沈 飛，羅一鳴，余文力，王煊軍

(1.火箭軍工程大學，陜西 西安 710025；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引言

同軸雙元裝藥是戰(zhàn)斗部裝藥工程中常見的一種裝藥方式，早期主要采用不敏感炸藥包裹高能炸藥形成同軸式圓柱結(jié)構，以提升戰(zhàn)斗部不敏感性能[1]。近年來，國內(nèi)外一些研究人員嘗試采用該裝藥結(jié)構調(diào)節(jié)戰(zhàn)斗部整體裝藥的釋能規(guī)律，以提升其爆炸威力或兼顧對不同目標的毀傷能力[2-6]，現(xiàn)已成為戰(zhàn)斗部裝藥設計領域關注的熱點之一。

工程中設計該類裝藥的常見思路是選用兩種不同爆速的炸藥進行組合，且爆速偏低的炸藥為高爆熱的含鋁炸藥。高爆熱炸藥可提升整體裝藥的總能量，同時，在高爆速炸藥持續(xù)的強激發(fā)下，高爆熱炸藥可能會形成一定程度的強爆轟，從而有望提高能量的釋放速率[4]。因此，高爆熱炸藥發(fā)生強爆轟的程度及分布區(qū)域便成為同軸雙元裝藥結(jié)構設計時需考慮的關鍵問題之一。通過狹縫掃描法獲取裝藥整體爆轟波形并據(jù)此分析其爆速分布特征是研究裝藥強爆轟區(qū)域分布的重要方法，一些研究人員也開展了相關的工作，如Manfred Held[7]設計了Octol炸藥(C-J爆速8.3mm/μs)包裹TNT炸藥的同軸雙元裝藥，觀測了裝藥端面的爆轟波陣面，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外層裝藥的爆轟波發(fā)生了耦合，形成整體聚心波形，TNT炸藥沿裝藥軸向的滑移爆轟速度(以下簡稱“滑移爆速”)大幅提升；沈飛等[8]針對DNTF基熔鑄炸藥制備的同軸雙元裝藥進行了類似的波形掃描試驗，發(fā)現(xiàn)高爆速炸藥的滑移爆速幾乎不變，并受兩種炸藥爆速差的影響而逐漸改變低爆速炸藥的爆轟波形，且在波形被改變的區(qū)域，其滑移爆速均顯著提升；周濤等[9]采用電探針測速法測量了兩種同軸裝藥內(nèi)外層炸藥沿軸向的滑移爆速，發(fā)現(xiàn)兩種裝藥中，低爆速炸藥的滑移爆速均有明顯提升，尤其是高爆速炸藥包裹低爆速炸藥的工況中提升幅度更大。

然而，滑移爆速只是在裝藥軸向觀測的爆轟波傳播速度，其量值與觀測的角度相關，高爆熱炸藥滑移爆速的提升可能并不意味著發(fā)生了強爆轟，還需要結(jié)合爆轟波沿波陣面法向的傳播速度(以下簡稱“法向爆速”)進行分析。此外，Anderson等[10-11]在雙元平板裝藥中的研究成果也對兩種炸藥的耦合激發(fā)過程帶來了一些新的認識，他們發(fā)現(xiàn)，兩種不同爆速的炸藥平行傳播時，雖然兩種炸藥的滑移爆速與高爆速炸藥近乎一致，但在交界面處存在高爆速炸藥已反應區(qū)域從垂直方向?qū)Φ捅僬ㄋ幬捶磻獏^(qū)域形成橫向起爆的現(xiàn)象，并在低爆速炸藥交界面附近存在一個初始激發(fā)區(qū)域，該區(qū)域的法向爆速較低，爆轟釋能速率也偏低[12]，而其他區(qū)域的法向爆速仍等于自身的C-J爆速，即屬于穩(wěn)態(tài)爆轟。對于同軸型雙元裝藥而言，兩種炸藥交界面處應該也存在這樣的初始區(qū)域，但是該區(qū)域的范圍可能會發(fā)生改變；此外，與平板雙元裝藥明顯不同的是，位于同軸雙元裝藥內(nèi)層或外層的高爆熱炸藥被橫向起爆后，其爆轟波的傳播還受到結(jié)構曲率、爆轟波匯聚等方面的影響，導致其脫離初始區(qū)域后，不一定發(fā)展為穩(wěn)態(tài)爆轟，可能還會出現(xiàn)強爆轟，這將會對整體裝藥的爆轟釋能速率產(chǎn)生顯著影響。為了進一步探討該問題，本研究采用不同爆速的DNTF基炸藥、DNAN基含鋁炸藥制備出高爆速炸藥包裹低爆速炸藥、低爆速炸藥包裹高爆速炸藥的兩類典型同軸雙元裝藥試樣，獲取其爆轟波形的演變過程、沿軸向的滑移爆速等，然后分析爆轟波陣面的偏轉(zhuǎn)角、曲率及法向爆速等在裝藥橫截面分布規(guī)律，判斷不同區(qū)域的爆轟強度，以期能為同軸雙元組合裝藥釋能速率的深入研究及結(jié)構的優(yōu)化設計提供技術支撐。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品制備時涉及兩種熔鑄類炸藥，其中，高爆速炸藥采用DNTF基含鋁炸藥DOL，其組分為DNTF/HMX/Al/鈍感劑，鋁粉質(zhì)量分數(shù)為5%；低爆速炸藥采用DNAN基含鋁炸藥DRLU，其組分為DNAN/RDX/AP/Al，鋁粉質(zhì)量分數(shù)為30%。兩種炸藥的性能參數(shù)列于表1。

表1 兩種炸藥的性能參數(shù)

試樣分為A和B兩類典型同軸雙元裝藥結(jié)構，結(jié)構A為高爆速炸藥包裹低爆速炸藥，結(jié)構B為低爆速炸藥包裹高爆速炸藥。所有試樣均為Φ50mm圓柱形，其中，內(nèi)層裝藥為Φ35mm，內(nèi)外層裝藥的質(zhì)量比約為1，試樣的結(jié)構組成及參數(shù)列于表2，圖1為典型試樣裝配后的照片。鑒于很多殺爆戰(zhàn)斗部裝藥的長徑比近似為2，故試樣長度選用100mm，而試樣1和2的長度偏短，主要是用于研究試樣3爆轟波形的演變過程。所有試樣均粘接一個Φ50mm炸藥平面透鏡，以確保試樣起爆時的爆轟波形具有較高的平面度。

表2 裝藥試樣的結(jié)構類型及參數(shù)

圖1 試樣實物圖

1.2 試驗布局

試驗前，在待測裝藥的測量端面粘貼1mm厚的有機玻璃光探板以提升爆轟波陣面圖像的空間分辨率，然后按照圖2對試驗場地進行布局。待測裝藥固定于木制支架的“V”形槽內(nèi)，以減小邊界約束條件對爆轟波形的影響；SJZ-15型轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機的狹縫觀測線與裝藥直徑方向的光路重合，以記錄裝藥尾部端面的爆轟波形，相機轉(zhuǎn)速設定為1.2×105r/min，其對應的掃描速度為6mm/μs。此外，將兩根斷通式電探針分別置于裝藥兩端的高爆速炸藥對應區(qū)域，兩根電探針導通的時間差即為爆轟波到達端面的最短時間，也可據(jù)此計算出高爆速炸藥在該裝藥結(jié)構中沿軸向的滑移爆速。

圖2 實驗裝置示意圖

2 結(jié)果及討論

2.1 藥柱端面爆轟波形及數(shù)據(jù)處理方法

圖3為不同試樣的爆轟波形掃描試驗所獲圖像，圖像左側(cè)為爆轟波陣面的前端面，采用高精度比長儀對圖像左側(cè)的黑白分界線進行數(shù)字化判讀，并結(jié)合相機的掃描速度及底片的放大比，便可得到爆轟波到達裝藥端面不同位置處的相對時間差。

圖3 不同試樣的爆轟波形掃描照片

為便于后續(xù)分析，可選擇爆轟波最早到達裝藥端面的時刻(該位置處于高爆速炸藥區(qū)域)作為零時刻，選擇裝藥軸線對應的位置作為縱坐標的零點，則可獲得裝藥端面不同半徑R與爆轟波延遲到達時間Δt之間的關系曲線，即R—Δt數(shù)據(jù)曲線。再結(jié)合高爆速炸藥兩端的電探針導通時間差t0，則可獲得該裝藥不同半徑處沿軸向的滑移爆速Da值，即：

(1)

而對于研究波形演變過程的試樣(結(jié)構相同、長度不同)，如計算試樣2和3的Da值時，可采用式(2)：

(2)

式中：j表示試樣的編號。若試樣2和3與端面波形相近，則不同半徑處的Da值已基本穩(wěn)定。

為構建爆轟波陣面的幾何曲線，令x=Da·Δt，則可將R—Δt數(shù)據(jù)曲線轉(zhuǎn)換為R—x數(shù)據(jù)曲線，便于后續(xù)進行擬合、微分等數(shù)據(jù)處理。由于同軸多元裝藥的爆轟波陣面形狀受結(jié)構因素影響較大，與單一炸藥藥柱的擬定態(tài)波形有顯著差異，目前還沒有明確的波陣面曲線擬合公式，因此，可采用常用的正交多項式函數(shù)進行擬合，確保R—x曲線的擬合精度。

爆轟波陣面的各物理量存在圖4所示的幾何關系。圖中DF為高爆速炸藥沿裝藥軸向的滑移爆速，由于高爆速炸藥主要為平面波，因此，DF也等于其法向爆速；θ為爆轟波陣面的偏轉(zhuǎn)角，即波陣面法向與裝藥軸向的夾角；Da、Dn分別為低爆速炸藥的滑移爆速、法向爆速。

圖4 爆轟波陣面參數(shù)關系圖

根據(jù)圖4中的物理量關系，可獲得如下關系式[13]：

θ=arctan(dx/dR)

(3)

(4)

完成R—x曲線的擬合處理后，可根據(jù)式(3)和式(4)計算出相應的物理量分布情況。對于爆轟波陣面上當?shù)仄骄师实淖兓?，可采用?5)計算：

(5)

2.2 聚心波形的演變過程及基本特性

針對高爆速炸藥包裹低爆速炸藥的同軸雙元裝藥(結(jié)構A)所產(chǎn)生的聚心波形，為了研究其演變過程，選擇3種不同長度的試樣分別進行試驗，其中，試樣1和試樣2的長度分別約為試樣3的1/3及2/3。根據(jù)高爆速炸藥區(qū)域兩端的電探針導通時間差t0計算出該類試樣中，DOL炸藥沿軸向的滑移爆速約為8.52mm/μs，略低于該炸藥的C-J爆速(8.65mm/μs)，這可能是由于外層DOL炸藥的厚度(僅為7.5mm)較小，受側(cè)向稀疏波干擾所致。圖5(a)為這3種試樣的爆轟波形R—Δt數(shù)據(jù)曲線，再結(jié)合式(1)或式(2)，可計算出不同半徑處的滑移爆速，如圖5(b)所示。從圖5(b)可以看出，該類同軸雙元裝藥中，內(nèi)層炸藥的滑移爆速隨著傳播距離的增加存在顯著的增長并穩(wěn)定的過程，最終整個波陣面的軸向速度與外層炸藥的爆速幾乎相同。結(jié)合Da—R曲線及R—Δt曲線，可獲得爆轟波陣面的幾何曲線，如圖5(c)所示。從圖5(c)可以看出，試樣2和試樣3的波形幾乎重合，說明該類同軸雙元裝藥的爆轟波傳播至長徑比為0.66～1.3之間的某個位置時，整體波形便已達到穩(wěn)定狀態(tài)；在兩種炸藥的交界面附近區(qū)域，試樣1與試樣3的波形也較為吻合，說明整個波形并不是隨著傳播距離的增加而實現(xiàn)所有區(qū)域同時到達穩(wěn)定狀態(tài)，而是局部穩(wěn)定，然后逐漸擴大穩(wěn)定區(qū)域，試樣1的長徑比雖然僅為0.66，但內(nèi)層炸藥的穩(wěn)定區(qū)域已覆蓋交界面至R=13mm的范圍，該區(qū)域的炸藥質(zhì)量占內(nèi)層炸藥的55%。

建立波形的R—x曲線后，可根據(jù)式(3)和式(4)計算出波陣面的偏轉(zhuǎn)角、法向爆速等參量。圖5(d)為偏轉(zhuǎn)角θ的分布曲線，可以看出，在兩種炸藥的交界面處(R=17.5mm)，波陣面的偏轉(zhuǎn)角接近50°，這顯然是DOL炸藥對DRLU炸藥的橫向起爆所致，然后偏轉(zhuǎn)角迅速下降，至軸線附近時，其數(shù)值接近0；試樣1與試樣3的波形偏轉(zhuǎn)角在內(nèi)層DRLU炸藥的中部區(qū)域差異顯著，這主要是由于軸線附近的爆轟波會發(fā)生碰撞及匯聚，從而形成強爆轟，其較高的爆速又反向影響其外側(cè)區(qū)域，這使得試樣3波形的偏轉(zhuǎn)角在中間區(qū)域會產(chǎn)生一個明顯的拐點。從圖5(c)也可以看出這一趨勢，7.5mm

圖5(e)為法向爆速Dn的分布曲線，對比圖中試樣1和試樣3的曲線可以看出，8mm

圖5 聚心爆轟波傳播時的參量分布曲線

2.3 散心波形的基本特性

對于低爆速炸藥包裹高爆速炸藥的同軸雙元裝藥(結(jié)構B)所產(chǎn)生的散心波形，本研究中主要基于試樣4的波形參量進行分析。根據(jù)高爆速炸藥區(qū)域兩端的電探針導通時間差t0，計算出該試樣中DOL炸藥的滑移爆速約為8.61mm/μs，近似其C-J爆速。對于長徑比為2的裝藥，其端面的波形已基本穩(wěn)定，整體裝藥的滑移爆速與DOL相同，則根據(jù)試驗獲得的R—Δt曲線可獲得爆轟波陣面的幾何曲線，如圖6(a)所示。從圖6(a)可以看出，內(nèi)層DOL炸藥的爆轟波陣面主要仍為平面波形，僅在兩種炸藥的交界面附近有一定彎曲；外層DRLU炸藥的波陣面長度與圖5(c)所示的試樣3相近，約為9mm。

圖6 散心爆轟波的參量分布曲線

根據(jù)式(3)和式(4)可計算出外層DRLU炸藥的波陣面偏轉(zhuǎn)角θ及法向爆速Dn的分布曲線，如圖6(b)所示。從圖6(b)可以看出，在交界面處(R=17.5mm)的偏轉(zhuǎn)角約為55°，然后隨著半徑R的增大而逐漸降低至30°，其下降速率低于試樣3，說明其波陣面較試樣3的內(nèi)層DRLU炸藥更為平坦。法向爆速Dn從5.0mm/μs逐漸增至7.4mm/μs，根據(jù)其分布情況，可將外層DRLU炸藥劃分為兩個區(qū)域，17.5mm

2.4 兩種裝藥爆轟波的Dn(κ)關系對比

通過對圖5(e)及圖6(b)的分析，對兩種典型同軸雙元裝藥試樣的爆轟區(qū)域進行了劃分，雖然當兩種炸藥的C-J爆速差、藥量比、裝藥尺寸等發(fā)生變化時，各區(qū)域的范圍會發(fā)生一定的變化，但從定性的角度看，當同軸雙元裝藥的整體爆轟波達到穩(wěn)定狀態(tài)后，其爆轟區(qū)域的劃分規(guī)律仍是適用的，其組成示意圖如圖7所示。

圖7 典型同軸雙元裝藥不同爆轟區(qū)域示意圖

圖中主要關注低爆速炸藥中發(fā)生強爆轟的區(qū)域，結(jié)構A中的強爆轟區(qū)域面積及強度均大于結(jié)構B，原因不僅包括其受到外層高爆速炸藥和軸線處匯聚波同時作用，還包括其所處位置的曲率較大，這能夠促使爆轟波的相互作用，提升其爆轟強度。

為了更直觀地對比兩種裝藥中的低爆速炸藥爆轟強度與波陣面曲率κ的關系，可采用式(5)對試樣3和4的數(shù)據(jù)進行分析，同時采用Dn/Ds反映爆轟波的強度，其中，Ds表示低速炸藥的C-J爆速，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種同軸雙元裝藥試樣的Dn(κ)關系曲線

從圖8可以看出，DRLU炸藥的法向爆速隨著波陣面曲率的增大而逐漸增至高爆速炸藥的C-J爆速，即波陣面陡峭處的爆轟強度較高，波陣面平坦處的爆轟強度偏低；對于發(fā)生強爆轟(Dn/Ds>1)的區(qū)域，試樣3的曲率范圍較大，其最大曲率接近0.5，遠遠大于試樣4，結(jié)合圖5(e)可判讀大曲率范圍處于軸線附近?？梢灶A測，當裝藥尺寸增大時，對于結(jié)構A式的同軸雙元裝藥，其波陣面陡峭處可能仍局限在裝藥軸線附近，而其余大部分區(qū)域的波陣面則可能受裝藥半徑的影響而變得更為平坦，從而降低其爆轟強度；而對于結(jié)構B式的同軸雙元裝藥，爆轟強度的下降可能會使初始激發(fā)層以外的區(qū)域進入穩(wěn)態(tài)爆轟狀態(tài)。當然，這是否會使裝藥的釋能速率產(chǎn)生顯著的尺寸效應，還有待進一步的研究。

3 結(jié) 論

(1)爆轟波傳播過程中，爆轟波形的演變主要發(fā)生在低爆速炸藥中，且在兩種炸藥的交界面附近區(qū)域最先達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后逐漸擴大穩(wěn)定范圍；波形穩(wěn)定后，低爆速炸藥的軸向速度等于高爆速炸藥。

(2)兩種炸藥的交界面附近，低爆速炸藥由于受高爆速炸藥的橫向激發(fā)，出現(xiàn)一定厚度的初始區(qū)域，該區(qū)域的法向爆速低于其C-J爆速，且結(jié)構A中初始區(qū)域的藥量約占低爆速炸藥的36%，而結(jié)構B中，該比例提升至77%。

(3)從兩種炸藥的交界面向內(nèi)，可將結(jié)構A中的低爆速炸藥依次劃分為初始區(qū)域、強爆轟區(qū)域和匯聚區(qū)域，其波形曲率逐漸增大，法向爆速提高，其中，匯聚區(qū)域的藥量僅占低爆速炸藥藥量的5%，但其爆轟強度高，其法向爆速與高爆速炸藥相同，可與高爆速炸藥聯(lián)合提高其他區(qū)域的反應速率；從兩種炸藥的交界面向外，可將結(jié)構B中的低爆速炸藥依次劃分為初始區(qū)域、強爆轟區(qū)域，但該強爆轟區(qū)域的爆轟強度明顯低于結(jié)構A。