BNCP驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)值模擬

覃文志，龍新平，何 碧，蔣小華

（1.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng)，621900；2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng)，621900）

BNCP（高氯酸[四氨·雙(5-硝基四唑)]合鈷(Ⅲ)）以其較低的感度和優(yōu)異的爆轟性能受到廣泛關(guān)注，在激光起爆器、半導(dǎo)體橋雷管等多種火工品中得到應(yīng)用[1]，但其爆轟性能方面的研究還不夠豐富。本文嘗試對(duì)BNCP驅(qū)動(dòng)飛片速度進(jìn)行研究。

光纖位移干涉儀[2](Displacement Interferometer System for Any Reflector, DISAR) 是一種新的位移和速度測(cè)量技術(shù)，國(guó)外 Jaroszewicz[3]和 Strand等人[4-5]對(duì)DISAR進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)王德田等人[6]采用DISAR對(duì)爆炸加載尺寸為Ф60mm×2mm的飛片速度進(jìn)行了測(cè)試，獲得信噪比很好的速度曲線。本文采用DISAR對(duì)BNCP驅(qū)動(dòng)飛片進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用VLW狀態(tài)方程程序計(jì)算獲取JWL狀態(tài)方程參數(shù)[7-8]，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)飛片進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 飛片速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在裝藥環(huán)中裝填的BNCP藥柱尺寸為 Ф3mm×8mm，炮孔尺寸為 Ф2.5mm×1.5mm，飛片材料為鈦，厚度 0.1mm。測(cè)試前在飛片表面鍍了一層約 3μm 厚的鋁膜，以增強(qiáng)其反光性能。

圖1 DISAR測(cè)飛片速度裝置Fig.1 Experimental device for flyer velocity

實(shí)驗(yàn)所用的DISAR系統(tǒng)采用的光纖激光器基于半導(dǎo)體激光器的MOPA（Mail Oscillation Power Amplifying，主振蕩功率放大）技術(shù)，具有窄線寬、高輸出功率、優(yōu)秀的波長(zhǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楦缮嫫鳒y(cè)速系統(tǒng)提供一定相干長(zhǎng)度的穩(wěn)定激光源。測(cè)試所采用的光纖探頭采用光纖微透鏡結(jié)構(gòu)，尺寸為M5×10mm，并具有長(zhǎng)達(dá)35mm的測(cè)量景深。

測(cè)試時(shí)首先將光纖探頭與炮孔中心對(duì)準(zhǔn)，以便使光線能夠反射回探頭。探頭與飛片的距離約為25mm。

1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

分別對(duì) BNCP 裝藥密度為 1.645g/cm3和 1.623 g/cm3下的2發(fā)裝置進(jìn)行了測(cè)試，獲得的原始干涉信號(hào)如圖2所示（僅以第1發(fā)為例）：

圖2 DISAR干涉信號(hào)Fig.2 Interference signal of the DISAR

圖3所示曲線為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的2發(fā)裝置的飛片速度曲線。

從圖3中可以看出，在初始階段兩種裝藥密度下驅(qū)動(dòng)飛片的速度增長(zhǎng)幾乎一致，在1.5μs后1.645g/cm3BNCP的裝置驅(qū)動(dòng)的飛片仍有明顯的速度增長(zhǎng)，而1.623 g/cm3BNCP的裝置的飛片速度增長(zhǎng)則變得緩慢，在約2.1μs時(shí)2發(fā)裝置的飛片速度均達(dá)到最大值，分別為3 417m/s和3 318m/s。

圖3 飛片速度曲線Fig.3 The measured flyer velocity curves

2 JWL狀態(tài)方程參數(shù)的理論計(jì)算

JWL狀態(tài)方程是典型的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程，能夠比較精確地反映炸藥爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動(dòng)做功過(guò)程。其形式為[9]：

式（1）中：P為爆轟產(chǎn)物的壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容；E為炸藥的能量密度；A、B、R1、R2、ω為參數(shù)，通常通過(guò)圓筒試驗(yàn)測(cè)定金屬外殼在炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)情況下的膨脹過(guò)程，結(jié)合數(shù)值模擬來(lái)確定。但對(duì)于較為敏感的起爆藥，采用圓筒實(shí)驗(yàn)標(biāo)定JWL狀態(tài)方程參數(shù)會(huì)存在一定的安全隱患。因此，本文采用VLW程序計(jì)算了BNCP的爆轟產(chǎn)物等熵膨脹數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能夠反映出炸藥在高速膨脹過(guò)程中的壓力和比容的關(guān)系。擬合出的等熵膨脹曲線可作為爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程的P——V關(guān)系曲線，從而擬合出JWL狀態(tài)方程參數(shù)。等熵膨脹曲線如圖4所示。

圖4 BNCP爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹曲線Fig.4 The isentropic expansion curves of detonation products of BNCP

圖4顯示，由于密度十分接近，因此計(jì)算的等熵膨脹曲線幾乎重合。在不同密度下，由于等熵膨脹的數(shù)據(jù)會(huì)有所差別，因此擬合出的炸藥JWL方程參數(shù)是不同的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中采用的裝藥密度，擬合出BNCP在兩種密度下的爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)，如表1所示。

表1 JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab.1 The coefficients of JWL EOS

3 BNCP驅(qū)動(dòng)飛片數(shù)值模擬

根據(jù)VLW程序計(jì)算得到的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，利用LS-DYNA程序模擬了BNCP驅(qū)動(dòng)飛片的過(guò)程。模型的各項(xiàng)參數(shù)均與實(shí)驗(yàn)裝置保持一致，將模擬所得飛片速度曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出對(duì)比，如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of the simulation and experimental results

從圖5中可以看出，數(shù)值模擬的飛片最大速度分別為3 656m/s和3 616m/s，數(shù)值模擬的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值基本高出200m/s左右，誤差約為6%，速度曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。由于實(shí)驗(yàn)的裝藥尺寸較小，因此飛片速度不免受到爆轟時(shí)側(cè)向稀疏波影響而低于理想狀態(tài)，數(shù)值模擬結(jié)果基本能夠令人滿意。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方式研究了 BNCP驅(qū)動(dòng)飛片速度，獲得以下結(jié)論：

（1）DISAR的測(cè)試結(jié)果表明BNCP驅(qū)動(dòng)0.1mm厚的鈦飛片速度能夠達(dá)到3 300m/s左右，可指導(dǎo)其在火工品中的運(yùn)用；

（2）通過(guò)VLW程序計(jì)算擬合得到BNCP爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，用于數(shù)值模擬中與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明通過(guò)VLW程序計(jì)算獲得的JWL狀態(tài)方程參數(shù)能夠可靠運(yùn)用于數(shù)值模擬中，給較敏感炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)的獲取提供了研究途徑。

[1]盛滌倫,馬鳳娥,孫飛龍,等. BNCP起爆藥的合成及其主要性能[J].含能材料,2000,8(3):100-103.

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[9]Lee E., Finger M., Collins W. JWL equation of state coefficient for high explosives[R]. UCID-16189, 1973.