覃文志，龍新平，何 碧，蔣小華

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900；2.中國工程物理研究院，四川 綿陽，621900）

BNCP（高氯酸[四氨·雙(5-硝基四唑)]合鈷(Ⅲ)）以其較低的感度和優(yōu)異的爆轟性能受到廣泛關(guān)注，在激光起爆器、半導體橋雷管等多種火工品中得到應(yīng)用[1]，但其爆轟性能方面的研究還不夠豐富。本文嘗試對BNCP驅(qū)動飛片速度進行研究。

光纖位移干涉儀[2](Displacement Interferometer System for Any Reflector, DISAR) 是一種新的位移和速度測量技術(shù)，國外 Jaroszewicz[3]和 Strand等人[4-5]對DISAR進行了研究。國內(nèi)王德田等人[6]采用DISAR對爆炸加載尺寸為Ф60mm×2mm的飛片速度進行了測試，獲得信噪比很好的速度曲線。本文采用DISAR對BNCP驅(qū)動飛片進行測試，同時采用VLW狀態(tài)方程程序計算獲取JWL狀態(tài)方程參數(shù)[7-8]，并對其驅(qū)動飛片進行數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果進行對比分析。

1 飛片速度實驗測試

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。在裝藥環(huán)中裝填的BNCP藥柱尺寸為 Ф3mm×8mm，炮孔尺寸為 Ф2.5mm×1.5mm，飛片材料為鈦，厚度 0.1mm。測試前在飛片表面鍍了一層約 3μm 厚的鋁膜，以增強其反光性能。

圖1 DISAR測飛片速度裝置Fig.1 Experimental device for flyer velocity

實驗所用的DISAR系統(tǒng)采用的光纖激光器基于半導體激光器的MOPA（Mail Oscillation Power Amplifying，主振蕩功率放大）技術(shù)，具有窄線寬、高輸出功率、優(yōu)秀的波長長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，能夠為干涉器測速系統(tǒng)提供一定相干長度的穩(wěn)定激光源。測試所采用的光纖探頭采用光纖微透鏡結(jié)構(gòu)，尺寸為M5×10mm，并具有長達35mm的測量景深。

測試時首先將光纖探頭與炮孔中心對準，以便使光線能夠反射回探頭。探頭與飛片的距離約為25mm。

1.2 測試結(jié)果及分析

分別對 BNCP 裝藥密度為 1.645g/cm3和 1.623 g/cm3下的2發(fā)裝置進行了測試，獲得的原始干涉信號如圖2所示（僅以第1發(fā)為例）：

圖2 DISAR干涉信號Fig.2 Interference signal of the DISAR

圖3所示曲線為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的2發(fā)裝置的飛片速度曲線。

從圖3中可以看出，在初始階段兩種裝藥密度下驅(qū)動飛片的速度增長幾乎一致，在1.5μs后1.645g/cm3BNCP的裝置驅(qū)動的飛片仍有明顯的速度增長，而1.623 g/cm3BNCP的裝置的飛片速度增長則變得緩慢，在約2.1μs時2發(fā)裝置的飛片速度均達到最大值，分別為3 417m/s和3 318m/s。

圖3 飛片速度曲線Fig.3 The measured flyer velocity curves

2 JWL狀態(tài)方程參數(shù)的理論計算

JWL狀態(tài)方程是典型的動力學狀態(tài)方程，能夠比較精確地反映炸藥爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動做功過程。其形式為[9]：

式（1）中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對比容；E為炸藥的能量密度；A、B、R1、R2、ω為參數(shù)，通常通過圓筒試驗測定金屬外殼在炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動情況下的膨脹過程，結(jié)合數(shù)值模擬來確定。但對于較為敏感的起爆藥，采用圓筒實驗標定JWL狀態(tài)方程參數(shù)會存在一定的安全隱患。因此，本文采用VLW程序計算了BNCP的爆轟產(chǎn)物等熵膨脹數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能夠反映出炸藥在高速膨脹過程中的壓力和比容的關(guān)系。擬合出的等熵膨脹曲線可作為爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程的P——V關(guān)系曲線，從而擬合出JWL狀態(tài)方程參數(shù)。等熵膨脹曲線如圖4所示。

圖4 BNCP爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹曲線Fig.4 The isentropic expansion curves of detonation products of BNCP

圖4顯示，由于密度十分接近，因此計算的等熵膨脹曲線幾乎重合。在不同密度下，由于等熵膨脹的數(shù)據(jù)會有所差別，因此擬合出的炸藥JWL方程參數(shù)是不同的。根據(jù)實驗中采用的裝藥密度，擬合出BNCP在兩種密度下的爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)，如表1所示。

表1 JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 The coefficients of JWL EOS

3 BNCP驅(qū)動飛片數(shù)值模擬

根據(jù)VLW程序計算得到的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，利用LS-DYNA程序模擬了BNCP驅(qū)動飛片的過程。模型的各項參數(shù)均與實驗裝置保持一致，將模擬所得飛片速度曲線與實驗結(jié)果做出對比，如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比曲線Fig.5 Comparison of the simulation and experimental results

從圖5中可以看出，數(shù)值模擬的飛片最大速度分別為3 656m/s和3 616m/s，數(shù)值模擬的結(jié)果比實驗值基本高出200m/s左右，誤差約為6%，速度曲線的增長趨勢基本一致。由于實驗的裝藥尺寸較小，因此飛片速度不免受到爆轟時側(cè)向稀疏波影響而低于理想狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果基本能夠令人滿意。

4 結(jié)論

本文通過實驗和數(shù)值模擬的方式研究了 BNCP驅(qū)動飛片速度，獲得以下結(jié)論：

（1）DISAR的測試結(jié)果表明BNCP驅(qū)動0.1mm厚的鈦飛片速度能夠達到3 300m/s左右，可指導其在火工品中的運用；

（2）通過VLW程序計算擬合得到BNCP爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，用于數(shù)值模擬中與實驗結(jié)果基本吻合，說明通過VLW程序計算獲得的JWL狀態(tài)方程參數(shù)能夠可靠運用于數(shù)值模擬中，給較敏感炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)的獲取提供了研究途徑。

[1]盛滌倫,馬鳳娥,孫飛龍,等. BNCP起爆藥的合成及其主要性能[J].含能材料,2000,8(3):100-103.

[2]Strand O T, Goosman D R, Martinez C, et al. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques[J]. Review of Scientific Instruments,2006,77(8):83-108.

[3]Jaroszewicz L R, Krajewski Z. Optical fiber interometeic system for doppler effect measurement [J]. Opto Electronics Review,2002, 10 (3) :185-191.

[4]Strand O T, Berzins L V, Goosman D R, et al. Velocimet ry using heterodyne techniques[R].UCRL-CONF2206034,2004.

[5]Mercier P, Benier J, Azzolina A, et al. Photonic Doppler velocimetry in shock physics experiments[J].Journal de Physique IV, 2006, 134(1): 805-812.

[6]王德田,李澤仁,吳建榮,等. 光纖位移干涉儀在爆轟加載飛片速度測量中的應(yīng)用[J].爆炸與沖擊,2009,29(1):105- 108.

[7]龍新平.VLW 爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程及納米級鋁粉含鋁炸藥爆轟特性研究[D].北京:北京理工大學,1999.

[8]蔣小華. 有氧化劑含鋁炸藥爆轟特性研究[D]. 北京：北京理工大學,2003.

[9]Lee E., Finger M., Collins W. JWL equation of state coefficient for high explosives[R]. UCID-16189, 1973.