飛片沖擊起爆高能鈍感高聚物粘結(jié)炸藥的實驗研究

白志玲，段卓平，景莉，劉益儒，歐卓成，黃風(fēng)雷

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2.北京空間機電研究所，北京100094；3.北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所，北京100088）

飛片沖擊起爆高能鈍感高聚物粘結(jié)炸藥的實驗研究

白志玲1，段卓平1，景莉2，劉益儒3，歐卓成1，黃風(fēng)雷1

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081；2.北京空間機電研究所，北京100094；3.北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所，北京100088）

為了對比奧克托今（HMX）基和三氨基三硝基苯（TATB）基高聚物粘結(jié)（PBX）炸藥沖擊起爆爆轟建立過程的差異，研究高能鈍感炸藥的爆轟成長特性，采用火炮驅(qū)動鋁飛片實現(xiàn)平面沖擊加載，建立一維拉格朗日錳銅壓阻實驗測試系統(tǒng)，得到高能PBXC03（以HMX為主）和高能鈍感PBXC10（以TATB為主）炸藥沖擊起爆爆轟成長過程的不同拉格朗日位置處壓力變化歷史和前導(dǎo)沖擊波時程曲線。結(jié)果表明：高能鈍感PBXC10炸藥的爆轟建立過程與高能PBXC03炸藥明顯不同，HMX基和TATB基PBX炸藥沖擊起爆和爆轟成長的物理機制存在較大差異。基于所得數(shù)據(jù)可標定高能鈍感PBX炸藥的反應(yīng)速率方程。

兵器科學(xué)與技術(shù)；爆轟；高聚物粘結(jié)炸藥；沖擊起爆；飛片；拉格朗日實驗

0 引言

奧克托今（HMX）炸藥能量密度高，但臨界起爆壓力低，較敏感；而三氨基三硝基苯（TATB）炸藥的臨界起爆壓力高，非常鈍感，但其能量較低［1］。為了解決炸藥能量與感度的矛盾，HMX/TATB混合基高能鈍感高聚物粘結(jié)（PBX）炸藥得到了廣泛關(guān)注。平面加載下一維拉格朗日量計測試技術(shù)是研究炸藥沖擊起爆性能最直觀有效的手段，包括電磁粒子速度計測速技術(shù)［2-3］和錳銅壓阻傳感器測壓技術(shù)［4-5］，可詳細記錄反應(yīng)沖擊波后流場變化的相關(guān)宏觀信息，反映出炸藥沖擊起爆和爆轟成長過程的特性。

近年來，Wen等［6］和溫麗晶等［7-8］采用炸藥平面透鏡爆轟加載及空氣與隔板綜合衰減技術(shù)，建立基于錳銅壓阻傳感器的一維拉格朗日實驗分析系統(tǒng)，對PBXC03（以HMX為主，含有少量TATB）和PBXC10（以TATB為主，含有部分HMX）兩種炸藥的爆轟建立過程進行了研究。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，如果模擬上述炸藥透鏡爆轟加載實驗狀態(tài)下炸藥的沖擊起爆爆轟建立過程，炸藥起爆的加載壓力邊界條件必須采用上述實驗測得的炸藥表面0mm位置處的壓力變化歷史，這樣顯然耦合了0mm位置炸藥后期的化學(xué)反應(yīng)，帶來的后果是，后期化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物會形成壓縮波，不斷追趕和加強前導(dǎo)沖擊波，從而影響后續(xù)拉格朗日位置處的壓力歷史。劉益儒等［9］也指出了利用上述方法得到的數(shù)據(jù)來數(shù)值模擬沖擊起爆過程，確定反應(yīng)速率方程參數(shù)會帶來較大誤差。

本文采用火炮驅(qū)動鋁飛片實現(xiàn)平面沖擊加載，建立一維拉格朗日錳銅壓阻實驗測試系統(tǒng)，得到PBXC03炸藥和PBXC10炸藥沖擊起爆爆轟建立過程中不同拉格朗日位置的壓力變化歷史，并比較這兩種炸藥的爆轟成長過程的差異。利用該數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬時可采用飛片速度為加載條件，邊界條件與后續(xù)反應(yīng)無關(guān)，實驗數(shù)據(jù)可為進一步分析反應(yīng)速率模型提供較客觀的依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

鋁飛片沖擊起爆一維拉格朗日錳銅壓阻測試系統(tǒng)如圖1所示。實驗原理是利用火炮驅(qū)動鋁飛片在炮膛內(nèi)加速，當彈托飛離炮口時，飛片速度達到穩(wěn)定并以一定的速度撞擊鋁隔板，在鋁隔板中產(chǎn)生一個平面沖擊波，傳入待測試的PBX炸藥中，實現(xiàn)對炸藥的平面沖擊加載。其中，炮口處的光纖激光測速系統(tǒng)測得飛片速度，同時炮口處的快響應(yīng)光纖激光觸發(fā)系統(tǒng)觸發(fā)高速同步脈沖恒流源，給埋在炸藥中4個不同拉格朗日位置h（h1、h2、h3、h4，即炸藥受飛片沖擊表面到傳感器的距離）的錳銅壓阻傳感器供電，通過示波器記錄電壓信號，繼而獲得當?shù)貕毫π畔ⅰ?/p>

圖1　鋁飛片沖擊起爆一維拉格朗日實驗分析測試系統(tǒng)Fig.1 One-dimensional Lagrangian experimental test system for aluminum flyer impact initiation

鋁飛片的尺寸為φ50mm×12mm，待測PBX炸藥樣品直徑為φ50mm，3塊薄片炸藥與一塊25mm厚的炸藥相疊，嵌入4個錳銅壓阻傳感器，通過改變薄片炸藥的厚度來調(diào)整所需測試的拉格朗日位置。圖2為實驗用的一組PBX炸藥樣品。實驗時使用H型錳銅壓阻傳感器（電阻R0≈0.2Ω），壓阻關(guān)系［10］為

式中:ΔR/R0=ΔU/U0，U0是沖擊波未到達傳感器時示波器記錄的恒流源基線電壓值，ΔU為沖擊波達到傳感器時壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的電壓變化值。為了保持爆轟壓力測量時間，傳感器用聚四氟乙烯薄膜包覆，第一個位置傳感器使用的薄膜厚度為0.2mm，剩余3個位置傳感器使用的薄膜厚度均為0.1mm，并使用真空硅脂封裝。最后，將組裝好的炸藥固定在炮口，如圖3所示。

圖2　PBX炸藥樣品Fig.2 A set of PBX sample used in experiment

圖3　實驗裝置實物圖Fig.3 A typical flyer impact initiation experimental setup with laser velocimeter

2 實驗結(jié)果分析與討論

兩種炸藥各自的具體組分配比及細觀參數(shù)見表1所示。每一發(fā)實驗均需測4個拉格朗日位置的壓力變化歷程。圖4為示波器記錄到的一組典型實驗信號，每條曲線代表一個拉格朗日位置的壓力變化歷程，根據(jù)（1）式即可將示波器記錄的電壓值轉(zhuǎn)化為壓力值。

表1　PBXC03和PBXC10炸藥組分和配比Tab.1 Components and particle sizes of PBXC03 and PBXC10

圖4　典型實驗信號Fig.4 A typical set of test signal recorded by oscilloscope

圖5　不同飛片速度下PBXC03爆轟建立過程不同拉格朗日位置的壓力歷程Fig.5 Measured pressure histories at different Lagrangian positions of PBXC 03 at two kinds of flyer velocities

圖5為兩種飛片速度下PBXC03炸藥沖擊起爆的爆轟建立過程中不同拉格朗日位置的壓力變化歷位置錳銅壓阻傳感器記錄到的壓力歷程的平臺值，圖5中每條曲線右下角的數(shù)字表示拉格朗日位置。當飛片速度為709m/s時，加載壓力低，0mm位置前導(dǎo)沖擊波過后短時間內(nèi)壓力幾乎沒有變化，這是由于在低壓力加載下前導(dǎo)沖擊波過后炸藥反應(yīng)程度較小，隨著反應(yīng)的進行，壓力才逐漸升高；3mm、6mm和9mm位置的前導(dǎo)沖擊波陣面壓力沒有明顯增長，但波后壓力增長速率依次變快，壓縮波峰值壓力的到達時間與陣面到達時間逐漸拉近，但9mm位置炸藥未能轉(zhuǎn)為爆轟。當飛片速度為1050m/s時，加載壓力值增高，隨著拉格朗日位置深度增加，波后壓力增長明顯變快，壓力高峰不斷向前追趕導(dǎo)沖擊波陣面，最終在6mm位置附近轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。對比PBXC03炸藥在不同飛片速度下的爆轟建立過程中不同拉格朗日位置的壓力歷程，可以看出:首先，反應(yīng)沖擊波在早期發(fā)展過程中，前導(dǎo)沖擊波陣面壓力沒有明顯增長，但波后壓力逐漸增大，壓力高峰不斷向前追趕前導(dǎo)沖擊波陣面，最終轉(zhuǎn)為爆轟，說明PBXC03炸藥中波陣面處形成的熱點點火不起主要作用，推動壓力增長的主要動力是波后流場中的反應(yīng)所產(chǎn)生的壓縮波；其次，飛片速度變大，加載壓力增大，前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增大，波過后壓力增長明顯變快，說明PBXC03炸藥在不同加載壓力下產(chǎn)生的熱點數(shù)量和尺寸不同，導(dǎo)致前導(dǎo)沖擊波過后反應(yīng)程度不同，所以壓力增長快慢不同，本文的實驗現(xiàn)象也非常好地證實了Grebenkin［11］基于熱點概念對HMX基PBX炸藥沖擊起爆物理機制的解釋:HMX基PBX炸藥的宏觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)受熱點密度控制。

圖6為兩種飛片速度下PBXC10炸藥沖擊起爆的爆轟建立過程中不同拉格朗日位置的壓力變化歷程。當飛片速度為1323m/s時，在0mm、4mm和8mm位置前導(dǎo)沖擊波過后壓力沒有明顯的增長趨勢，這是由于PBXC10炸藥爆炸產(chǎn)物溫度較低，熱點形成后尺寸增長緩慢，導(dǎo)致宏觀的化學(xué)反應(yīng)速率較低，這也與Grebenkin［11］對TATB基PBX炸藥沖擊起爆物理機制的分析一致:TATB基PBX炸藥的宏觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)受微觀熱點燃燒波傳播速度控制。隨著拉格朗日位置深度增加，前導(dǎo)沖擊波陣面壓力不斷增大，這是因為未反應(yīng)PBXC10炸藥在沖擊波作用下的壓縮度增大，產(chǎn)生的熱點數(shù)量增多，說明在較高沖擊壓力作用下，沖擊波陣面附近的反應(yīng)對PBXC10炸藥轉(zhuǎn)爆轟的貢獻較大，隨后炸藥的化學(xué)反應(yīng)形成燃燒波，不斷加強前導(dǎo)沖擊波，最后在12mm位置發(fā)展成穩(wěn)定爆轟。當飛片速度稍增大到1344m/s時，PBXC10炸藥爆轟建立過程中壓力變化歷程與上述過程一致?？傊琍BXC10炸藥起爆壓力高，隨著拉格朗日位置深度增加，前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增大，但波后壓力沒有明顯增長趨勢，這是與PBXC03炸藥沖擊起爆的爆轟建立過程最顯著的區(qū)別。

不同飛片速度下PBXC03和PBXC10炸藥前導(dǎo)沖擊波的時程曲線如圖7（a）、圖7（b）所示。從圖7可以看出:飛片速度增加，PBXC03炸藥中前導(dǎo)沖擊波速度增長變快，到爆轟時間變短，炸藥感度高；而PBXC10炸藥中前導(dǎo)沖擊波速度增長緩慢，到爆轟時間長，炸藥鈍感。此外，可以看出本文的錳銅壓阻實驗測試系統(tǒng)精度較高，如圖7（b）所示，兩發(fā)試驗飛片速度相差非常小，實驗系統(tǒng)能夠精確測量記錄到一致的信號。

圖6　不同飛片速度下PBXC10爆轟建立過程不同拉格朗日位置的壓力歷史Fig.6 Measured pressure histories at different Lagrangian positions of PBXC 10 at two kinds of flyer velocities

3 結(jié)論

1）相比炸藥透鏡爆轟加載實驗系統(tǒng)，火炮驅(qū)動鋁飛片實驗系統(tǒng)也可實現(xiàn)平面沖擊加載，建立炸藥沖擊起爆一維拉格朗日錳銅壓阻實驗分析測試系統(tǒng)，利用該數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬時可采用飛片速度為加載條件，邊界條件與后續(xù)反應(yīng)無關(guān)，實驗數(shù)據(jù)可為進一步分析反應(yīng)速率模型提供較客觀的依據(jù)。

2）PBX03炸藥前導(dǎo)沖擊波過后有明顯的壓力增長過程，而PBXC10炸藥波后沒有明顯的壓力增長過程。結(jié)果表明:HMX基PBX炸藥在不同加載壓力下產(chǎn)生的熱點數(shù)量和尺寸不同，所以前導(dǎo)沖擊波過后反應(yīng)程度不同，壓力增長快慢不同；而TATB基PBXC炸藥臨界起爆壓力高，起爆時壓縮度大，熱點數(shù)量接近飽和，但爆炸產(chǎn)物溫度較低，熱點形成后尺寸增長緩慢，導(dǎo)致宏觀的化學(xué)反應(yīng)速率較低。通過以上對TATB基高能鈍感PBX炸藥沖擊起爆熱點機制的進一步認識，為后續(xù)建立高能鈍感PBX炸藥沖擊起爆反應(yīng)速率方程提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。

致謝 中國工程物理研究院流體物理研究所張旭研究員、黃文斌副研究員為實驗提供了大力支持。

圖7　不同飛片速度下PBXC03和PBXC10炸藥的前導(dǎo)沖擊波時程曲線Fig.7 Time-distance curves of shock fronts of PBXC03 and PBXC10 at various flyer velocities

（References）

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Experimental Research on Initiation of Insensitive High Energy Plastic Bonded Explosives by Flyer Impact

BAI Zhi-ling1，DUAN Zhuo-ping1，JING Li2，LIU Yi-ru3，OU Zhuo-cheng1，HUANG Feng-lei1
（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China；3.Institute of Applied Physics and Computational Mathematics，Beijing 100088，China）

In order to study the difference between detonation processes of HMX-based and TATB-based plastic bonded explosives and know more about the detonation growth characteristics of insensitive high energy explosives，an one-dimensional Lagrangian experimental test system is built based on manganin piezoresistive pressure gauge measurement technique，in which the aluminum flyers are used for planar impact loading.The impact initiation experiments are performed for PBXC03（mainly HMX）and PBXC10（mainly TATB）explosives.The pressure histories at different Lagrangian locations and the time-distance curve of shock front are obtained through experiment.The results show that the detonation growth progress of PBXC10 explosives distinctly distinguishes from that of PBXC03 explosives.This indicates that the physical mechanism of the shock initiation and detonation growth of HMX-based plastic bonded explosives is different from that of TATB-based plastic bonded explosives.The experimental data can be used to calibrate the reaction rate equation of insensitive high energy explosives.

ordnance science and technology；detonation；plastic bonded explosive；shock initiation；flyer；Lagrangian experiment

O381

A

1000-1093（2016）08-1464-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.018

2016-04-06

國家自然科學(xué)基金重點項目（10832003、11076032）

白志玲（1989—），女，博士研究生。E-mail:zhilingbai@yeah.net；段卓平（1965—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail:duanzp@bit.edu.cn