趙聘， 陳朗， 李金河， 魯建英， 伍俊英

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081; 2.中國工程物理研究院 流體物理研究所, 四川 綿陽 621900)

0 引言

彈藥在聚能射流作用下的反應(yīng)機制和響應(yīng)規(guī)律，對彈藥安全性研究具有重要意義，而射流侵徹隔板起爆炸藥存在射流直接沖擊起爆、隔板中前驅(qū)沖擊波起爆和炸藥中前驅(qū)沖擊波起爆3種起爆機制。對不同條件下3種起爆機制的深入認識，是分析彈藥在射流作用下安全性的基礎(chǔ)。另外，彈藥在實際戰(zhàn)場環(huán)境中，有可能會先受到熱的作用，炸藥裝藥被加熱后再受到射流的侵徹，因此，考慮炸藥溫度對射流起爆炸藥的影響規(guī)律，也是彈藥安全性分析的重要內(nèi)容。

在早期的聚能射流作用炸藥的研究中，人們主要認為高速射流會直接沖擊起爆炸藥[1-2]。Held[3]進行了不同直徑射流起爆炸藥X光照相實驗，提出了采用射流速度的平方與射流直徑之積作為射流沖擊起爆炸藥的臨界判據(jù)。但Mader等[4-5]采用森林之火計算模型，對Held[3]實驗進行了數(shù)值模擬時，發(fā)現(xiàn)在低于炸藥臨界射流起爆判據(jù)下，在射流頭部侵徹炸藥時產(chǎn)生的沖擊波傳播一定時間后也會起爆炸藥。他們認為這種起爆機制與射流直接的沖擊起爆在起爆時間上有區(qū)別。Chick等[6-7]進行了射流侵徹隔板起爆炸藥的實驗，采用X光照相技術(shù)觀測了炸藥中爆轟波的成長距離，發(fā)現(xiàn)在厚隔板情況下，射流穿過隔板侵徹進入炸藥后，不會直接起爆炸藥，而是在射流前端形成了彎曲形狀的前驅(qū)沖擊波，前驅(qū)沖擊波在傳入炸藥一定距離后才起爆炸藥。后來，Chick等[8]進一步發(fā)現(xiàn)，射流前端形成了前驅(qū)沖擊波起爆炸藥有兩種類型，一種是射流侵徹厚隔板時，在隔板中產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波起爆炸藥，另一種是在更厚隔板下，射流穿透隔板后在炸藥中產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波起爆炸藥。前驅(qū)沖擊波起爆炸藥時，爆轟波成長距離可達幾十毫米，時間可達數(shù)十微秒。Chick等[9-10]在總結(jié)大量實驗結(jié)果后，提出當(dāng)炸藥臨界傳爆直徑與射流直徑之比大于5時，才會在炸藥發(fā)生前驅(qū)沖擊波起爆，并給出了起爆臨界判據(jù)。Lawrence等[11]采用森林之火模型，對射流在炸藥中形成的前驅(qū)沖擊波起爆炸藥進行了數(shù)值模擬，認為這一現(xiàn)象只發(fā)生在超音速的小直徑射流侵徹炸藥情況下。Frey等[12]進行了射流侵徹厚隔板起爆炸藥數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隔板中前驅(qū)沖擊波比炸藥中前驅(qū)沖擊波的起爆炸藥時間更短。Mellor等[13]采用CREST燃燒反應(yīng)模型，計算分析了炸藥中前驅(qū)沖擊波對炸藥的起爆，發(fā)現(xiàn)從射流頭部到前驅(qū)沖擊波陣面，壓力逐漸下降，如果波陣面后沒有達到足夠的壓縮效率，就不能起爆炸藥，只有當(dāng)前驅(qū)沖擊波成長一定距離后，其陣面達到足夠的強度才能起爆炸藥，這與James等[14]的實驗結(jié)果相符。從現(xiàn)有研究情況看，人們已發(fā)現(xiàn)了射流侵徹隔板起爆炸藥，存在3種起爆機制，對于射流直接沖擊起爆和炸藥中前驅(qū)沖擊波起爆研究較多，而對隔板中前驅(qū)沖擊波起爆研究相對較少。另外，已有的射流起爆炸藥研究都沒考慮炸藥溫度對起爆過程的影響。

現(xiàn)有的研究表明，炸藥溫度升高后，其沖擊感度會發(fā)生顯著的變化。Schwartz[15]通過飛片撞擊加熱三氨基三硝基苯(TATB)炸藥的實驗，發(fā)現(xiàn)TATB炸藥沖擊感度增加。Urtiew等[16]在加熱奧克托今(HMX)炸藥沖擊起爆實驗中，發(fā)現(xiàn)HMX炸藥在高溫下的晶體相變會使其沖擊波感度大幅增加。Garcia等[17]發(fā)現(xiàn)炸藥溫度升高會導(dǎo)致1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(LLM-105)炸藥體積膨脹，從而提高了炸藥沖擊感度。Gustavsen等[18-20]通過測量加熱TATB炸藥沖擊起爆的粒子速度，發(fā)現(xiàn)溫度升高，縮短了炸藥的爆轟成長距離。Pi等[21]在炸藥驅(qū)動飛片沖擊起爆加熱六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)炸藥的實驗中，發(fā)現(xiàn)在高溫下CL-20炸藥晶型的改變，導(dǎo)致其沖擊波感度降低。Zhao等[22]發(fā)現(xiàn)黑索今(RDX)含鋁炸藥加熱導(dǎo)致粘合劑軟化，降低了炸藥的沖擊波感度。目前，人們對于高溫條件下以上幾種典型炸藥的沖擊起爆規(guī)律有一定的認識，但對于射流侵徹作用下，隔板中前驅(qū)沖擊波起爆加熱炸藥的規(guī)律還缺乏了解，不能夠為受熱彈藥在射流侵徹作用下，隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥的安全性分析和評價提供理論根據(jù)。

本文設(shè)計了聚能射流侵徹隔板起爆加熱炸藥的實驗裝置，采用對炸藥上下兩端加熱和側(cè)面保溫的方式，實現(xiàn)炸藥的均勻加熱和溫度的準確控制。通過雙脈沖閃光X光射線高速照相法，觀測射流侵徹和炸藥爆轟波的成長特征。在不同溫度和隔板厚度下對RDX含鋁炸藥進行了射流起爆實驗，分析比較了射流直接沖擊起爆與隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥的特征，及炸藥溫度對起爆過程的影響。建立考慮炸藥溫度變化起爆計算模型，對射流直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆加熱炸藥進行了數(shù)值模擬，給出了炸藥不同起爆機制的分界隔板厚度隨溫度變化的規(guī)律。

1 射流侵徹隔板起爆加熱炸藥實驗

設(shè)計的射流侵徹隔板起爆受熱炸藥實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由雷管、藥型罩、聚能裝藥、鋼隔板、被發(fā)炸藥、加熱器、保溫套、開槽鋁板和見證板等部分組成。金屬藥型罩和聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗中，金屬藥型罩聚能裝藥放置于距離鋼隔板正上方90 mm處，鋼隔板下面為被發(fā)藥柱，炸藥底面放置鋁板。在鋼隔板上表面和鋁板放置加熱片，對炸藥上下兩端加熱，在炸藥側(cè)面包裹巖棉，進行保溫。分別在鋼板和鋁板上表面以及炸藥側(cè)面安裝熱電偶，進行溫度測量，采用控溫儀通過熱電偶控制加熱炸藥的溫度[23]。首先對炸藥按照5 ℃/min升溫速率進行加熱，當(dāng)鋼板、鋁板和炸藥的溫度都達到預(yù)定溫度，并對炸藥保溫一段時間后，激發(fā)雷管起爆聚能裝藥，產(chǎn)生高速金屬射流，侵徹鋼隔板起爆炸藥。

圖1 射流侵徹隔板起爆受熱炸藥實驗裝置Fig.1 Experimental device for the jet penetrating the bulkhead to initiate heated explosives

圖2 金屬藥型罩和聚能裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of metallic liner and shaped charge

采用脈沖X光高速照相技術(shù)對射流侵徹隔板起爆炸藥進行實驗觀測，其示意圖如圖3所示。實驗測量系統(tǒng)由兩個X光出光管、防護墻、實驗裝置、防護板和底片部分組成。兩個出光管位置的角度呈直角，分別發(fā)射出X光從側(cè)面照射實驗裝置，在實驗裝置后面的底片上進行成像。根據(jù)不同密度物質(zhì)在底片上成像灰度變化，判斷其結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化。實驗時，通過放置在金屬藥型罩聚能裝藥上端面電離探針測量的電信號，作為X光源的啟動信號，通過對兩個出光管設(shè)置不同的出光延遲時間，來控制兩束X光對實驗過程的照相時間。

圖3 射流起爆炸藥的X光照相實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of X-ray radiograph for heated jet-initiating explosive experiment

金屬藥型罩聚能裝藥采用JO-8炸藥(炸藥配方質(zhì)量比：HMX∶粘結(jié)劑為95%∶5%)，裝藥密度為1.8 g/cm3. 實驗炸藥為φ60 mm×60 mm的RDX含鋁炸藥。鋼隔板直徑為150 mm，分別在5 mm和50 mm隔板厚度下，對不同溫度下的RDX含鋁炸藥進行射流起爆實驗。

2 射流侵徹隔板起爆加熱炸藥數(shù)值模擬

由于實驗研究數(shù)量的有限，并且只能觀測到單一時刻的射流和爆轟波的形態(tài)，難以對射流起爆炸藥機理和規(guī)律展開深入的分析。因此，采用基于非線性有限元的爆轟數(shù)值模擬方法[24]，對不同溫度炸藥的射流起爆規(guī)律進行計算。

計算模型中主要考慮了金屬藥型罩聚能裝藥、鋼隔板和RDX含鋁炸藥及周圍的空氣域，采用真空材料模型描述空氣域、高能炸藥模型和Jones-Wilkins-Lee(JWL)爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程描述HMX聚能裝藥，表1是HMX炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)。表1中：ρ0是初始密度；pCJ是爆壓；D是爆速；E0是初始內(nèi)能；A、B、R1、R2和ω是常數(shù)。采用Johnson-Cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述紫銅藥型罩。

表1 HMX炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

采用彈塑性流體力學(xué)材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述鋼板，表2是鋼隔板和紫銅藥型罩的材料模型參數(shù)。表2中：ρ是密度；G是剪切模量；C、s是常數(shù)；γ0是Grüneisen系數(shù)。采用考慮炸藥溫度變化的點火增長反應(yīng)速率方程和JWL狀態(tài)方程描述RDX含鋁炸藥的起爆。

表2 材料模型參數(shù)

點火增長反應(yīng)速率方程[25]為

(1)

式中：λ是炸藥反應(yīng)度；t是時間；ρ是密度；ρ0是初始密度；p是壓力；等號右邊第1項為點火項，常數(shù)I、a、x控制點火熱點的數(shù)量；后兩項為增長項和快速反應(yīng)項，增長項中G1(T)為炸藥反應(yīng)速率增長系數(shù)隨溫度T變化的函數(shù)，與常數(shù)c、d共同控制了點火后熱點早期的反應(yīng)生長，快速反應(yīng)項中常數(shù)G2、e、g、z確定高壓下炸藥反應(yīng)速率。

RDX含鋁炸藥模型參數(shù)中G1(T)與溫度T的擬合關(guān)系[22]：

(2)

未反應(yīng)炸藥和爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程[24]分別為

(3)

(4)

式中：pE和pp分別為炸藥初始壓力和產(chǎn)物壓力；VE和Vp分別為炸藥初始比容和產(chǎn)物比容；cv為熱容；T0和Tp分別為炸藥初始溫度和產(chǎn)物溫度。

采用文獻[22]中RDX含鋁炸藥的點火增長模型參數(shù)先對射流起爆炸藥實驗進行計算，通過計算結(jié)果與實驗的比較，驗證計算的準確性，然后對其他溫度和隔板厚度下的射流起爆過程進行計算，進一步分析直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆下，隔板厚度臨界值隨溫度變化的關(guān)系。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 聚能射流的特征

圖4是不同時刻模擬計算的射流形狀和頭部的位置與X光照相實驗結(jié)果的對比。在27.35 μs時，實驗中測量的頭部直徑是3.19 mm，計算的射流頭部直徑是3 mm，誤差為9.5%，計算與實驗測量的射流頭部形狀結(jié)果一致，表明計算能夠有效描述聚能射流的形成過程。通過不同時刻射流頭部的位置，可以得到射流飛行過程的速度。計算結(jié)果表明，射流頭部已經(jīng)飛行了距離初始藥型罩底部水平位置94.2 mm，此時射流形狀與速度已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，速度為8 876 m/s. 通過40 μs后不同時刻射流頭部的位置，可以測量出相應(yīng)時間區(qū)間內(nèi)射流的平均速度。在40.6 μs、64.7 μs、89.5 μs和115.1 μs下，實驗測量的對應(yīng)射流平均速度分別為8 075 m/s、7 987 m/s、7 871 m/s，計算得到的對應(yīng)射流平均速度分別為8 237 m/s、7 988 m/s、7 847 m/s，相對誤差分別僅為1.97%、0、0.31%，表明計算模型能夠有效描述聚能射流的形成過程。

圖4 不同時刻的模擬計算射流形狀和頭部位置與X光照相實驗結(jié)果對比Fig.4 Comparison of radiographed and simulated shaped-charge jets and tip position at different times

3.2 射流侵徹不同厚度隔板下炸藥的起爆特征

圖5是射流侵徹5 mm鋼隔板起爆25 ℃下炸藥，不同時刻射流和炸藥的X光照片。在28.70 μs時X光照片顯示，金屬射流已經(jīng)侵徹炸藥，爆轟波與金屬射流未分離，爆轟波和射流頭部距離藥柱上表面4.05 mm. 在31.04 μs時X光照片顯示，爆轟波與射流頭部繼續(xù)向下傳播，金屬射流已經(jīng)侵徹入炸藥13.03 mm，并在金屬射流頭部周圍的炸藥內(nèi)部形成球面的爆轟波，爆轟波前端與射流頭部的距離為11.24 mm，爆轟波明顯快于射流頭部。圖6是射流侵徹5 mm鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的不同時刻炸藥中心軸截面壓力分布。根據(jù)圖6中的壓力變化，可以看到爆轟波的成長過程。在28.2 μs時，射流頭部尚未穿透隔板，射流頭部的沖擊波已經(jīng)傳播到藥柱內(nèi)，在距離藥柱上表面2.25 mm處壓力達到36.1 GPa，表明炸藥已經(jīng)被起爆，形成了爆轟波。在28.7 μs時，球形的爆轟波繼續(xù)向下傳播，最大壓力有所降低，為23.5 GPa，射流頭部距離藥柱上表面4 mm，與相同時刻下實驗結(jié)果基本符合，而爆轟波前沿與射流頭部之間的距離變大，為3.25 mm. 在31.04 μs時，射流頭部進入炸藥14.5 mm，與實驗結(jié)果基本相符，爆轟波的形狀進一步擴大，即將達到藥柱的側(cè)面，最大壓力達到29.9 GPa，與實驗觀測到的爆轟波形狀基本一致，爆轟波基本達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 射流侵徹5 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥在不同時刻的射流和炸藥X光照片F(xiàn)ig.5 X-ray radiographs of a shaped-charge jet and explosive under jet penetrating 5-mm-thick bulkhead to initiate explosive at 25 ℃

圖6 射流侵徹5 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥在不同時刻的計算炸藥中心軸截面壓力分布Fig.6 Calculated pressure distributions along the central axis of longitudinal section of explosive at different times under jet penetrating 5-mm thick steel bulkhead to initiate explosive at 25 ℃

圖7是射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥不同時刻射流和炸藥的X光照片。圖7(a)是43.69 μs時射流和炸藥的X光照片，從圖中可以看出，金屬射流頭部已經(jīng)侵徹入炸藥12.91 mm，并在金屬射流的頭部前方形成爆轟波，爆轟波最前端距離藥柱上表面19.70 mm. 圖7(b)是在45.95 μs時射流和炸藥X光照片，爆轟波繼續(xù)向下傳播。射流頭部與爆轟波的距離增加到14.72 mm，爆轟波傳播速度明顯快于射流頭部。圖8是射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的不同時刻炸藥中心軸縱截面壓力分布，從圖中可以看到爆轟波成長過程。在41.5 μs時，射流頭部在侵徹隔板過程中，前驅(qū)沖擊波與射流頭部分離，傳播至炸藥內(nèi)部。在頭部前方約5.75 mm壓力達到9.25 GPa，表明炸藥在此處發(fā)生起爆，形成起爆區(qū)域。在41.8 μs時，射流頭部繼續(xù)侵徹隔板，在距離藥柱上表面約8.0 mm處形成爆轟波，爆轟波壓力成長到16 GPa，低于穩(wěn)態(tài)爆轟壓力。在43.69 μs時，曲面爆轟波的形狀進一步擴大，分別向藥柱兩側(cè)傳播。爆轟波已經(jīng)傳播到炸藥21.25 mm處，與實驗觀測到的爆轟波位置基本一致，爆轟波壓力達到32.2 GPa. 在45.95 μs時，爆轟波已經(jīng)傳播到炸藥側(cè)面，最大壓力達到32.9 GPa.

圖7 射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥在不同時刻的射流和炸藥X光照片F(xiàn)ig.7 X-ray radiographs of a shaped-charge jet and explosive under jet penetrating 50-mm-thick bulkhead to initiate explosive at 25 ℃

圖8 射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥在不同時刻的計算炸藥中心軸截面壓力分布Fig.8 Calculated pressure distributions along the central axis of longitudinal section of explosive at different times under jet penetrating 50-mm-thick bulkheads to initiate explosive at 25 ℃

圖9是射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的不同時刻下沿炸藥中心軸的壓力分布，從圖中不同時刻壓力隨炸藥深度變化可以看出射流起爆的特征。當(dāng)41.8 μs時，在炸藥1.5 mm處產(chǎn)生約24.29 GPa的壓力，這是此時射流頭部的壓力。隨著炸藥距離的增加，在距離炸藥上表面5.32 mm處壓力逐漸降低至7.5 GPa，到8 mm處壓力升高到16 GPa，隨后壓力突然下降為0 GPa，表明在8 mm處炸藥已經(jīng)被起爆。當(dāng)42.4 μs時，射流頭部在3.74 mm處壓力約為22.43 GPa，隨后壓力逐漸降低，當(dāng)距離約為7.9 mm時，壓力下降到大約7.09 GPa，這與41.8 μs時的壓力變化趨勢相同。隨后在12 mm處壓力逐漸緩慢增加，然而，在炸藥內(nèi)12.48 mm處，壓力突然升高到24.58 GPa，炸藥發(fā)生了爆轟反應(yīng)，表明了射流頭部產(chǎn)生的沖擊波可以追趕上前驅(qū)沖擊波，提供能量可支持炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)，這是隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥的重要條件。因此，從50 mm鋼隔板和25 ℃時計算的炸藥中心軸截面壓力隨炸藥深度變化，認為25 ℃和50 mm鋼隔板下，射流起爆炸藥的機制是隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥。

圖9 射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥在不同時刻的計算下沿炸藥中心軸壓力分布Fig.9 Calculated pressure distributions along the central axis of explosive at different times under jet penetrating 50-mm-thick bulkhead to initiate explosive at 25 ℃

圖10是射流分別侵徹5 mm厚和50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的不同時刻射流頭部和爆轟波位置，以炸藥未被侵徹時上表面作為距離原點。從圖10中不同時刻射流頭部和爆轟波的位置可以獲得直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥的特征。圖10(a)是射流侵徹5 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的射流頭部和爆轟波位置隨時間變化。由圖10(a)可以看出，射流頭部侵徹隔板達到炸藥上表面時，沖擊波與射流頭部未分離，沖擊波在炸藥上表面直接起爆炸藥，隨后成長為爆轟波，炸藥中爆轟波傳播速度明顯高于射流頭部在炸藥中的侵徹速度，是直接沖擊起爆。圖10(b)是射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥計算的不同時刻射流頭部和爆轟波位置，可以看出41.7 μs時，射流頭部并未穿透隔板，在炸藥內(nèi)部7.25 mm處形成爆轟波，表明炸藥此時被起爆。與直接沖擊起爆相比，隔板中前驅(qū)沖擊波起爆炸藥機制明顯不同，前驅(qū)沖擊波在射流頭部侵徹隔板時，傳播到炸藥中，并經(jīng)過一定時間后在一定距離處起爆炸藥。

圖10 射流分別侵徹5 mm厚和50 mm厚鋼隔板起爆25 ℃下炸藥的計算射流頭部和爆轟波距離隨時間變化Fig.10 Calculated distance of jet and detonation wave at different times under jet penetrating 5-mm- and 50-mm-thick bulkheads to initiate explosive at 25 ℃

以上結(jié)果表明，射流侵徹薄隔板直接沖擊起爆炸藥時，前驅(qū)波在隔板中產(chǎn)生，強度較高，與射流頭部不分離，射流頭部到達炸藥上表面時具有很高的壓力，在極短時間內(nèi)起爆炸藥，沖擊波成長為爆轟波，爆轟波首先在射流頭部附近的炸藥中產(chǎn)生，呈半球形。而射流侵徹厚隔板時，存在隔板中的前驅(qū)沖擊波起爆機制，射流頭部在侵徹隔板時，射流頭部產(chǎn)生的前驅(qū)波與射流頭部分離，前驅(qū)波先于射流頭部到達炸藥表面，前驅(qū)沖擊波傳播到炸藥中，并在一定深度處起爆炸藥。爆轟波距離射流頭部較遠，爆轟波成長距離和起爆時間相對薄隔板下均較長。爆轟波呈前凸?fàn)?，還可能存在回爆波的現(xiàn)象[8]。

3.3 不同厚度隔板下射流侵徹不同溫度下炸藥的起爆特征

圖11是射流侵徹5 mm厚隔板起爆不同溫度下炸藥31.04 μs時射流和炸藥X光照片與計算的炸藥中心軸截面壓力分布，圖中顯示炸藥爆轟波的傳播特征25 ℃炸藥下基本相同，屬于薄隔板下的射流直接沖擊起爆。但是在相同時刻下，75 ℃時爆轟波的傳播距離比25 ℃炸藥短，表明其沖擊波感度有所降低，90 ℃與75 ℃時相比，炸藥爆轟波的傳播距離稍短，表明90 ℃與75 ℃相比，炸藥沖擊波感度繼續(xù)降低。圖12是射流侵徹50 mm厚鋼隔板起爆不同溫度下炸藥47.4 μs時射流和炸藥X光照片與計算的炸藥中心軸截面壓力分布，存在回爆波現(xiàn)象，爆轟波的傳播特征也與25 ℃基本相同。然而，78 ℃時爆轟波的傳播距離比25 ℃相同時刻縮短大約2 mm，表明了75 ℃與25 ℃相比，炸藥沖擊感度降低，103 ℃時爆轟波的傳播距離縮短了大約4 mm，同樣表明了隨著溫度的繼續(xù)升高，炸藥的沖擊波感度再降低。

圖11 射流侵徹5 mm厚隔板起爆不同溫度下炸藥在31.04 μs時射流和炸藥X光照片與計算的炸藥中心軸縱截面壓力分布Fig.11 Jet and explosive X-ray radiographs and calculated pressure distributions along the central axis of longitudinal section under jet penetrating 5-mm-thick bulkhead to initiate explosive at different explosive temperatures at 31.04 μs

圖12 射流侵徹50 mm厚隔板起爆不同溫度下炸藥在47.4 μs時射流和炸藥X光照片與計算的炸藥中心軸截面壓力分布Fig.12 Jet and explosive X-ray radiographs and calculated pressure distributions along the central axis of longitudinal section under jet penetrating 50-mm-thick bulkhead to initiate explosive at different explosive temperatures at 47.4 μs

表3是射流分別侵徹5 mm厚和50 mm厚鋼隔板起爆不同溫度下炸藥實驗測量的射流頭部和爆轟波距離。從表3中可以看出：當(dāng)鋼隔板厚度為5 mm時，隨著炸藥溫度從25 ℃升高至90 ℃，射流頭部距離和爆轟波距離均增加，表明了炸藥在25～90 ℃內(nèi)，炸藥沖擊感度隨著溫度增加而降低；當(dāng)鋼隔板厚度為50 mm時，25 ℃時射流頭部距離為22.75 mm，78 ℃時增加了1.8 mm，為24.55 mm，這可能是由于偶然誤差所造成的，103 ℃時又降低到20.83 mm. 然而，爆轟波距離隨著溫度升高而縮短，也表明了炸藥感度隨著溫度增加而降低。這主要是因為在25～111 ℃范圍，主要由于粘結(jié)劑受熱軟化，導(dǎo)致沖擊感度隨著溫度增加而減小。而111～150 ℃范圍，主要是由于加熱RDX炸藥本身沖擊感度增加，使沖擊感度隨著溫度增加而增加[22]。

表3 射流分別侵徹5 mm厚和50 mm厚鋼隔板起爆不同溫度下炸藥實驗測量的射流頭部和爆轟波距離

3.4 炸藥溫度和隔板厚度對爆轟波成長的影響

根據(jù)點火增長模型中G1與溫度的變化關(guān)系，對不同隔板厚度和炸藥溫度下射流起爆炸藥過程進行大量數(shù)值模擬計算，計算了不同溫度炸藥在射流直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆兩種射流起爆機制下的隔板厚度臨界值。圖13是兩種起爆機制下，不同溫度炸藥分界隔板厚度及其擬合的線性關(guān)系。從圖13(a)中可以看出，直接沖擊起爆機制下：在25～111 ℃溫度范圍內(nèi)，隔板厚度臨界值隨溫度增加而線性減??；在111～150 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，隔板厚度臨界值增加。其分段擬合的線性關(guān)系式為

(5)

式中：dci為直接沖擊起爆下鋼板厚度(mm)。當(dāng)炸藥溫度為25 ℃時，直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆隔板厚度分界值為27 mm，其入射壓力分界值為5.13 GPa.

圖13 射流直接沖擊起爆和隔板中前驅(qū)沖擊波起爆下不同溫度炸藥臨界隔板厚度及其擬合的線性關(guān)系Fig.13 Bulkhead-thickness threshold of different explosive temperatures and fitted linear relationships for impact initiation and initiation caused by shock waves formed in bulkhead

圖13(b)是隔板中前驅(qū)沖擊波起爆機制下，不同溫度炸藥的分界隔板厚度及其擬合的線性關(guān)系。在25～111 ℃溫度范圍內(nèi)，隔板厚度臨界值隨溫度增加而線性降低；在111～150 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度繼續(xù)升高，隔板厚度閾值也增加。其分段擬合的線性關(guān)系式為

(6)

式中：dcs為隔板中前驅(qū)沖擊波起爆下鋼板厚度(mm)。當(dāng)炸藥溫度為25 ℃時，隔板中前驅(qū)沖擊波起爆和彎曲波起爆的隔板厚度分界值為80 mm，其入射壓力分界值為3.1 GPa.

通過(5)式和(6)式，可以對不同殼體厚度下，射流起爆不同溫度炸藥裝藥的爆炸安全性進行分析。

4 結(jié)論

本文采取射流侵徹鋼板起爆加熱炸藥的實驗方法，可以精確控制炸藥溫度，能夠?qū)訜嵴ㄋ庍M行射流起爆實驗?；陔p脈沖X光照相技術(shù)，獲得射流起爆加熱炸藥的爆轟波形狀和傳播特征。建立了考慮炸藥溫度變化的射流起爆炸藥計算模型，對射流侵徹隔板起爆炸藥進行數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1)在薄隔板下，射流起爆炸藥屬于直接沖擊起爆機制，起爆位置在炸藥表面附近，而在厚隔板下，屬于隔板中前驅(qū)沖擊波起爆機制，射流頭部未穿透隔板，起爆位置距離炸藥表面有一定距離；入射壓力高于5.13 GPa為直接沖擊起爆，入射壓力介于5.13 GPa和3.1 GPa間是隔板中前驅(qū)波起爆，入射壓力高于2 GPa，并且低于3.1 GPa時，屬于炸藥中彎曲波起爆，低于2 GPa炸藥均不發(fā)生爆轟。

2)RDX含鋁炸藥溫度對其射流沖擊起爆感度有很大影響，25～111 ℃溫度范圍，主要由于粘結(jié)劑受熱軟化，黑索金含鋁炸藥對沖擊波的阻抗降低，隨著溫度升高，炸藥對射流的沖擊感度降低，導(dǎo)致沖擊感度隨溫度增加而減小。而111～150 ℃溫度范圍，主要是由于加熱RDX炸藥本身沖擊感度增加，使炸藥對射流的沖擊感度隨著溫度增加而增加。

3)采用考慮炸藥溫度的數(shù)值模擬計算方法，考慮了起爆模型中主要參數(shù)隨著溫度分段變化的規(guī)律，能夠?qū)Σ煌訜釡囟认抡ㄋ幍纳淞鳑_擊起爆進行預(yù)測計算。