破片撞击引燃炸药装药：起爆机理分析

1.4.2.1　凝聚炸药的冲击起爆研究

针对非均质凝聚炸药的冲击引爆研究，开始于20世纪50年代，出于各自不同的研究目的，半个多世纪来一直未曾停止过，但尚有许多问题并未彻底解决，对炸药的起爆过程仍了解得不够。

早期比较经典的研究成果主要有：英国学者Bowden和Yaffe［79］（1952）首先提出和阐述了非均质炸药冲击起爆中“热点”的概念，认为某些炸药以（撞击、冲击波等）各种形式受到冲击后，冲击波到达密度间断处就可以突然形成局部高温区域，这个区域被称为热点。A.W.Campbell等［80］（1961）提出，当冲击波进入非均质炸药后，在初始波阵面后面，炸药首先受冲击而整体加热，然后出现化学反应，并通过著名的平面冲击波起爆的试验观察，阐述了非均质炸药冲击起爆的理论，奠定了非均质炸药起爆的理论根据。德列明［81］（1963）用电磁方法测定了起爆区中的质点速度，证明了Campbell等关于非均质炸药的起爆理论。J.B.Ramsay［30］和A.Popolate［82］（1965）引进了临界压力的概念，提出了适用于大面积、厚飞片的一维持续脉冲的冲击起爆判据。Gettings［83］（1965）研究了薄铝飞片撞击下PBX-9404炸药的起爆行为，通过试验说明炸药是否起爆与入射冲击波压力及持续时间两个因素有关，这也成为以后众多冲击引爆判据的理论基础。Karo等［84］（1978）研究了各种二维晶格中冲击波传播动力学，冲击波对结合键的破坏被证明。M.Kroh［85］（1985）通过改进的隔板试验获得了典型的SDDT曲线，如图1.1所示。

图1.1　典型的SDDT曲线

在图1.1中的曲线上存在两个明显的阈值点，当pG＝pGR时，随着pG的上升，自由端面上粒子的逃逸速度急剧增大；当pG＝pGD时，随着pG的增大，逃逸速度几乎不变，并且和爆轰的传播速度有相同的量级。图1.4中pGR是点火阈值，当加载在被发药界面的初始冲击压力幅值小于pGR时，无论被发药的长度为多少，冲击都转不了爆轰。pGR到pGD段是反应-爆燃段，对于给定的被发药尺寸，燃烧还没有来得及发展成爆轰，如果被发药加长，就有可能发展成爆轰。对于给定的装药尺寸，pGD是转爆临界冲击压力，即当pG＞pGD时，对于给定的被发药尺寸，爆燃就有可能转变成爆轰。和pGD不同，pGR由装药的物理和化学性质唯一确定，与被发药的尺寸无关。

浣石［86］（1988）改进了一维拉氏分析计算方法，能在试验精度范围内求解起爆流场，并求出一些重要的反应特征变量的流场分布，提出了用拉氏分析方法对炸药的本构方程进行整体标定的方案，研制了二维锰铜-康铜环形组合拉氏量计，能同时测得二维轴对称起爆流场中不同质点的压力和径向位移变化史，该试验方法即使在多年后的今天，仍被大量使用。

时至90年代，非均质凝聚炸药的冲击波起爆过程已是基本共识：当冲击波进入炸药后，会在一些力学-物理性质间断处产生局部小灼热源（即热点）。炸药首先在这些热点内点燃，并快速反应，在前导冲击波波阵面后出现一个压力峰，其幅度迅速增大，并逐渐向前导冲击波波阵面靠拢，如图1.2［87］所示。但热点形成的物理机制尚存在争论，空洞和气泡的绝热压缩机制、空洞和颗粒间的剪切摩擦机制、流体力学机制、黏塑性流动机制、空泡和气泡的表面能转化机制、晶体变形的位错能释放机制和自由基模型的冲击波断键机制等多种说法并存。关于热点成长的机制，也存在两种意见分歧：一种是美国弹道研究所Home［88］（1976）提出的热爆炸机制；另一种则是美国洛斯-阿拉莫斯实验室Madar［89］（1976）提出的高速燃烧机制。另外，章冠人［90］（1991）对相关研究成果进行了总结，编著出版了《凝聚炸药起爆动力学》一书。此后，因炸药冲击起爆过程的复杂性和其作用过程的瞬时性，冲击波起爆机制的继续深入有待于试验及其分析技术的进一步发展。(www.xing528.com)

图1.2　冲击波压力在不同物质中的传播过程

（a）惰性物质；（b）炸药

值得一提的是，20世纪80年代后，在人们研究炸药的SDT（Shock to Detonation Transition，激波向爆震转变）过程中发现，在某些特定条件下，炸药在受到强度比SDT阈值低得多的冲击作用时，也会发生爆炸，且其起爆时间比SDT有显著延长。这种低强度冲击下引发炸药延迟爆轰现象，与通常炸药的SDT过程有显著不同。目前把这种低强度冲击引发炸药延迟爆轰现象称为炸药的XDT（Unknown Mechanism to Detonation Transition，未被识别的爆轰转变）现象或延迟爆轰（Delayed Detonation）现象。R.L.Keefe［91］（1981）在推进剂隔板试验中，最早发现了XDT现象。此后，因炸药/推进剂在生产、加工、运输、储存和使用等过程中的安全性问题的突出性，炸药/推进剂的冲击损伤及起爆特性研究成为十分重要的研究课题，并成为90年代后炸药冲击起爆的主要研究内容。Richter［92］（1989）等对受压缩损伤的PBXW-108的冲击感度的研究表明，当孔隙率为3%时，冲击感度只提高约8%。黄风雷［93］（1992）系统研究了改性双基、丁羟复合推进剂的动态损伤和冲击起爆特性，并将固体推进剂的机械损伤与冲击起爆的热点形成机制联系起来。Born等［94］（2002）对炸药晶体内部损伤对冲击起爆的影响进行了研究，晶体间的空穴和晶体内空穴对起爆的影响程度不同，冲击感度与晶粒尺寸大小和晶体间空穴关系不大。陈朗［95］（2003）采用X光透视摄影方法观察到了JO-9515炸药延迟起爆现象。梁增友［96］（2006）对PBX炸药的损伤特征及损伤对炸药起爆性能的影响进行了研究，综合周栋［97］（2007）、姚惠生［98］（2007）等的研究成果编写了《炸药冲击损伤与起爆特性》［99］（2009）一书。已有研究表明，损伤使含能材料热点源增加，比表面积增大，含能材料敏感化，从而影响含能材料感度、燃烧及爆轰性质，对于爆轰的建立过程也有很大的影响。但时至今日，损伤对含能材料起爆/起燃过程影响的认识有限，相关机理和预测方法的研究需进一步深入。

1.4.2.2　带壳装药的撞击起爆研究

出于反导武器装备研究的军事需求，带壳装药的撞击起爆研究起源于20世纪60年代，如：皮克汀尼兵工厂（Picatinny Arsenal）［100］（1965）根据收集的试验结果建立了预测带壳装药破片撞击起爆阈值的计算方法。20世纪70年代至90年代之间，带壳装药的撞击起爆研究十分活跃。Rosland（1975）［101］、Jacobs（1979）［102］、Frey（1979）［103］、Howe（1985）［104］、Cook（1989）［105］、Chou［106-108］（1990，1991）及方青（1997）［109］等相继进行了理论分析、试验研究和数值模拟。带壳装药的冲击波、剪切起爆机制被揭示，但对于具体情况，何种起爆机制起了主控作用却一直难有合理的判别方法，带壳装药的撞击起爆速度阈值的获取也基本停留在试验阶段。21世纪以来，计算技术的发展使有限元或有限差分等数值模拟［110］成为该问题分析的一个有效手段，但深层次理论缺失带来的计算误差是难以避免的。通过试验获得带壳装药冲击引爆速度的准确阈值还是工程设计人员最先想到的，也是最容易实现的，但这种简单的可操作性方法只能就具体问题进行，所获得的结果并不具有普适性。

综上所述，破片穿甲效应的研究是在军事需求牵引下不断演变和发展的，是以穿甲力学为理论依托发现和揭示小长径比/小质量弹体对靶体的侵彻破坏行为与规律。研究中获得的科学认识对技术上产生巨大促进的同时，也带来了巨大的效益，即可提升现有武器装备的毁伤能力，也可从另一面促进装甲防护技术的发展。