传爆药柱冲击起爆及优化设计
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2.2 传爆药起爆能力的影响因素分析

传爆药在传爆序列中起着承上启下的作用,因此其安全性及对主装药起爆的可靠性对武器系统而言至关重要。尤其是钝感主装药出现及直列式传爆序列的发展对传爆药柱提出了更高的要求,总的来说,不仅要求其安全性好,而且要求它的起爆能力足够大。而影响传爆药起爆能力的因素有许多,必须对它们加以分析才能在高能传爆药柱设计中具有针对性。下面对传爆药起爆能力的影响因素做具体分析。

在传爆药裸体(即不存在约束壳体)的条件下,传爆药起爆能力的影响因素主要有以下几个方面:

(1)装药种类

装药种类不同,输出的能量不同,起爆能力也不同。传爆药能量越高,一定条件下其起爆能力越大。

(2)装药量

在装药量不能满足稳定爆轰时,药量增加主要是使冲击波压力增加。在药量能满足稳定爆轰时,增加药量主要是影响冲击波的持续时间,此时的药量增加对于起爆能力的增加是有利的。但当药量增加到一定值(高度约为2倍直径)后,再增加药量对起爆能力是无效的。

(3)装药密度

①对传爆药柱感度的影响 装药种类选定后,装药密度是最主要的参数,它对冲击波感度影响最显著。有关研究表明,传爆药临界起爆能量的增加随密度的增加几乎成直线关系。实验证明,在一定范围内,传爆药柱的密度不应大于理论密度的95%,一般选在理论最大密度的85%~95%之间。

②对传爆药柱输出的影响 装药密度影响爆速,爆速几乎随密度增加直线上升,因为密度增加使单位体积内放出的能量增加。具体可用如下线性公式表示:

  (2.1)

式中,Dρ为装药密度为ρ时的爆速,mm/μs;为装药密度为ρ0时的爆速,mm/μs;M为与炸药性质有关的系数。

总的来说,不能只从输出方面来考虑密度的选择,必须兼顾感度和输出两个方面来进行。

(4)装药粒度

装药粒度对爆轰感度影响较大。在一定范围内,粒度越小,比表面积越大,爆轰成长越快。所以传爆药柱所用的炸药都要经过筛选。

(5)装药直径的影响

当爆轰波沿有限尺寸的药柱传播时,除在爆轰波反应区中有化学反应的放热过程之外,还存在着能量的消耗过程。我们知道,凝聚炸药爆轰波面压力高达n+GPa。具有这样高压力的反应产物必然要发生径向膨胀,引起向反应区内传播的径向稀疏波,结果造成反应区中能量的向外耗散。因此,径向稀疏波是爆轰波沿装药传播过程中能量损失的最主要原因。

当装药直径小于临界直径dc时,由于径向膨胀作用所引起的能量消耗,使得化学反应区所释放能量的有效部分大大减少,爆轰波的强度被严重削弱,不足以激起下层炸药的高速化学反应,爆轰波不能再继续稳定传播,而是逐渐衰减,直至自行熄灭。当装药直径大于dc时,径向稀疏波进入化学反应区所引起的能量损耗相对于化学反应放出的总能量减少,即维持爆轰波传播的有效能量相对增大,因而,随着装药直径的增大,爆速也随之增加,但是当直径增加到极限直径后,爆速不再增加。

(6)传爆药柱高度的影响

传爆药柱高度对起爆能力的单独影响比较简单清楚。通常,在传爆药柱高度不能保证爆轰成长时,传爆药柱高度的微小增大,都会显著地提高冲击波压力,从而大大地提高传爆药柱的起爆能力。

当传爆药爆轰在被发装药中产生的冲击波速度大于被发装药中的临界爆速时,不一定能引起被发装药的稳定爆轰。要使被发装药稳定爆轰,还必须使传爆药对被发装药的作用维持一定的时间,即达到一定的起爆冲量。传爆药柱越高,则作用持续时间越长,起爆能量也越大,如同活塞的继续推动一样,可以维持冲击波参数不致很快衰减。在被发装药端面的传爆药爆轰产物,又好像是一个“保护层”,可以防止轴向膨胀波向爆炸中心渗透。如果“保护层”越厚,则反应产物的轴向飞散越迟,也就是说,轴向膨胀传入越迟。

传爆药柱高度对其起爆能力的影响是在开始阶段起作用。当高度增加到一定值后,随着药柱高度的增加,起爆能力并不随着增加,即轴向起爆能力随着药柱高度的增加是有限度的。一般认为,当传爆药柱高度为传爆药柱直径的2倍时,再增加传爆药柱的高度,起爆能力并不随之增加。这是因为侧向膨胀对传爆药的影响,只有一部分爆轰产物向其爆轰方向飞散。

(7)传爆药柱形状与位置的影响

一般传爆药柱都利用输出端直接接触主装药,当爆轰波在传爆药中前进时,侧向稀疏波入侵,造成一个等腰三角形的有效装药,由于一般都假设稀疏波入侵的速度约为爆速的一半,故此有效三角形是底等高。随着侧向限制的加强,稀疏波入侵受阻,三角形的高向上延伸,有效装药量增加,其影响相当于使受主起爆能量p2τ增加,故起爆能量随限制强度而增加。药柱直径的增加对起爆能力的增加是很有效的,它除了增加冲击波作用时间τ值外,还增加了爆轰面积。

当传爆药柱完全埋在被发装药中时,在传爆药柱侧面的炸药也受到传爆药爆轰气体的作用,如果爆轰气体的压力足以起爆炸药,则其有效的起爆面积比单是传爆药柱末端与被发装药接触时大,也就是说,传爆药柱埋入被发装药中,增加了它的起爆能力。如果侧面的压力太低以至于不能起爆,则传爆药柱在被发装药外边或埋入炸药中是无关紧要的。

(8)入射冲击波强度的影响

入射冲击波强度越大,传爆药起爆深度越小,冲击波作用时间越长,传爆药柱的输出也越大。胡双启利用实验对比了具有较大爆速的PBXN-5与较小爆速的A5作导爆管装药起爆传爆药柱,结果表明,具有较大爆速的PBXN-5起爆传爆药柱输出大。入射冲击波面积越大,传爆药起爆效果越好,传爆药起爆能力也越大。