆方式。苟瑞君等［2］探讨了试验材料和手段对线性成型装药爆炸威力测试结果的影响，但仅对端面点起爆和棱上中点起爆两种起爆方式进行了研究。杜忠华等［3］研究了单棱和多棱线性同步起爆下线性爆炸成型弹丸（LEFP）的成型机理，并对LEFP 侵彻半无限钢靶进行了数值模拟。文献［4－6］从理论和数值模拟两方面探讨了起爆方式对聚能装药射流的影响。

为了全面研究不同起爆方式对线性成型装药爆炸威力的影响，实现线性成型装药威力的可控性，本研究设计了5种起爆方式，并研究了各种起爆方式下形成侵彻体的侵彻性能，针对试验中出现的多点起爆时的起爆误差进行了研究。

1 爆轰机理

1．1 爆轰波的驱动

为了计算炮弹和炸弹破片的初速，Gurney［7］提出了爆轰驱动理论。在一些简化条件下，得到壳体破裂时破片的速度：

式中：MA为药型罩微元的质量；CpA为罩微元相对应的平板加速公式的炸药质量（定义为微元A 所对应的沿y 方向的柱状炸药）；为炸药的Gurney常数。

滑移爆轰是指波阵面基本垂直于被驱动平板或圆管的爆轰传播方式，平板或圆管在爆轰产物压力下做横向运动。滑移爆轰产物对金属平板的驱动如图1所示，一定厚度的炸药层覆盖在无限大金属平板上，自无限远处传来的爆轰波阵面垂直于板面。采用运动波阵面为参考系，波后产物膨胀压迫平板向下运动和弯曲。

图1 滑移爆轰驱动平板的运动Fig．1 Sliding detonation driving plate

其上任一微元A 的翻转速度VAo，在O－SZ 坐标系中S、Z 方向上的分量可表示为：

式中：δ为微元A 的压垮角；D 为炸药爆速。

1．2 大威力EFP的成型

线性聚能装药在两端面等强度同时点起爆，爆轰波未发生对撞时，可看成线性装药一端起爆，药型罩在爆轰产物的压力作用下进行压垮、变形及翻转，形成LEFP，爆轰波传播过程见图2。药型罩上任一微元获得的翻转速度为［8］：

式中：VA01与VA02是由爆轰波速不同方向的分量压垮药型罩微元产生的翻转速度。

图2 端面点起爆爆轰波的传播过程Fig．2 The propagation process of detonation wave by end point initiation

图中DS为爆轰波对微元A 的爆速。在整个无限长装药结构上，Z 的变化范围为：Z∈［0，∞）。

若微元A 位于起爆点对应的药型罩上，则Z＝0，Ds1＝1，Ds2＝0

若传播距离大于Rm＝（2～3．5）d，即Z→∞，Ds1＝0，Ds2＝1

若传播距离小于Rm＝（2～3．5）d，以式（5）表示。

当同强度爆轰波在线性装药中发生对撞后，在对撞面两侧的爆轰产物中分别产生与爆轰波方向相反的冲击波，对爆轰产物进行压缩，致使产物压力大幅度提高。翻转后药型罩的中部重新获得新的能量，运动速度将增大。随着稀疏波的入侵，冲击波传播速度减弱，LEFP 从装药中部到两端获得能量逐渐减小，形成一定的速度梯度。由于LEFP为中间对称结构，爆轰波对撞后，中部速度大，加快了运动速度，而两侧速度逐渐减小，这样LEFP在y方向上（见图2）重新被拉伸且向对称轴重新闭合，将LEFP变成大威力EFP。

由此可见，起爆点位置和数量不同，线性成型装药形成侵彻体的速度和形状也不相同，侵彻能力也相差很大。

2 实 验

2．1 单点和两点起爆

装药为压装8 701炸药，压药密度1．70g／cm3。装药长120mm、宽22mm、高20mm；线性装药药型罩为无氧紫铜，厚2mm；靶板为45号钢，厚35mm。

第1组起爆方式为一端起爆，第2组起爆方式为上端面中心点起爆，第3组起爆方式为两端同时起爆。对于两端同时起爆，使用同步仪和微秒级雷管控制同步起爆时间误差。试验装置示意图见图3。

图3 试验装置示意图Fig．3 Sketch of experiment device

2．2 多点起爆

装药为注装B炸药（RDX 与TNT 质量比60∶40），装 药 密 度1．68g／cm3，装 药 长100mm、宽50mm、高60mm；药型罩为无氧紫铜，厚2mm；靶板为45号钢，厚40mm。

采用柔性起爆网络，铅导爆索21根，等距离分布，尺寸为Φ3mm×（280～300）mm。起爆端用引信起爆传爆药柱，再同时起爆铅导爆索，实现同时起爆传爆药柱及装药。传爆药为R791（聚黑14），药柱尺寸为Φ10mm×10mm，密度1．62g／cm3。起爆方式为上端面中心线多点起爆，试验炸高为10倍装药宽度。

2．3 多点对碰起爆

上端面两棱多点对碰起爆由于起爆点较多，起爆误差较大，因此，采用导爆索起爆和网络起爆。导爆索起爆上端盖和网络起爆上端盖见图4。

图4 导爆索起爆上端盖和网络起爆上端盖Fig．4 The upper cover under detonating cord initiation and network initiation

线性装药为注装B 炸药，装药密度1．60g／cm3，装药长100mm、宽40mm、高50mm；药型罩为无氧紫铜，厚2mm；靶板为45号钢，厚40mm。

导爆索起爆装置由起爆器、铅导爆索和传爆药柱组成。铅导爆索16根，尺寸为Φ3mm×100mm；传爆药柱为钝化RDX，密度1．58g／cm3。两棱对碰起爆装药结构见图5。网络起爆沟槽内装有钝化RDX，密度1．588g／cm3。

图5 导爆索起爆和网络起爆装药结构Fig．5 The charge structure of detonating cord initiation and network initiation

3 结果与讨论

3．1 单点和两点起爆试验

第1组试验设置3组炸高，爆炸试验后部分靶板照片见图6；设最大侵彻深度为Hmax，切口起点距起爆点偏移量为A，试验结果见表1。

图6 端面起爆后靶板照片Fig．6 Photographs of targets under single end initiation

表1 一端起爆试验结果Table 1 Test results under single end initiation

由图6 和表1 可以看出，线性装药端面起爆时，形成的线性侵彻体会向一端倾斜，切口起始处距起爆端面有一定的距离。切口在起爆端处侵彻深度较浅，在距起爆端面最远处侵彻深度达到最大。切口全长基本不随炸高变化，且略大于药柱长度。

当线性装药端面起爆后，炸药有一段爆轰成长过程，最后达到稳定爆轰。爆轰波在成长过程中，爆速、爆压都较小，金属药型罩的压垮速度也较慢，因此形成的侵彻体速度小，对靶板的切割深度也小。端面起爆端的爆轰成长是不可避免的，起爆深度的长短与输入冲击波的压力有关，压力大，起爆深度小。爆轰波经过成长期后，很快展开并垂直于棱面，形成滑移爆轰。爆轰波以滑移爆轰波的形式向另一端传播，形成的侵彻体较均匀。当爆轰波到达另一端端盖时，撞击刚性壁面，发生反射，使得爆轰压力达到滑移爆轰波的2倍，但由于边界稀疏波影响，使得端面爆轰压力大大降低，稍大于滑移爆轰波波阵面压力。

第2组试验设置3组炸高爆炸试验后部分靶板的照片见图7；设最大侵彻深度为Hmax，试验结果见表2。

图7 上端面中心点起爆后靶板照片Fig．7 Photographs of targets under center－point initiation on upper surface

表2 上端面中心点起爆试验结果Table 2 Test results under center－point initiation on upper surface

由图7和表2可以看出，当线性装药上端面中心点起爆时，形成的侵彻体从中间向两边发散。切口总体呈两边深、中间稍浅，侵彻威力和端面起爆相差不大，而且切口全长大于药柱长度。

上端面中心点起爆形成的爆轰波开始是在起爆点处以球面波的形式向外传播的，若装药长度足够大，离起爆点较远的地方，可以认为是滑移爆轰波作用驱动金属罩的压跨，故侵彻体长度要大于药柱长度。在起爆点附近的截面，由于爆轰波成长不完全，其侵彻效果稍差。

第3组试验设置2组炸高，爆炸试验后部分靶板照片见图8；设最大侵彻深度为Hmax，试验结果见表3。

图8 两端同时起爆后的靶板照片Fig．8 Photographs of targets under two ends initiation simultaneously

表3 两端同时起爆试验结果Table 3 Test results under center－point initiation on upper end surface

由图8和表3可以看出，当线性装药两端同时起爆时，形成的侵彻体为杆状，两侧略有发散。杆状侵彻体的侵彻速度较高，侵彻能力很强，而且在大炸高下仍然具有很强的侵彻能力，并且可以通过控制两起爆点之间的时差，来控制侵彻体头部偏向。但是杆状侵彻体的毁伤范围较小。

两端同时起爆线装药的结构示意图见图9。

图9 两端同时起爆线性装药的结构示意图Fig．9 Schematic diagram of linear charge structure under two ends initiation simultaneously

当线性装药两端同时起爆后，爆轰波经历一段时间后波阵面基本呈平面爆轰波，碰撞之前波阵面压力缓慢增大，碰撞后碰撞区压力陡然升高，碰撞区爆轰产物的密度产生突跃，接触的药型罩上形成高速凸起，整个药型罩在Y 方向速度梯度骤然增加。

侵彻体成型分为两个方向的变形：纵向变形即药型罩沿其轴线Y 方向的变形；横向变形即药型罩沿装药长度Z 方向的变形。药型罩在纵向上变形大体经历翻转、压缩和拉伸的过程，药型罩在爆轰波及爆轰产物的作用下，受到强烈压缩，产生塑性变形，在沿轴线方向运动的同时，也向轴线汇聚。药型罩的横向变形是LEFP 的主要特征，起爆后药型罩两端受滑移爆轰波和爆轰产物的作用，压缩变形，药型罩从两端开始向前运动；爆轰波传到接触面，在接触面进行碰撞，压力骤然升高，推动碰撞区药型罩加速，药型罩在碰撞区实现翻转、产生凸起，两端在中间凸起药型罩高速运动的带动下，沿接触面位置开始靠拢，在飞行中逐渐形成大威力EFP。

3．2 上端面中心线多点起爆试验

起爆后靶板被穿透并被撕裂成两块。靶板切口长220mm，略大于装药长度（200mm），试验结果见图10。

图10 上端面中心线多点起爆后的靶板照片Fig．10 Photograph of target under multi－point initiation in center line of upper surface

由图10可以看出，整个切口不平滑和不规则，可被分为两部分。左边部分切口杂乱无章、参差不齐，这是因为在多点同时起爆时，左边的起爆点不同步，产生起爆误差，使侵彻体发生不规则的变化，变得散乱，最终使得左边切口不齐整。右边部分出现明显深浅不一的束形切槽，切槽贯穿靶板，分布均匀，是相邻爆轰波对撞形成的凸起侵彻的结果。

由于受边界稀疏波和两端爆轰波成长期的影响，侵彻体两端在飞行过程中被拉长，使侵彻体撞击靶板后，切口长度大于装药长度。上端面中心线多点起爆时，在炸药中可以形成平面波，平面波作用在金属罩上产生的压力较大，形成侵彻体的头部速度大、有效长度长、断裂时间晚，侵彻深度要比端面起爆和上端面中心点起爆大。

3．3 上端面两棱多点对碰起爆试验

炸高为15倍装药宽度时，导爆索起爆和网络起爆试验结果见图11。

由图11看出，两种方式起爆后切口均不规则，有较为严重的分坑效果；侵深分布不规律，导爆索起爆后侵彻深度最深为19mm，网络起爆后侵彻深度最深为32mm，切口全长145mm。

由图11还可以看出，切口均出现严重的分坑集束现象，这是因为在同一条棱线上多个起爆点起爆时，起爆点之间的误差引起的，并导致爆轰波的非正规碰撞，致使某些区域压强较大，侵彻效果较好，而某些区域压强较小，侵彻效果不明显，出现分坑集束现象。两棱上相对应的起爆点之间的起爆误差会导致侵彻体在横向上形态不对称，靶板切口宽度沿纵向分布不均，影响侵彻效果。两棱多点起爆后，若起爆误差较小，可近似认为两棱线起爆，爆轰波在两棱中间发生碰撞，形成超压，能够增强侵彻体的侵彻效果。网络起爆侵彻深度明显大于导爆索起爆，这是由起爆误差决定的，起爆误差越大，侵彻效果越差。导爆索起爆时，起爆误差由起爆器、铅导爆索和传爆药3方面决定，起爆误差较大。网络起爆时，起爆误差由刻槽精度和传爆药决定，相比下，其起爆误差要小于导爆索起爆。

目前能够减少起爆误差的主要方法有：高精密网络起爆技术；高精度微秒级或纳米级雷管；提高装药的加工精度。

4 结 论

（1）起爆方式是影响线性成型装药起爆威力的主要因素。端面起爆可以形成偏向的线性EFP；上端面中心点起爆和上端面中心线多点起爆可以形成正向线性EFP；两端同时起爆可以形成大威力EFP；上端面两棱多点对碰起爆可以通过控制横向和轴向的起爆时差形成散点EFP。

（2）网络起爆的起爆误差要小于导爆索起爆。多点起爆时，起爆误差是影响线性成型装药侵彻威力的主要因素，尽可能减小起爆误差，能大大增强线性成型装药的侵彻威力。

［1］ 罗勇，沈兆武，崔晓荣．线性聚能切割器的应用研究［J］．含能材料，2006，14（3）：236－240．LUO Yong，SHEN Zhao－wu，CUI Xiao－rong．Application study on blasting with linear cumulative cutting charge in rock［J］．Chinese Journal of Energetic Materials，2006，14（3）：236－240．

［2］ 苟瑞君，赵国志，杜忠华．线性成型装药的威力研究［J］．爆破器材，2005，34（5）：25－27．GOU Rui－jun，ZHAO Guo－zhi，DU Zhong－hua．Study on the power of linear shaped charge［J］．Explosive Materials，2005，34（5）：25－27．

［3］ 杜忠华，段卫毅．起爆方式对LEFP成型及侵彻影响的数值模拟研究［J］．南京理工大学学报，2009，33（6）：756－759．DU Zhong－hua，DUAN Wei－yi．Numerical simulationon formation and penetration effect of LEFP by blast ways［J］．Journal of Nanjing University of Science and Technology，2009，33（6）：756－759．

［4］ 易建坤，姜新权，彭浩．起爆方式对线性聚能装药射流形成的影响［J］．火炸药学报，2006，29（3）：57－61．YI Jian－kun，JIANG Xin－quan，PENG Hao．Effect of initation ways on jet formation of linear shaped charge［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（3）：57－61．

［5］ Rondot F．Tracking the poorness of a linear shaped［C］∥23th International Symposium on Ballistic．Tarragona：Intemational Ballistic Committee，2007：169－176．

［6］ 方维凤，张超．LEFP侵彻性能研究［J］．兵器材料科学与工程，2011，34（6）：55－57．FANG Wei－feng，ZHANG Chao．Penetration capability of LEFP［J］．Ordnance Material Science and Engineering，2011，34（6）：55－57．

［7］ 王树魁，贝静芬．成形装药原理及其应用［M］．北京：兵器工业出版社，1992．

［8］ 苟瑞君．线性爆炸成型侵彻体形成机理研究［D］．南京：南京理工大学，2006．GOU Rui－jun．Forming mechanism of linear explosively formed penetrator［D］．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2006．