楊舒棋,張 旭,彭文楊,舒俊翔,劉壽先,覃 雙,鐘 斌
(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽(yáng) 621999)
鈍感炸藥(Insensitive high explosive, IHE)的安全性能是彈藥設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。以三硝基三氨基苯(TATB)為基的鈍感高能炸藥在國(guó)防領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用,本研究中所用的A型炸藥為我國(guó)研制的以TATB和黏結(jié)劑為主要成分的塑性黏結(jié)炸藥,密度為1.895 g/cm3,爆速為7.660 km/s。
在研究鈍感炸藥沖擊起爆反應(yīng)演化過(guò)程的測(cè)量方法中,高精度的激光干涉測(cè)速技術(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛使用[1]。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)和桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)使用光子多普勒測(cè)速儀(Photonic Doppler velocimetry, PDV)和數(shù)據(jù)分析工具開展了大量測(cè)速實(shí)驗(yàn),Jensen等[2]和Dolan等[3]研究了影響PDV測(cè)速的不確定度因素。Gustavsen等[4]采用PDV技術(shù),測(cè)量了TATB基和HMX基炸藥的粒子速度,準(zhǔn)確獲得了TATB基炸藥的反應(yīng)區(qū)。張濤等[5]采用自行研制的波分時(shí)復(fù)用多點(diǎn)激光干涉測(cè)速系統(tǒng),研究了鈍感高能炸藥JBO-9021的沖擊起爆性能,結(jié)合楔形炸藥樣品,得到了沖擊波進(jìn)入炸藥特定深度位置的波后粒子速度剖面。裴紅波等[6]采用光子多普勒測(cè)速技術(shù),測(cè)得了TATB基JB-9014炸藥的粒子速度剖面,對(duì)粒子速度剖面求取時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù),利用時(shí)間導(dǎo)數(shù)拐點(diǎn)確定了炸藥反應(yīng)區(qū)寬度和反應(yīng)時(shí)間,測(cè)速的相對(duì)不確定度優(yōu)于2%。綜合國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),激光干涉測(cè)速技術(shù)是研究炸藥沖擊起爆過(guò)程和爆轟性能的一種有效方法。
國(guó)內(nèi)研究A型鈍感炸藥沖擊起爆反應(yīng)演化過(guò)程主要采用電磁粒子速度計(jì)測(cè)試方法。由于電磁法本身存在缺陷,導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)具有不準(zhǔn)確性,因而需要采用高精度的PDV測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。在運(yùn)用PDV測(cè)量技術(shù)研究炸藥不同深度處的粒子速度時(shí),需采用不同厚度的圓柱形樣品進(jìn)行多發(fā)實(shí)驗(yàn),然而由于火炮加載的不可控性,火藥裝藥量相同時(shí)的入射壓力依然存在差異。為此,本研究設(shè)計(jì)了臺(tái)階形狀的A型鈍感炸藥樣品,采用PDV技術(shù)測(cè)量其粒子速度,實(shí)現(xiàn)了在同一發(fā)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量不同厚度樣品的粒子速度。
采用火炮加載系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)藍(lán)寶石飛片撞擊炸藥,進(jìn)行一維平面沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括火炮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、藍(lán)寶石飛片、炸藥樣品、LiF窗口、光纖測(cè)速探頭、PDV、示波器等。
火炮口徑為57 mm,采用尺寸為 ?55 mm × 12 mm的藍(lán)寶石飛片撞擊炸藥產(chǎn)生一維平面波。通過(guò)改變火藥裝藥量得到遞增的藍(lán)寶石飛片撞擊速度,實(shí)驗(yàn)所用火藥裝藥量為1 000、1 100和1 150 g,分別命名為Shot 01、Shot 02和Shot 03。炸藥樣品為臺(tái)階型,中心小圓柱處厚度為10 mm,5個(gè)扇面的厚度分別為2、3、4、5和7 mm。實(shí)驗(yàn)安裝6個(gè)光纖探頭,分別正對(duì)炸藥中心和5個(gè)不同高度的扇形臺(tái)階中心。實(shí)驗(yàn)裝置和炸藥安裝如圖1所示。
圖1 PDV實(shí)驗(yàn)裝置和炸藥安裝示意圖Fig.1 Schematic of PDV experimental device and explosive installation
實(shí)驗(yàn)所用的PDV為全光纖結(jié)構(gòu),其光電探測(cè)器帶寬為12.5 GHz,輸出激光波長(zhǎng)為1 550 nm。實(shí)驗(yàn)中配合使用的示波器帶寬為13 GHz,最高采樣速率為40 GS/s。
利用PDV測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量炸藥爆轟產(chǎn)物的界面粒子速度時(shí),需在炸藥背面安裝1個(gè)尺寸為 ?15 mm ×11 mm、5個(gè)尺寸為 ?20 mm × 11 mm的楔形LiF窗口,窗口和炸藥之間涂少量硅油,排除二者之間的空氣。LiF窗口與樣品接觸一端鍍厚度為0.7 μm的鋁膜,并且為避免輸入激光在靠近光纖探針側(cè)表面的LiF窗口處的反射光對(duì)測(cè)試信號(hào)光產(chǎn)生影響,LiF窗口的上表面與水平的下表面存在3°的傾角。實(shí)驗(yàn)采用了兩種直徑的測(cè)速探頭,其中測(cè)量界面粒子速度的探頭直徑為3.2 mm,測(cè)量藍(lán)寶石飛片速度的探頭直徑為1.8 mm,測(cè)試探頭輸出激光的焦斑直徑約為0.2 mm,光纖芯徑為90 μm。探頭到LiF窗口的測(cè)試距離為35~42 mm,實(shí)驗(yàn)裝置及炸藥安裝實(shí)物如圖2所示。
圖2 PDV實(shí)驗(yàn)裝置及炸藥安裝實(shí)物Fig.2 Images of PDV experimental device and explosive installation
組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)試采用相同的火炮加載系統(tǒng)進(jìn)行一維平面沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3(a)所示。通過(guò)改變火藥裝藥量來(lái)控制藍(lán)寶石飛片速度,進(jìn)而控制初始入射壓力。所用火藥裝藥量與PDV實(shí)驗(yàn)同為1 000、1 100和1 150 g,分別命名為Shot 04、Shot 05和Shot 06。
A型炸藥是 ? 42 mm × 30 mm的圓柱形組合藥柱,為測(cè)量炸藥樣品不同深度的沖擊波后粒子速度,炸藥樣品以30°角被切割成兩塊楔形炸藥,用環(huán)氧樹脂把組合式電磁粒子速度計(jì)嵌入兩塊楔形炸藥中。實(shí)驗(yàn)采用激光測(cè)速環(huán)測(cè)量藍(lán)寶石飛片速度,通過(guò)飛片測(cè)速環(huán)遮擋3組激光的時(shí)間差值計(jì)算飛片速度,同時(shí)在炸藥表面用環(huán)氧樹脂粘貼3個(gè)電磁粒子速度計(jì),用于測(cè)量藍(lán)寶石飛片撞擊炸藥表面瞬時(shí)的界面粒子速度。在沖擊波傳播方向,鋁基組合式電磁粒子速度計(jì)的8個(gè)電磁粒子速度計(jì)測(cè)量炸藥樣品的深度間隔為1 mm,3個(gè)沖擊波示蹤器的間距為0.5 mm,組合式電磁粒子速度計(jì)炸藥安裝如圖3(b)所示。
圖3 組合式電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置和炸藥安裝Fig.3 Experimental device and explosive installation of multiple electromagnetic particle velocity gauge
利用阻抗匹配法分析計(jì)算藍(lán)寶石飛片撞擊炸藥產(chǎn)生的入射壓力[7]
式中:p0L為藍(lán)寶石初始入射沖擊壓力,GPa;p0S為炸藥樣品初始入射沖擊壓力,GPa;ρ0L為藍(lán)寶石初始密度,g/cm3;ρ0S為炸藥樣品初始密度,g/cm3;DL為藍(lán)寶石中的沖擊波速度,km/s;DS為炸藥樣品的入射沖擊波速度,km/s;uimp為藍(lán)寶石飛片的撞擊速度,km/s;up為波后粒子速度,km/s。
根據(jù)藍(lán)寶石材料和A型炸藥的Hugoniot關(guān)系,將式(1)和式(2)寫為
式中:ρ0L= 3.985 g/cm3;C0L、λL為藍(lán)寶石的 Hugoniot系數(shù),C0L= 11.19 km/s,λL= 1.00[7];C0S、λS為炸藥樣品的 Hugoniot系數(shù),C0S= 2.42 km/s,λS= 2.14[8-9]。
由界面連續(xù)性可知,p0L=p0S,結(jié)合式(3)和式(4),得到未反應(yīng)炸藥的波后粒子速度up,并計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)的初始入射沖擊壓力p0,結(jié)果如表1所示。
由于PDV采用雙光束混頻干涉技術(shù),測(cè)量得到的干涉信號(hào)需進(jìn)行時(shí)頻分析,使用中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所開發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用窗口傅里葉變換方法,得到PDV測(cè)量炸藥樣品/LiF窗口界面粒子速度。由于炸藥樣品和窗口材料的阻抗不匹配,所以由PDV測(cè)得的LiF窗口波后粒子速度uw并不等于炸藥樣品沖擊波后粒子速度us。炸藥樣品波后粒子速度us的轉(zhuǎn)換公式為[8]
式中:uw為PDV測(cè)得的LiF窗口波后粒子速度,km/s;ρ0w為窗口材料初始密度,ρ0w= 2.641 g/cm3[10];C0w、λw為窗口材料系數(shù),C0w= 5.176 km/s,λw= 1.353[10];DS為炸藥樣品內(nèi)沖擊波速度,km/s。
表1 臺(tái)階型炸藥平面沖擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of plane impact experiments on stepped explosive
由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高速藍(lán)寶石飛片在撞擊炸藥樣品時(shí)會(huì)存在微小角度,并且不同示波器的響應(yīng)時(shí)間存在偏差,線路損耗不同,導(dǎo)致測(cè)量得到的臺(tái)階型炸藥樣品的起跳時(shí)間存在誤差,因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。根據(jù)本課題組使用相同火炮加載系統(tǒng)和測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行的A型炸藥Hugoniot關(guān)系測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)論[8-9],炸藥的沖擊Hugoniot關(guān)系為DS= 2.418 77 + 2.139 61us。結(jié)合沖擊Hugoniot關(guān)系和式(5),計(jì)算得到的波后粒子速度us和沖擊波速DS如表2所示。PDV測(cè)量得到的炸藥樣品波后粒子速度-時(shí)間(us-t)曲線如圖4 所示。
表2 臺(tái)階型炸藥平面沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of plane impact experiments on stepped explosive
圖4 PDV測(cè)量的炸藥樣品粒子速度-時(shí)間關(guān)系Fig.4 Particle velocity-time relationship of explosive measured by PDV
由炸藥樣品波后粒子速度us可以看出,A型臺(tái)階炸藥會(huì)發(fā)生二次加速現(xiàn)象,根據(jù)圖4可以得出不同厚度臺(tái)階樣品二次加速的時(shí)間間隔,如表3所示。其中Δt2、Δt3、Δt4、Δt5分別代表2、3、4和5 mm厚的臺(tái)階炸藥樣品發(fā)生二次加速的時(shí)間間隔。
由圖4可知,2、3、4和5 mm厚樣品粒子的速度發(fā)生了二次加速,但3、4、5 mm厚樣品的波后粒子速度的二次加速并不明顯。由于LiF窗口和炸藥樣品的阻抗相差較大,沖擊波到達(dá)樣品和LiF窗口的接觸面時(shí)會(huì)發(fā)生反射,反射的沖擊波在炸藥樣品內(nèi)傳播到達(dá)炸藥樣品和藍(lán)寶石飛片的交界面發(fā)生二次反射后,追趕上測(cè)量界面的粒子,因此在圖4中可以看到粒子速度二次加速。由于7 mm和10 mm的炸藥樣品較厚,反射的沖擊波在測(cè)量范圍內(nèi)未追趕上測(cè)量界面的粒子。
表3 炸藥二次加速時(shí)間間隔Table 3 Time interval of secondary acceleration of explosive
在入射壓力分別為10.66 GPa(Shot 01)和11.93 GPa(Shot 02)的兩發(fā)實(shí)驗(yàn)中,如圖4(a)和圖4(b)所示,沖擊波分別在2、3、4和5 mm厚的臺(tái)階樣品內(nèi)傳播時(shí),隨著樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放能量,粒子速度增長(zhǎng)緩慢,二次加速后速度信號(hào)呈現(xiàn)明顯的“駝峰”形狀。隨著沖擊波強(qiáng)度的增加,炸藥反應(yīng)速率不斷加快,“駝峰”形狀逐漸尖銳,但并沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。當(dāng)入射壓力高達(dá)12.47 GPa(Shot 03)時(shí),如圖4(c)所示,2 mm厚樣品的波后粒子速度發(fā)生二次加速之前,已呈現(xiàn)明顯的“駝峰”形狀,并且PDV測(cè)量的相鄰兩個(gè)速度波形時(shí)間間隔逐漸減小,說(shuō)明此時(shí)化學(xué)反應(yīng)釋放的能量使沖擊波逐漸加強(qiáng),最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的爆轟波,圖4(c)中10 mm處的粒子速度曲線已呈明顯的三角爆轟波,說(shuō)明完成了沖擊轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程(SDT)。
在炸藥沖擊起爆的研究中,國(guó)內(nèi)外采用的測(cè)試技術(shù)主要為PDV和組合式電磁粒子速度計(jì)技術(shù)。在課題組提供的使用組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量A型楔形炸藥樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,選取了炸藥密度相近、火藥裝藥量相同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)所用楔形炸藥的參數(shù)如表4所示,測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示,其中ρ01、ρ02分別為位于上方和下方的兩塊楔形炸藥樣品的初始密度;組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量得到的粒子速度如圖5所示。
表4 楔形炸藥平面沖擊實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 4 Parameters of plane impact experiments on wedge-shaped explosive
表5 楔形炸藥平面沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Data of plane impact experiments on wedge-shaped explosive
將PDV和組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)得的相同厚度樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。由圖6可知,隨著入射壓力的增加,兩種測(cè)試方法得到的相同厚度樣品的速度曲線的時(shí)間差逐漸減小,說(shuō)明在高入射壓力下,兩種測(cè)試方法得到的速度曲線逐漸接近。但組合式電磁粒子速度計(jì)所測(cè)粒子速度較PDV測(cè)量的速度結(jié)果偏小,這是由于組合式電磁粒子速度計(jì)屬于接觸式測(cè)量,測(cè)量設(shè)備的制造工藝、裝配方式、磁場(chǎng)的均勻性、飛片撞擊的平面性、測(cè)試線路等均會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,并且組合式電磁粒子速度計(jì)呈30°角嵌入楔形炸藥中,在飛片撞擊炸藥樣品后,會(huì)隨著樣品運(yùn)動(dòng),并對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生破壞。Cau[11]對(duì)比了電磁粒子速度計(jì)在傾斜放置和水平放置時(shí)的測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)傾斜放置的電磁粒子速度計(jì)影響了原本的一維反應(yīng)流場(chǎng),測(cè)得的粒子速度信號(hào)幅度低于水平放置的電磁粒子速度計(jì)所測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖5(d)可知,組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)得的粒子速度曲線相較于PDV測(cè)量結(jié)果存在很大噪聲,楔形炸藥樣品表面0 mm處和沿沖擊波傳播方向3 mm處速度計(jì)測(cè)量的粒子速度存在速度尖峰,使數(shù)據(jù)點(diǎn)讀取存在較大誤差。而PDV屬于非接觸測(cè)量,不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響,粒子速度-時(shí)間曲線更加平滑,數(shù)據(jù)精度更高。
圖5 組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量的粒子速度歷史Fig.5 History of particle velocity measured by multiple electromagnetic particle velocity gauge
圖6 兩種方法測(cè)量得到的粒子速度對(duì)比Fig.6 Comparison of particle velocities obtained by two methods
由于炸藥樣品為不同厚度的臺(tái)階型炸藥,需要考慮邊側(cè)稀疏波對(duì)激光探頭測(cè)速的影響[12]。PDV的6個(gè)探頭分布在以炸藥為圓心、直徑為33 mm的圓周上,如圖7所示。每個(gè)探頭到達(dá)扇形炸藥邊緣的距離為8.5 mm,到達(dá)其他厚度炸藥邊緣的垂直距離為9.698 mm。
邊側(cè)稀疏波相對(duì)于沖擊波后的物質(zhì)以聲速C傳播(在樣品被沖擊壓縮的過(guò)程中,樣品內(nèi)的聲速是不斷變化的,為方便計(jì)算,取聲速C= 5 km/s),假設(shè)沖擊波到達(dá)樣品前表面M1N1的時(shí)間間隔為Δt,在Δt時(shí)間內(nèi)炸藥的后表面A1B1以粒子速度us運(yùn)動(dòng)到界面AB處,如圖8所示。在跟隨粒子運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中觀察,以A為中心,半徑為CΔt的圓形區(qū)域即為受邊側(cè)稀疏波影響的PDV探頭測(cè)速的范圍。因此在實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系中觀察,前表面的MN范圍內(nèi)是未受影響的區(qū)域。它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí),在樣品前表面可以布置探頭的最大區(qū)域。A型炸藥平面沖擊邊側(cè)稀疏波數(shù)據(jù)如表6所示,其中M1M2、M1M3、M1M4、M1M5、M1M7、M1M10分別為2、3、4、5、7和10 mm厚的炸藥樣品受到邊側(cè)稀疏波影響的距離。
圖7 PDV探頭布置Fig.7 PDV probe arrangement
表6 A型炸藥平面沖擊邊側(cè)稀疏波數(shù)據(jù)(聲速C = 5 km/s)Table 6 Data of sparse waves on the side of flat impact of A explosives (C = 5 km/s)
由數(shù)據(jù)分析可以得出,每個(gè)探頭到達(dá)炸藥扇形邊緣的距離為(50 - 33)/2 = 8.5 mm,可以認(rèn)為邊側(cè)稀疏波不會(huì)影響探頭探測(cè)點(diǎn)??紤]相鄰扇形臺(tái)階是否相互影響:由于每個(gè)探頭到達(dá)其他厚度炸藥邊緣的垂直距離為sin 36° × (33/2)= 9.698 mm,均大于不同厚度樣品受邊側(cè)稀疏波影響的最大距離,因此同樣可以認(rèn)為邊側(cè)稀疏波不會(huì)影響探頭探測(cè)點(diǎn)。
PDV測(cè)速采用的探頭既作為激光發(fā)射器也作為反射光接收器,測(cè)量的是粒子運(yùn)動(dòng)速度矢量在平行于測(cè)速探頭方向的分量。根據(jù)PDV速度計(jì)算公式可以得到PDV測(cè)速探頭角度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。PDV速度計(jì)算公式為
式中:λ(t)為激光波長(zhǎng),θ(t)為探頭與樣品運(yùn)動(dòng)速度方向的夾角,f(t)為干涉信號(hào)的瞬時(shí)頻率。當(dāng)探頭到LiF窗口的工作距離為30 mm,角度偏差小于8°時(shí),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于1%。實(shí)際上,由于測(cè)速探頭具有一定孔徑,探頭有效孔徑內(nèi)射出的光線在靶面被漫反射后,探頭孔徑內(nèi)的漫反射光都會(huì)被收集,導(dǎo)致干涉信號(hào)為多個(gè)頻率成分疊加,根據(jù)中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所劉壽先等提供的數(shù)據(jù):假設(shè)光纖探頭的有效直徑為1.0 mm,當(dāng)工作距離為30 mm時(shí),最大相對(duì)誤差為0.028%。在測(cè)量加窗界面粒子速度時(shí),沖擊波作用下的LiF窗口材料折射率發(fā)生改變,引入了附加頻移,需將測(cè)量的表觀速度信號(hào)進(jìn)行修正,而LiF修正系數(shù)的不確定度為0.292%~0.495%[2]。
采用PDV和組合式電磁粒子速度計(jì)技術(shù)分別測(cè)量了同種炸藥樣品的粒子速度。由于組合式電磁粒子速度計(jì)屬于接觸式測(cè)量,會(huì)影響原本的一維反應(yīng)流場(chǎng),導(dǎo)致測(cè)量的沖擊波后粒子速度偏小,并且得到的粒子速度曲線存在噪聲,使數(shù)據(jù)點(diǎn)讀取存在較大誤差。PDV測(cè)速實(shí)驗(yàn)利用臺(tái)階型炸藥樣品,在同一發(fā)實(shí)驗(yàn)中能夠得到不同位置處炸藥的粒子速度,相較于單發(fā)普通圓柱形樣品,本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)潔,避免了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作,得到的測(cè)試信號(hào)上升前沿窄,速度曲線平滑,精度更高。
實(shí)驗(yàn)中考慮并分析了PDV測(cè)速探頭角度、探頭孔徑、窗口折射率等的影響,得到測(cè)速的相對(duì)不確定度均小于1%。每個(gè)探頭到達(dá)炸藥扇形邊緣的距離為8.5 mm,到達(dá)其他厚度炸藥邊緣的垂直距離為9.698 mm,邊側(cè)稀疏波不會(huì)影響探頭探測(cè)點(diǎn)。相較于組合式電磁粒子速度計(jì),PDV測(cè)試技術(shù)能為炸藥性能研究和數(shù)值建模提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。