HMX基PBX粒子速度測量的鋁基組合電磁粒子速度計技術

劉 杰, 王延飛, 王廣軍, 張 蓉, 鐘 斌, 趙 鋒, 張 旭

(1. 中國工程物理研究院研究生部， 四川 綿陽 621999； 2. 中國工程物理研究院流體研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

組合電磁粒子速度計技術(電磁法)是炸藥沖擊起爆、老化效應研究中非常重要的實驗技術之一,作為嵌入式傳感器,其主要特點是靈敏度高、無需標定。Fowles[1]最早將組合電磁粒子速度計技術結合氣炮使用,美國洛斯阿拉莫斯(LANL)實驗室的Campbell[2]、Dick[3]、Gustavsen[4-5]和Sheffield[6]利用組合電磁粒子速度計技術開展了多種炸藥的沖擊起爆研究,測量以奧克托今(HMX)為基的LX-04、PBX-9404、PBX-9501炸藥在不同入射壓力下的粒子速度,同時考慮了溫度效應、顆粒度效應和老化效應的影響。實驗結果還給出了未反應炸藥Hugoniot參數(shù)、Popolato(POP關系)數(shù)據(jù),提供豐富的沖擊起爆過程信息。目前LANL實驗室[7]主要利用組合電磁粒子速度計技術測量鈍感炸藥PBX-9502沖擊起爆過程的波后粒子速度,包括PBX-9502鈍感炸藥受炸藥顆粒度、溫度參數(shù)影響的沖擊起爆過程實驗研究。北京理工大學和國防科技大學[8]、化工材料研究所[9-10]和流體物理研究所[11-12]也先后開展了電磁粒子速度計實驗技術研究,組合電磁粒子速度計的感應單元以銅基材料為主,加載方式以化爆加載為主,但實驗結果受電磁干擾較大,不理想。以銅基材料作為感應單元的主要缺點是時間響應慢,不能滿足炸藥反應過程測量的快響應需求,因此本研究設計了與炸藥阻抗匹配的鋁基組合電磁粒子速度計,提高了組合電磁粒子速度計的時間響應特性,結合火炮加載實驗方式,測量了某HMX基高聚物粘結炸藥(PBX)在不同入射沖擊壓力下的粒子速度,實驗數(shù)據(jù)精度高,電磁干擾小。

2 組合電磁粒子速度計設計和實驗方法

2.1 鋁基組合電磁粒子速度計設計

組合電磁粒子速度計設計中切割磁場的感應單元選取主要以銅和鋁為主,如果采用銅箔作為計材料,銅密度大,阻抗高(40890 g·s-1·m-2),與炸藥阻抗不匹配,測量過程中時間響應慢,故本研究選取與炸藥阻抗(11400 g·s-1·m-2)接近的鋁箔(鋁的阻抗為17010 g·s-1·m-2)[4]作為計材料,以提高計單元的時間響應特性。設計的鋁基組合電磁粒子速度計如圖1所示,設計計長5～8 mm,各個感應單元之間間距2 mm,鋁箔厚度10 μm,夾在聚酰亞胺絕緣膜之間。鋁基組合電磁粒子速度計通過轉接板與測試電纜連接,消除附加電阻,設計的沖擊示蹤器記錄惰性沖擊波轉化為爆轟的時間-距離關系。實驗中鋁基組合電磁粒子速度計鑲入具有30°傾角的炸藥樣品中,如圖2所示,保證相鄰感應單元在沖擊波傳播方向的間距為 1 mm間隔。

圖1 設計的鋁基組合電磁粒子速度計

Fig.1 Designed Al-based electromagnetic particle velocity gauge

圖2 鑲入炸藥樣品中的組合電磁粒子速度計

Fig.2 Electromagnetic particle velocity gauge inserted in explosive sample

2.2 實驗原理及測試方法

組合電磁粒子速度計實驗的裝置構型如圖3所示。由圖3可見,加載和測試主要包括火炮加載裝置、真空靶室、Φ57 mm的彈托(polycarbonate projectile)、Φ55 mm藍寶石飛片、磁場裝置防護筒、Φ40 mm×30 mm待測炸藥樣品,鋁基組合電磁粒子速度計、磁通量為0.14T的永久磁場裝置。磁場裝置的磁場強度均勻區(qū)域為邊長30 mm的立方均勻區(qū)域,非均勻性小于1%。嵌入組合電磁粒子速度計的待測HMX基炸藥樣品放置在磁場均勻區(qū)域內,單計放置在炸藥樣品前表面和撞擊飛片之間,用于測量待測樣品表面的界面粒子速度,結合炸藥樣品中的沖擊波速度計算入射到樣品中的撞擊壓力。

圖3 實驗裝置構型圖

1—聚碳酸酯彈托, 2—飛片, 3—防護筒, 4—HMX基炸藥樣品, 5—組合電磁粒子速度計, 6—導線

Fig.3 Scheme of experimental device

1— Lexon(polycarbonate projectile), 2—flyer, 3—protection cylinder, 4—HMX-based explosive sample, 5—electromagnetic particle velocity gauge, 6—conducting wire

組合電磁粒子速度計實驗原理是利用法拉第電磁感應定律,閉合回路導線切割磁力線產(chǎn)生感生電動勢。在已知磁場強度B、切割磁力線的感應單元長度l前提下,通過測量感生電動勢ε計算粒子速度v

v=ε/Bl× 103

(1)

式中,v為粒子速度,mm·μs-1;ε為感生電動勢,V;l為感應單元長度, mm;B磁場強度,T。

入射沖擊波壓力由實驗獲得的進入樣品中的沖擊波速度D、樣品和和飛片間的界面粒子速度up、樣品初始密度ρ0計算:

p=ρ0Dup

(2)

式中,p為入射沖擊波壓力,GPa;ρ0為樣品初始密度,g·cm-3;D為沖擊波速度, mm·μs-1;up為界面粒子速度,mm·μs-1。

3 結果與分析

3.1 鋁基組合電磁粒子速度計的時間響應特性

組合電磁粒子速度計的時間響應是影響沖擊波后速度波剖面參數(shù)測試精度的重要因素之一,一般認為由計箔被加速到與周圍介質相同速度所需時間、作用在計箔單元上的沖擊波與計箔的夾角、傳輸和記錄系統(tǒng)的前沿響應時間等因素決定。計箔響應時間由沖擊波在計箔內來回反射兩次的時間確定,即t1=4δ/D,其中D為沖擊波速度,mm·μs-1;δ為計箔厚度,mm; 感應單元從開始部分動作到全部動作需的時間由飛片的撞擊傾斜角確定,即t2=l*sinθ/D,其中l(wèi)為感應長度,θ為撞擊傾斜角。以實驗中進入樣品的沖擊波速度D=5.25 mm·μs-1、,飛片的傾角小于0.5°為例,計箔厚度δ=10μm,則其響應時間約為t1≈7.62 ns,t2≈18 ns,則總作用時間為20～30 ns。本實驗獲得的3.07,4.14,7.81,8.12 GPa四種入射壓力(見表1)下炸藥樣品中入射沖擊波無傾斜,在入射沖擊波壓力為4.14 GPa的實驗條件下,獲得的沖擊波到達炸藥樣品1 mm深度處的左、右示蹤器、中間感應單元的記錄信號如圖4所示,從圖4可見,入射沖擊波幾乎同時到達左、右示蹤器和中間感應單元,表明飛片撞擊樣品的平面度好,在感應單元投影方向沖擊波無傾斜,能夠保證感應單元的時間響應特性。此外,入射沖擊波壓力為4.14 GPa時,炸藥樣品中鋁基組合電磁粒子速度計中感應單元的上升時間約為20 ns,如圖5所示,達到了理想的沖擊時間響應特性,與LANL實驗室Gustavsen[4]獲得的實驗結果相當。

圖4 沖擊波撞擊平面度(p=4.14 GPa)

Fig.4 Planeness of shock wave

圖5 鋁基組合電磁粒子速度計時間響應特性(p=4.14 GPa)

Fig.5 Time responsecharacteristic of Al based electromagnetic particle velocity gauge

為了比較不同計箔材料對粒子速度測量結果的影響,分別選取10 μm厚的銅箔和10 μm厚的鋁箔作為感應單元,測量同一撞擊界面處兩種不同計箔材料的時間響應特性(即從信號出現(xiàn)直至達到峰值所需的時間)。實驗中計箔感應單元放置在有機玻璃(PMMA)樣品撞擊表面,保證沖擊波同時到達銅箔和鋁箔感應單元。實驗中飛片速度為1136 m·s-1(入射沖擊波壓力為8.71 GPa)時,測到的銅箔和鋁箔感應單元感生電動勢原始記錄信號如圖6a所示,由圖6a可見,鋁箔上升前沿0.06 μs,銅箔上升前沿0.07 μs,鋁箔上升時間比銅箔上升前沿快7%左右,實驗結果表明鋁基組合電磁粒子速度計具有更優(yōu)異的時間響應特性。

此外,對比實驗中有機玻璃樣品中的組合電磁粒子速度計記錄了沖擊波后粒子速度和示蹤器數(shù)據(jù)如圖6b所示,由圖6b可見,實驗數(shù)據(jù)信號無干擾,完整記錄了PMMA沖擊響應的波后粒子速度歷程,同時記錄了銅箔和鋁箔作為感應單元的時間響應特性。

3.2 不同沖擊起爆壓力下HMX基炸藥反應增長的速度剖面

為了檢驗反應增長過程粒子速度測量的精度和干擾,采用所設計的鋁基組合電磁粒子速度計,感應單元預埋在樣品1～8 mm深度處,在3.07,4.14,7.81,8.12 GPa四種入射壓力下測量了HMX基PBX炸藥不同沖擊起爆壓力下的粒子速度,結果見表1。同時,表1還給出了HMX基PBX炸藥反應增長粒子速度測量的樣品密度和入射沖擊波壓力列表。

a. comparison of Cu and Al origin signal

b. origin signals of all gauges

圖6 銅和鋁感應單元計記錄信號和組合計信號

Fig.6 Comparison of the origin signals of Cu and Al induction unit and the ones of all gauge

表1 樣品密度和入射沖擊波壓力

Table 1 Sample density and incident shock wave pressure

No.sampledensity/g·cm-3shockwavevelocityinsample/km·s-1interfacevelocity/m·s-1impactpressure/GPa11.8493.1655253.0721.8413.4606504.1431.8453.84611017.8141.8453.87611368.12

在入射沖擊波壓力3.07,4.14,7.81,8.12 GPa下,鋁基組合電磁粒子速度計測試HMX基PBX反應增長粒子速度原始信號如圖7a～圖7d所示,相應的粒子速度信號如圖8a～圖8d所示,圖8中每組曲線的第一條曲線為飛片撞擊表面的stirup gauge記錄的界面粒子速度,以stirup gauge所在的撞擊表面作為源點,由左至右感應單元埋入樣品中深度間隔1 mm。由圖7所見,速度計記錄信號信噪比高、無干擾,而且每個速度計的上升沿時間都小于20 ns,說明鋁基組合電磁粒子速度計達到了設計和應用要求。當入射壓力(3.07 GPa和4.14 GPa)較低時,由圖8a和圖8b可見,1 mm深度處的粒子速度沒有出現(xiàn)增長現(xiàn)象,而且整個記錄時間內粒子速度都處于增長階段,說明反應過程沒有轉為正常爆轟; 當入射沖擊波壓力提高到7.81 GPa和8.12 GPa時,由圖8c和圖8d可見,出現(xiàn)了反應沖擊波趕上惰性前驅沖擊波的過程。HMX基PBX炸藥的反應增長粒子速度數(shù)據(jù)表明: 鋁基組合電磁粒子速度計時間響應特性高,無干擾,能夠很好地反映炸藥沖擊起爆過程的粒子速度增長規(guī)律。

a. 3.07 GPa

b. 4.14 GPa

c. 7.81 GPa

d. 8.12 GPa

圖7 鋁基組合電磁粒子速度計記錄的HMX基炸藥反應增長原始信號

Fig.7 Origin signals of reaction-build-up in HMX-based PBX recorded by Al based electromagnetic particle velocity gauge

a. 3.07 GPa

b. 4.14 GPa

c. 7.81 GPa

d. 8.12 GPa

圖8 4種入射沖擊波壓力下的粒子速度

Fig.8 Particle velocity at different incident shock wave pressure

鋁基組合電磁粒子速度計中的示蹤器也正確記錄了沖擊波在樣品中的運動軌跡,其原理是當沖擊波經(jīng)過示蹤器的敏感單元時,會產(chǎn)生跳變信號,每一個跳變信號對應沖擊波在樣品中傳播的一個位置和時間,由此可以得到?jīng)_擊波在樣品中的運動軌跡。以入射沖擊波壓力為4.14 GPa的實驗結果為例,示蹤器記錄信號如圖9a所示,相應的沖擊波在樣品中的運動軌跡如圖9b所示,完整記錄了沖擊波在樣品中的傳播特性,示蹤器間隔0.5 mm,沖擊波掃過示蹤器時,示蹤器感生電動勢信號符號發(fā)生變化,此外,當沖擊波轉化為爆轟波時,信號幅度會明顯增強,即為沖擊轉爆轟的拐點。

a. original signal of shock tracer

b. shock wave trajectory in sample

圖9 用示蹤器記錄的信號和沖擊波在樣品中的傳播特性

Fig.9 Signals recorded by tracer and propagation characteristic of shock wave in sample

4 結 論

設計了與炸藥阻抗匹配的鋁基組合電磁粒子速度計,與銅基組合電磁粒子速度計相比,鋁基組合電磁粒子速度計具有更好的沖擊時間響應特性,鋁箔上升時間比銅箔上升前沿快7%左右; HMX基PBX炸藥反應增長粒子速度測量實驗結果中,鋁基組合電磁粒子速度計記錄信號信噪比高、無干擾,而且每個感應單元的上升沿時間都小于20 ns,達到了設計和應用要求。研究結果表明: 鋁基組合電磁粒子速度計及其測試系統(tǒng)得到的感生電動勢干擾小,精度高,可以成功獲得高精度的HMX基炸藥反應增長過程粒子速度數(shù)據(jù),實驗結果將有助于對沖擊起爆反應增長過程規(guī)律的認識,也是反應速率建模和反應流體動力學程序校驗的重要實驗依據(jù)。

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