李金河，傅 華，趙繼波，龔晏青，孫永強

(中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900)

用電磁粒子速度計實驗研究一種TATB基鈍感炸藥的沖擊響應

李金河，傅 華，趙繼波，龔晏青，孫永強

(中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900)

針對一種新的TATB基鈍感炸藥(Tx)，應用組合式電磁粒子速度計(EMV)測試技術，測量了炸藥直接加載、增加有機玻璃隔板以及炸藥驅動飛片3種加載狀態(tài)下炸藥內部的粒子速度歷程和沖擊波軌跡。根據測試結果，分析了不同加載壓力下炸藥的沖擊響應過程。結果表明，炸藥直接加載時，加載壓力最高，Tx鈍感炸藥很快達到爆轟狀態(tài)，到爆轟距離約為1.5mm;在增加有機玻璃隔板、加載壓力為14.2GPa時，與直接加載時炸藥粒子速度一致，Tx鈍感炸藥的到爆轟距離明顯增加，約為5mm;在炸藥驅動飛片、加載壓力為9.5GPa時，Tx鈍感炸藥的粒子速度逐漸降低，存在一定鈍化現象，到爆轟距離達到20mm以上。

爆炸力學；電磁粒子速度計；TATB基鈍感炸藥；沖擊響應；到爆轟距離

引 言

隨著現代武器對彈藥安全性要求越來越高，鈍感炸藥成為近年來武器彈藥發(fā)展的熱點[1-2]。鈍感炸藥與其他凝聚炸藥相比，化學反應區(qū)較長，化學反應較慢，爆轟發(fā)展過程復雜。研究鈍感炸藥的沖擊起爆性能及爆轟特性對武器戰(zhàn)斗部的設計有重要意義。近年來，國內外研究者開展了大量鈍感炸藥相關的試驗和數值模擬研究[3-5]。

內嵌式拉格朗日量計測試技術是研究炸藥沖擊起爆響應的重要手段，主要有電磁粒子速度計[6-8]和錳銅壓力計[9-10]兩種測試方法。電磁粒子速度計可以直接測量炸藥內部粒子速度，具有測試原理簡單、響應較靈敏、無需標定、絕緣要求不高、有效記錄時間長等優(yōu)點。特別是根據組合式電磁粒子速度計的測試數據可以獲得大量數據信息，包括粒子速度、POP關系、未反應炸藥的沖擊絕熱線、爆速等[7]。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)已經將該測試技術發(fā)展為一項標準的診斷技術[11]。國內于20世紀70年代開始發(fā)展電磁粒子速度計測試技術，但是在應用組合式電磁粒子速度計開展炸藥沖擊起爆及相關研究方面還很少，主要因為組合式電磁粒子速度計試驗技術還不成熟，測試信號質量較差[12-13]。

本研究針對新研制的一種TATB基鈍感炸藥(Tx)，應用組合式電磁粒子速度計測量炸藥內部的粒子速度，較好地獲得了3種加載狀態(tài)下的粒子速度歷程和沖擊波軌跡，并分析了Tx鈍感炸藥的沖擊響應情況，以期為認識該TATB基鈍感炸藥的沖擊響應特性提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原理

(1)

V=LuB

(2)

由式(2)可知，在已知導體長度(L)和磁場強度(B)的情況下，通過測量與炸藥中產物一起運動的導體切割磁力線產生的電壓(V)，即可得到產物運動的粒子速度up，見式(3)

(3)

1.2 組合式電磁粒子速度計的設計

本研究設計的組合式電磁粒子速度計與Sheffield[5]設計的組合式電磁粒子速度計相似，包含了8個電磁粒子速度計和1個沖擊波示蹤器，如圖1所示。沖擊波示蹤器為“梳狀”，可以監(jiān)測炸藥中沖擊波或爆轟波的傳播軌跡。電磁粒子速度計采用9μm厚銅箔刻蝕而成，速度計敏感段寬度為0.1mm，長度為5～12mm，相鄰速度計敏感段的距離為1mm。速度計兩側為20μm厚的聚酰亞胺絕緣材料。整個速度計的厚度約為50μm。

圖1 組合式電磁粒子速度計示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined electromagnetic particle velocity gauge

1.3 磁場裝置

電磁粒子速度計必須工作在均勻、穩(wěn)定的磁場中。試驗所需的磁場由亥姆霍茲線圈或永磁鐵提供。當炸藥量較大時，一般采用亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈可以根據試驗裝置進行設計。但為了獲得均勻性更好的磁場，應盡量使線圈環(huán)的半徑和間距相等。在均勻磁場區(qū)域，亥姆霍茲線圈產生的磁場可用公式 (4)計算[8]

(4)

1.4 實驗方法

采用炸藥加載方式研究新型鈍感炸藥的沖擊響應，試驗狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 試驗狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental status

由圖2可以看出，試驗共有3種狀態(tài)，分別獲得不同的沖擊壓力。第1種是JO-9159炸藥直接加載；第2種是在JO-9159加載炸藥和Tx鈍感炸藥之間放置厚17.5mm的有機玻璃隔板，降低鈍感炸藥表面的沖擊波壓力；第3種是JO-9159炸藥驅動4mm有機玻璃飛片撞擊炸藥，進一步降低鈍感炸藥表面的沖擊波壓力。鈍感炸藥密度為1.902g/cm3，炸藥樣品為69mm×50mm×40mm的長方體，由兩塊30°楔形塊拼合而成。組合式電磁粒子速度計安裝在兩塊楔形樣品之間，其中第1個速度計與炸藥表面的距離為0.5mm。為了監(jiān)測鈍感炸藥表面的加載沖擊波，在炸藥樣品上表面還安裝一個電磁粒子速度計。試驗用亥姆霍茲線圈的直徑為320mm，由Φ2mm的漆包線繞制而成。試驗中，亥姆霍茲線圈產生的磁感應強度約為1.5T。

2 結果與討論

2.1 不同加載狀態(tài)下的粒子速度

電磁粒子速度計的測試結果如圖3所示。

圖3 不同加載壓力狀態(tài)Tx鈍感炸藥的粒子速度曲線Fig.3 Particle velocities of insensitive esplosive Tx under different loading pressures

由圖3可以看出，第1種加載狀態(tài)下，加載壓力最高，炸藥很快達到爆轟狀態(tài)，到爆轟距離約為1.5mm，根據相鄰粒子速度計之間的距離和爆轟波到達的時間可知炸藥的爆速約為7500m/s。第2種狀態(tài)下，炸藥的加載壓力相對較低，圖3 (b)中第1個信號為單計的測試結果。顯然，在增加了隔板之后，炸藥的到爆轟距離明顯增加，在4mm處炸藥仍然沒有發(fā)生爆轟。由于最后一個計的粒子速度與第1種狀態(tài)0.5mm處粒子速度比較一致，同時根據第1種狀態(tài)的到爆轟距離，估計炸藥的到爆轟距離約為5mm，與PBX-9502炸藥的結果接近[7]。第3種狀態(tài)下，炸藥的加載壓力最低，由圖3(c)可知，在距離炸藥表面2.5mm之前，炸藥的粒子速度逐漸降低，表明炸藥可能出現了鈍化現象。在1.5mm之后，炸藥已經開始有一定的反應，但2.5mm之后，粒子速度才開始逐漸增加，隨著炸藥反應的增強，可能會發(fā)生爆轟轉變。

2.2 不同加載狀態(tài)時沖擊波的傳播

本研究加載沖擊波的平面性較差，無法用于準確計算沖擊波或爆轟波速度，在第2種狀態(tài)時也沒有觀察到爆轟轉變位置。第3種狀態(tài)下沖擊波示蹤器測試結果和沖擊波的時間-位置曲線如圖4所示。

圖4 第3種狀態(tài)下沖擊波示蹤器測試結果和沖擊波時間-位置曲線Fig.4 Testing results of shock wave tracker and curves of shock wave under state 3

(5)

對式(5)進行微分，可得式(6)

(6)

由式(6)可知，沖擊波的速度先從約4220m/s減小到2143m/s，又逐漸增大到約4660m/s?？紤]到沖擊波或爆轟波在傳播過程中的發(fā)散性，估算炸藥發(fā)生爆轟轉變的距離達到20mm以上，與PBX-9502炸藥接近[7]。

2.3 加載壓力估算

由于Tx鈍感炸藥為新型鈍感炸藥，目前尚沒有關于該炸藥的未反應炸藥沖擊絕熱線關系。但是，根據本試驗粒子速度測量結果以及沖擊波軌跡分析結果可以估算炸藥的沖擊波加載壓力，見式(7)

p=ρ0usup

(7)

式中：p為加載壓力，GPa；ρ0為炸藥密度，g/cm3；us為沖擊波速度，km/s；up為粒子速度，km/s。

對于試驗狀態(tài)2，表面粒子速度為1490m/s，沖擊波速度為5000m/s，可得炸藥表面的加載壓力為14.2GPa。對于試驗狀態(tài)3，表面粒子速度為1280m/s，沖擊波速度為3980m/s，可得炸藥表面的加載壓力為9.5GPa。 由于試驗狀態(tài)1沒有獲得炸藥表面的粒子速度，無法進行計算。

2.4 炸藥的鈍化

根據粒子速度的測量結果可知，加載壓力為9.5GPa時，炸藥發(fā)生了鈍化現象，粒子速度和沖擊波速度都出現了比較明顯的下降。分析認為，部分原因可能是由于炸藥出現了壓實，并產生鈍化現象。Mulford等[14]發(fā)現在低于10.5GPa下，PBX-9502表現為惰性(幾μs以內)，通過雙沖擊試驗發(fā)現炸藥存在鈍化現象。目前，國內外還未見如圖3(c)所示的在沖擊波作用下炸藥內部產生明顯的粒子速度下降，然后再逐漸反應增長的報道。因此，在粒子速度增長之前，可能還存在一些未知的影響機制，有待進一步的分析探討。

3 結 論

(1)應用組合式電磁粒子速度計開展了鈍感炸藥沖擊響應過程研究，獲得了不同加載壓力情況下炸藥的粒子速度曲線。

(2)不同加載壓力狀態(tài)下鈍感炸藥的沖擊響應有明顯的差異。在炸藥直接加載時，Tx鈍感炸藥的到爆轟距離約為1.5mm，在加載壓力為14.2GPa時，炸藥可以發(fā)生爆轟轉變，到爆轟距離比較長，約為5mm；在加載壓力為9.5GPa時，炸藥發(fā)生了鈍化現象，粒子速度先減小后增大，到爆轟距離大于20mm。

(3)由于試驗加載沖擊波的平面性不高，在計算沖擊波速度或爆速方面準確性還不高，特別是無法直接準確地得到炸藥的到爆轟距離或到爆轟時間，有待在以后的試驗中應用火藥炮驅動飛片的加載方式進行改善。

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Experimental Study on the Shock Response of a TATB-based Insensitive Explosive with Electromagnetic Particle Velocity Gauge

LI Jin-he，FU Hua，ZHAO Ji-bo，GONG Yan-qing，SUN Yong-qiang

(National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，CAEP， Mianyang Sichuan 621900，China)

Aiming at a new TATB based insensitive explosive(Tx), the particle velocity history and shock wave trajectory in explosive under three kinds of loading states, including explosive loading directly, increase of organic glass partition and explosive driven flyer, were measured by a combined electromagnetic particle velocity(EMV) gauge testing technology. According to the test results, the impact response process of explosive under different loading pressure was analyzed.The results show that when the explosive is loaded directly, the loading pressure is the highest. Tx insensitive explosive soon reach the state of detonation, the distance to detonation is about 1.5mm. After adding organic glass partition,when the loading pressure is 14.2GPa, the velocity of explosive particles is more consistent with the direct loading, the distance to detonation of Tx insensitive explosive is significantly increased to about 5mm. In the explosive driven flyer, when the loading pressure is 9.5GPa, the particle velocity of Tx explosive is gradually decreased,and exist a certain passivation phenomenon, the distance to detonation is more than 20mm.

explosion mechanics；electromagnetic particle velocity gauge；TATB based insensitive explosive；shock response;the distance to detonation

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.010

2016-08-11；

2016-10-12

中物院科學技術發(fā)展基金資助(No.2013B0101001)

李金河(1979-)，男，助理研究員，從事炸藥爆轟及安全性研究。E-mail：leejinhe103@163.com

TJ55;O38

A

1007-7812(2016)06-0058-05