段卓平，白志玲，黃風(fēng)雷

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

引 言

隨著現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)平臺的發(fā)展，武器彈藥的安全性決定了高價值作戰(zhàn)平臺的生存力和戰(zhàn)斗力。世界各軍事大國把武器裝備的安全性設(shè)為武器彈藥研制的底線，已成為武器彈藥的主要核心指標(biāo)，其中炸藥裝藥的起爆感度是彈藥的重要性能指標(biāo)之一。研究炸藥沖擊起爆機(jī)理及爆轟特性是了解其起爆感度和安全性能的關(guān)鍵；發(fā)展先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)加載技術(shù)、高精度動態(tài)測試技術(shù)和快響應(yīng)和高分辨能力的實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)，研究復(fù)雜載荷條件、新型炸藥配方及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征等多種因素對裝藥沖擊起爆響應(yīng)的影響規(guī)律，是深入探索炸藥沖擊起爆機(jī)理、推動系列反應(yīng)模型發(fā)展的物理基礎(chǔ)；構(gòu)建具有廣泛適應(yīng)度的爆轟反應(yīng)流模型，確定相互匹配的模型參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)炸藥沖擊起爆爆轟成長全過程熱-力學(xué)-化學(xué)響應(yīng)高保真模擬的核心。

在爆轟物理前沿導(dǎo)向和安全彈藥需求牽引的驅(qū)動下，尤其是彈藥安全性設(shè)計(jì)與評估對炸藥沖擊感度高保真計(jì)算的強(qiáng)烈需求，近年來國內(nèi)外研究者關(guān)于非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆與爆轟研究取得了長足的進(jìn)步，本文重點(diǎn)綜述近20年來非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆與爆轟研究有關(guān)進(jìn)展和認(rèn)識，為該領(lǐng)域研究學(xué)者和科技工作者提供有價值的參考資料，對非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆感度的理解和提高不敏感彈藥安全性設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

1 沖擊起爆機(jī)制和認(rèn)識

1.1 熱點(diǎn)機(jī)制

非均質(zhì)固體炸藥在壓裝、澆鑄或結(jié)晶等過程中經(jīng)歷高溫高壓作用，難免會發(fā)生炸藥晶體顆粒損傷或斷裂、炸藥顆粒與黏結(jié)劑界面脫粘，產(chǎn)生微孔洞、微裂紋和位錯等初始缺陷，這些細(xì)觀尺度的缺陷將直接影響炸藥裝藥的起爆感度[1]。壓裝高聚物黏結(jié)炸藥(Polymer bonded explosives, PBXs)典型細(xì)觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像[2]如圖1所示，炸藥組分顆粒的尺寸和形態(tài)各異，大小不同的孔洞缺陷隨機(jī)分布，惰性高聚物黏結(jié)劑和增塑劑分布在炸藥顆粒間隙和孔洞附近。大量研究表明，非均質(zhì)固體炸藥的沖擊起爆正是由沖擊波與炸藥上述細(xì)觀結(jié)構(gòu)缺陷相互作用導(dǎo)致能量耗散引起局部高溫造成的，即所謂的“熱點(diǎn)”起爆機(jī)理，主要包括孔洞黏塑性塌縮[3]、摩擦生熱[4]、局部絕熱剪切[5]、氣泡絕熱壓縮[6]、裂紋尖端產(chǎn)熱[7]、晶體中位錯堆積和微噴射[8]等，目前普遍認(rèn)為孔洞塌縮是非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆“熱點(diǎn)”形成的主導(dǎo)機(jī)制[9-12]?！盁狳c(diǎn)”尺寸很小，在PBX炸藥中，“熱點(diǎn)”的時空尺度分別為ns和μm量級[2,13-16]。“熱點(diǎn)”溫度最初主要由載荷強(qiáng)度決定，后續(xù)的成長或消亡等演化與點(diǎn)火反應(yīng)放熱與熱傳導(dǎo)的競爭有關(guān)。在適當(dāng)起爆條件下，“熱點(diǎn)”生成并產(chǎn)生燃燒波向外傳播，多個“熱點(diǎn)”匯聚并追趕前導(dǎo)沖擊波，最終成長為穩(wěn)定傳播的爆轟波，這是熱點(diǎn)點(diǎn)火與爆轟成長的基本物理過程。

圖1 PBX炸藥典型細(xì)觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像[2]Fig.1 SEM image of the typical mesostructure of PBX explosive [2]

1.2 機(jī)理性實(shí)驗(yàn)

目前，圍繞非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆“熱點(diǎn)”機(jī)制已開展了大量的實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論建模研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面，由于大多數(shù)炸藥裝藥的不透光性，并且“熱點(diǎn)”的時空尺度非常小，限于現(xiàn)有的動態(tài)測試技術(shù)，直接觀測炸藥中“熱點(diǎn)”的形成過程非常困難。目前具有代表性的實(shí)驗(yàn)主要集中關(guān)注含孔洞的凝膠狀含能材料的“熱點(diǎn)”機(jī)制。Bourne等[17-18]系統(tǒng)研究了沖擊載荷作用下單一孔洞(包括圓柱形/三角形/半圓形)和多個孔洞組合的塌縮特征，結(jié)果表明，孔洞呈現(xiàn)非對稱塌縮，迎波上表面滲入孔洞下游表面形成微噴射，發(fā)生點(diǎn)火。Swantek和Austin[19]研究了孔洞排布形式對其塌縮特征和塌縮時間的影響，上游孔洞塌縮形成微噴射，下游孔洞僅發(fā)生非對稱塌縮并未形成微噴射，且塌縮時間明顯變長。Karakhanov等[20]研究指出，在0.5～5GPa載荷下孔洞主要發(fā)生黏塑性變形產(chǎn)生熱點(diǎn)，而在5～29GPa沖擊載荷下，“熱點(diǎn)”機(jī)制主要是孔洞塌縮形成的微噴射。但需指出的是，這些實(shí)驗(yàn)中孔洞尺寸較大甚至是毫米尺度，遠(yuǎn)大于炸藥中真實(shí)的孔洞尺寸[16]，且實(shí)驗(yàn)用含能材料不是典型的炸藥組分，目前關(guān)于炸藥中孔洞塌縮形成“熱點(diǎn)”的細(xì)觀機(jī)理性實(shí)驗(yàn)研究仍處于定性研究階段。

1.3 中尺度計(jì)算

細(xì)觀數(shù)值模擬和分子動力學(xué)模擬為探索非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆“熱點(diǎn)”機(jī)制提供了細(xì)觀尺度和原子尺度的機(jī)理性研究手段，雖然分子動力學(xué)模擬通常是亞微米級空間和亞納秒級時間尺度，它們?nèi)钥梢蕴峁╆P(guān)于納米尺度孔洞塌縮和熱點(diǎn)形成的有效信息。

值得提出的是，對于特定的載荷范圍和炸藥結(jié)構(gòu)，哪一種或哪幾種“熱點(diǎn)”機(jī)制起主導(dǎo)作用應(yīng)有計(jì)算自動得到，這要求計(jì)算方法能夠統(tǒng)一處理顆粒間摩擦、閉合裂紋摩擦、剪切帶和孔洞塌縮等機(jī)制，但目前有限差分、有限體積和有限元等傳統(tǒng)計(jì)算方法難以統(tǒng)一解決上述機(jī)制，而離散元作為計(jì)算離散顆粒介質(zhì)的主流方法，近年被用來模擬計(jì)算炸藥起爆“熱點(diǎn)”機(jī)制。Gonthier等[27]采用有限元與離散元結(jié)合方法研究了沖擊壓縮波(低壓)作用下炸藥顆粒間的相互作用以及摩擦機(jī)制，認(rèn)為塑性功及摩擦生熱可能引起點(diǎn)火。傅華等[28]采用離散元方法研究了含孔洞HMX晶體在沖擊載荷下“熱點(diǎn)”生成的細(xì)觀過程，表明低壓作用下孔洞發(fā)生較大剪切變形，黏塑性功形成熱點(diǎn)，而高壓作用下，孔洞塌縮產(chǎn)生的微噴射是形成“熱點(diǎn)”的主導(dǎo)機(jī)制?？梢姡盁狳c(diǎn)”生成機(jī)制不僅依賴于外部載荷條件，與炸藥組分的熱力學(xué)性能和炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征如顆粒尺寸、孔洞尺寸及孔洞分布等也密切相關(guān)，但目前關(guān)于系統(tǒng)地界定各“熱點(diǎn)”機(jī)制的適應(yīng)范圍及耦合貢獻(xiàn)的細(xì)觀尺度數(shù)值模擬研究遠(yuǎn)不夠深入。

上述微/細(xì)觀數(shù)值模擬再現(xiàn)了非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆“熱點(diǎn)”生成機(jī)制的許多重要特征，也解耦研究了諸多因素的影響規(guī)律，但從計(jì)算的角度來看，真實(shí)沖擊起爆過程反應(yīng)區(qū)長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有細(xì)觀尺度數(shù)值模擬和分子動力學(xué)模擬的能力。相比連續(xù)介質(zhì)尺度的數(shù)值模擬，中尺度建模和算法處理是難點(diǎn)，因?yàn)橹谐叨扔?jì)算需要非常精細(xì)的網(wǎng)格來解析晶體、細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和熱點(diǎn)特征，需要更精準(zhǔn)的物理模型和詳盡的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)觀尺度的高保真模擬。此外，細(xì)觀尺度數(shù)值模擬研究的終極目的是量化表征“熱點(diǎn)”機(jī)制，獲得沖擊起爆熱點(diǎn)點(diǎn)火模型，嵌入寬適應(yīng)范圍的反應(yīng)速率模型中，使得宏觀反應(yīng)模型具有很好的物理基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高保真模擬裝藥尺度沖擊起爆過程，這也是爆轟反應(yīng)流模型研究的發(fā)展重要方向。

2 沖擊起爆宏細(xì)觀反應(yīng)速率模型發(fā)展

2.1 宏觀唯象經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

早期的化學(xué)反應(yīng)速率模型研究多致力于構(gòu)造現(xiàn)象學(xué)的宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，如Forest-Fire[29]、JTF[30]、IG(Lee -Tarver三項(xiàng)式)[31]和HVRB[32]等模型。Forest-Fire模型[29]可以預(yù)估到爆轟距離和時間，但由于其唯一跡線和波陣面平直假設(shè)不完全符合試驗(yàn)結(jié)果，不能很好地描述炸藥的低壓沖擊起爆過程及穩(wěn)定爆轟波的縱向結(jié)構(gòu)，但它可以較好地預(yù)估反應(yīng)波發(fā)展的爆轟波距離和時間；JTF模型[30]是在分析諸多反應(yīng)速率和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出的一種考慮中間狀態(tài)變量(包括熱點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱點(diǎn)反應(yīng)度和熱點(diǎn)平均溫度)的多過程型反應(yīng)速率模型，模型中包含很多常數(shù)，或炸藥熱物理常數(shù)或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，在不同實(shí)驗(yàn)條件下，這些經(jīng)驗(yàn)常數(shù)是否廣泛適用，應(yīng)當(dāng)如何調(diào)整，需進(jìn)一步檢驗(yàn)；HVRB模型及參數(shù)標(biāo)定均來自相關(guān)楔形實(shí)驗(yàn)的Pop圖數(shù)據(jù)[32]；應(yīng)用最廣泛的IG模型[31]是對點(diǎn)火與爆轟成長概念的直接經(jīng)驗(yàn)描述。值得指出的是，上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀幸粋€共同局限：適用范圍有限，只在標(biāo)定點(diǎn)附近有效，當(dāng)改變炸藥初始條件或細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)后，模型參數(shù)需要重新標(biāo)定。

隨后發(fā)展的能描述沖擊起爆物理本質(zhì)的宏觀反應(yīng)速率模型主要有CHARM[33]、Howe & Benson[34]、Scaled Unified Reactive Front(SURF)模型[35-37]和熵相關(guān)CREST[38]等模型。CHARM模型和Howe & Benson模型是在微觀力學(xué)概念基礎(chǔ)上建立的反應(yīng)流模型，其共同特征是在模型中引入了溫度。此外，因?yàn)橛玫搅思?xì)觀尺度(顆粒尺度)的非均值性概念，CHARM模型可以直接描述沖擊鈍化現(xiàn)象；而Howe & Benson模型與持續(xù)沖擊起爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，但因其反應(yīng)速率只與沖擊波陣面局部壓力相關(guān)，不能正確描述短脈沖沖擊起爆和復(fù)合沖擊起爆過程。SURF模型考慮了熱點(diǎn)分布對燃燒波陣面?zhèn)鞑サ挠绊?，假設(shè)反應(yīng)速率是沖擊波陣面壓力與流場壓力的函數(shù)。CREST模型以非均質(zhì)炸藥SDT質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，是一種熵相關(guān)的反應(yīng)速率模型，熵由未反應(yīng)炸藥的Mie-Gruneisen形式的完全狀態(tài)方程確定。CREST模型最大的優(yōu)點(diǎn)是，不需要建立額外的沖擊鈍化模型即可模擬復(fù)合沖擊加載下的起爆問題。

2.2 細(xì)觀模型

宏觀唯象反應(yīng)速率模型不能較好地描述沖擊作用下“熱點(diǎn)”形成的機(jī)理，尋求與顆粒尺度下細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)相關(guān)的細(xì)觀熱點(diǎn)模型和細(xì)觀反應(yīng)速率模型是非均質(zhì)炸藥反應(yīng)流模型發(fā)展的一個重要方向。

Chitanvis[12]探討了炸藥受沖擊融化后前導(dǎo)沖擊波后“熱點(diǎn)”生成機(jī)制，提出了空腔內(nèi)氣體絕熱壓縮→空腔坍塌壁面碰撞→剪切黏性的“熱點(diǎn)”模型；Desbiens等[39]進(jìn)一步提出了以溫度為自變量的WSD(T)模型，可再現(xiàn)炸藥感度隨孔隙度增大而提高、多激波壓縮時反應(yīng)度大幅度降低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；Massoni等[40]基于Khasainov[21]和Kang[41]的工作，建立了描述壓裝固體炸藥沖擊起爆過程的模型，分為點(diǎn)火和增長兩個階段，其中點(diǎn)火模型反映了黏塑性孔洞塌陷的熱點(diǎn)形成機(jī)制，增長階段從孔的內(nèi)部燃燒開始，用顆粒的表面燃燒來描述。為了考慮耦合更多的點(diǎn)火機(jī)制，Yano等[42]和Hamate等[43]提出和完善了多尺度統(tǒng)一“熱點(diǎn)”模型，成功將孔洞塌縮、絕熱剪切帶、摩擦三個機(jī)制加入到同一個點(diǎn)火模型中，此模型包括局部熱量沉積、“熱點(diǎn)”發(fā)育、“熱點(diǎn)”后續(xù)燃燒過程，且相對簡單實(shí)用，不僅可以模擬沖擊點(diǎn)火和發(fā)育，還可以較好地模擬二維爆轟過程。

Kim[44-45]基于Carroll和Holt[46]的模型建立了描述沖擊作用下含孔隙炸藥起爆過程的反應(yīng)速率模型，反映了炸藥中彈黏塑性孔洞塌陷形成熱點(diǎn)的機(jī)制，并能夠反映炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)如顆粒度和孔隙度對炸藥沖擊起爆過程的影響。田占東和張震宇教授[47]采用Kim模型[44-45]計(jì)算PBX9404沖擊起爆爆轟成長過程時發(fā)現(xiàn)，達(dá)到定常爆轟狀態(tài)后，Kim模型計(jì)算的波形與實(shí)驗(yàn)爆轟波形不符，進(jìn)一步分析，認(rèn)為炸藥在沖擊起爆的初始階段和接近爆轟波生成階段具有不同的反應(yīng)機(jī)制，初始階段表現(xiàn)為孔隙塌縮導(dǎo)致的黏塑性加熱及熱點(diǎn)向顆粒內(nèi)部發(fā)展的侵蝕燃燒反應(yīng)，而后者是整體燃燒反應(yīng)，提出了新的高壓反應(yīng)速率模型。

溫麗晶等[48-52]考慮Kim模型忽略了黏結(jié)劑的力學(xué)效應(yīng)，且夸大了炸藥孔隙度，重新提出了彈黏塑性雙球殼塌縮“熱點(diǎn)”模型，見圖2(a)，并結(jié)合低壓慢反應(yīng)項(xiàng)及高壓快反應(yīng)項(xiàng)[47]建立了描述PBX炸藥沖擊起爆和爆轟成長過程的細(xì)觀反應(yīng)速率模型(Duan-Zhang-Kim, DZK模型)，可較好地描述初始溫度、加載壓力、炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)和黏結(jié)劑強(qiáng)度及含量對沖擊起爆過程的影響。DZK反應(yīng)速率模型表達(dá)式為：

(1)

式中：λ和p分別為球殼胞元內(nèi)炸藥反應(yīng)度(已反應(yīng)炸藥的體積分?jǐn)?shù))和實(shí)時壓力(Mbar)；ro為炸藥的平均顆粒半徑，a、b、n、G、m和s為待定常數(shù)系數(shù)。第一項(xiàng)描述沖擊作用下彈黏塑性雙球殼塌縮變形生成“熱點(diǎn)”的過程，第二項(xiàng)描述熱點(diǎn)形成后早期低壓階段的慢反應(yīng)，假設(shè)反應(yīng)從球殼內(nèi)表面以表面燃燒的形式向外傳播，第三項(xiàng)為田占東和張震宇教授提出的高壓快反應(yīng)速率方程[47]，描述炸藥整體爆轟反應(yīng)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DZK模型只能較好地模擬含一種單質(zhì)炸藥組分的混合炸藥(一元混合炸藥)的起爆過程，如PBX9501炸藥(95%HMX,2.5%Estane, 2.5%BDNPA/BDNPF)和PBX9502炸藥(95%TATB，5%Kel-F800)等，對多元混合炸藥沖擊起爆過程的適應(yīng)性較差。段卓平等[53-55]又提出了多元混合PBX炸藥的孔隙塌縮熱點(diǎn)模型，如圖2(b)所示，并構(gòu)建了多元混合PBX炸藥沖擊起爆的細(xì)觀反應(yīng)速率模型(多元DZK反應(yīng)速率模型)。近年，白志玲等[52,56-58]進(jìn)一步發(fā)展了多元混合PBX炸藥黏塑性孔洞塌縮熱點(diǎn)模型并改進(jìn)了反應(yīng)速率模型，可較好地反映炸藥組分配比、顆粒度、孔隙度以及黏結(jié)劑強(qiáng)度和含量對炸藥沖擊起爆過程的影響。

圖2 DZK彈黏塑性雙球殼和多元DZK彈黏塑性不規(guī)則雙球殼塌縮熱點(diǎn)模型Fig.2 Illustration of the double-layered hollow sphere collapses hot-spot model in DZK model and the irregular double-layered hollow sphere collapses hot-spot model in multi-component DZK model

值得指出的是，現(xiàn)有大多數(shù)所謂的細(xì)觀熱點(diǎn)模型屬于細(xì)觀 “物理概念性”模型，本質(zhì)上是能量方程描述熱點(diǎn)狀態(tài)，并不反映細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)的反應(yīng)演化過程，而細(xì)觀“物理過程型”模型如Kim模型、DZK系列模型類是細(xì)觀熱點(diǎn)模型發(fā)展的重要方向。目前，除了黏塑性孔洞塌縮過程熱點(diǎn)模型相對成熟，其他機(jī)制如顆粒界面摩擦、絕熱剪切和微噴射等熱點(diǎn)點(diǎn)火模型鮮有報(bào)道。

2.3 統(tǒng)計(jì)模型

為充分體現(xiàn)炸藥細(xì)觀特征，學(xué)者們將細(xì)觀熱點(diǎn)模型的統(tǒng)計(jì)信息與宏觀爆轟過程聯(lián)系起來，提出一些統(tǒng)計(jì)“熱點(diǎn)”反應(yīng)流模型，重點(diǎn)關(guān)注熱點(diǎn)點(diǎn)火后的成長、熱擴(kuò)散或消亡、匯聚轉(zhuǎn)為爆轟的過程。Cochran[59]考慮熱點(diǎn)的形成、隨后的熱擴(kuò)散或熱爆炸以及反應(yīng)點(diǎn)的成核與增長等過程，提出了一種統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)反應(yīng)速率模型，結(jié)合PBX炸藥LX-17的沖擊起爆實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)，可較好地反映LX-17炸藥顆粒度、孔隙度、炸藥初始密度、初始溫度對炸藥沖擊感度的影響。Nichols III和Tarver[60]提出的統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)反應(yīng)流模型，可反映固體高能炸藥在沖擊起爆過程中的熱點(diǎn)形成、點(diǎn)火、成長并向周圍擴(kuò)散或失效、匯合、快速轉(zhuǎn)到爆轟以及自持爆轟的物理和化學(xué)機(jī)理。Nichols III[61]提出的非局部熱平衡統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)模型(NLTE SHS)，該模型根據(jù)炸藥初始孔隙尺寸分布、炸藥顆粒尺寸分布以及炸藥裝藥密度確定沖擊壓縮過程中熱點(diǎn)尺寸和溫度分布，可預(yù)測初始沖擊波壓力、初始溫度、炸藥顆粒度分布和熱點(diǎn)密度對炸藥沖擊起爆過程的影響。由于Nichols III和Tarver[60]及Nichols III[61]的統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)模型假設(shè)在炸藥單元內(nèi)隨機(jī)分布的熱點(diǎn)同時點(diǎn)火，而實(shí)際上，不同大小熱點(diǎn)的誘導(dǎo)時間不同，Hill等[62]進(jìn)一步改進(jìn)Nichols III的統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)模型，采用有限元數(shù)值模擬獲得了沖擊起始的非均勻炸藥反應(yīng)拓?fù)錁?gòu)型。Hamate和Horie[63]通過引入各種微觀點(diǎn)火過程擴(kuò)展了宏觀唯象反應(yīng)模型的預(yù)測能力，用指數(shù)分布來統(tǒng)計(jì)描述局部熱點(diǎn)區(qū)域的形成和增長，提出了一種既能描述物理現(xiàn)象又能滿足工程水平計(jì)算的模型，該模型的一個重要特點(diǎn)是可以描述非均質(zhì)炸藥在沖擊作用下熱點(diǎn)形成的各種局域化機(jī)制特性。

現(xiàn)有大多數(shù)統(tǒng)計(jì)“熱點(diǎn)”模型實(shí)質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的“已激活的熱點(diǎn)”分布及后續(xù)點(diǎn)火增長過程，未關(guān)注具體的熱點(diǎn)形成過程即“熱點(diǎn)機(jī)制”。因此，綜合細(xì)觀熱點(diǎn)模型和統(tǒng)計(jì)模型的思想，建立能夠反映多種熱點(diǎn)機(jī)制、多因素耦合影響的統(tǒng)計(jì)“熱點(diǎn)機(jī)制”反應(yīng)速率模型是爆轟反應(yīng)流模型發(fā)展的方向之一。

3 沖擊起爆研究的數(shù)值模擬

3.1 反應(yīng)流模型及參數(shù)確定

3.1.1 爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程

常見的爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程有熱力學(xué)狀態(tài)方程如BKW[64-65]、JCZ3[66]、KHT[67]和VLW[68-69]等，動力學(xué)狀態(tài)方程如γ律狀態(tài)方程[70]和JWL狀態(tài)方程[71]等，以及帶有鋁粉二次反應(yīng)的含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物JWL-Miller狀態(tài)方程[72]。其中，JCZ3方程可反映爆轟產(chǎn)物氣體組分從高溫高壓到高溫中壓狀態(tài)變化，基于JCZ3狀態(tài)方程的熱力學(xué)程序Cheetah計(jì)算炸藥爆轟性能參數(shù)的精度較高[73-74]；JWL狀態(tài)方程不涉及爆轟產(chǎn)物氣體的具體化學(xué)組分，形式簡單，被多種主流大型通用有限元軟件采用，應(yīng)用最為廣泛。以CJ等熵線為參考線的標(biāo)準(zhǔn)形式的爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程為[48]：

(2)

需要說明的是，通過擬合圓筒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可獲得多組爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)，均可用來描述爆轟產(chǎn)物膨脹驅(qū)動作功過程。但是，描述沖擊起爆過程時，爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程的6個參數(shù)不是獨(dú)立的，它們需要滿足爆轟Hugoniot關(guān)系、爆轟波穩(wěn)定傳播的CJ條件等3個相容關(guān)系[58]。

3.1.2 未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程

常見的未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程有Murnaghan[75-76]、Mie-Grüneisen[77-78]和JWL[79]等，其中Murnaghan方程是基于等溫體模量與壓強(qiáng)滿足線性關(guān)系這一經(jīng)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展的；Grüneisen狀態(tài)方程分為以沖擊絕熱線、等熵線和等溫線為參考線等3種形式；此外，帶化學(xué)反應(yīng)的流場計(jì)算，爆轟反應(yīng)與混合物組分的溫度密切相關(guān)，反應(yīng)材料模型中未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程通常采用含溫度形式的JWL狀態(tài)方程[48]：

(3)

通常，采用沖擊Hugoniot實(shí)驗(yàn)[81]確定未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程參數(shù)。值得指出的是，沖擊加載過程中，較低的壓力范圍(幾個GPa)內(nèi)炸藥就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，獲得的未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程適用區(qū)間較低，強(qiáng)制外延至馮諾依曼峰值(數(shù)十GPa)誤差較大[82]。此外，沖擊加載下炸藥內(nèi)伴隨產(chǎn)生高溫、可能發(fā)生相變等現(xiàn)象，導(dǎo)致狀態(tài)方程測量的不確定性提高。近年，由中國工程物理研究院流體物理研究所發(fā)展的磁驅(qū)動斜波(準(zhǔn)等熵)壓縮加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)[83-86]在高壓未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程研究方面具有明顯的優(yōu)勢，準(zhǔn)等熵壓縮加載平滑無沖擊、溫升低，能有效抑制炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而可獲得更高的未反應(yīng)炸藥加載壓力壓力區(qū)間，為較寬壓力范圍內(nèi)固體炸藥動力學(xué)行為研究提供了不可替代的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。

3.1.3 混合法則

反應(yīng)區(qū)物質(zhì)通常是未反應(yīng)炸藥和爆轟產(chǎn)物的兩相混合物，二者處于壓力和溫度平衡狀態(tài)。同時，混合物的比容和比內(nèi)能與各組分的比容和比內(nèi)能滿足加權(quán)求和的混合法則[58,80]。

值得指出的是，對反應(yīng)流動中兩相混合物平衡比例的計(jì)算并不一定要求未反應(yīng)炸藥與爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程形式相同，但可能需要考慮能量零點(diǎn)的匹配。在帶反應(yīng)流體動力學(xué)的計(jì)算中，原則上除力學(xué)狀態(tài)方程外，還需附加一個計(jì)算溫度的狀態(tài)方程，以便能處理混合物各組分之間的溫度平衡假設(shè)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是熱，許多化學(xué)反應(yīng)模型與溫度相關(guān)。

3.2 連續(xù)介質(zhì)尺度反應(yīng)流模擬

目前，宏觀沖擊起爆爆轟反應(yīng)流計(jì)算的主流軟件和程序主要包括三維任意拉格朗日-歐拉程序(ALE3D)、三維流體動力學(xué)歐拉程序(CTH)、有限元程序(DYNA2D/3D)和LS-DYNA等。Nichols III等[60]采用ALE3D結(jié)合統(tǒng)計(jì)熱點(diǎn)反應(yīng)速率模型研究了HMX基PBX炸藥二維沖擊起爆過程及脫敏現(xiàn)象，關(guān)注載荷強(qiáng)度、炸藥顆粒度、熱點(diǎn)尺寸和熱點(diǎn)密度對炸藥沖擊起爆過程的影響。Doolan[87]采用CTH模擬計(jì)算了HMX炸藥一維和二維沖擊起爆過程，通過對比一維數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)炸藥孔隙的初始分布對炸藥沖擊起爆過程的精確模擬具有顯著影響。Tarver和Hallquist[88]采用DYNA2D結(jié)合IG模型研究了PBX9404和LX-17炸藥中爆轟波拐角繞射現(xiàn)象。Akiki & Menon[89]提出的“熱點(diǎn)”轉(zhuǎn)換概念，即將各類“熱點(diǎn)”統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為一定量的能量沉積，進(jìn)而將“熱點(diǎn)”模擬為與原炸藥具有相同物理性質(zhì)但熱釋放不同的新反應(yīng)物，通過構(gòu)造表征孔洞塌縮、界面摩擦和塑性等“熱點(diǎn)”生成機(jī)制的能量輸出方程，再將其引入反應(yīng)流體動力學(xué)控制方程，以實(shí)現(xiàn)沖擊起爆過程的宏觀數(shù)值模擬。

國內(nèi)宏觀爆轟反應(yīng)流數(shù)值模擬仍主要采用IG模型[90-92]，因?yàn)樗菄鴥?nèi)應(yīng)用最廣的兩個商用流體動力學(xué)軟件LS-DYNA和AUTODYN中僅有的反應(yīng)速率模型，對于人們感興趣的幾種典型高能炸藥，與該反應(yīng)流模型匹配使用的JWL狀態(tài)方程的模型參數(shù)較全。近年，國內(nèi)學(xué)者也開始關(guān)注爆轟反應(yīng)流計(jì)算的研究，Xu等[93]采用物質(zhì)點(diǎn)法對多孔HMX類材料的沖擊起爆過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，借助Minkowski泛函分析研究了激波反應(yīng)熱力學(xué)，揭示了“熱點(diǎn)”的幾何和拓?fù)湫再|(zhì)；Tao等[94]采用二維拉格朗日實(shí)驗(yàn)研究了TNT炸藥的沖擊感度和側(cè)向稀疏效應(yīng)，并利用測得的壓力和徑向位移歷史，結(jié)合數(shù)值模擬，確定了IG模型的參數(shù)。Feng等[95]采用非線性有限元模擬計(jì)算了JO-9159炸藥沖擊起爆過程及其尺寸效應(yīng)，結(jié)果表明，起爆壓力閾值隨裝藥直徑和裝藥長度的增大而減小。

溫麗晶、段卓平等[48-52]采用DYNA2D結(jié)合DZK反應(yīng)速率模型研究了HMX基PBX炸藥沖擊起爆爆轟成長過程，典型結(jié)果如圖3(a)所示，關(guān)注載荷、溫度、炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征如顆粒度、孔隙度和黏結(jié)劑含量及強(qiáng)度等多種因素對炸藥起爆響應(yīng)的影響規(guī)律，并與系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了模型的可行性及參數(shù)的合理性。進(jìn)一步結(jié)合多元DZK模型[53-55]研究了HMX/TATB混合基PBX炸藥沖擊起爆爆轟建立過程，典型結(jié)果如圖3(b)所示，關(guān)注炸藥配方、炸藥顆粒度等因素對混合炸藥沖擊起爆響應(yīng)的影響，與系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了模型的合理性，并對比討論分析了HMX基與TATB基PBX炸藥沖擊起爆物理機(jī)制的差異[52,56-58]。

圖3 兩種典型的PBX炸藥沖擊起爆爆轟成長過程的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of experimental and calculated pressure histories in two typical PBX explosives

3.3 跨尺度計(jì)算

帶化學(xué)反應(yīng)的流體動力學(xué)過程涉及多尺度特征，分解反應(yīng)和能量釋放發(fā)生在分子尺度上，而機(jī)械能到熱能的演化和轉(zhuǎn)換則發(fā)生在細(xì)觀尺度，細(xì)觀非均質(zhì)性導(dǎo)致多波結(jié)構(gòu)，而多波相互作用和重構(gòu)最終導(dǎo)致了連續(xù)介質(zhì)尺度上的材料平均響應(yīng)，這種細(xì)觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)正是非均質(zhì)固體炸藥起爆感度和爆轟反應(yīng)行為的主導(dǎo)因素。實(shí)現(xiàn)帶化學(xué)反應(yīng)的流體動力學(xué)過程的中尺度到宏觀尺度的跨尺度計(jì)算，一直是數(shù)值模擬工作重大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有跨尺度數(shù)值模擬工作大多進(jìn)行了不同程度的均勻化和現(xiàn)象學(xué)處理。近年，為了更真實(shí)地反映三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)中尺度到宏觀尺度的跨尺度計(jì)算，Baer等[96]首次采用CTH建立了立方毫米尺度的HMX顆粒炸藥計(jì)算模型，研究了顆粒炸藥在低壓載荷作用下的壓實(shí)效應(yīng)，并初步結(jié)合HVRB反應(yīng)速率模型計(jì)算炸藥起爆反應(yīng)情況。Miller等[97]建立了毫米尺度的二維/三維計(jì)算模型，反映炸藥顆粒度分布和微孔洞分布等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，采用CTH研究了4～8GPa沖擊載荷作用下HMX基PBX炸藥起爆爆轟成長過程，關(guān)注炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和微孔洞對到爆轟距離的影響，并通過概率統(tǒng)計(jì)對Pop關(guān)系進(jìn)行不確定度分析。

4 沖擊起爆與爆轟研究的試驗(yàn)與測試技術(shù)

4.1 爆轟性能

4.1.1 基礎(chǔ)爆轟參數(shù)測試

確定沖擊起爆反應(yīng)流模型參數(shù)前，首先需要確定炸藥的爆速D、爆壓PCJ和馮諾依曼峰值壓力PN等基礎(chǔ)爆轟參數(shù)。通常，采用電測法測量炸藥爆速D，利用錳銅壓阻測壓法測量爆壓PCJ。此外，馮諾依曼峰值壓力PN是約束未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程參數(shù)的重要參量，通過測量炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)(ZND模型)進(jìn)行確定。由于馮諾依曼峰的持續(xù)時間非常短，很難利用錳銅壓阻測壓法進(jìn)行捕捉，往往采用未反應(yīng)炸藥沖擊Hugoniot關(guān)系反推得到，但準(zhǔn)確度存疑。隨著DISAR技術(shù)和PDV技術(shù)的發(fā)展，高時空分辨率的顯著優(yōu)勢使其廣泛用于測量炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)，獲得較為準(zhǔn)確的馮諾依曼峰值壓力PN和爆壓PCJ。

Seitz等[98]采用Fabry-Perot激光速度干涉儀，分別測量了TATB基炸藥與窗口材料(LiF，KBr，KCl，PMMA)的界面粒子速度，并結(jié)合數(shù)值模擬分析了炸藥的爆轟波結(jié)構(gòu)。Gustavsen等[99-100]利用VISAR測量了HMX基炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)，給出了爆轟反應(yīng)區(qū)寬度。Bouyer等[101]采用VISAR和PDV技術(shù)分別測量了硝基甲烷的爆轟波后界面粒子速度，研究窗口材料以及測試技術(shù)對測量結(jié)果的影響。Bouyer等[102]采用VISAR和PDV/HV技術(shù)測量了PBX炸藥、TATB基T2和TATB/HMX混合基TX1的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)粒子速度剖面與裝藥直徑相關(guān)，并指出PDV/HV的實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于VISAR，但對von Neumann峰的測量結(jié)果均偏低10%～20%。Loboiko和Lubyatinsky[103]采用激波氯仿光度測試技術(shù)測量炸藥的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，并指出炸藥裝藥不均勻性對von Neumann峰有顯著影響。

以前研究關(guān)注的炸藥大多是理想高能炸藥，可以直接讀取炸藥/窗口界面粒子速度曲線的拐點(diǎn)以判定CJ點(diǎn)位置。然而，對于非理想炸藥如不敏感含鋁炸藥，由于其爆轟反應(yīng)區(qū)較寬，炸藥/窗口界面粒子速度曲線下降緩慢，曲線上不存在明顯的拐點(diǎn)，很難直接準(zhǔn)確地判讀CJ點(diǎn)的位置。針對該問題，段卓平等[104-105]重點(diǎn)關(guān)注和測量了DNAN基含鋁炸藥爆轟端/窗口界面粒子速度歷史，如圖4所示，認(rèn)為從CJ點(diǎn)開始，爆轟產(chǎn)物受稀疏波的影響，界面粒子速度開始緩慢下降，加速度趨于零，提出對粒子速度—時間曲線降噪以進(jìn)行一階求導(dǎo)獲得加速度—時間曲線，通過讀取加速度曲線的拐點(diǎn)(加速度值趨于零)確定CJ點(diǎn)，進(jìn)而確定非理想炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度、爆壓PCJ和馮諾依曼峰值壓力PN。作者后續(xù)采用該方法確定了多種非理想含鋁炸藥的CJ點(diǎn)位置，并與文獻(xiàn)結(jié)果對比，一致性較好，驗(yàn)證了該方法的合理性[106]。

圖4 基于PDV技術(shù)的爆轟反應(yīng)區(qū)測量試驗(yàn)Fig.4 Experimental measurements on the detonation reaction zone of solid explosives using Photon Doppler Velocimetry (PDV)

4.1.2 爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)測試

圓筒試驗(yàn)是用于評價炸藥作功能力的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)，通常采用高速掃描相機(jī)記錄筒壁膨脹過程，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還可確定炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)，但需指出的是，該方法判讀各時刻筒壁位置的精度不高，特別是確定筒壁膨脹起始點(diǎn)十分困難，很難保證數(shù)據(jù)精度。近年，PDV測試技術(shù)也被廣泛用于圓筒試驗(yàn)，可直接獲得爆轟驅(qū)動圓筒膨脹的速度歷史，大大提高了圓筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，特別是驅(qū)動初期的速度變化細(xì)節(jié)對檢驗(yàn)爆轟參數(shù)具有重要的意義。段卓平等[106]采用多通道PDV技術(shù)測量了DNAN基含鋁炸藥爆轟驅(qū)動筒壁膨脹速度—時間歷史，如圖5(a)所示，同一發(fā)次實(shí)驗(yàn)的不同測點(diǎn)甚至不同發(fā)次實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果均一致性較好，驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性和高的測量精度。

圖5 爆轟驅(qū)動圓筒試驗(yàn)Fig.5 Cylinder test using Photon Doppler Velocimetry (PDV)

此外，隨著不敏感彈藥的發(fā)展，不敏感含鋁炸藥裝藥的沖擊起爆特性與爆轟性能研究日益受到重視，特別是含鋁炸藥爆轟后鋁粉二次反應(yīng)作功能力被廣泛關(guān)注。含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物膨脹過程是伴有鋁粉二次反應(yīng)放熱的過程，鋁粉反應(yīng)主要發(fā)生在主體炸藥爆轟反應(yīng)完成之后。但在含鋁炸藥的沖擊起爆過程中鋁粉反應(yīng)量很少可忽略，鋁粉對爆轟成長幾乎不提供能量支持，這已是大家的共識。

值得指出的是，現(xiàn)有研究大多直接采用含鋁炸藥的爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)參與計(jì)算含鋁炸藥裝藥沖擊起爆過程，夸大了鋁粉在沖擊起爆階段的反應(yīng)貢獻(xiàn)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不合理。針對該問題，楊洋等[106]考慮惰性LiF的密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和可壓縮性等物理性質(zhì)與鋁相似，提出采用LiF粉代替含鋁炸藥配方中的鋁粉，對比進(jìn)行含LiF炸藥的圓筒實(shí)驗(yàn)如圖5(b)所示，并確定其爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程參數(shù)，用于含鋁炸藥沖擊起爆過程的反應(yīng)流計(jì)算，等效鋁粉在炸藥沖擊起爆階段不反應(yīng)的特征，確定了一套相互匹配的沖擊起爆反應(yīng)流模型參數(shù)，該工作加深了對含鋁炸藥沖擊起爆物理機(jī)制的認(rèn)識。

4.2 沖擊起爆

沖擊起爆試驗(yàn)是研究炸藥沖擊起爆性能最直觀有效的手段，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可用來確定炸藥沖擊Hugoniot關(guān)系、未反應(yīng)炸藥狀態(tài)方程參數(shù)、驗(yàn)證反應(yīng)速率模型合理性和確定模型參數(shù)等。目前沖擊起爆試驗(yàn)主要有隔板試驗(yàn)[107-109]、飛片撞擊試驗(yàn)[110-112]、楔形實(shí)驗(yàn)[113-114]和拉格朗日試驗(yàn)[115-116]。隔板試驗(yàn)通常用來評價炸藥沖擊波感度，可以得到閾值隔板厚度、反應(yīng)閾值壓力和爆轟閾值壓力等參數(shù)。飛片撞擊試驗(yàn)采用炸藥爆炸、輕氣炮、電爆炸箔和激光束等方法來驅(qū)動一定厚度的飛片經(jīng)加速后撞擊炸藥試樣，通過改變飛片速度來調(diào)整沖擊波幅值，改變飛片厚度獲得不同的脈沖寬度。早期的隔板實(shí)驗(yàn)和飛片撞擊實(shí)驗(yàn)是測定炸藥沖擊起爆感度的經(jīng)典方法，無法觀測炸藥爆轟建立過程，隨后發(fā)展了楔形炸藥實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高速攝影技術(shù)獲得炸藥斜面上的反應(yīng)沖擊波跡線，繼而獲得炸藥的到爆轟距離、到爆轟時間及Pop線等信息。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者引入了拉格朗日量計(jì)測試技術(shù)，開展了大量的沖擊起爆拉格朗日實(shí)驗(yàn)，記錄沖擊波后流場變化的相關(guān)信息，如粒子速度歷史和壓力歷史等，豐富了炸藥沖擊起爆爆轟成長過程信息。

4.2.1 拉格朗日量計(jì)測試技術(shù)

拉格朗日量計(jì)測試技術(shù)主要包括錳銅壓阻傳感器測壓技術(shù)[111,117-120]和電磁粒子速度計(jì)測速技術(shù)[121-126]。炸藥內(nèi)壓力變化引起錳銅壓阻傳感器的敏感元件電阻改變，通過測量電阻改變獲得炸藥樣品內(nèi)壓力隨時間變化，將多個錳銅壓阻傳感器嵌入炸藥內(nèi)部不同位置，構(gòu)成拉格朗日量計(jì)，可以同時測量壓力隨時間和空間位置的變化和分布。電磁粒子速度計(jì)是通過敏感單元切割磁力線運(yùn)動，測量所在位置處粒子速度隨時間變化的歷程，發(fā)展的組合式電磁粒子速度計(jì)可以在一次實(shí)驗(yàn)中記錄炸藥不同拉格朗日位置處的粒子速度剖面，這樣可以跟蹤炸藥沖擊起爆過程全過程。

Vandersall等[111]、Urtiew等[118]采用氣炮加載飛片平面撞擊PBX炸藥PBX9501(95%HMX, 2.5%Estane, 2.5%BDNPA-F)、LX-04(85%HMX, 15%Viton)和LX-17(92.5%TATB, 7.5%Kel-F)，通過埋入待測炸藥中的錳銅壓力傳感器記錄不同拉格朗日位置的壓力歷史，分析了不同初始溫度對炸藥沖擊起爆過程的影響，溫度越高，炸藥化學(xué)分解越快，沖擊感度越高。 Chidester等[127]采用錳銅壓阻測壓技術(shù)研究了含損傷PBX炸藥LX-04和PBX9502(95%TATB, 5%Kel-F800)的沖擊起爆過程，并關(guān)注不同加載壓力的影響。Baudin等[113]采用該技術(shù)研究了澆注PBX炸藥B2238(85%RDX, 15%HTPB)和鈍感B2214(12%HMX, 72%NTO, 16%polyurethane)的沖擊起爆特性，并采用楔形炸藥實(shí)驗(yàn)分別獲得了這兩種炸藥的反應(yīng)沖擊波跡線、到爆轟距離和到爆轟時間。Hollowell等[124]和Gustavsen等[122]采用電磁粒子速度計(jì)測速技術(shù)測量了低溫環(huán)境下(-196～23℃) PBX 9502(95%TATB, 5%Kel-F800)的到爆轟距離，發(fā)現(xiàn)沖擊感度隨溫度單調(diào)下降，即使在196℃的低溫下，粒子速度剖面仍保持“熱點(diǎn)”起爆特征。

國內(nèi)學(xué)者也采用拉格朗日量計(jì)測試技術(shù)研究了PBX炸藥沖擊起爆特性。李志鵬等[128]設(shè)計(jì)了一種組合式電磁粒子速度計(jì)，測量了PBXC03(87% HMX, 7% TATB, 6% Viton)在不同加載壓力下的到爆轟距離和時間。姚慧生和黃風(fēng)雷教授等[129]基于錳銅壓阻傳感器測試技術(shù)研究了損傷PBX炸藥的沖擊起爆特性，炸藥損傷越嚴(yán)重，波陣面成長越快，沖擊感度越高；結(jié)合電鏡掃描觀測，炸藥在沖擊載荷作用下主要發(fā)生顆粒破碎和經(jīng)體內(nèi)孔洞增加兩種突出現(xiàn)象，并對晶內(nèi)孔隙率和力度分布進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)。王晨和陳朗教授等[130]采用化爆加載PBXC10(25% HMX, 70% TATB, 5%Kel-F800)，分析溫度和約束對PBXC10沖擊起爆過程和沖擊感度的影響。

溫麗晶、段卓平等[48-49,58,131-133]分別采用化爆加載和飛片沖擊加載，建立一維拉格朗日分析錳銅壓阻實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，如圖6所示，開展了系列沖擊起爆實(shí)驗(yàn)，測量了不同加載壓力、不同炸藥顆粒度和不同裝藥孔隙度對PBXC03炸藥和PBXC10炸藥沖擊起爆爆轟成長過程的影響規(guī)律，并對比分析了HMX基和TATB基PBX炸藥沖擊起爆物理機(jī)制的差異。

圖6 炸藥沖擊起爆一維拉格朗日分析錳銅壓阻實(shí)驗(yàn)Fig.6 One-dimensional Lagrangian experimental system for shock initiation using the manganin pizoresistance pressure gauge measurement

4.2.2 復(fù)雜加載路徑和光子多普勒測速(PDV)技術(shù)

平面飛片和炸藥爆轟的單次一維沖擊加載，作為較成熟的加載方式，被廣泛用來研究炸藥起爆爆轟成長過程和爆轟響應(yīng)動力學(xué)特性。但實(shí)際環(huán)境中炸藥受到理想(方波)的單次沖擊載荷情況較少，大多數(shù)情況是不同載荷形式的復(fù)合加載，如斜波加載、雙波加載、多次沖擊加載等多種復(fù)雜載形式。

近年發(fā)展的激光干涉VISAR測速技術(shù)和光子多普勒測速技術(shù)(PDV)等，具有使用方便、響應(yīng)快、測試精度高、非接觸測量等顯著優(yōu)勢使其在沖擊起爆實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用。Vandersall等[134]開展雙激波實(shí)驗(yàn)，采用PDV技術(shù)測量了LX-17的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)基于多尺度的Cheetah反應(yīng)流模型優(yōu)于IG模型。Gustavsen等[135]采用氣炮驅(qū)動雙材料飛片撞擊HMX基EDC-37炸藥，利用電磁粒子速度計(jì)測速技術(shù)記錄雙激波加載下炸藥起爆爆轟建立過程，并發(fā)現(xiàn)炸藥的沖擊脫敏現(xiàn)象。Baudin等[113]采用氣炮驅(qū)動飛片產(chǎn)生雙激波加載RDX/HMX/NTO基熔鑄型PBX炸藥，結(jié)合錳銅壓阻計(jì)測壓技術(shù)測量炸藥的起爆爆轟成長過程，發(fā)現(xiàn)該熔鑄型PBX炸藥無脫敏現(xiàn)象。Tarver等[136]研究多次沖擊加載下TATB基LX-17炸藥起爆和爆轟成長過程，并發(fā)現(xiàn)炸藥的壓死現(xiàn)象。Setchell[137]采用氣炮驅(qū)動銅飛片撞擊耐高溫陶瓷材料產(chǎn)生斜波脈沖加載PBX9404炸藥，結(jié)合VISAR測速技術(shù)記錄炸藥起爆爆轟成長過程，研究炸藥起爆機(jī)制。

上述基于氣炮驅(qū)動飛片的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一次試驗(yàn)只能獲得單個樣品厚度的起爆信息，需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)才能得到炸藥完整的起爆爆轟成長過程，但不同次實(shí)驗(yàn)并不能精準(zhǔn)控制完全一致的飛片速度，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀性較差。Gustavsen等[138]采用多通道PDV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)多樣品同步測量技術(shù)，研究了PBX9502炸藥沖擊起爆過程。Root和Tuttle[139]采用多通道PDV技術(shù)，對LX-17炸藥進(jìn)行了系列平板撞擊試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬研究，初步討論了沖擊起爆過程中狀態(tài)方程參數(shù)和HVRB反應(yīng)速率模型的適應(yīng)性。張旭團(tuán)隊(duì)[140]采用多通道PDV技術(shù)，進(jìn)行了一維平面沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了鈍感炸藥沖擊起爆過程，并對PDV測試結(jié)果進(jìn)行了不確定分析。

隨著磁驅(qū)動斜波加載技術(shù)的發(fā)展[141-143]，單次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多樣品同步測試的實(shí)驗(yàn)技術(shù)已廣泛用于研究高壓下固體物質(zhì)相變機(jī)制[144-145]和超高壓物態(tài)方程測定[83,146]等。段卓平等[147-148]采用磁驅(qū)動斜波加載設(shè)備CQ-4裝置和PDV技術(shù)，首次建立了炸藥一維斜波起爆響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，如圖7所示，分別研究了斜波加載下PBXC03和PBXC10炸藥起爆響應(yīng)過程，并結(jié)合系列數(shù)值模擬，分析了斜波加載下PBX炸藥起爆機(jī)制及爆轟成長特性[149-151]。

圖7 磁驅(qū)動斜波加載起爆實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng) Fig.7 Magnetically driven ramp-wave loading experimental system

5 存在的問題與發(fā)展趨勢

非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆過程作用機(jī)理復(fù)雜，往往是多種“熱點(diǎn)”機(jī)制共同作用的結(jié)果，目前對沖擊起爆“熱點(diǎn)”機(jī)制的認(rèn)識仍處于發(fā)展階段，存在許多尚未解決的問題。

現(xiàn)有的熱點(diǎn)點(diǎn)火模型及反應(yīng)速率模型大多只考慮某單一的熱點(diǎn)機(jī)制，且只能描述一種主炸藥組成的混合炸藥的反應(yīng)，無法適應(yīng)多種“熱點(diǎn)”機(jī)制耦合作用、多種主炸藥組成的多元混合炸藥的起爆及反應(yīng)過程，制約了新型混合炸藥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。深入探索各種“熱點(diǎn)”機(jī)制對炸藥沖擊起爆過程的貢獻(xiàn)，建立沖擊起爆多“熱點(diǎn)”耦合作用的熱點(diǎn)模型和普適性更強(qiáng)的宏細(xì)觀反應(yīng)速率模型，發(fā)展完善模型參數(shù)的高精度實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法，是非均質(zhì)固體炸藥反應(yīng)速率模型發(fā)展的重要方向。此外，現(xiàn)有反應(yīng)速率模型大多是壓力相關(guān)型方程，描述復(fù)雜加載如斜波加載、多次沖擊加載下炸藥壓實(shí)效應(yīng)、沖擊脫敏等現(xiàn)象時適應(yīng)性較差，發(fā)展CREST類的含熵或溫度形式的反應(yīng)速率模型是反應(yīng)流模型發(fā)展的重要方向。

關(guān)于反應(yīng)速率模型研究，仍較多采用LS-DYNA或AUTODYN程序自帶的Lee-Tarver點(diǎn)火增長模型，對新型高能炸藥反應(yīng)流模型的參數(shù)確定仍主要參考國外公開的相近配方炸藥的模型參數(shù)，進(jìn)行人為調(diào)整，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致，其科學(xué)性和合理性有待深入研究。

發(fā)展先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)加載技術(shù)、高精度動態(tài)測試技術(shù)和快響應(yīng)和高分辨能力的實(shí)驗(yàn)診斷技術(shù)，確定爆轟反應(yīng)流模型參數(shù)的精確標(biāo)定方法及爆轟波參數(shù)測試相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，一直是探索炸藥沖擊起爆物理機(jī)制、爆轟波傳播過程、推動反應(yīng)模型發(fā)展的必要技術(shù)手段。此外，分子動力學(xué)模擬可從原子層次認(rèn)識炸藥反應(yīng)機(jī)制，但受限于目前的計(jì)算能力，在可預(yù)見的未來，真實(shí)爆轟反應(yīng)區(qū)長度仍遠(yuǎn)超出現(xiàn)有分子動力學(xué)模擬的能力。中尺度計(jì)算主要用于沖擊起爆熱點(diǎn)機(jī)制的研究，實(shí)現(xiàn)中尺度到宏觀尺度的跨尺度計(jì)算是非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆與爆轟問題數(shù)值模擬發(fā)展的重要趨勢。

非均質(zhì)固體炸藥沖擊起爆與爆轟研究仍將是爆轟物理學(xué)領(lǐng)域最活躍、最具挑戰(zhàn)的課題之一，需進(jìn)一步建立系統(tǒng)規(guī)范的爆轟反應(yīng)流模型參數(shù)體系，為彈藥安全性設(shè)計(jì)與數(shù)值評估提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。