1、投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：李昆，冯昌林，南海，等 浇注 装药爆炸壳体破片分布特性 科学技术与工程，（）：.，（）：.武器技术浇注 装药爆炸壳体破片分布特性李昆，冯昌林，南海，高立龙，李媛媛，陈春燕（.西安近代化学研究所，西安；.西北工业大学化学与化工学院，西安；.海军装备研究院，北京）摘 要 为了研究浇注 炸药装药爆炸壳体破片分布与炸药、壳体等的影响关系，采用典型浇注 炸药配方 装填不同壁厚的模拟弹，开展了模拟弹装药的水井爆炸破碎性试验。爆炸后破片回收率较好，对回收破片的数目分布、质量分布进行了统计分析，获得了破片分布与壁厚之间的规律，结合 模型
2、进行了破碎性参数的分析计算，获得了破碎性参数与炸药装药之间的关系，并结合壳体破碎性对不同壁厚壳体炸药装药的有效杀伤距离进行了对比分析。关键词 浇注；破片分布；破碎参数；壳体壁厚中图法分类号.；文献标志码 收稿日期：；修订日期：第一作者：李昆（），男，汉族，陕西西安人，博士研究生，高级工程师。研究方向：高分子复合材料设计及工艺。：。，（.，；.，；.，），；对于各类破片杀伤型战斗部，壳体破碎形成破片的数目分布、质量分布以及炸药装药对破片的驱动加速能力是其关键参数，关系破片的杀伤能力及弹药的毁伤威力。在工程试验方面，主要通过扇形靶试验及弹体破碎性试验来对杀伤型弹药的杀伤威力进行评估。但工程试验一般
3、用于最终应用阶段的效果评估及产品定型，试验规模、人力物力消耗较大，而样本量较小，性价比较低。对于炸药破碎壳体能力、驱动加速金属能力等炸药装药与壳体匹配性研究，则一般通过小型基础预估试验进行。目前炸药驱动金属能力研究在获取炸药爆轰参数的基础上，结合飞片试验及圆筒试验，对炸药驱动金属的加速能力进行评估分析。如飞片试验可用于研究 基炸药铝粉含量与炸药驱动金属能力的最优比例关系，确定配方组成。而圆筒试验可获得炸药的状态方程，获取炸药的格尼能系数，可用于计算炸药驱动破片的初速，如陈科全等开展了炸药对不同材料圆筒的驱动特性。在破碎性研究方面，早期使用破碎性试验测定破片数目、质量分布得到分布规律的一种常用试
4、验方法，使用最广泛的是 世纪 年代的 模型和 世纪 年代的 模型。针对弹药爆炸自然破片的形成过程，目前国内学者作了一些研投稿网址：究，蒋建伟等采用仿真软件，对小口径榴弹自然破片的形成过程进行了数值模拟，获得了破片的质量分布和破片初速等变化规律。宋桂飞等对封闭爆炸条件下废旧小口径弹药的破片质量分布进行了分级统计，并结合 公式对破片质量分布进行了预测，试验统计结果与经验公式预测结果存在一定的误差。吴成等通过仿真软件，对小口径榴弹起爆后壳体膨胀和破片形成过程进行了计算机模拟仿真；黄经伟等通过破碎性试验研究了大口径榴弹自然破片分布规律；宋文渊通过有限元建模对自然破片进行了建模分析；王林等对破片数目及质
5、量分布进行了研究，并得到了分布规律，同时也验证了 模型的适用性；陈虎等开展了内爆炸载荷作用下壳体的破碎性能试验及研究，分析了爆炸加载下的壳体破碎规律。另外国内也开展了预制破片的爆轰驱动研究、破片的速度衰减规律等。目前，通常采用两种方法检测杀伤爆破类战斗部爆炸后形成破片的数目以及质量分布，一种是采用沙坑爆破筛选法，一种是水井内爆破法。沙子介质密度、强度高，易使破片产生二次破碎，导致破片质量分布数据规律性失真。水井内爆破法，具有破片回收率高、破片无二次破碎等优势，但受限于水井试验当量，适用于小尺寸弹药。但面对新研弹药，开展其装药与壳体匹配性研究，若采用外场工程试验的方法往往得不偿失。因而，通过小尺
6、寸装药获得炸药与壳体破碎性关系，对于研制新型弹药具有重要意义。浇注 炸药以良好的安全性、工艺适用性、环境适应性等，具有重要的应用前景。基于水井破碎性试验，现采用浇注 炸药（代号），装填不同壁厚模拟弹，开展浇注 炸药装药爆炸的壳体破碎性试验及统计分析研究，建立破碎性参数与影响因素之间的关系，并结合炸药的格尼能系数，对炸药爆炸驱动破片初速及有效杀伤距离进行计算与分析。试验设计及试验步骤.试验水井设计不同壳体厚度、装填 炸药的模拟弹，将模拟弹放置在装满水的大型水井内静爆，回收爆炸后形成的壳体破片，统计破片的数目、质量分布等，研究壳体厚度对壳体破碎性的影响。爆炸水井系统原理示意图如图 所示。整个系统由
7、水井、气幕发生系统、破片回收系统组成。采用水介质及气幕发生系统吸收战斗部爆炸释放的能图 爆炸水井系统原理及组成示意图.量，能够有效缓冲破片，保证破片的完整性并避免二次破碎。.模拟弹参数及方案模拟弹壳体材料选用，模拟弹照片如图 所示；壳体厚度设计为、种方案，共计 发。炸药装药组成为 铝粉黏结剂，爆速为 ，爆热为 ，密度为.。图 模拟弹照片.试验步骤用吊车将破片收集网沉到水井底部；开启气幕发生系统的压缩机，为高压容器充气，使其达到压力要求；将传爆管、雷管、传爆药柱连接，插入模拟弹端部的传爆孔内，并用密封胶密封；将模拟弹放置到一个塑料容器，用吊车将其缓缓放入水井内，传爆管一端拉出水井；打开高压容器开
8、关，稍后用起爆器起爆模拟弹；用吊车将井下的破片回收网吊出水井，收集此发模拟弹的全部破片，完成一发模拟弹的水下爆炸试验过程。.破片回收起爆时，破片向四周飞散，在水介质阻力作用下，速度快速衰减，破片在没碰到井体壁之前就落入网底。起爆后即可关闭气幕，然后再用吊车将尼龙网吊起并离开水井，回收破片，将每一发弹的破片进行称重分级。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：试验数据处理及分析.壁厚为 的模拟弹数据整理 号和 号模拟弹为同一种方案，壳体厚度，装药为，模拟弹的破片回收及分组情况如图 所示。表 为两发模拟弹形成破片的详细数据统计结果，由此可得破片的数目分布、质量分布规律，如图 所示。图 模拟弹破
9、片回收分组情况.表 壁厚 模拟弹破片回收统计详细结果 壳体编号（）个 个 .合计 .回收率.注：（）为质量区间；与 为相应质量区间的破片数量与破片质量。由图 可知，壳体壁厚 、装药 的两发模拟弹，破片回收率较高，破片的质量和数目分布规律相同，数据一致性较好，说明水井试验适用于该模型弹装药。.不同壁厚模拟弹数据整理采用相同的试验及统计方法，对、的模拟弹装药水下爆炸壳体的破片进行收集、统计，获得每一发试验在一定质量区间（）的数目分布、质量分布。对每一种壁厚模拟弹的破片数量、质量统计结果进行平均，结果见表，可得破图 壁厚为 模拟弹（与）的破片数目及质量分布图.（）片的数目分布、质量分布规律，见图。小
10、质量破片（以下）数所占比例随着壳体厚度的增大而减小；大于 的破片数所占比例随着壳体厚度的增大而增加；破片平均质量随着壳体厚度的增大而增加。随着壳体厚度的增大，爆炸形成的破片总数呈减少趋势。其中，厚壳体模拟弹形成的破片总数为 枚；厚壳体形成的破片总数为 枚；厚壳体模拟弹形成的破片总数为 枚；厚壳体模拟弹形成的破片总数为 枚。但壳体厚度为 时，形成小破片的比例大幅度减小，大破片质量占比大幅度增加，壳体破碎性变差。.破碎性参数分析规定 为破片分组质量范围的下限；为回收的破片总质量；为质量大于 的破片质量百分数（）；对每一发模拟弹破片数据结果整理，如表 所示为质量大于 的破片质量百分比统计表。，（）李
11、昆，等：浇注 装药爆炸壳体破片分布特性投稿网址：表 不同壁厚模拟弹壳体破片统计的平均结果 （）个 个 个 个 .合计 .破片平均质量 .图 不同壁厚模拟弹的破片数目及质量分布图.一般认为，圆柱壳体破片的质量分布符合修正 直线方程，表达式为 （）式（）中：为规定的破片分组质量范围的下限；为回收破片的总质量；为质量大于 的破片质量百分数（）；直线的斜率 为修整破碎参数，可用来表征壳体的破碎性能。一般来讲，越大，壳体破片的质量分布越合理，破碎性越好。每一发模拟弹的 拟合关系见图，由方程斜率可得装药与壳体的破碎参数。破片回收后按质量分拣，并根据式（）分析其质量分布规律，可得出修整 破碎参数 与 的关系
12、，为炸药质量，为壳体质量，如图 所示。随着 的增加，变大，壳体的破碎性能提高，该现象与壳体断裂及破片形成机制有关。在爆炸加载条件下，可得到该炸药在圆柱钢壳装药壳体破碎性的相似性线性相关，即 （）式（）中：和 为壳体材料与炸药组合的特征参数，对于给定的壳体材料与炸药组合，和 为定值，根据该线性相似关系，可用来预测其他尺寸下壳体的破碎性。对于该型炸药其特征参数 .，.。.破片质量对破片速度的影响弹丸爆炸后形成破片的平均初速可用 公式计算，即 （）式（）中：为破片初速，；为格尼系数，的格尼系数为 ；为炸药和壳体质量比。破片速度衰减计算公式为（）式（）中：为破片飞行距离。科 学 技 术 与 工 程 ，
13、（）投稿网址：表 质量大于 的破片质量百分比 质量大于 的破片质量百分比 编号壁厚.质量区间下限 .回收总质量 .破碎参数.壳体质量 .装药质量 .图 模拟弹破片分布的 线性拟合.图 破碎性参数的线性拟合关系.破片速度衰减系数计算公式为?（）式（）中：为阻力系数，取决于破片的形状和飞行速度，取值一般为.；为空气密度；?为破片迎风面积，一般为表面积；为破片质量。对于人员目标，破片动能大于 的为杀伤破片，对各组取平均破片质量，根据动能计算公式，可得到其具备杀伤能力的最小速度。结合速度衰减方程可计算装药的平均有效杀伤距离。每种壁厚模拟弹的破片初速、杀伤最小速度、有效杀伤距离如表 所示。随着壳体壁厚增
14、加，虽然壳体破碎性变差，装药驱动破片的初速降低，但破片的平均有效杀伤距离逐渐增大。为了达到最优毁伤威力，需平衡考虑壳体破碎后的破片数量与质量大小，破片数量大，单位空间的毁伤源多，破片质量大，破片的杀伤距离大。定义质量大小为 的破片为较优破片，将相应质量区间的破片数量除以破片总数得较优破片占比。壁厚从 增加至 时，有效杀伤距离无显著增加，但较优破片占比降低，因此壁厚 时的毁伤效果相对较好。表 不同壁厚装药壳体的有效杀伤距离 壁厚最优破片占比 破片初速（）杀伤最小速度（）有效杀伤距离 .结论（）装填 炸药的模拟弹水下爆炸破片分布规律与壳体壁厚有关，破片数量随着壁厚增加而，（）李昆，等：浇注 装药爆
15、炸壳体破片分布特性投稿网址：减小，破片平均质量随着壳体厚度增加而增大，即壳体厚度增加到一定程度则破碎性变差。（）试验结果符合修正 直线方程，其斜率 为破碎性参数，随着壁厚增加，减小，壳体破碎性变差。（）对壳体破碎性参数进行了线性相关性拟合，可对 炸药及特定壳体材料组合的破碎性参数进行预测，用于指导弹药设计。（）优化杀伤威力，需综合考虑破片数量与质量对破片初速、破片有效杀伤距离、破片空间密度的影响，使得炸药装药对壳体达到合理的破碎性。参考文献 高秀娟，金建祥，王林，等 弹丸杀伤半径计算方法研究弹箭与制导学报，（）：，（）：李昆，高立龙，陈春燕，等 铝粉含量及粒度对炸药驱动能力的影响 科学技术与工
16、程，（）：，（）：李彪彪，王辉，袁宝慧，等 水介质对圆柱壳体爆炸驱动膨胀过程的影响 科学技术与工程，（）：，（）：陈科全，路中华，陈翔，等 奥克托今（）基塑料粘结炸药（）驱动不同金属圆筒试验及数值模拟 科学技术与工程，（）：，（）：蒋建伟，张谋，门建兵 小口径榴弹自然破片形成过程的数值模拟 弹箭与制导学报，（）：，（）：蒋建伟，张谋，门建兵，等 弹侵彻过程壳体膨胀破裂的数值模拟 计算力学学报，（）：，（）：，宋桂飞，李成国 废旧弹药封闭爆炸的破片质量分布 弹箭与制导学报，（）：，（）：宋桂飞，李成国 爆炸洞内废旧弹药破片质量分布 兵工自动化，（）：，（）：吴成，艾东明，李京 小口径榴弹破片质量分布规律计算模型 弹箭与制导学报，（）：，（）：黄经纬，李文斌，郑宇，等 大口径榴弹自然破片形成过程 兵工自动化，（）：，（）：黄经纬 破片式战斗部破片规律及破片对步兵战车的侵彻作用研究 南京：南京理工大学，：，宋文渊 杀爆弹战斗部自然破片有限元建模分析 弹箭与制导学报，（）：，（）：王林，宫小泽，李忠 典型破片质量对弹丸威力影响及控制方法研究 弹箭与制导学报，（）：，（）：陈虎，沈正祥，王杜，等
