TATB基和CL-20基PBX炸藥爆轟波拐角性能的實(shí)驗(yàn)研究

郭向利，韓　勇，曹　威，段英良，冉劍龍，盧校軍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

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TATB基和CL-20基PBX炸藥爆轟波拐角性能的實(shí)驗(yàn)研究

郭向利，韓勇，曹威，段英良，冉劍龍，盧校軍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

摘要：為研究TATB基和CL-20基PBX爆轟波的拐角性能，采用蘑菇(Mushroom)試驗(yàn)計(jì)算了含95%TATB基(PBX-Ⅰ)、CL-20基(PBX-Ⅱ)及添加了鋁粉的CL-20基(PBX-Ⅲ)炸藥藥柱在起爆直徑10mm和6mm條件下的出射角、熄爆角及延遲時(shí)間，討論了3種PBX炸藥的爆轟傳播特征和拐角性能。結(jié)果表明，起爆直徑為10mm時(shí)，PBX-Ⅰ的出射角和熄爆角(22.7°和31.9°)明顯小于PBX-Ⅱ的出射角和熄爆角(均為90°)；起爆直徑為10mm和6mm時(shí)，PBX-Ⅱ和PBX-Ⅲ的出射角和熄爆角均為90°，都能夠傳播為類似球形。對于CL-20基PBX，隨著鋁粉的加入和起爆直徑的減小，其炸藥半球均能夠達(dá)到可靠傳爆狀態(tài)，具有較好的拐角性能。TATB基PBX炸藥藥柱的出射角和熄爆角均顯著減小，表明TATB基PBX炸藥藥柱的拐角性能較差。3種PBX炸藥的拐角性能優(yōu)劣順序?yàn)椋篜BX-Ⅱ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅰ。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；爆轟波；拐角性能；TATB；CL-20；高聚物黏結(jié)炸藥；PBX

引言

拐角性能是炸藥裝藥爆轟波的一個(gè)重要特性，是武器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要參數(shù)之一，對于研究炸藥性能、合理設(shè)計(jì)彈體、構(gòu)型件以及設(shè)計(jì)爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)等有著十分重要的意義。美國Cox和Campbell[1]利用多狹縫掃描技術(shù)觀察了PBX-9502炸藥爆轟波拐角現(xiàn)象，得到炸藥裝藥中不爆轟區(qū)域的大小；Hill等[2]建立了蘑菇(Mushroom)試驗(yàn)，研究了鈍感高能炸藥的傳爆性能，其優(yōu)點(diǎn)是主炸藥形狀比較接近實(shí)際的傳爆裝置，可以獲得整個(gè)爆轟前沿的波形，觀察面與實(shí)際爆轟陣面接近；黃毅民[3]對TATB基炸藥開展了Mushroom試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，顆粒度及炸藥半球直徑對爆轟波輸出端面波形有影響；韓勇[4]利用有限元?jiǎng)恿W(xué)軟件LS-DYNA，從理論上研究了HMX基PBX-9404和TATB基PBX-9502爆轟波的拐角性能。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭形式的變化，高安全性、高能量密度炸藥的開發(fā)和研究受到各國的高度重視。目前CL-20和TATB基炸藥配方設(shè)計(jì)與爆轟性能的研究成為熱點(diǎn)。在Cl-20基炸藥中加入鋁粉時(shí)，由于含鋁炸藥的二次反應(yīng)效應(yīng)，使得爆轟反應(yīng)區(qū)寬度變長，反應(yīng)時(shí)間增加，因此得到研究者的普遍關(guān)注。

本文通過Mushroom試驗(yàn)，研究了TATB基PBX炸藥和CL-20基PBX炸藥的拐角性能，獲得了3種PBX炸藥傳爆過程中相關(guān)物理量的變化規(guī)律，以期為核武器設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1實(shí)驗(yàn)

1.1炸藥配方及儀器

傳爆藥柱和主炸藥，由中國工程物理研究院化工材料研究所提供。傳爆藥柱為HMX基PBX炸藥，尺寸分別為Φ10mm×50mm和Φ6mm×50mm，密度為1.860g/cm3，主炸藥藥柱為半球形，直徑為50mm，其配方和密度見表1。

表1　主炸藥配方及密度

瞬發(fā)雷管，山東中煤工礦集團(tuán)；SJZ-15型高速掃描相機(jī)，掃描速率為7.5mm/μs，蘇州光學(xué)儀器廠； JXBB型萬能工具顯微鏡，西化儀北京科技有限公司。

1.2試驗(yàn)裝置

Mushroom試驗(yàn)[2]裝置如圖1所示，兩個(gè)斜面基座與水平方向成45°，分別固定反射鏡，使被起爆藥柱邊部的圖像經(jīng)過鏡面反射后，平行進(jìn)入相機(jī)。采用高精度游標(biāo)卡尺測量出被起爆藥柱中心到細(xì)實(shí)線之間的距離L，得到底片成像的放大比β。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of testing apparatus

1.3實(shí)驗(yàn)原理

Mushroom試驗(yàn)爆轟波波形測試原理示意圖見圖2。實(shí)際測試時(shí)，由于受裝配結(jié)構(gòu)以及兩側(cè)發(fā)光較弱等影響，實(shí)際僅能有效獲得圖2(a)中所示的CD段波形，測試范圍在70°左右，且越往半球的兩側(cè)，波形疊加越嚴(yán)重，即使獲得完整波形，采用反射鏡，兩側(cè)20°左右的測試輸出波形被有效放大到圖2(d)中的DEF段，放大了約5～6倍，波形疊加現(xiàn)象大大降低，數(shù)據(jù)處理更準(zhǔn)確，可以獲得更大范圍內(nèi)半球形炸藥件的輸出波形時(shí)間差，從而全面評價(jià)半球形炸藥藥柱的作用性能。

圖2　Mushroom試驗(yàn)波形測試原理示意圖Fig.2　Schematic diagram of waveform testingprinciple of Mushroom test

1.4拐角性能特征參數(shù)計(jì)算方法

被測試炸藥藥柱在小直徑傳爆藥柱的驅(qū)動下起爆，由于傳爆藥柱的平面沖擊波從半球的端面?zhèn)魅?，壓縮主炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并逐漸發(fā)展為散心球面爆轟波，通過高速掃描相機(jī)獲得3個(gè)特征參數(shù)以表征炸藥的拐角性能：爆轟波的出射角(θfb)、熄爆角(θfn)及延遲時(shí)間(爆轟波透出炸藥半球的波形時(shí)間差)，測試結(jié)果示意圖如圖3所示。半球形炸藥起爆后，爆轟波在炸藥中傳播，通過爆轟波最先透出半球表面位置處的波形計(jì)算得出θfb。在距爆轟波傳播方向較大的角度處，炸藥半球內(nèi)爆轟波將逐漸衰減為應(yīng)力波，與爆轟波相比，應(yīng)力波強(qiáng)度較弱，當(dāng)應(yīng)力波透出球面時(shí)，無法使硝酸鋇發(fā)光或發(fā)光很弱，以底片中硝酸鋇無明顯感光位置作為熄爆點(diǎn)位置，通過數(shù)學(xué)計(jì)算方法可獲得相應(yīng)的θfn。爆轟波透出炸藥半球各表面處的波形時(shí)間差為延遲時(shí)間。

圖3　測試結(jié)果示意圖Fig.3　Schematic diagram of testing result

通過顯微鏡及Origin數(shù)據(jù)處理軟件對兩類炸藥半球爆轟波輸出波形底片進(jìn)行計(jì)算，用顯微鏡讀數(shù)時(shí)，取底片上炸藥圓弧面為橫坐標(biāo)x′，波形長度差為縱坐標(biāo)y，讀數(shù)時(shí)，對縱坐標(biāo)取一定的步長，讀出相應(yīng)的橫坐標(biāo)值x′，再根據(jù)放大比β得到

x=x′·β

(1)

由于掃描速率為7.5mm/μs，將縱坐標(biāo)值換算成輸出波形時(shí)間

(2)

以x為橫坐標(biāo)，t為縱坐標(biāo)，計(jì)算得到3種炸藥的爆轟波輸出波形時(shí)間差。

2結(jié)果與討論

2.13種PBX炸藥爆轟波傳播特征

3種PBX炸藥裝藥在不同起爆直徑時(shí)的爆轟波輸出波形如圖4所示。

由圖4(a)可見，半球左右兩側(cè)沒有出現(xiàn)波形，PBX-Ⅰ炸藥的熄爆角較小，而圖4(b)和(c)中，半球兩側(cè)炸藥爆轟后的發(fā)光很強(qiáng)，PBX-Ⅱ炸藥和PBX-Ⅲ炸藥的熄爆角為90°。由圖4(c)和(d)可以看出，PBX-Ⅲ炸藥在傳爆藥柱直徑10mm和6mm條件下，主波形有明顯區(qū)別。

在相同起爆直徑(10mm)條件下，CL-20基PBX-Ⅱ炸藥和PBX-Ⅲ炸藥的出射角、熄爆角基本相同，其均為90°，TATB基PBX-Ⅰ炸藥的出射角(16.1°)、熄爆角均小于CL-20基炸藥。同時(shí)，從圖4(a)可見，左右兩側(cè)沒有波形，表明TATB基炸藥拐角能力有限，傳爆性能較差。在相同試驗(yàn)(Φ10mm)條件下，CL-20基PBX-Ⅱ和PBX-Ⅲ兩種炸藥的爆轟波均能夠傳播為類似球形，兩種炸藥均具有較好的傳爆性能，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.5%的鋁粉后，其化學(xué)反應(yīng)區(qū)變寬，臨界直徑增大，這可能是由于鋁粉的二次反應(yīng)和后燃燒效應(yīng)所導(dǎo)致。

圖4　3種PBX炸藥藥柱在不同起爆直徑時(shí)的爆轟波輸出波形圖Fig.4　Detonation wave output waveform photos of threekinds of PBX charges in different initiating diameter

對TATB基和CL-20基炸藥半球的爆轟波輸出波形底片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算并作圖，結(jié)果如圖5所示。

運(yùn)用1.4節(jié)的方法對圖5進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，得到3種炸藥爆轟時(shí)爆轟波透出炸藥半球時(shí)的出射角、熄爆角和延遲時(shí)間，見表2，對圖5進(jìn)行歸一化計(jì)算，得到3種PBX炸藥爆轟波波形差的對比曲線，如圖6所示。

圖5　不同起爆直徑下3種PBX炸藥藥柱的爆轟波輸出波形曲線ⅢFig.5　The detonation wave output waveform curves ofthree kinds of PBXs under different initiating diameter

從表2可以看出，當(dāng)起爆直徑相同時(shí)(10mm)，TATB基PBX-Ⅰ炸藥藥柱的延遲時(shí)間為632ns，明顯長于CL-20基炸藥藥柱延遲時(shí)間(608ns)。加入鋁粉、減小起爆直徑均使得CL-20基炸藥藥柱的延遲時(shí)間增加，因此CL-20基炸藥較TATB基炸藥具有較好的拐角性能。

表2　3種PBX炸藥藥柱爆轟波拐角性能特征參數(shù)

注：ρ為密度；d為起爆直徑；θfb為出射角；θfn為熄爆角；t為延遲時(shí)間。

圖6　3種PBX炸藥裝藥爆轟波輸出波形差的對比圖Fig.6　The contrast curves of detonation wave outputwaveform difference of three kinds of PBX charges

2.2CL-20基炸藥和TATB基炸藥藥柱的拐角性能差異

由表2中可知，當(dāng)起爆直徑為10mm和6mm時(shí)，PBX-Ⅱ炸藥和PBX-Ⅲ炸藥藥柱中的爆轟波均能夠傳播為類似球形，其出射角、熄爆角均為90°，說明CL-20基PBX炸藥藥柱具有較好的拐角性能。起爆直徑為10mm時(shí)，PBX-Ⅱ的出射角和熄爆角均為90°，延遲時(shí)間為608ns，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的CL-20全部用TATB代替時(shí)，PBX-Ⅰ炸藥的出射角為16.1°，熄爆角為60.4°，說明TATB基PBX-Ⅰ比CL-20基PBX-Ⅱ炸藥的拐角性能差，這是由于TATB為基的鈍感炸藥，反應(yīng)區(qū)很長，爆轟傳播性能較特殊，存在明顯的拐角效應(yīng)[5-9]。

拐角效應(yīng)主要起因于爆轟波的正向起爆能力大于側(cè)向，徑向爆速要比軸向爆速小，使得在起爆臨界條件下的炸藥，爆轟波的正向能夠正常起爆，而側(cè)向則起爆不正?；蛳ū琜9-12]，因此產(chǎn)生了延遲時(shí)間。當(dāng)在CL-20基PBX-Ⅱ炸藥中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%的鋁粉時(shí)，由于含鋁炸藥的二次反應(yīng)效應(yīng)，使得爆轟反應(yīng)區(qū)寬度變長，反應(yīng)時(shí)間增加，因此在相同起爆直徑條件下，PBX-Ⅲ藥柱的爆轟波延遲時(shí)間比PBX-Ⅱ的長，但鋁粉的加入對CL-20基炸藥的拐角性能基本沒有影響，出射角和熄爆角均為90°。與起爆直徑為10mm相比，起爆直徑為6mm時(shí)，PBX-Ⅲ炸藥藥柱的爆轟波出射角、熄爆角為90°，延遲時(shí)間縮短了近260ns，這是由于PBX-Ⅲ炸藥藥柱側(cè)向爆速損失很小，在近似點(diǎn)起爆的條件下，爆轟波最先出射位置仍然為90°，達(dá)到可靠傳爆的狀態(tài)，進(jìn)一步說明CL-20基高能炸藥具有優(yōu)異的拐角性能。

綜上所述，在起爆直徑10mm條件下，3種PBX炸藥藥柱的爆轟波波形延遲時(shí)間順序?yàn)镻BX-Ⅰ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅱ，與從圖6看到，爆轟波兩邊波形的陡緩順序(PBX-Ⅰ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅱ)一致。說明在相同起爆直徑條件下，3種PBX炸藥藥柱的拐角性能優(yōu)劣順序?yàn)镻BX-Ⅱ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅰ。這歸因于CL-20具有高的能量密度和優(yōu)異的爆轟特性，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.5%的鋁粉時(shí)，CL-20基含鋁炸藥仍然具有良好的傳爆特性。

3結(jié)論

(1)采用Mushroom試驗(yàn)研究了TATB基和CL-20基PBX炸藥藥柱的拐角性能。與TATB(PBX-Ⅰ)相比，起爆直徑為10mm時(shí)，CL-20基PBX(PBX-Ⅱ)藥柱的出射角和熄爆角顯著增大，延遲時(shí)間變短，說明PBX-Ⅱ藥柱的拐角性能優(yōu)于PBX-Ⅰ。在Cl-20基PBX炸藥中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.5%的鋁粉，延遲時(shí)間增加，出射角和熄爆角均為90°。

(2)與CL-20基PBX炸藥相比，純TATB基PBX炸藥藥柱的出射角和熄爆角顯著減小，表明CL-20基PBX炸藥的拐角性能優(yōu)于TATB基PBX炸藥。3種炸藥的拐角性能優(yōu)劣順序?yàn)镻BX-Ⅱ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅰ。

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Corner Performance of Detonation Waves in TATB-based

and CL-20-based PBX Explosive

GUO Xiang-li, HAN Yong, CAO Wei, DUAN Ying-liang, RAN Jian-long, LU Xiao-jun

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:To study the corner performance of detonation waves for TATB-based and CL-20-based polymer bonded explosive(PBX), the breakout angles, failure angles and delay time of PBX-Ⅰ containing 95%TATB, PBX-Ⅱ containing 95%CL-20，and PBX-Ⅲ containing 81.5%CL-20 and 13.5%Al with initiating diameters of 10 mm and 6 mm were studied by Mushroom test. The detonation propagation characteristics and corner properties of three kinds of PBX explosive charge were discussed. Results show that, the first breakout angle and failure angle of PBX-Ⅰ (22.7° and 31.9°, respectively) were significantly smaller than those of PBX-Ⅱ (90° for both) with initiating diameter of 10 mm, the first breakout angles and failure angles of PBX-Ⅱ and PBX-Ⅲ were all 90° with initiating diameters of 10 mm and 6 mm, and the detonation waves of PBX-Ⅱ and PBX-Ⅲ can develop to similar hemispherical shape. Thus, for CL-20-based PBXs, their hemispherical charge could transmit detonation wave reliably in spite of the addition of Al powders and the decrease of initiation diameter, which implies that CL-20-based explosives have excellent performance of corner turning. When CL-20 is all substituted by TATB, both the first breakout angle and failure angle decrease significantly, which means that TATB-based explosives have poor performance of corner turning. The corner performance of detonation waves for the three kinds of explosive decreases in the order: PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ>PBX-Ⅰ.

Keywords:explosion mechanics; detonation wave; corner performance; TATB；CL-20; polymer bonded explosive；PBX

通訊作者:韓勇(1976-)，男，研究員，從事炸藥爆轟性能研究。

作者簡介:郭向利(1987-)，女，助理研究員，從事炸藥爆轟性能研究。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助(11372291)

收稿日期:2015-04-21；修回日期:2015-08-18

中圖分類號：TJ55; O381

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0041-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.008