聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

庞嵩林 陈雄 许进升 王永平

庞嵩林, 陈雄, 许进升, 王永平. 聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(8): 082101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0469
引用本文: 庞嵩林, 陈雄, 许进升, 王永平. 聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆[J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(8): 082101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0469
PANG Songlin, CHEN Xiong, XU Jinsheng, WANG Yongping. Impact initiation of a solid-rocket engine by a shaped-charge jet[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(8): 082101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0469
Citation: PANG Songlin, CHEN Xiong, XU Jinsheng, WANG Yongping. Impact initiation of a solid-rocket engine by a shaped-charge jet[J]. Explosion And Shock Waves, 2020, 40(8): 082101. doi: 10.11883/bzycj-2019-0469

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

doi: 10.11883/bzycj-2019-0469
详细信息
    作者简介:

    庞嵩林(1995- ),男,博士研究生,318101010024@njust.edu.cn

    通讯作者:

    许进升(1985- ),男,博士,副教授,xujinsheng@njust.edu.cn

  • 中图分类号: O389;V435

Impact initiation of a solid-rocket engine by a shaped-charge jet

  • 摘要: 为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5 600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1~2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa,与实验结果吻合较好。
  • 图  1  实验现场布置

    Figure  1.  Experimental layout

    图  2  聚能装药空射高速摄像照片

    Figure  2.  High-speed photos of shaped charge blasting

    图  3  聚能装药射流冲击发动机高速摄像照片

    Figure  3.  High-speed photos of the rocket engine initiated by the shaped-charge jet

    图  4  爆炸后的发动机固定钢架

    Figure  4.  The steel rocket engine fixing equipment after the explosion

    图  5  爆炸空气超压曲线

    Figure  5.  Blasting air overpressure-time curves

    图  6  射流成型及射流冲击发动机有限元模型

    Figure  6.  The finite element models for a jet forming and it impacting a rocket engine

    图  7  聚能射流成型过程

    Figure  7.  The shaped charge jet formation process

    图  8  聚能装药空射空气超压曲线

    Figure  8.  Air overpressure curves of shaped charge blasting

    图  9  发动机起爆初期压力云图

    Figure  9.  Pressure distribution in the engine at the initiation stage

    图  10  发动机冲击起爆过程中的压力分布及破损的模拟

    Figure  10.  Simulation of pressure distribution and shell bursting during engine shock initiation

    图  11  推进剂回爆过程中发动机内的压力云图

    Figure  11.  Pressure distribution in the engine during the propellant retonation process

    图  12  发动机内4号高斯点的压力曲线

    Figure  12.  Pressure-time curve at the Gauss point 4 in the engine

    图  13  发动机内外高斯点压力曲线

    Figure  13.  Pressure-time curves at Gauss points inside and outside the engine

    表  1  爆炸产生的空气超压峰值

    Table  1.   Air overpressure peaks induced by blasting

    传感器距离/m聚能装药空射超压压力峰值/MPa射流冲击发动机超压压力峰值/MPa
    110.654 7019.780
    210.526 20
    320.043 24
    420.033 49 3.014
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    表  2  爆炸产生的破片速度

    Table  2.   Velocities of blasting-induced fragments

    测速栅靶速度/(m·s−1
    14790.42
    24752.48
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    表  3  药型罩、发动机壳体和端盖材料模型

    Table  3.   Material models for the shaped-charge line, engine shell and end cover

    部件材料状态方程强度模型侵蚀准则
    药型罩Cu-OFHCShockSteinberg GuinanGeometric strain
    发动机壳体KevlarOrthoElasticGeometric strain
    发动机端盖Al-7039ShockJohnson CookGeometric strain
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    表  4  8701炸药JWL本构方程参数

    Table  4.   Parameters in JWL equation of state for the explosive 8701

    A/GPaB/GPaR1R2ω
    854.520.4934.601.350.25
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    表  5  推进剂Lee-Tarver本构方程参数

    Table  5.   Parameters in Lee-Tarver equation of state for the propellant

    R1R2ωA/GPaB/GPaIbaxG1cdyG2egz
    51.820.2909.5962.05440.2220.0141110.2220.6671.662000.3330.6672
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-14
  • 修回日期:  2020-05-14
  • 网络出版日期:  2020-06-25
  • 刊出日期:  2020-08-01

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