趙 娟 馮 博 薛樂(lè)星 馮曉軍

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

作為武器系統(tǒng)的能量來(lái)源，炸藥的爆轟可靠性、反應(yīng)完全性及能量釋放特性始終是人們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。這就需要深入了解炸藥的沖擊起爆特性，掌握起爆機(jī)制和爆轟成長(zhǎng)規(guī)律，從而正確指導(dǎo)爆轟序列的設(shè)計(jì)及能量輸出結(jié)構(gòu)調(diào)整，確保炸藥的高效安全可靠應(yīng)用[1-6]。李志鵬等[7]用組合式電磁粒子速度計(jì)確定了JOB-9003炸藥在兩種壓力下的沖擊轉(zhuǎn)爆轟距離和時(shí)間；陳朗等[8]測(cè)量了5種溫度下飛片起爆PBXC10炸藥內(nèi)部的壓力變化，標(biāo)定了不同溫度下的模型參數(shù)及POP 關(guān)系(加載壓力對(duì)到爆轟距離的影響)。 溫麗晶等[9]進(jìn)行了3 種加載壓力下兩種顆粒度PBXC03 炸藥的沖擊起爆試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬得到兩種不同粒度的POP 關(guān)系。 李碩等[10]根據(jù)JH-14C 炸藥的小隔板試驗(yàn)得到了點(diǎn)火增長(zhǎng)模型參數(shù)，模擬其沖擊起爆試驗(yàn)得到了臨界鋼隔板厚度。張濤等[11]研究了JBO-9X 炸藥在較高沖擊壓力下的沖擊起爆過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)比例，提出以化學(xué)反應(yīng)比例作為炸藥沖擊起爆研究中炸藥安定性的指標(biāo)。 白志玲等[12]對(duì)比分析了PBXC03 炸藥和PBXCl0 炸藥爆轟建立過(guò)程的壓力變化。 李金河等[13]用組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量了TATB 基鈍感炸藥在不同加載狀態(tài)下的到爆轟距離。 目前，國(guó)內(nèi)已有較多關(guān)于炸藥到爆轟距離測(cè)量或反應(yīng)速率方程參數(shù)標(biāo)定的研究，但是參數(shù)的確定大都依賴于一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)擬合所得反應(yīng)速率方程參數(shù)在不同加載壓力下的適用性及規(guī)律性研究較少。

錳銅壓阻傳感測(cè)壓技術(shù)及電磁粒子速度計(jì)測(cè)速技術(shù)是研究炸藥沖擊起爆和爆轟成長(zhǎng)過(guò)程的有效手段。 錳銅壓阻傳感器所測(cè)量的壓力歷程更便于進(jìn)行數(shù)值模擬，確定反應(yīng)速率方程參數(shù)。 對(duì)于目前廣泛采用的含鋁炸藥，Lee-Tarver 點(diǎn)火增長(zhǎng)模型考慮了鋁粉與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)，可以更為準(zhǔn)確地描述其沖擊起爆過(guò)程[14]。 反應(yīng)速率方程的確定需要結(jié)合JWL 狀態(tài)方程，而JWL 狀態(tài)方程則需要擬合圓筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

針對(duì)一種HMX 基含鋁炸藥(HMX、Al 與黏結(jié)劑的質(zhì)量比為57∶35∶8)開(kāi)展了沖擊起爆試驗(yàn)，對(duì)比了其在兩種加載壓力下的壓力歷程，分析其沖擊起爆特性；根據(jù)兩組壓力變化數(shù)據(jù)，確定并驗(yàn)證了點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致；建立計(jì)算模型并分析了加載壓力對(duì)HMX 基含鋁炸藥沖擊起爆特性的影響，以期為其應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 圓筒試驗(yàn)

對(duì)HMX 基含鋁炸藥進(jìn)行50 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)(GJB 8381—2015)，試樣的平均密度為1. 865 g/cm3。 試驗(yàn)裝置如圖1 所示。

1.2 沖擊起爆試驗(yàn)

沖擊起爆試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由雷管、傳爆藥、觸發(fā)探針、主發(fā)裝藥、隔板、錳銅壓阻傳感器、受試裝藥、試驗(yàn)支架、脈沖恒流源及示波器等組成。 主發(fā)裝藥為?40 mm×50 mm 的JH-14 藥柱；傳爆藥為?20 mm ×20 mm 的JH-14 藥柱；隔板為?40 mm 鋁板，厚度可調(diào)；受試裝藥為多個(gè)?40 mm的圓柱形藥片疊加而成，每?jī)蓚€(gè)藥片之間放置一個(gè)錳銅壓阻傳感器。

圖1 圓筒試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylinder test

圖2 沖擊起爆試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagrams of shock initiation experiment device

2 結(jié)果與討論

2.1 圓筒試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)HMX 基含鋁炸藥的圓筒試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，擬合時(shí)間-膨脹距離變化曲線，結(jié)果如圖3 所示；得到HMX 基含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)如表1 所示。

2.2 沖擊起爆過(guò)程

對(duì)HMX 基含鋁炸藥進(jìn)行了兩種加載壓力下的沖擊起爆試驗(yàn)，所用鋁隔板厚度分別為27. 85、26.00 mm。 由文獻(xiàn)資料[15]得到相同加載條件下沖擊波在鋁隔板中的衰減規(guī)律如圖4 所示。 沖擊波壓力隨鋁隔板厚度的變化方程為lnp ＝3.550 -0.031x。 由此可知，27.85、26.00 mm 厚鋁隔板對(duì)應(yīng)的壓力分別為14.68、15.55 GPa。

圖5 給出了14.68 GPa 和15.55 GPa 加載壓力下測(cè)得HMX 基含鋁炸藥內(nèi)部不同位置處的波形曲線，經(jīng)計(jì)算得到不同位置處的壓力峰值如表2 所示。

從表2 可以看出，對(duì)于HMX 基含鋁炸藥，在不同的加載壓力下，其壓力峰值都呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，最后穩(wěn)定在25 GPa 左右，均達(dá)到穩(wěn)定爆轟。 加載壓力為14.68 GPa 時(shí)，炸藥在15.38 mm 處壓力峰值趨于穩(wěn)定，到爆轟距離為12.04 mm 至15.38 mm 之間。加載壓力為15.55 GPa 時(shí)，炸藥在12.01 mm 處已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定爆轟，到爆轟距離為10.23 mm 至12.01 mm 之間。 可見(jiàn)，加載壓力增大后，爆轟波成長(zhǎng)速度增大，炸藥的到爆轟距離明顯減小。

圖3 時(shí)間-膨脹距離曲線Fig.3 t-(R-R0) curves

表1 HMX 基含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 Parameters of JWL equation of state of HMX based aluminized explosive

圖4 沖擊波壓力與鋁隔板厚度關(guān)系的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of relationship between shock wave pressure and aluminum gap thickness

圖5 不同加載壓力下測(cè)得的波形曲線Fig.5 Waveform curves measured under different initiation pressures

表2 不同位置處的測(cè)試壓力峰值Tab.2 Tested pressure peak at different locations

3 數(shù)值計(jì)算

采用非線性有限元計(jì)算軟件AUTODYN 對(duì)HMX 基含鋁炸藥的沖擊起爆過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)簡(jiǎn)化的沖擊起爆試驗(yàn)裝置建立二維軸對(duì)稱計(jì)算模型。HMX 基含鋁炸藥采用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程和JWL 狀態(tài)方程進(jìn)行描述，主發(fā)裝藥JH-14 采用JWL 狀態(tài)方程進(jìn)行描述，參數(shù)由文獻(xiàn)[10]得到。 鋁隔板材料參數(shù)取自AUTODYN 程序自帶的材料庫(kù)。

點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程為

式中:λ為反應(yīng)度；t為時(shí)間；ρ為密度；ρ0為初始密度；p為壓力；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z均為模型參數(shù)。

根據(jù)14.68 GPa 加載壓力下的測(cè)量結(jié)果，調(diào)整模型參數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，擬合得到HMX 基含鋁炸藥的點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程參數(shù)見(jiàn)表3 所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6(a)。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證確定的反應(yīng)速率方程參數(shù)的適用性，對(duì)加載壓力為15.55 GPa 的沖擊起爆過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6(b)。 計(jì)算壓力與試驗(yàn)壓力對(duì)比如圖7 所示。

表3 HMX 基含鋁炸藥點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程參數(shù)Tab.3 Parameters of reaction rate equation for ignition and growth model of HMX based aluminized explosive

圖6 不同加載壓力下炸藥內(nèi)部壓力-時(shí)間曲線計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculated pressure-time curves under two different initiation pressures

圖7 壓力峰值試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison between experimental and calculated pressure peak value

通過(guò)圖7 可以看出，在14.68 GPa 和15.55 GPa的加載壓力下，計(jì)算壓力與試驗(yàn)測(cè)量壓力均吻合得較好，表明這組參數(shù)可以比較準(zhǔn)確地描述該HMX基含鋁炸藥在不同加載壓力下的沖擊起爆過(guò)程。 為了進(jìn)一步研究HMX 基含鋁炸藥在不同加載壓力下的沖擊起爆特性，采用這組參數(shù)計(jì)算炸藥在不同加載壓力下前導(dǎo)沖擊波陣面壓力歷程及前導(dǎo)沖擊波時(shí)程曲線，如圖8 和圖9 所示。

圖8 不同加載壓力下前導(dǎo)沖擊波陣面壓力歷程Fig.8 Pressure history of front shock wave under different initiation pressures

圖8 可以看出，加載壓力為14.68 GPa 時(shí)，1.5 μs 前壓力增長(zhǎng)較為緩慢，1.5 ～2.0 μs 壓力迅速增大，在2.5 μs 時(shí)炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟，對(duì)應(yīng)的到爆轟距離為13.7 mm；加載壓力為15.55 GPa 時(shí)，1.2 ～1.8 μs 壓力增長(zhǎng)迅速，到爆轟時(shí)間為1.9 μs，對(duì)應(yīng)的到爆轟距離為10.6 mm。 可見(jiàn)，加載壓力增大后，前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增速明顯變快，炸藥的到爆轟時(shí)間變短。

圖9可以看出，起爆后前導(dǎo)沖擊波的速度不斷增大，直至達(dá)到穩(wěn)定，且15.55 GPa 加載壓力下前導(dǎo)沖擊波速度增長(zhǎng)明顯比14.68 GPa 時(shí)的速度增長(zhǎng)快，可知，前導(dǎo)沖擊波速度增長(zhǎng)隨著加載壓力的增大而變快。

前導(dǎo)沖擊波的壓力增長(zhǎng)在早期較為緩慢，此時(shí)熱點(diǎn)數(shù)量較少；隨后，炸藥反應(yīng)所產(chǎn)生的壓縮波推動(dòng)壓力持續(xù)增長(zhǎng)，直至穩(wěn)定爆轟。 增大加載壓力后，前導(dǎo)沖擊波壓力增大的同時(shí)，沖擊波速度增長(zhǎng)也變快。這是由于不同加載壓力下產(chǎn)生的熱點(diǎn)數(shù)量和尺寸不同，前導(dǎo)沖擊波過(guò)后反應(yīng)程度不同，熱點(diǎn)密度影響了壓力變化過(guò)程。

對(duì)圖8 中前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增長(zhǎng)階段進(jìn)行求導(dǎo)處理，得到不同加載壓力下前導(dǎo)沖擊波陣面壓力隨時(shí)間的變化率，如圖10 所示。

圖9 不同加載壓力下前導(dǎo)沖擊波時(shí)程曲線Fig.9 Time history curve of front shock wave under different initiation pressures

圖10 不同加載壓力下前導(dǎo)沖擊波陣面壓力變化率與時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship between pressure change rate of front shock wave and time under different initiation pressures

通過(guò)圖10 可以看出，在沖擊起爆前期的爆轟成長(zhǎng)階段，不同加載壓力下的前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增長(zhǎng)速率均在不斷增大，同一時(shí)刻下15.55 GPa 加載壓力下的波陣面壓力增長(zhǎng)速率始終大于14.68 GPa時(shí)的增長(zhǎng)速率。 加載壓力為14.68 GPa 時(shí)，爆轟成長(zhǎng)初期波陣面壓力僅略有增大，從0.9 μs 后開(kāi)始迅速增大；而15.55 GPa 加載壓力下波陣面壓力從0.5 μs 便開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。

在沖擊載荷作用下，會(huì)發(fā)生HMX 晶粒的破碎以及晶粒與黏結(jié)劑基體材料的脫粘等形式的損傷，沖擊波能量沉積在缺陷處形成熱點(diǎn)；隨著加載壓力的增大，沖擊波能量增強(qiáng)，炸藥內(nèi)部損傷更為明顯；熱點(diǎn)數(shù)量增加，能量釋放加快，波陣面的反應(yīng)更加迅速，爆轟的建立也相應(yīng)加快。

4 結(jié)論

1)對(duì)HMX 基含鋁炸藥進(jìn)行了不同加載壓力下的沖擊起爆試驗(yàn)，測(cè)量其不同位置處的壓力歷程。結(jié)果表明，加載壓力為14.68 GPa 時(shí)，到爆轟距離為12.04 ～15.38 mm；加載壓力為15.55 GPa，到爆轟距離為10.23 ～12.01 mm；穩(wěn)定爆轟后的爆轟壓力約為25 GPa。

2)根據(jù)圓筒試驗(yàn)確定HMX 基含鋁炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)；結(jié)合沖擊起爆試驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)定并驗(yàn)證了其點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)速率方程參數(shù)；對(duì)兩種加載壓力下的沖擊起爆試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能較好地吻合。 得到14.68 GPa 加載壓力下HMX 基含鋁炸藥的到爆轟時(shí)間為2.5 μs，到爆轟距離為13.70 mm；15.55 GPa 加載壓力下的到爆轟時(shí)間為1.9 μs，到爆轟距離為10.60 mm。

3)通過(guò)數(shù)值模擬得到不同加載壓力下HMX 基含鋁炸藥沖擊起爆特性規(guī)律:加載壓力增大，前導(dǎo)沖擊波速度增長(zhǎng)變快，波陣面壓力增長(zhǎng)變快，炸藥的到爆轟時(shí)間與到爆轟距離減小，爆轟成長(zhǎng)階段同一時(shí)刻下的波陣面壓力增長(zhǎng)速率也隨之增大。