傳爆藥柱直徑對主裝藥爆轟成長特性的影響

段英良，韓 勇，冉劍龍，劉清杰，昝繼超，賈路川

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

起爆傳爆序列是武器系統(tǒng)中重要的組件，是由較小雷管起爆，經(jīng)傳爆藥柱放大，實現(xiàn)主裝藥穩(wěn)定爆轟的功能性組件，在武器系統(tǒng)的可靠性評價和安全性評估中受到關注［1］。特別是目前武器系統(tǒng)日益追求小型化和高安全，而通過減小傳爆藥的尺寸，實現(xiàn)在較小的傳爆藥柱下可靠起爆鈍感主炸藥是一個有效途徑［2］。但是該傳爆過程具有一定的復雜性，既與炸藥自身的特性有關，也與炸藥尺寸結構匹配有關，涉及炸藥的沖擊起爆、爆轟波的傳爆、繞射、回爆以及局部不爆轟等復雜過程［3］，因此準確掌握并有效評價主裝藥在傳爆藥作用下的起爆特性，對起爆傳爆過程的深刻理解、科學的指導起爆傳爆序列設計及可靠性評價等均具有重要的意義。研究傳爆效應的最簡單的方法是通過見證板的凹坑狀態(tài)進行判斷，王作山［4］、曹雄［5］、金麗［6］等開展了多方面的研究工作，包含裝藥結構、約束以及傳爆藥輸出能量等對傳爆可靠性的影響，但是該方法缺乏對爆轟過程的細致解讀。文尚剛［7］等通過超量傳播時間法對隔層傳爆序列的傳爆可靠性進行了評價，一定程度上考慮了爆轟的傳播過程，但是缺乏 對 拐 角 和 爆 轟 死 區(qū) 的 認 識。Molitoris 等［8?9］通 過X光照相技術研究了LX?14（HMX/ binder 95.5/4.5）傳爆藥起爆LX?17（TATB/binder 92.5/7.5）鈍感炸藥的爆轟波的發(fā)展過程，可以對爆轟波的發(fā)展以及拐角繞射區(qū)域等準確觀察，但是該試驗技術要求非常高。Souers［10?11］等 利 用 掃 描 相 機 等 研 究 了LX?07（HMX/viton 90/10）傳爆藥作用下PBX9502（TATB/binder 95/5）炸藥的起爆特性，通過表面爆轟波的出射情況評價了溫度對起爆傳爆可靠性的影響，相比其他方法，該方法技術要求條件相對較低并且在一定程度上可反映爆轟的發(fā)展過程。

因此，本研究借鑒高速掃描相機記錄爆轟波傳播軌跡的方法，通過不同尺寸規(guī)格的黑索今（RDX）基傳爆藥柱起爆兩種不同組分的主裝藥，評估了傳爆藥柱的尺寸結構對主炸藥的爆轟效應的影響，并結合數(shù)值模擬計算，研究了化學反應速率對爆轟傳遞過程的影響，為相關傳爆序列的尺寸匹配選擇提供了參考。

2 試驗部分

2.1 試驗裝置與原理

傳爆特性試驗原理如圖1 所示。較小直徑的傳爆藥柱在雷管作用下起爆，然后起爆較大直徑的主裝藥柱，當爆轟波到達主裝藥柱側(cè)面表面時，會使硝酸鋇與藥柱表面之間形成的空氣隙（透明膠帶將硝酸鋇顆粒與藥柱表面緊密貼合時形成的空氣間隙，如圖1 所示藥柱表面的白色區(qū)域）發(fā)光，利用轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機可以實時記錄主裝藥柱外表面不同位置處的發(fā)光過程，進而獲得爆轟波在主裝藥柱中的傳播發(fā)展歷程，通過最先出射位置、爆速變化特性等特征參量評估主裝藥的爆轟特性。

圖1 傳爆特性試驗原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the explosion transfer test

2.2 試驗條件

本研究選取傳爆藥為RDX 基PBX?3 炸藥（RDX/binder 96/4），密度為1.650 g·cm-3，爆速為8200 m·s-1，爆壓為22 GPa，藥柱尺寸規(guī)格分別為Φ10 mm×5 mm、Φ20 mm×5 mm、Φ32 mm×5 mm。傳爆匹配特性試驗條件如表1 所示，試驗1#～3#中主裝藥選取TATB 基PBX?1炸藥（TATB/binder 95/5，理論密度1.915 g·cm-3），試驗4#～6#中主裝藥選取HMX 基PBX?2 炸藥（HMX /TATB/ binder 87/7/6，理論密度1.874 g·cm-3），尺寸均為Φ50 mm×50 mm，相機轉(zhuǎn)速為150000 r·min-1。

表1 傳爆匹配特性試驗條件Table 1 Experiment conditions for matching explosive transfer characteristics

3 結果與討論

3.1 試驗底片數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機記錄的主裝藥外表面不同位置處發(fā)光過程的試驗底片如圖2 所示，從圖2 可以初步看出爆轟波到達藥柱表面的歷程顯著不同：對于PBX?1 主裝藥，最先發(fā)光的位置并不是在藥柱頂端，特別是當傳爆藥柱的尺寸減小到Φ10 mm×5 mm 時，最先發(fā)光位置接近中部；而對于PBX?2 炸藥，傳爆藥柱的尺寸變化對爆轟波的傳播過程影響并不顯著。

采用大型工具顯微鏡（放大倍率選取30），對底片數(shù)據(jù)進行判讀，獲得了爆轟波沿軸線傳播時到達藥柱側(cè)面外表面的歷程，如圖3（PBX?1 炸藥的爆轟波出射軌跡圖）和圖4（PBX?2 炸藥的爆轟波出射軌跡圖）所示。根據(jù)爆轟波的出射軌跡，本研究采用最先出射位置、回爆繞射區(qū)域、曲率變化區(qū)域（爆轟成長區(qū)域）、穩(wěn)定爆轟區(qū)域、局部不爆轟區(qū)域（爆轟死區(qū)）等幾個特征參量對爆轟演化過程進行表征，并進一步分析傳爆藥柱的尺寸變化對主裝藥的爆轟發(fā)展過程產(chǎn)生的具體影響。

圖2 不同直徑傳爆藥柱起爆主裝藥的試驗底片圖Fig.2 Films of main charge shocked by the boosters with different diameters

圖3 不同直徑的PBX?3 起爆TATB 基PBX?1 炸藥的出射波形軌跡曲線Fig.3 the detonation wave trajectory of the TATB?based PBX?1 shocked by PBX?3 with different diameters

圖4 不同直徑 的PBX?3 起 爆HMX 基PBX?2 炸藥的出射波形軌跡曲線Fig.4 the detonation wave trajectory of the HMX?based PBX?2 shocked by PBX?3 with different diameters

3.2 傳爆藥柱的直徑尺寸對主裝藥爆轟成長過程的影響

從圖3 中TATB 基PBX?1 炸藥表面的爆轟波的軌跡圖可以看出，當傳爆藥柱的直徑為Φ32 mm×5 mm時，爆轟波最先達到主裝藥柱表面的位置約為4mm處，Φ20 mm×5 mm 的直徑時最先出射位置約為6 mm 位置處，當傳爆藥柱直徑進一步減小時，最先出射點位置下移，傳爆藥柱尺寸為Φ10 mm×5 mm 時，爆轟波最先到達主裝藥柱表面的位置約為20 mm 處（約為主裝藥柱的1/3 處）。可見，傳爆藥柱的直徑變化會顯著影響爆轟波最先到達藥柱表面的位置，即影響最先出射點。分析認為傳爆藥柱的直徑變小時，入射至主裝藥中的壓力受側(cè)向稀疏波的影響更為嚴重，衰減更迅速，導致沿直徑方向上爆轟成長速率變慢，使得爆轟波最先到達主裝藥柱表面的位置下移。

除此之外，傳爆藥柱的直徑變化對TATB 基PBX?1主裝藥柱中爆轟波的成長過程影響明顯。如圖3 所示，在Φ10 mm×5 mm 傳爆藥柱作用下，PBX?1 炸藥經(jīng)歷了相對較長的爆轟增長過程，爆轟波發(fā)展至40 mm 位置處波形斜率才趨于穩(wěn)定（斜率代表爆轟波傳播速度），并且存在長達20 mm 長度的回爆和拐角繞射區(qū)域，而傳爆藥柱尺寸選用Φ20 mm×5 mm 和Φ32 mm×5 mm 時，爆轟成長過程明顯縮短，爆轟波發(fā)展至24 mm 處波形軌跡的斜率基本趨于穩(wěn)定。也就是說較小直徑的傳爆藥柱起爆較大直徑主裝藥柱的會發(fā)生拐角繞射現(xiàn)象，對于相同規(guī)格的主裝藥柱，傳爆藥柱的直徑越小，拐角繞射現(xiàn)象越嚴重，拐角繞射過程與爆轟成長過程共同影響著爆轟波的傳播軌跡；并且爆轟波從傳爆藥柱進入主裝藥中的拐角繞射現(xiàn)象還可能導致主裝藥柱的肩部存在局部不爆轟區(qū)域。從圖3中可以看出，傳爆藥柱尺寸為Φ10 mm×5 mm 時，從傳爆界面至主裝藥上端4 mm 位置處無爆轟波出射，表明該區(qū)域存在爆轟死區(qū)，而傳爆藥直徑大于Φ20 mm 時則無此現(xiàn)象。該局部爆轟死區(qū)的區(qū)域大小不僅與傳爆藥柱的直徑有關，還與主裝藥的特性有關。

從圖4 中可以看出，在三種不同尺寸規(guī)格傳爆藥柱的起爆下，HMX 基PBX?2 主裝藥中爆轟波均是最先從主炸藥柱的頂端位置出射，在爆轟成長階段產(chǎn)生細微差異，爆轟波發(fā)展至18 mm 位置處均趨于穩(wěn)定爆轟，當傳爆藥柱直徑為Φ10 mm 時，PBX?2 主裝藥的肩部存在僅約1 mm 的局部不爆轟區(qū)域。也就是說傳爆藥柱的直徑變化對HMX 基PBX?2 炸藥爆轟成長過程影響的規(guī)律是相同的，但所受的影響程度與TATB 基PBX?1 炸 藥 差 異 顯 著。這 可 能 與HMX 基PBX?2 炸 藥較強的爆轟成長能力有關，而這種爆轟成長能力的差異會直接影響傳爆序列中爆轟傳遞匹配的可靠性。結合爆轟死區(qū)區(qū)域以及爆轟成長過程，從傳爆序列傳爆可靠性的角度而言，PBX?3 傳爆藥柱的直徑至少要達到Φ20 mm×5 mm 才可以可靠、有效起爆Φ50 mm 直徑的PBX?1 主裝藥，而可靠起爆Φ50 mm 直徑的PBX?2 主 裝 藥 僅 需 要Φ10 mm×5 mm 的PBX?3 傳爆藥。

3.3 主裝藥的反應速率特性對傳爆序列中爆轟傳遞過程的影響

對比圖3 與圖4，我們可以發(fā)現(xiàn)相同的傳爆藥柱下，PBX?1 和PBX?2 主裝藥中爆轟傳遞過程具有差異，特別是在小的傳爆藥柱直徑下，如Φ10 mm×5 mm，這可能與主裝藥的化學反應特性有關。與PBX?2炸藥相比，PBX?1 炸藥作為TATB 基鈍感炸藥，其化學反應速率更慢，化學反應區(qū)更寬，導致其拐角繞射能力弱［12］，從而導致了如圖3所示的較長的拐角繞射區(qū)域。為了更加深入的理解主裝藥的化學反應特性對爆轟傳遞過程中爆轟波的成長和傳播歷程的影響，以Φ10 mm×5 mm 的PBX?3 傳 爆 藥 柱 起 爆Φ50 mm×50 mm 的PBX?1 和PBX?2 炸藥為模型，采用LS?DYNA 程序?qū)鞅囼炦M行了數(shù)值模擬，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm×0.1 mm。

PBX?1 炸藥和PBX?2 炸藥的未反應炸藥和反應產(chǎn)物的狀態(tài)方程均采用JWL 狀態(tài)形式表述，如公式（1）所示。

式中，p 代表反應體系壓力，V 代表反應體系的相對體積，CVT 代表體系能量，A、B、R1、R2、ω 為待定的狀態(tài)方程參數(shù)，具體值如表2 所示。

表2 PBX?1 與PBX?2 炸藥的狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 The EOS of JWL for PBX?1 and PBX?2

PBX?1 炸 藥 和PBX?2 炸 藥 采 用Lee?Taver 三 項 式點火增長模型［13］，反應速率模型如公式2 所示，

式中，λ 代表化學反應程度，ρ 代表密度，I、a、b、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z、Figmax、FG1max、FG2min為反應速率參數(shù)，是通過Lagrange 沖擊起爆試驗標定獲得［14］，具體參數(shù)如表3 所示。

通過數(shù)值計算可以明顯地看出在相同的傳爆藥柱作用下PBX?1 和PBX?2 主炸藥柱中起爆傳爆過程及爆轟波的發(fā)展歷程的差異，如圖5 所示。當爆轟波從小尺寸直徑的傳爆藥柱進入大尺寸直徑的主裝藥藥柱時，在接觸界面處主裝藥開始發(fā)生點火增長過程，與一維沖擊起爆過程不同的是，此狀況下主裝藥柱中不僅沿著爆轟波傳播的方向（軸向）發(fā)生沖擊起爆，沿側(cè)向（徑向方向）也發(fā)生沖擊起爆過程，但是由于受到側(cè)向稀疏波的影響，在爆轟波不同傳播方向上壓力不同，導致沿軸向和徑向的化學反應速率存在差異，沿軸向化學反應速率較快。而軸向和徑向的化學反應速率的差異性在TATB 基PBX?1 炸藥中表現(xiàn)的更為明顯。圖5a直觀表現(xiàn)出爆轟波沿徑向發(fā)展十分緩慢，導致爆轟波從主裝藥柱的中部最先出射，與實驗結果吻合，在爆轟波拐角繞射的過程中導致主裝藥柱中存在局部的不爆轟區(qū)域，但是由于數(shù)值計算中不能準確模擬先導沖擊波導致的沖擊壓死現(xiàn)象（Molitoris［8］認為一旦形成，不會再發(fā)生回爆現(xiàn)象），因此模擬結果中的爆轟死區(qū)區(qū)域比實驗結果偏小。HMX 基PBX?2 的拐角能力較強［12］，徑向的化學反應速率快，圖5b 中直觀表現(xiàn)為爆轟波沿側(cè)向亦成長迅速，爆轟波從主裝藥柱的頂部最先出射（與實驗結果吻合），從而保證了在Φ10 mm×5 mm 的小直徑傳爆藥柱作用下不存在爆轟死區(qū)，主裝藥柱可以被有效、可靠地起爆。

表3 PBX?1 與PBX?2 炸藥的反應速率方程參數(shù)Table 3 Ignition and growth modeling parameters for PBX?1 and PBX?2

圖5 兩種主裝藥柱在傳爆試驗中爆轟波的發(fā)展歷程Fig.5 Development of the detonation wave of two main charges in detonation sequence test

4 結論

（1）主裝藥柱表面爆轟波的出射軌跡反映出的最先出射點、回爆繞射區(qū)域、曲率變化區(qū)域（爆轟成長區(qū)域）、穩(wěn)定爆轟區(qū)域、局部不爆轟區(qū)域（爆轟死區(qū)）等特征參量可用于有效表征主裝藥的爆轟成長特性。

（2）相比HMX 基PBX?2 炸藥，TATB 基PBX?1 炸藥的爆轟成長過程受RDX 基PBX?3 傳爆藥的直徑變化（Φ32 mm×5 mm、Φ20 mm×5 mm、Φ10 mm×5 mm）的影響更為明顯，當傳爆藥柱尺寸減小到Φ10 mm×5 mm時，爆轟波在主裝藥柱約1/3 位置處最先出射，存在長達20 mm 的拐角繞射區(qū)域。

（3）與一維沖擊起爆過程不同的是，小尺寸傳爆藥柱作用下，主裝藥柱的沖擊起爆過程表現(xiàn)為二維效應，沿軸向和徑向的化學反應速率的差異是造成主裝藥柱爆轟成長特性受傳爆藥柱尺寸影響的主要原因，而數(shù)值計算中不能準確模擬先導沖擊波導致的沖擊壓死現(xiàn)象，因此模擬結果中的爆轟死區(qū)范圍比實驗結果偏小。