基于简易冲击分解模型的爆轰驱动硅橡胶数值模拟及实验解读

为了反映爆轰驱动下硅橡胶发生冲击分解反应的物理过程,提出了一种简易的硅橡胶冲击分解模型。基于该模型,对爆轰驱动含硅橡胶夹层钢板实验进行了模拟,并分析解读了钢板的自由面速度。结果表明,实验中硅橡胶发生了冲击分解反应,导致钢板的自由面速度曲线出现了首次起跳中间速度平台及首次起跳速度峰值降低的现象。受硅橡胶冲击分解影响,首次入射波压力将在临界冲击分解压力附近弛豫一段时间,再继续升高至最高压力。该压力波作用于钢板的自由面后,出现了自由面速度在中间速度平台停留一段时间,之后继续升高至速度峰值的现象。硅橡胶冲击分解后的气相物质可压缩性较高,首次加载波内较多的能量被用于压缩气体做功,导致首次波传播至自由面时能量衰减,峰值压力降低,首次起跳速度峰值降低。

非对称中空环形聚能装药成型与侵彻特性影响因素分析

为减弱中空环形聚能装药形成的中心侵彻体对后级结构的破坏作用,通过改变环锥罩的偏心距离和壁厚,调整了装药和药型罩的质量分布,使之形成准直环形射流,研究了炸高对环形射流侵彻威力的影响规律。数值模拟结果表明:内壳为铝合金时的中心孔平均侵彻深度较内壳为钢时的平均侵彻深度低36.13%;非偏心环锥罩形成的射流存在径向偏移,侵彻能力较弱。当环锥罩顶向外侧偏移0.05d(d为环形装药厚度)时,射流准直性较好,环形射流侵彻深度较大;随着药型罩壁厚的增加,射流头部速度不断减小,当壁厚为0.045d时,偏心环锥罩形成的环形射流侵彻能力较强;环形射流侵彻深度对炸高较为敏感,在炸高为1.12d时,环形射流侵彻深度较大。针对非偏心环锥罩和偏心环锥罩两种药型罩结构开展的静破甲试验表明,环形射流侵彻深度和扩孔直径的试验结果与数值模拟结果误差小于12%,验证了数值模拟模型的可靠性。

Al/PTFE/TiH_(2)三元活性材料与RDX组合装药的爆炸释能特性

为探究活性材料与炸药组合装药的爆轰特性,制备一种Al/PTFE/TiH_(2)三元活性材料与RDX炸药的组合装药。利用空中爆炸实验并结合比色测温技术,研究TiH_(2)粉末含量对组合装药爆轰性能及后燃效应的影响。研究结果表明:随着TiH_(2)粉末含量的增加,组合装药的冲击波参数、爆炸火球持续时间以及最高平均温度皆呈先上升、后下降的趋势,且均在TiH_(2)粉末含量为10%时达到最大值,相较于不含TiH_(2)粉末的组合装药,其冲击波峰值压力、爆炸火球持续时间以及最高平均温度分别提升了21.6%、105.9%和7.1%;通过对比TiH_(2)粉末和Ti粉末对组合装药爆炸释能特性的影响,发现由于游离氢参与后燃反应,使得TiH_(2)粉末对组合装药爆炸冲击波参数和爆炸火球温度场的增益效应优于Ti粉末;研究成果可为Al/PTFE/TiH_(2)三元活性材料在组合装药中的应用设计及武器毁伤评估提供参考。

基于小尺寸模型分析氢氧旋转爆轰波传播的不稳定性机制

氢氧的高反应活性给旋转爆轰波的稳定传播带来了巨大的挑战,为研究氢氧旋转爆轰波传播不稳定性,通过改变当量比对小尺寸模型下二维氢氧旋转爆轰波进行数值模拟研究,揭示了氢氧旋转爆轰波复杂多变的传播特性,并分析了典型流场结构,探讨了传播模态的不稳定性以及爆轰波湮灭和再起爆机制。结果表明:随着当量比的提高,流场内分别呈现熄爆、单波、单双波混合3种传播模态,且爆轰波的传播速度随当量比的增大几乎呈线性提高,速度亏损为5%~8%。激波的扰动使得爆燃面失稳产生明显的扭曲和褶皱,氢氧的高反应活性让爆燃面明显分层且在2个分界面上呈现不同的不稳定性,上分界面为Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性,下分界面为Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性。单双波混合模态下爆轰波极不稳定,保持湮灭、单波、双波对撞3种状态之间循环。爆轰波有2种湮灭方式:一是双波对撞导致爆轰波湮灭,二是爆燃面燃烧加剧使得爆燃面下移导致爆轰波湮灭。再起爆的主要原因是:R-T不稳定性诱导爆轰产物与新鲜预混气在爆燃面上相互挤压产生尖峰和气泡结构,增强爆燃面上的反应放热,产生了局部热点并逐渐增强为爆轰波,实现爆燃转爆轰。

长脉宽爆炸波与圆柱壳作用的波系演化与载荷分布特征

长脉宽爆炸波与结构作用的波传播及其载荷分布规律是大型爆炸防护设计与安全评估的重要基础。为了掌握长脉宽爆炸波与圆柱壳的相互作用机制及其作用下圆柱壳表面的载荷分布规律,开展了100 ms级冲击波圆柱绕流的激波管试验,并采用大涡模拟方法和高阶WENO-TCD(weighted essentially non-oscillatory-tuned centered difference)混合格式进一步对150 ms长脉宽冲击波与圆柱作用过程的波系演化与压力分布进行了数值分析。结果表明:数值仿真与压力实测结果吻合较好,长脉宽作用下圆柱壳载荷分布呈现出明显的角度和高度相关性,背面压力高于侧面甚至与迎爆面相当,具有不同于传统短脉宽冲击波传播中的压力衰减模式。流场的压力云纹和波系三维结构演化揭示了侧端面的突然扩张是压力初期震荡及相比于正面和背面压力更低的主要原因;系列绕射激波在壳体背面碰撞与反射,以及序列减速激波在135°相位附近的驻定与叠加作用,是引起背面压力呈现出载荷整体提升的主要机制。此外,背风面上尾涡结构的形成与演化过程受边界效应的影响是导致长脉宽圆柱壳载荷分布沿高度方向出现差异的关键因素。

环境温度对TATB/RDX传爆药起爆及驱动性能的影响

为了获得环境温度对TATB/RDX传爆药起传爆性能及驱动性能的影响特性,采用激光多普勒测速技术及瞬态太赫兹波多普勒干涉测速技术,对TATB/RDX传爆药在隔层起爆条件下的起爆、传播及驱动性能开展实验研究,获取了-45~70℃温度环境中TATB/RDX传爆药的到爆轰距离、爆轰反应区时间宽度、爆轰传播速度及驱动飞片的飞行速度曲线。结果表明:TATB/RDX传爆药的到爆轰距离及爆轰反应区时间宽度随环境温度的降低均近乎呈线性增长趋势;爆轰传播速度随环境温度的降低而逐渐提高;驱动飞片的速度随环境温度的变化特性在飞片主体-层裂层融合前后存在明显不同。

发动机爆震的分析及解决方法

本文针对发动机爆震问题,从爆震的原因、影响以及解决方法等方面进行了分析和研究。通过对燃烧过程和相关因素的探讨,提出了一系列有效的解决措施,为提高发动机性能和可靠性提供了参考。

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

半封闭空间内氢化镁粉尘爆炸火焰的传播特性

在自行搭建的5 L粉尘爆炸火焰传播特性实验装置中,实验研究了半封闭空间内氢化镁(MgH_(2))粉尘爆炸火焰的传播特性。实验结果表明:随MgH_(2)粉尘浓度的提高,MgH_(2)粉尘爆炸火焰由点火至稳定传播所用时间先缩短后延长以及预热区宽度先减小后增大,火焰亮度、锋面平滑度、及火焰传播速度呈先提高后降低的趋势,并在质量浓度为800 g/m^(3)时呈最佳燃烧状态。不同浓度的MgH_(2)粉尘爆炸火焰传播瞬时速度整体呈波动趋势,波动幅度随浓度的提高而先减小后增大,800 g/m^(3)时波动幅度最小,瞬时传播速度变化趋势随浓度的变化呈现不同的变化趋势。最后,根据MgH_(2)爆炸产物的XRD测试结果,分析MgH_(2)粉尘爆炸反应机理,发现MgH_(2)粉尘爆炸是以MgH_(2)燃烧反应为主并伴随有MgH_(2)和Mg(OH)2分解以及Mg和H_(2)氧化等多个总包反应的复杂过程,爆炸反应的最终产物为MgO。

密闭空间中复合装药的能量释放特性

为研究密闭空间中复合装药能量的释放特性,设计了一种同轴复合装药,其内层为温压炸药,外层为不同组分的混合燃料,混合燃料主要由铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料或硼基燃料组成,利用密闭爆炸装置开展了复合装药的内爆炸试验,获取了壁面冲击波超压和准静态压力。试验结果表明:相同质量、不同硼基燃料含量的复合装药在密闭空间内爆炸,产生的准静态压力随着硼基燃料含量的增加呈现先升高后降低的趋势,硼基燃料分解产物参与二次反应的最佳体积分数在1.0%左右;对于复合装药,密闭空间中氧气含量有限,当参与二次反应的物质浓度达到一定阈值时,无论是提高点火能量还是提高反应物浓度,准静态压力都无法获得高效提升,能量利用率没有提高。

HMX含量对PBT基推进剂撞击感度和非冲击点火反应特性的影响

为了研究HMX的含量对PBT基推进剂撞击感度和非冲击点火反应特性的影响,开展了BAM落锤撞击感度试验、脆性试验和Susan试验。结果表明:随着HMX含量的增加,PBT基推进剂爆炸概率为50%时的特性落高(H50)减小,即推进剂的撞击感度随着HMX含量的增加而增大。对于HMX的质量分数分别为0、5%、10%和15%的PBT基推进剂,其临界撞击点火速度分别为168、147、136、131 m/s,临界撞击点火速度随HMX含量的增加而减小;在撞击速度为120~300 m/s的非冲击作用下,4种PBT基推进剂的反应等级为爆炸或部分爆轰,相同撞击速度下,HMX的质量分数为10%的PBT基推进剂相较于其他3种PBT基推进剂具有更剧烈的反应等级。

刚性和柔性多孔材料作用下氢气爆轰胞格结构的演化规律

多孔材料作为高效吸波耗能介质,广泛应用于爆轰衰减研究中。为进一步揭示多孔材料的抑爆机理,系统研究了柔性(海绵)和刚性(金属丝网)2种典型多孔材料对氢氧爆轰胞格结构的影响,以及海绵和金属丝网厚度、孔隙率对爆轰胞格结构、尺寸等参数的影响。采用烟熏板技术记录爆轰波的胞格图案,并计算得到爆轰胞格尺寸;采用压力传感器记录爆轰波到达时间,进而计算得到爆轰波的平均传播速度。结果表明,爆轰胞格结构与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,此外研究发现了多个爆轰传播阶段,包括爆轰失效、加速和再起爆。爆轰胞格尺寸也与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,增大多孔材料厚度和减小孔隙率均能显著增大爆轰胞格尺寸。通过对比分析海绵与金属丝网对爆轰胞格尺寸的影响发现,在相同条件下,刚性多孔材料对爆轰的抑制作用更强,但这种差距会随着多孔材料厚度的增加而减小。最后,通过引入无量纲参数D_(H)/λ量化分析爆轰传播极限。对于柔性和刚性多孔材料而言,其爆轰传播极限可分别近似量化为D_(H)/λ≈3.0和D_(H)/λ≈3.1。

HMX基含铝压装炸药慢速烤燃点火时刻的压力参量计算

为了研究HMX基含铝压装炸药在慢烤过程中点火时刻的压力参量,设计了0.1和1.0℃/min升温速率下的慢烤试验,并对炸药内部进行了多点测温。在此基础上,基于炸药的通用烤燃模型,将HMX的多步分解机制与铝粉反应相结合,并考虑其分解中的相变过程,建立了HMX基含铝压装炸药慢烤反应速率与压力相关的计算模型并进行了数值模拟。试验结果表明,在0.1℃/min的升温速率下,端盖喷出,壳体沿轴向撕开裂缝,无药粉残留,判定炸药发生爆燃反应;在1.0℃/min的升温速率下,壳体发生轻微变形,有部分药粉残留,判定炸药发生燃烧反应。数值研究结果表明,随着热刺激强度的提高,炸药的点火温度呈对数上升趋势,而烤燃弹的反应进度和内部压力呈现指数下降趋势,且烤燃弹内部的反应压力在HMX相变前呈缓慢上升趋势,相变后呈快速上升趋势。

煤粉质量浓度及表观形貌对煤粉/乙烯/氧气爆轰波起爆特性的影响

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,探究煤粉质量浓度及表观形貌对煤粉/乙烯/氧气起爆特性的影响机制。在乙烯氛围下(初始总压100 kPa,当量比0.5),采用高能电点火装置对不同煤粉当量比和表观形貌下的煤粉-氧气混合物进行直接起爆实验。实验结果表明:添加少量5PA煤粉(实验所用2种煤粉记为PA、FA。PA和FA分别为多孔状无烟煤和片状无烟煤的缩写,如5μm多孔状煤粉简写为5PA煤粉)后,乙烯/氧气混合物的临界起爆能量迅速减小,在全局当量比0.7处达到其最小值2.53 J,随着当量比继续增加,煤粉/乙烯/氧气混合物的临界起爆能量逐渐增加;在全局当量比1.0处5FA煤粉的临界起爆能量(5.20 J)高于5PA煤粉的临界起爆能量(2.95 J);在5.80 J的点火能量下,5PA煤粉和5FA煤粉在全局当量比0.7~1.5内均可直接起爆,在4.10 J的点火能量下,5PA煤粉在全局当量比0.7~1.5内均可直接起爆,但5FA煤粉仅在全局当量比0.7处可直接起爆,进一步增加当量比后不可起爆。研究结果表明:对于贫燃料乙烯/氧气(当量比低于1),在一定煤粉质量浓度范围内,煤粉可以促进爆轰波的形成和自持传播,但煤粉质量浓度过高会抑制爆轰波的形成和自持传播;煤粉的表观形貌会影响煤粉混合物的起爆特性,相较于片状煤粉,多孔状煤粉的化学反应速率更高,临界起爆能量更低,更容易起爆。

冲击加载下PBX界面对热点形成和安全性影响

高聚物粘结炸药(Polymer-Bonded Explosive,PBX)界面结构对其热点形成和冲击安全性有显著影响。为研究冲击条件下PBX点火响应过程,通过图像数字化建模和矢量化技术,建立反映PBX真实细观结构特征的有限元模型。考虑材料内部摩擦生热、晶体变形温升以及晶体放热反应过程,对PBX冲击载荷下热点形成进行数值仿真,并引入热点密度作为依据来判断材料是否点火,进一步研究晶体表面粗糙度和晶体包覆缺陷对材料点火感度与安全性的影响。试验结果表明:在冲击加载过程中,PBX内部热量前期主要来源于摩擦生热和晶体变形温升;当温度逐渐升高后,热量主要来源于晶体放热反应;材料发生点火的临界热点密度为0.68 mm-2,降低晶体表面粗糙度并提高晶体表面包覆质量,有助于抑制热点的形成,使材料降感,进而提升PBX安全性;研究结果可用于高能炸药的点火感度及安全性评估,并指导其生产加工与制备工艺。

侵彻双层靶板过程中PBX装药的宏-细观损伤数值模拟研究

针对高速战斗部侵彻双层目标时装药的损伤问题,基于内聚力模型开展了PBX装药战斗部侵彻双层靶板的数值模拟研究。采用内聚力模型计算装药损伤的出现与演化,分析了侵彻速度与损伤发生的关系,通过损伤比对侵彻结束后PBX装药的损伤进行了量化,建立了PBX装药细观损伤仿真模型,研究了侵彻双层靶板过程中PBX装药细观损伤机制。结果表明:当弹体垂直侵彻双层靶板时,在压-拉反复作用下,装药尾部形成了垂直于加载方向的贯穿裂纹,且装药的损伤程度随着侵彻速度的增大而增大;在侵彻双层靶板过程中,PBX装药的主要损伤模式是界面脱粘,微裂纹最先出现在颗粒边角处,并且逐渐增多,最终界面微裂纹失稳扩展并汇聚为连续的主裂纹。

矩形管下气相螺旋爆轰的结构及传播方式

为探索极限条件下矩形管道截面长宽比对于螺旋爆轰传播的影响,采用基于五阶WENO有限差分格式和两步总包反应模型的Euler方程,对三维气相螺旋爆轰波在矩形截面管道中的结构及其传播方式进行了数值研究。通过模拟不同管道截面尺寸下爆轰波的三波线运动轨迹、流场分布及高压印记结构,揭示了截面几何尺寸对气相临界爆轰波稳定传播的影响规律。结果表明:螺旋爆轰能在一定范围的小管道截面尺寸内通过横、竖两条三波线及其相互作用形成的斜三波线的运动来维持传播;随着管道截面尺寸长宽比的增加,螺旋爆轰在壁面上形成的高压印记逐渐由倾斜的条带结构变成局部点状分布结构,波阵面上的斜三波线的轨迹也由方管中沿着单一方向的圆周运动逐渐发展为具有转向机制的复杂运动轨迹;当长宽比进一步增加时,三维螺旋爆轰存在向二维结构的单头爆轰结构退化的趋势。

水下爆炸多气泡耦合形态及载荷分布特性

多爆源水下爆炸产生的气泡在相互耦合作用后,其形态演化以及脉动载荷分布特性与单个气泡相比存在着显著差异。基于超算工作站,由LS-DYNA有限元软件,建立了自由场中爆源中心距离为一个气泡最大半径R的三气泡及四气泡水平阵列三维模型,使用ALE算法计算分析了多气泡融合发展形态演变过程和融合气泡空间载荷分布情况。研究表明,多气泡融合后射流发生在气泡水平两端;融合气泡局部坍塌的不一致造成了三气泡融合气泡上方坍塌载荷较四气泡融合气泡坍塌载荷大,但是三气泡融合气泡总冲量始终小于四气泡融合气泡;对比单气泡,多气泡脉动周期增大,三气泡、四气泡第1次脉动周期与单气泡比值分别为137%、147%;多气泡脉动载荷显著增强,三气泡、四气泡中心上方距离R处脉动载荷峰值与单气泡同样位置处的脉动载荷峰值比值分别为400%、263%。

RP3航空煤油斜爆轰发动机试验研究

在高马赫数飞行条件下,斜爆轰发动机热力学循环效率高,燃烧室长度短,是近些年国内外研究热点。目前斜爆轰发动机试验研究使用的都是氢气或者乙烯燃料,还没有使用航空煤油的试验结果。为了研究RP3航空煤油应用于斜爆轰发动机的可行性,在JF–12激波风洞上开展了冷态RP3航空煤油斜爆轰发动机自由射流试验研究,JF–12激波风洞有效试验时间50 ms。针对航空煤油点火延迟时间长的难点,提出了鼓包强制起爆新技术。模拟的飞行马赫数为9,试验气流总温为3800 K,全局当量比为0.9。试验中获得了稳定的斜爆轰波,证明了RP3航空煤油在斜爆轰发动机上应用的可行性。