郭劉偉, 劉宇思, 汪 斌, 谷 巖, 鄭賢旭, 譚多望

(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 621999)

1 引 言

鈍感炸藥反應(yīng)區(qū)較寬,其爆轟波傳播易受邊界稀疏波及環(huán)境溫度的影響。曲率效應(yīng)實驗(Front Curvature Rate Stick)作為爆轟沖擊動力學(xué)(DSD)[1-2]研究爆轟波非理想傳播行為的必需實驗,一直為國內(nèi)外爆轟物理研究的熱點之一。

LANL多名研究人員對鈍感炸藥PBX-9502(TATB/Kel-F800為95/5)的曲率效應(yīng)開展了詳細(xì)的實驗研究。Campbell A W[3]對PBX-9502炸藥在-55,24 ℃及75 ℃下的直徑效應(yīng)進行了研究,獲取了不同溫度下的失效直徑及擬定態(tài)爆轟波波速隨炸藥直徑的變化規(guī)律,指出鈍感炸藥PBX-9502的擬定態(tài)波速隨炸藥直徑的增大呈現(xiàn)加速增長趨勢。Hill L G等[4]對PBX-9502炸藥在-55,25 ℃及75 ℃下的曲率效應(yīng)開展了實驗研究,獲取了炸藥末段擬定態(tài)爆轟波波速及波陣面形狀。實驗表明,環(huán)境溫度與炸藥直徑共同影響PBX-9502的爆轟波波陣面形狀,低溫-55 ℃時,爆轟波擬定態(tài)波速隨炸藥直徑基本呈現(xiàn)線性變化,而25 ℃及75 ℃時,則呈現(xiàn)明顯的拋物線特征。Hill L G等[5-6]對PBX-9502炸藥的曲率效應(yīng)實驗進行了匯總分析。指出炸藥批次及材料性質(zhì)對PBX-9502炸藥的曲率效應(yīng)有著明顯的影響。Hill建立了爆轟波Dn(κ)關(guān)系隨炸藥密度及溫度變化的經(jīng)驗公式,并在爆轟波長程繞射行為上得到了很好的應(yīng)用。LANL的研究結(jié)果表明鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)受環(huán)境溫度的影響很大。由于鈍感炸藥爆轟性能受炸藥生產(chǎn)工藝的影響顯著,國外研究結(jié)果無法直接應(yīng)用到國內(nèi)鈍感炸藥的爆轟性能上。國內(nèi)相關(guān)研究人員對采用國內(nèi)生產(chǎn)工藝的鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)也開展了一定的研究。譚多望等[7-9]對國產(chǎn)鈍感炸藥TATB基鈍感的常溫曲率效應(yīng)進行了實驗研究,獲取了擬定態(tài)爆轟波波陣面形狀及波速。鄒立勇等[10]開展了TATB基鈍感炸藥在低溫-30 ℃的曲率效應(yīng)實驗,指出爆轟波低溫擬定態(tài)波速高于常溫結(jié)果,波陣面形狀也與常溫結(jié)果差異較大。汪斌等[11]開展了國產(chǎn)鈍感炸藥JBO-9021的常溫曲率效應(yīng)實驗研究,結(jié)果表明,鈍感炸藥材料性質(zhì)對爆轟波波陣面的形狀及波速影響很大。目前國內(nèi)鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)的研究主要集中在常溫及低溫環(huán)境,高溫環(huán)境對鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)的影響研究尚缺乏。

在實際武器工程中,鈍感炸藥爆轟波非理想傳播行為均處于一定的環(huán)境溫度下,對高溫下鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)進行實驗研究,具有一定的工程研究意義。本研究采用高速掃描照相技術(shù)及電探針測速技術(shù)對TATB基鈍感炸藥在高溫60 ℃下的爆轟波波陣面曲率效應(yīng)開展實驗研究。

2 實驗

曲率效應(yīng)實驗裝置示意圖見圖1。實驗裝置由雷管、傳爆藥柱(96%RDX)、主藥柱(TATB基鈍感炸藥)、電探針陣列及光學(xué)掃描窗口等組成。爆轟波在主藥柱中傳播足夠距離后(大于6倍藥柱直徑),呈現(xiàn)擬定態(tài)傳播狀態(tài),在距主藥柱末端一定長度上對稱布置30路彈簧電探針(SideA+SideB)以測量爆轟波達(dá)到各位置的時間。爆轟波到達(dá)主藥柱末端端面時,采用高速掃描相機通過光學(xué)窗口記錄爆轟波波形。實驗中主藥柱直徑d包括三種類型: 10，15 mm及30 mm,藥柱總長度分別為200，240 mm及300 mm。

圖1曲率效應(yīng)實驗裝置示意圖

Fig.1Schematic of curvature rate stick apparatus

實驗布局示意圖見圖2。曲率效應(yīng)實驗件放置于高溫控制箱中,箱體一側(cè)預(yù)留K9玻璃光學(xué)窗口,實驗時,高壓氙燈釋放脈沖光線照射主藥柱末端面,反射光線經(jīng)透鏡、反光鏡進入高速掃描相機,相機底片根據(jù)感光程度記錄爆轟波出藥柱端面的時間過程。高速掃描相機的掃描速度為12 mm·μs-1。高溫控制箱采用熱阻絲加熱、電風(fēng)扇散熱的方式,促使溫度箱內(nèi)溫度均勻。高溫箱內(nèi)的溫度加載曲線見圖3所示。實驗溫度為60 ℃,保溫1 h。

圖2曲率效應(yīng)實驗布局示意圖

Fig.2Schematic of curvature rate stick experiment set up

3 結(jié)果及分析

3.1 擬定態(tài)波速

圖3溫度加載曲線

Fig.3Temperature record

采用最小二乘法,將雙側(cè)電探針陣列測到的爆轟波到達(dá)時間及各電探針間距進行處理見圖4所示。每發(fā)實驗中電探針距離-時間測試結(jié)果一致性較好,擬合過程中未有明顯偏離擬合曲線的數(shù)據(jù)點。單側(cè)電探針陣列距離-時間的擬合曲線斜率即為該側(cè)爆轟波平均波速的測量值,雙側(cè)測量結(jié)果的平均值作為該發(fā)實驗中炸藥的擬定態(tài)爆轟波波速,與常溫測試結(jié)果進行對比見圖5所示。在此次實驗范圍內(nèi),高溫60 ℃擬定態(tài)爆轟波波速隨炸藥直徑的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢,直徑10，15 mm與30 mm的TATB基鈍感炸藥擬定態(tài)爆轟波波速在高溫60 ℃時均低于常溫24 ℃結(jié)果,差異程度有所差別。當(dāng)溫度升高時,TATB基鈍感炸藥的密度會發(fā)生一定的減小,同時邊界稀疏波對炸藥反應(yīng)區(qū)的影響程度增強,從而使得炸藥的擬定態(tài)爆轟波波速降低,但炸藥密度隨溫度的變化量受炸藥尺寸及炸藥的非均質(zhì)特性影響,每種直徑的炸藥密度隨溫度的變化量不同,故各直徑炸藥高溫、常溫波速測試結(jié)果的差異呈現(xiàn)非一致性。

a. side A

b. side B

圖4電探針距離-時間測試結(jié)果

Fig.4Distance-time results obtained by electric pins

圖5TATB基鈍感炸藥高溫與常溫擬定態(tài)爆轟波波速對比

Fig.5Comparisons of the steady-state detonation velocity of TATB based IHE at high and ambient temperature

3.2 擬定態(tài)波陣面形狀

采用高速掃描照相技術(shù)獲取的Φ30藥柱的典型爆轟波波陣面形狀見圖6所示,爆轟波波陣面界面清晰,全波形記錄完整,在一定程度上,波陣面對稱性良好。

圖6高速掃描照相技術(shù)獲取的典型波陣面形狀

Fig.6Typical film record obtained by high speed streak camera

圖7波陣面形狀擬合曲線

Fig.7The fitting curve of steady-state detonation front shape

TATB基鈍感炸藥60 ℃高溫爆轟波波形與常溫24 ℃結(jié)果對比見圖8所示。由圖8可見,較常溫結(jié)果,三種直徑TATB基鈍感炸藥高溫下的波陣面形狀均更為陡峭,波陣面中心與邊界點之間的時間差增大。其成因可能為: 炸藥在高溫下發(fā)生膨脹,宏觀密度降低,炸藥邊界處的稀疏波對炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響增大,相鄰區(qū)域的爆轟波波速差增大,波陣面中心點與邊界點的波速差增大,故高溫下爆轟波波陣面更為陡峭,波陣面中心與邊界點的時間差提高。

圖8TATB基鈍感炸藥高溫及常溫波陣面形狀對比

Fig.8The comparisons of detonation front shape at high and ambient temperature for TATB based IHE

3.3 DSD計算

Dn(κ)關(guān)系參數(shù)是采用DSD模型對爆轟波傳播過程進行計算的關(guān)鍵參數(shù)之一,且目前只能通過實驗標(biāo)定獲得。目前適應(yīng)性較好的Dn(κ)經(jīng)驗關(guān)系式為LANL的Bdzil[12]于2006年提出,其關(guān)系式如下:

(1)

式中,A、B、C1～C5及α均為擬合參數(shù),Dn為波陣面法向速度,DCJ為爆轟波CJ點速度,κ為波陣面當(dāng)?shù)厍?。采用遺傳算法[13]對三種直徑TATB基鈍感炸藥的高溫曲率效應(yīng)實驗結(jié)果進行多代計算,獲得適應(yīng)度較好的Dn(κ)關(guān)系參數(shù)見表1。

表1TATB基鈍感炸藥高溫曲率效應(yīng)Dn(κ)關(guān)系參數(shù)

Table1TheDn(κ) parameters of TATB based IHE at 60 ℃

DCJ/mm·μs-1ABC1C2C3C4C5α80542．00979．51036．485014．9724．6153221．42957．130．1667

Note：DCJis the detonation velocity at the CJ point;A、B、α、C1-C5are theDn(κ) relation parameters.

將表1中的Dn(κ)關(guān)系參數(shù)耦合入爆轟波傳播DSD計算程序中,設(shè)定爆轟波初始波形為平面波,對三種直徑炸藥的爆轟波非理想傳播過程進行計算。計算獲得的擬定態(tài)爆轟波波陣面形狀見圖9?？梢?除直徑10 mm炸藥的邊界區(qū)域外(<10%直徑),采用表1中的Dn(κ)關(guān)系參數(shù)計算的擬定態(tài)爆轟波形狀與實驗結(jié)果吻合較好。

圖9TATB基鈍感炸藥DSD計算波形與實驗結(jié)果對比

Fig.9The comparisons of detonation front shape between experimental results and simulation results for TATB based IHE

三種直徑炸藥的中心點波速演變過程計算結(jié)果見圖10?？梢?中心點波速隨爆轟波傳播迅速下降并逐漸穩(wěn)定。炸藥直徑越大,邊界稀疏波到達(dá)炸藥中心點的時間越長,中心點波速的穩(wěn)定時間越長。采用DSD計算獲得的三種直徑炸藥擬定態(tài)爆轟波波速與實驗值對比見表2,可見,采用表1參數(shù)計算的爆轟波擬定態(tài)波速與實驗結(jié)果吻合較好,偏差均小于1%。

三種直徑炸藥的爆轟波波形演變過程計算結(jié)果見圖11。受邊界稀疏波的影響,隨著爆轟波的傳播,三種直徑炸藥的爆轟波波陣面由平面形狀逐漸彎曲,波陣面中心點與邊界點之間的時間差逐漸增大。計算中三種直徑炸藥的爆轟波波陣面形狀從平面初始形狀發(fā)展至穩(wěn)定的時間分別為4,5 μs及14 μs。對比圖12中爆轟波中心點波速的穩(wěn)定時間,可見,波陣面形狀與爆轟波中心點波速的穩(wěn)定時間相一致。

表2TATB基鈍感炸藥中心點波速計算結(jié)果與實驗對比

Table2Calculated center point velocity compared with the experimental results of TATB based IHE

diameter/mmexperimentalVelocity/mm·μs-1calculatedvelocity/mm·μs-1107．4647．425157．5397．547307．6187．692

圖10TATB基鈍感炸藥中心點波速計算結(jié)果

Fig.10Calculated center point velocity of the charge for TATB based IHE

4 結(jié) 論

a. d=10 mm

b. d=15 mm

c. d=30 mm

圖11TATB基鈍感炸藥波陣面演變過程計算結(jié)果

Fig.11The Calculated detonation shape propagation of TATB based IHE

高溫60 ℃環(huán)境下,TATB基鈍感炸藥的擬定態(tài)爆轟波波速隨著直徑的增大基本呈現(xiàn)線性增長趨勢,且三種直徑炸藥的波速結(jié)果均低于常溫結(jié)果。隨炸藥直徑的增大,爆轟波波陣面形狀更為平坦,波陣面中心與邊界點的時間差提高。三種直徑炸藥的波陣面形狀高溫結(jié)果較常溫結(jié)果均更為陡峭,高溫下爆轟波波陣面中心與邊界點的時間差較常溫結(jié)果更高。采用遺傳算法擬合了TATB基鈍感炸藥高溫60 ℃的Dn(κ)關(guān)系參數(shù)并對三種直徑炸藥的爆轟波非理想傳播過程進行了數(shù)值計算,計算獲得的爆轟波擬定態(tài)波陣面形狀及波速與實驗結(jié)果吻合較好,爆轟波的波陣面形狀穩(wěn)定時間與波陣面中心點波速的穩(wěn)定時間相一致。

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