CN112611496B - 一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构 - Google Patents

一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，解决了现有技术与非理想炸药匹配性差导致的速度测量值偏低以及与实际做功能力相关性差等问题。本申请由约束管、缓冲套、端盖组成，降低了爆炸侧向耗散对驱动能力的影响，解决了非理想炸药爆炸反应历程与产物驱动平板过程的时间匹配性，提高非理想炸药驱动平板速度测量准确性，具有结构简单、测量结果与实际做功能力相关性强的优点。

Description

一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构
技术领域
本申请属于炸药爆轰性能评估技术领域，涉及一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，适用于非理想炸药爆炸作功能力的评价。
背景技术
炸药爆炸时在微秒级的时间里释放出巨大的能量，生成的高温、高压的爆炸产物对周围物体或目标做功，而炸药爆炸对金属的加速能力是评价炸药和战斗部选用炸药的关键参数。目前测量炸药爆炸对金属加速能力的方法主要有圆筒试验和驱动平板试验，圆筒试验系统复杂，需要时间和空间分辨率很高的高速转镜相机及光源等配套设备，光路与仪器调试耗时费力，试验周期较长；相对之下，爆炸驱动平板试验要比圆筒试验简单的多，数据处理容易，可通过测得的飞片速度比较炸药的相对做功能力大小，因此在配方研究阶段主要大量使用。
爆炸驱动平板试验，也称飞片试验，通过炸药爆炸驱动装药末端的金属平板高速运功，通过高速相机、光点探针或测速靶等获得金属平板的飞行过程，通过金属平板飞行距离和时间关系，可以求出飞片的速度。试验装配时，金属平板和炸药之间涂抹真空硅脂排出空气并吸附在一起，由于金属平板与炸药的接触面为自由面，金属平板在炸药爆轰产物作用下立即飞出，爆轰产物对金属平板的作用时间为数微秒，与炸药实际应用过程的加速金属过程有一定差异。这种测量方式虽然对于爆轰反应一次完成的理想单质炸药是适用的，但目前的研究和应用的炸药配方均以含铝炸药为代表的非理想炸药为主，非理想炸药的反应历程是主炸药发生爆轰后其它燃料、氧化剂等与爆轰产物发生持续的二次反应并释放大量的能量，爆炸反应持续时间达到数十微秒甚至几十微秒，远高于爆轰产物对金属平板的加载时间，因此现有爆炸驱动平板试验不能有效的体现出非理想炸药二次反应的释能，测量准确性不高。同时，现有爆炸驱动平板试验的被测炸药装药为裸药柱，其爆炸过程存在显著的爆炸侧向耗散不利于非理想炸药的持续反应作功。相比之下，圆筒试验中金属铜圆筒的膨胀过程与非理想炸药的爆炸反应持续时间匹配度较高，较之更接近实际使用情况，而由于存在上述问题，非理想炸药的爆炸驱动平板试验测试结果与圆筒试验结果几乎没有相关性，其结果不能真实反应非理想炸药的实际作功性能，对炸药实际应用的指导性较差。
综上所述，现有技术存在以下不足：(1)金属平板对爆轰产物无约束，爆炸产物对平板作用时间远小于非理想炸药爆炸反应持续时间，测量结果与实际作功能力相关性差，测量准确性不高；(2)裸药柱测量过程存在显著的爆炸侧向耗散，不利于非理想炸药的持续反应做功，与炸药实际使用情况存在一定差异。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，其特征在于：包括约束管、缓冲套、端盖；
约束管为铝制圆管，内径42mm～56mm，外径50mm～66mm，高度36mm～46mm，约束管一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管通过螺纹与端盖进行连接；
缓冲套为有机玻璃圆管，内径30mm～40mm，外径42mm～56mm，高度40mm～50mm，缓冲套位于约束管内且一端与端盖的内凹面接触；
端盖为铝制内凹结构，外径56mm～72mm，高度15mm～16mm，端盖的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径50mm～66mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管和端盖连接，下级为环形平台，平台宽度4mm～5mm、高度4mm，环形平台用于约束管和端盖螺纹连接后的限位，端盖外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径20mm～30mm，深度2.5mm～3.5mm、宽度3mm。
测量时，约束管与端盖通过螺纹连接并紧固，将长径比1:1.2～1:1.5炸药药柱装配到缓冲套中，药柱端面与缓冲套一端齐平，从齐平端将装配好的炸药药柱和缓冲套缓缓推入约束管中，排出空气直至药柱和缓冲套底端与端盖顶死；根据炸药驱动平板速度测量的要求，在与端盖平行位置布置多个测速靶或光学测速仪，另一端在炸药药柱端面装配起爆药并安装雷管，起爆后，通过测速靶或光学测速仪测得炸药驱动平板加速的位移-时间关系曲线。
本发明的原理如下：
对于非理想炸药，由于其爆炸过程存在二次反应过程，其爆炸反应持续时间达到数十微秒甚至几十微秒，在此过程中依然能释放出大量能量，因此对于其作功能力的测量应该保证能覆盖足够长的时间，对于平板加速试验来说，就是要确保爆轰产物加载金属平板的时间与非理想炸药爆炸反应释能相匹配。本申请的设计思路是通过空间换取时间，采用缓冲套和约束管形成的约束，以及利用端盖刻槽方式，通过爆炸过程加载产生金属平板，在现有技术的自由金属平板基础上提高了炸药爆炸产物加载飞片的时间长度，实现加载时间与非理想炸药爆炸反应时间的匹配。但本申请对于非理想炸药爆炸作功能力的测量依然存在两个难点，一个是通过端盖刻槽产生金属平板可能带来的平板变形以及过多能量消耗问题，另一个是炸药约束带来的爆轰产物向自由面的喷射充塞问题。
目前炸药爆炸驱动平板试验的金属平板材质一般为铝，炸药爆炸冲击波和产物作用与金属平板就会转化为应力波，通过铝板的在应力波加载下动态力学以及不同厚度铝板的撕裂过程研究，最终确定厚度0.5mm的铝板的撕裂时间与非理想炸药的爆炸反应时间基本相当，因此本申请的端盖预制刻槽处的厚度与其保持一致；预制金属平板提高了非理想炸药爆炸产物对平板的加载时间，在一定程度会导致金属平板初始状态发生变形，从而导致测量不准，针对本申请所采用圆柱形药柱，在端面起爆方式下爆炸产物的膨胀是沿药柱轴线向外发散，通过研究发现爆炸产物在0.6～0.8倍药柱直径时存在很大的分布密度梯度，因此金属平板直径为0.6～0.8倍药柱直径时，爆炸使端盖撕裂产生飞片的初始变形量最小。
采用约束管与缓冲套相结合的约束方式，避免了非理想炸药爆炸过程中产物在约束环境下向唯一自由面(即起爆端)进行喷射充塞而导致的大量能量消耗，因此缓冲套需要采用低强度材料形成短暂弱约束。缓冲套材质的选择主要有两个要求，一是缓冲套在爆炸作用下快速破碎且消耗能量较小，二是非理想炸药爆炸产物膨胀通过缓冲套的时间与撕裂产生金属平板的时间基本一致。根据上述原则初步筛选了陶瓷、有机玻璃、尼龙等三种材料，通过试验研究了三种材质缓冲套对典型非理想炸药作功能力的影响，结果表明有机玻璃制成的缓冲套的测试结果与圆筒试验结果基本吻合，而陶瓷会消耗较大的能量导致测量结果较低，碎裂缓慢的尼龙会使产物膨胀约束较大导致充塞效应明显，测量结果较低，因此最终选择有机玻璃作为缓冲套的加工材料。
本申请的优点：(1)根据材料动态力学响应和撕裂效应，通过爆炸撕裂壳体产生金属平板，实现了爆炸产物驱动平板过程与非理想炸药爆炸反应持续时间的匹配性，提高对非理想炸药作功能力的测量准确性；(2)通过匹配两种不同密度和力学强度壳体材料，降低了试样的爆炸侧向耗散，同时又不会导致爆炸产物对金属平板的喷射充塞作用，提高测量结果与实际作功能力的相关性。
附图说明
图1是非理想炸药驱动平板速度测量的装配结构主视图。
图2是端盖的主视图及俯视图。
图3是采用本申请进行炸药驱动平板速度测量的装配示意图；
图4是实施例1的测量对比曲线；
图5是实施例2的测量对比曲线。
图中：1-约束管，2-缓冲套，3-端盖，4-测速靶，5-时间间隔记录仪，6-炸药试样，7-传爆药，8-雷管。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1
参照图1至图3，本实施例给出一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构的具体结构和装配实例。该非理想炸药驱动平板速度测量装配结构包括有约束管1、缓冲套2、端盖3。
参见图1，约束管1为铝制圆管，内径56mm，外径66mm，高度46mm，约束管1一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管1通过螺纹与端盖3进行连接；缓冲套2为有机玻璃圆管，内径40mm，外径56mm，高度50mm，缓冲套2位于约束管1内且一端与端盖3的内凹面接触。
参见图2，端盖3为铝制内凹结构，外径72mm，高度16mm，端盖3的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径66mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管1和端盖3连接，下级为环形平台，平台宽度5mm、高度4mm，环形平台用于约束管1和端盖3螺纹连接后的限位，端盖3外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径30mm，深度3.5mm、宽度3mm。
参照图3，测量时，约束管1与端盖3通过螺纹连接并紧固，将尺寸为Φ40mm×50mm炸药试样6装配到缓冲套2中，药柱端面与缓冲套2一端齐平，从齐平端将装配好的炸药试样6和缓冲套2缓缓推入约束管1中，排出空气直至与端盖3顶死；根据炸药驱动平板速度测量的要求，在与端盖3平行位置布置多个测速靶4，测速靶4通过线缆与时间间隔记录仪5相连，另一端在炸药试样6端面装配传爆药7并安装雷管8，起爆后，通过时间间隔记录仪5获得炸药驱动平板加速的位移-时间关系曲线。
本发明的原理如下：
对于非理想炸药，由于其爆炸过程存在二次反应过程，其爆炸反应持续时间达到数十微秒甚至几十微秒，在此过程中依然能释放出大量能量，因此对于其作功能力的测量应该保证能覆盖足够长的时间，对于平板加速试验来说，就是要确保爆轰产物加载金属平板的时间与非理想炸药爆炸反应释能相匹配。本申请的设计思路是通过空间换取时间，采用缓冲套2和约束管1形成的约束，以及利用端盖3刻槽方式，通过爆炸过程加载产生金属平板，在现有技术的自由金属平板基础上提高了炸药爆炸产物加载飞片的时间长度，实现加载时间与非理想炸药爆炸反应时间的匹配。但本申请对于非理想炸药爆炸作功能力的测量依然存在两个难点，一个是通过端盖3刻槽产生金属平板可能带来的平板变形以及过多能量消耗问题，另一个是炸药约束带来的爆轰产物向自由面的喷射充塞问题。
目前炸药爆炸驱动平板试验的金属平板材质一般为铝，炸药爆炸冲击波和产物作用与金属平板就会转化为应力波，通过铝板的在应力波加载下动态力学以及不同厚度铝板的撕裂过程研究，最终确定厚度0.5mm的铝板的撕裂时间与非理想炸药的爆炸反应时间基本相当，因此本实施例中端盖3预制刻槽处的厚度为0.5mm；预制金属平板提高了非理想炸药爆炸产物对平板的加载时间，在一定程度会导致金属平板初始状态发生变形，从而导致测量不准，针对本申请所采用圆柱形药柱，在端面起爆方式下爆炸产物的膨胀是沿药柱轴线向外发散，通过研究发现爆炸产物在0.6～0.8倍药柱直径时存在很大的分布密度梯度，金属平板直径在此范围内时爆炸使端盖3撕裂产生飞片的初始变形量最小，因此本实施例中刻槽中心线直径确定为30mm，即金属平板直径为0.75倍药柱直径。
采用约束管1与缓冲套2相结合的约束方式，避免了非理想炸药爆炸过程中产物在约束环境下向唯一自由面(即起爆端)进行喷射充塞而导致的大量能量消耗，因此缓冲套2需要采用低强度材料形成短暂弱约束。缓冲套2材质的选择主要有两个要求，一是缓冲套2在爆炸作用下快速破碎且消耗能量较小，二是非理想炸药爆炸产物膨胀通过缓冲套2的时间与撕裂产生金属平板的时间基本一致。根据上述原则初步筛选了陶瓷、有机玻璃、尼龙等三种材料，通过试验研究了三种材质缓冲套2对典型非理想炸药作功能力的影响，结果表明有机玻璃制成的缓冲套2的测试结果与圆筒试验结果基本吻合，而陶瓷会消耗较大的能量导致测量结果较低，碎裂缓慢的尼龙会使产物膨胀约束较大导致充塞效应明显，测量结果较低，因此本实施例最终选择有机玻璃作为缓冲套2的加工材料。
利用上述制造的非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，选择铝粉含量15％的CL-20非理想炸药进行爆炸驱动平板速度测量，获得金属平板速度与飞行距离的关系曲线并与现有技术进行对比，如图4所示。由于炸药作功能力通过不同系统测试的结果并不统一，而以TNT作为基准的相对评价一直以来是行业内的共识，也因此形成了炸药TNT当量的说法。因此，本实施例以TNT炸药为基准，通过非理想炸药与TNT的测试结果比值，对比采用现有技术和本申请对与圆筒试验结果的符合度，如表1所示。
表1：测量结果对比
Figure GDA0003443545070000071
Figure GDA0003443545070000081
根据图4的测量曲线可以看出，相比现有技术，本申请测量的非理想炸药驱动平板的加速过程更长，金属平板速度的最大值也更高，实现了爆炸产物驱动平板过程与非理想炸药爆炸反应持续时间的匹配性，通过匹配两种不同密度和力学强度壳体材料，降低了试样的爆炸侧向耗散，同时又不会导致爆炸产物对金属平板的喷射充塞作用，提高测量结果与实际作功能力的相关性，能够体现非理想炸药作功输出持续时间长的特点。表1的结果对比可以看出，现有技术的测量误差较大，而本申请对于作功能力相对值的测量准确性在1％以内，提高对非理想炸药作功能力的测量准确性。
实施例2
参照图1至图3，本实施例给出一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构的具体结构和装配实例。该非理想炸药驱动平板速度测量装配结构包括有约束管1、缓冲套2、端盖3。
参见图1，约束管1为铝制圆管，内径42mm，外径50mm，高度36mm，约束管1一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管1通过螺纹与端盖3进行连接；缓冲套2为有机玻璃圆管，内径30mm，外径42mm，高度40mm，缓冲套2位于约束管1内且一端与端盖3的内凹面接触。
参见图2，端盖3为铝制内凹结构，外径56mm，高度15mm，端盖3的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径50mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管1和端盖3连接，下级为环形平台，平台宽度4mm、高度4mm，环形平台用于约束管1和端盖3螺纹连接后的限位，端盖3外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径20mm，深度2.5mm、宽度3mm。
参照图3，测量时，约束管1与端盖3通过螺纹连接并紧固，将尺寸为Φ30mm×40mm炸药试样6装配到缓冲套2中，药柱端面与缓冲套2一端齐平，从齐平端将装配好的炸药试样6和缓冲套2缓缓推入约束管1中，排出空气直至与端盖3顶死；根据炸药驱动平板速度测量的要求，在与端盖3平行位置布置多个测速靶4，测速靶4通过线缆与时间间隔记录仪5相连，另一端在炸药试样6端面装配传爆药7并安装雷管8，起爆后，通过时间间隔记录仪5获得炸药驱动平板加速的位移-时间关系曲线。
本发明的原理如下：
对于非理想炸药，由于其爆炸过程存在二次反应过程，其爆炸反应持续时间达到数十微秒甚至几十微秒，在此过程中依然能释放出大量能量，因此对于其作功能力的测量应该保证能覆盖足够长的时间，对于平板加速试验来说，就是要确保爆轰产物加载金属平板的时间与非理想炸药爆炸反应释能相匹配。本申请的设计思路是通过空间换取时间，采用缓冲套2和约束管1形成的约束，以及利用端盖3刻槽方式，通过爆炸过程加载产生金属平板，在现有技术的自由金属平板基础上提高了炸药爆炸产物加载飞片的时间长度，实现加载时间与非理想炸药爆炸反应时间的匹配。但本申请对于非理想炸药爆炸作功能力的测量依然存在两个难点，一个是通过端盖3刻槽产生金属平板可能带来的平板变形以及过多能量消耗问题，另一个是炸药约束带来的爆轰产物向自由面的喷射充塞问题。
目前炸药爆炸驱动平板试验的金属平板材质一般为铝，炸药爆炸冲击波和产物作用与金属平板就会转化为应力波，通过铝板的在应力波加载下动态力学以及不同厚度铝板的撕裂过程研究，最终确定厚度0.5mm的铝板的撕裂时间与非理想炸药的爆炸反应时间基本相当，因此本实施例中端盖3预制刻槽处的厚度为0.5mm；预制金属平板提高了非理想炸药爆炸产物对平板的加载时间，在一定程度会导致金属平板初始状态发生变形，从而导致测量不准，针对本申请所采用圆柱形药柱，在端面起爆方式下爆炸产物的膨胀是沿药柱轴线向外发散，通过研究发现爆炸产物在0.6～0.8倍药柱直径时存在很大的分布密度梯度，金属平板直径在此范围内时爆炸使端盖3撕裂产生飞片的初始变形量最小，因此本实施例中刻槽中心线直径确定为20mm，即金属平板直径为0.67倍药柱直径。
采用约束管1与缓冲套2相结合的约束方式，避免了非理想炸药爆炸过程中产物在约束环境下向唯一自由面(即起爆端)进行喷射充塞而导致的大量能量消耗，因此缓冲套2需要采用低强度材料形成短暂弱约束。缓冲套2材质的选择主要有两个要求，一是缓冲套2在爆炸作用下快速破碎且消耗能量较小，二是非理想炸药爆炸产物膨胀通过缓冲套2的时间与撕裂产生金属平板的时间基本一致。根据上述原则初步筛选了陶瓷、有机玻璃、尼龙等三种材料，通过试验研究了三种材质缓冲套2对典型非理想炸药作功能力的影响，结果表明有机玻璃制成的缓冲套2的测试结果与圆筒试验结果基本吻合，而陶瓷会消耗较大的能量导致测量结果较低，碎裂缓慢的尼龙会使产物膨胀约束较大导致充塞效应明显，测量结果较低，因此本实施例最终选择有机玻璃作为缓冲套2的加工材料。
利用上述制造的非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，选择铝粉含量15％的CL-20非理想炸药进行爆炸驱动平板速度测量，获得金属平板速度与飞行距离的关系曲线并与现有技术进行对比，如图5所示。由于炸药作功能力通过不同系统测试的结果并不统一，而以TNT作为基准的相对评价一直以来是行业内的共识，也因此形成了炸药TNT当量的说法。因此，本实施例以TNT炸药为基准，通过非理想炸药与TNT的测试结果比值，对比采用现有技术和本申请对与圆筒试验结果的符合度，如表2所示。
表2：测量结果对比
Figure GDA0003443545070000111
根据图5的测量曲线可以看出，相比现有技术，本申请测量的非理想炸药驱动平板的加速过程更长，金属平板速度的最大值也更高，实现了爆炸产物驱动平板过程与非理想炸药爆炸反应持续时间的匹配性，通过匹配两种不同密度和力学强度壳体材料，降低了试样的爆炸侧向耗散，同时又不会导致爆炸产物对金属平板的喷射充塞作用，提高测量结果与实际作功能力的相关性，能够体现非理想炸药作功输出持续时间长的特点。表2的结果对比可以看出，现有技术的测量误差较大，而本申请对于作功能力相对值的测量准确性在1.5％左右，提高对非理想炸药作功能力的测量准确性。

Claims (3)

1.一种非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，其特征在于：包括约束管(1)、缓冲套(2)、端盖(3)；
约束管(1)为铝制圆管，内径42mm～56mm，外径50mm～66mm，高度36mm～46mm，约束管(1)一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管(1)通过螺纹与端盖(3)进行连接；
缓冲套(2)为有机玻璃圆管，内径30mm～40mm，外径42mm～56mm，高度40mm～50mm，缓冲套(2)位于约束管(1)内且一端与端盖(3)的内凹面接触；
端盖(3)为铝制内凹结构，外径56mm～72mm，高度15mm或16mm，端盖(3)的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径50mm～66mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管(1)和端盖(3)连接，下级为环形平台，平台宽度4mm～5mm、高度4mm，环形平台用于约束管(1)和端盖(3)螺纹连接后的限位，端盖(3)外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径20mm～30mm，深度2.5mm或3.5mm，宽度3mm；
当端盖(3)高度15mm时，刻槽深度2.5mm；当端盖(3)高度16mm时，刻槽深度3.5mm。
2.如权利要求1所述的非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，其特征在于：约束管(1)为铝制圆管，内径56mm，外径66mm，高度46mm，约束管(1)一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管(1)通过螺纹与端盖(3)进行连接；缓冲套(2)为有机玻璃圆管，内径40mm，外径56mm，高度50mm，缓冲套(2)位于约束管(1)内且一端与端盖(3)的内凹面接触；端盖(3)为铝制内凹结构，外径72mm，高度16mm，端盖(3)的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径66mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管(1)和端盖(3)连接，下级为环形平台，平台宽度5mm、高度4mm，环形平台用于约束管(1)和端盖(3)螺纹连接后的限位，端盖(3)外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径30mm，深度3.5mm、宽度3mm。
3.如权利要求1所述的非理想炸药驱动平板速度测量装配结构，其特征在于：约束管(1)为铝制圆管，内径42mm，外径50mm，高度36mm，约束管(1)一端有外螺纹，螺纹高度10mm，约束管(1)通过螺纹与端盖(3)进行连接；缓冲套(2)为有机玻璃圆管，内径30mm，外径42mm，高度40mm，缓冲套(2)位于约束管(1)内且一端与端盖(3)的内凹面接触；端盖(3)为铝制内凹结构，外径56mm，高度15mm，端盖(3)的内凹侧为上下两级结构，上级螺纹内径50mm、螺纹高度8mm，通过螺纹进行约束管(1)和端盖(3)连接，下级为环形平台，平台宽度4mm、高度4mm，环形平台用于约束管(1)和端盖(3)螺纹连接后的限位，端盖(3)外侧有与其同轴的环形连续刻槽，刻槽剖面成V型，刻槽中心线直径20mm，深度2.5mm、宽度3mm。
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