用電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)研究一種TATB基鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)

李金河，傅 華，趙繼波，龔晏青，孫永強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621900)

用電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)研究一種TATB基鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)

李金河，傅 華，趙繼波，龔晏青，孫永強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621900)

針對(duì)一種新的TATB基鈍感炸藥(Tx)，應(yīng)用組合式電磁粒子速度計(jì)(EMV)測(cè)試技術(shù)，測(cè)量了炸藥直接加載、增加有機(jī)玻璃隔板以及炸藥驅(qū)動(dòng)飛片3種加載狀態(tài)下炸藥內(nèi)部的粒子速度歷程和沖擊波軌跡。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析了不同加載壓力下炸藥的沖擊響應(yīng)過(guò)程。結(jié)果表明，炸藥直接加載時(shí)，加載壓力最高，Tx鈍感炸藥很快達(dá)到爆轟狀態(tài)，到爆轟距離約為1.5mm;在增加有機(jī)玻璃隔板、加載壓力為14.2GPa時(shí)，與直接加載時(shí)炸藥粒子速度一致，Tx鈍感炸藥的到爆轟距離明顯增加，約為5mm;在炸藥驅(qū)動(dòng)飛片、加載壓力為9.5GPa時(shí)，Tx鈍感炸藥的粒子速度逐漸降低，存在一定鈍化現(xiàn)象，到爆轟距離達(dá)到20mm以上。

爆炸力學(xué)；電磁粒子速度計(jì)；TATB基鈍感炸藥；沖擊響應(yīng)；到爆轟距離

引 言

隨著現(xiàn)代武器對(duì)彈藥安全性要求越來(lái)越高，鈍感炸藥成為近年來(lái)武器彈藥發(fā)展的熱點(diǎn)[1-2]。鈍感炸藥與其他凝聚炸藥相比，化學(xué)反應(yīng)區(qū)較長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)較慢，爆轟發(fā)展過(guò)程復(fù)雜。研究鈍感炸藥的沖擊起爆性能及爆轟特性對(duì)武器戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了大量鈍感炸藥相關(guān)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[3-5]。

內(nèi)嵌式拉格朗日量計(jì)測(cè)試技術(shù)是研究炸藥沖擊起爆響應(yīng)的重要手段，主要有電磁粒子速度計(jì)[6-8]和錳銅壓力計(jì)[9-10]兩種測(cè)試方法。電磁粒子速度計(jì)可以直接測(cè)量炸藥內(nèi)部粒子速度，具有測(cè)試原理簡(jiǎn)單、響應(yīng)較靈敏、無(wú)需標(biāo)定、絕緣要求不高、有效記錄時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是根據(jù)組合式電磁粒子速度計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以獲得大量數(shù)據(jù)信息，包括粒子速度、POP關(guān)系、未反應(yīng)炸藥的沖擊絕熱線、爆速等[7]。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)已經(jīng)將該測(cè)試技術(shù)發(fā)展為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的診斷技術(shù)[11]。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始發(fā)展電磁粒子速度計(jì)測(cè)試技術(shù)，但是在應(yīng)用組合式電磁粒子速度計(jì)開(kāi)展炸藥沖擊起爆及相關(guān)研究方面還很少，主要因?yàn)榻M合式電磁粒子速度計(jì)試驗(yàn)技術(shù)還不成熟，測(cè)試信號(hào)質(zhì)量較差[12-13]。

本研究針對(duì)新研制的一種TATB基鈍感炸藥(Tx)，應(yīng)用組合式電磁粒子速度計(jì)測(cè)量炸藥內(nèi)部的粒子速度，較好地獲得了3種加載狀態(tài)下的粒子速度歷程和沖擊波軌跡，并分析了Tx鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)情況，以期為認(rèn)識(shí)該TATB基鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)特性提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

(1)

V=LuB

(2)

由式(2)可知，在已知導(dǎo)體長(zhǎng)度(L)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(B)的情況下，通過(guò)測(cè)量與炸藥中產(chǎn)物一起運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的電壓(V)，即可得到產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)的粒子速度up，見(jiàn)式(3)

(3)

1.2 組合式電磁粒子速度計(jì)的設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的組合式電磁粒子速度計(jì)與Sheffield[5]設(shè)計(jì)的組合式電磁粒子速度計(jì)相似，包含了8個(gè)電磁粒子速度計(jì)和1個(gè)沖擊波示蹤器，如圖1所示。沖擊波示蹤器為“梳狀”，可以監(jiān)測(cè)炸藥中沖擊波或爆轟波的傳播軌跡。電磁粒子速度計(jì)采用9μm厚銅箔刻蝕而成，速度計(jì)敏感段寬度為0.1mm，長(zhǎng)度為5～12mm，相鄰速度計(jì)敏感段的距離為1mm。速度計(jì)兩側(cè)為20μm厚的聚酰亞胺絕緣材料。整個(gè)速度計(jì)的厚度約為50μm。

圖1 組合式電磁粒子速度計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined electromagnetic particle velocity gauge

1.3 磁場(chǎng)裝置

電磁粒子速度計(jì)必須工作在均勻、穩(wěn)定的磁場(chǎng)中。試驗(yàn)所需的磁場(chǎng)由亥姆霍茲線圈或永磁鐵提供。當(dāng)炸藥量較大時(shí)，一般采用亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈可以根據(jù)試驗(yàn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。但為了獲得均勻性更好的磁場(chǎng)，應(yīng)盡量使線圈環(huán)的半徑和間距相等。在均勻磁場(chǎng)區(qū)域，亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可用公式 (4)計(jì)算[8]

(4)

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用炸藥加載方式研究新型鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)，試驗(yàn)狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental status

由圖2可以看出，試驗(yàn)共有3種狀態(tài)，分別獲得不同的沖擊壓力。第1種是JO-9159炸藥直接加載；第2種是在JO-9159加載炸藥和Tx鈍感炸藥之間放置厚17.5mm的有機(jī)玻璃隔板，降低鈍感炸藥表面的沖擊波壓力；第3種是JO-9159炸藥驅(qū)動(dòng)4mm有機(jī)玻璃飛片撞擊炸藥，進(jìn)一步降低鈍感炸藥表面的沖擊波壓力。鈍感炸藥密度為1.902g/cm3，炸藥樣品為69mm×50mm×40mm的長(zhǎng)方體，由兩塊30°楔形塊拼合而成。組合式電磁粒子速度計(jì)安裝在兩塊楔形樣品之間，其中第1個(gè)速度計(jì)與炸藥表面的距離為0.5mm。為了監(jiān)測(cè)鈍感炸藥表面的加載沖擊波，在炸藥樣品上表面還安裝一個(gè)電磁粒子速度計(jì)。試驗(yàn)用亥姆霍茲線圈的直徑為320mm，由Φ2mm的漆包線繞制而成。試驗(yàn)中，亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.5T。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加載狀態(tài)下的粒子速度

電磁粒子速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同加載壓力狀態(tài)Tx鈍感炸藥的粒子速度曲線Fig.3 Particle velocities of insensitive esplosive Tx under different loading pressures

由圖3可以看出，第1種加載狀態(tài)下，加載壓力最高，炸藥很快達(dá)到爆轟狀態(tài)，到爆轟距離約為1.5mm，根據(jù)相鄰粒子速度計(jì)之間的距離和爆轟波到達(dá)的時(shí)間可知炸藥的爆速約為7500m/s。第2種狀態(tài)下，炸藥的加載壓力相對(duì)較低，圖3 (b)中第1個(gè)信號(hào)為單計(jì)的測(cè)試結(jié)果。顯然，在增加了隔板之后，炸藥的到爆轟距離明顯增加，在4mm處炸藥仍然沒(méi)有發(fā)生爆轟。由于最后一個(gè)計(jì)的粒子速度與第1種狀態(tài)0.5mm處粒子速度比較一致，同時(shí)根據(jù)第1種狀態(tài)的到爆轟距離，估計(jì)炸藥的到爆轟距離約為5mm，與PBX-9502炸藥的結(jié)果接近[7]。第3種狀態(tài)下，炸藥的加載壓力最低，由圖3(c)可知，在距離炸藥表面2.5mm之前，炸藥的粒子速度逐漸降低，表明炸藥可能出現(xiàn)了鈍化現(xiàn)象。在1.5mm之后，炸藥已經(jīng)開(kāi)始有一定的反應(yīng)，但2.5mm之后，粒子速度才開(kāi)始逐漸增加，隨著炸藥反應(yīng)的增強(qiáng)，可能會(huì)發(fā)生爆轟轉(zhuǎn)變。

2.2 不同加載狀態(tài)時(shí)沖擊波的傳播

本研究加載沖擊波的平面性較差，無(wú)法用于準(zhǔn)確計(jì)算沖擊波或爆轟波速度，在第2種狀態(tài)時(shí)也沒(méi)有觀察到爆轟轉(zhuǎn)變位置。第3種狀態(tài)下沖擊波示蹤器測(cè)試結(jié)果和沖擊波的時(shí)間-位置曲線如圖4所示。

圖4 第3種狀態(tài)下沖擊波示蹤器測(cè)試結(jié)果和沖擊波時(shí)間-位置曲線Fig.4 Testing results of shock wave tracker and curves of shock wave under state 3

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)行微分，可得式(6)

(6)

由式(6)可知，沖擊波的速度先從約4220m/s減小到2143m/s，又逐漸增大到約4660m/s?？紤]到?jīng)_擊波或爆轟波在傳播過(guò)程中的發(fā)散性，估算炸藥發(fā)生爆轟轉(zhuǎn)變的距離達(dá)到20mm以上，與PBX-9502炸藥接近[7]。

2.3 加載壓力估算

由于Tx鈍感炸藥為新型鈍感炸藥，目前尚沒(méi)有關(guān)于該炸藥的未反應(yīng)炸藥沖擊絕熱線關(guān)系。但是，根據(jù)本試驗(yàn)粒子速度測(cè)量結(jié)果以及沖擊波軌跡分析結(jié)果可以估算炸藥的沖擊波加載壓力，見(jiàn)式(7)

p=ρ0usup

(7)

式中：p為加載壓力，GPa；ρ0為炸藥密度，g/cm3；us為沖擊波速度，km/s；up為粒子速度，km/s。

對(duì)于試驗(yàn)狀態(tài)2，表面粒子速度為1490m/s，沖擊波速度為5000m/s，可得炸藥表面的加載壓力為14.2GPa。對(duì)于試驗(yàn)狀態(tài)3，表面粒子速度為1280m/s，沖擊波速度為3980m/s，可得炸藥表面的加載壓力為9.5GPa。 由于試驗(yàn)狀態(tài)1沒(méi)有獲得炸藥表面的粒子速度，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。

2.4 炸藥的鈍化

根據(jù)粒子速度的測(cè)量結(jié)果可知，加載壓力為9.5GPa時(shí)，炸藥發(fā)生了鈍化現(xiàn)象，粒子速度和沖擊波速度都出現(xiàn)了比較明顯的下降。分析認(rèn)為，部分原因可能是由于炸藥出現(xiàn)了壓實(shí)，并產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。Mulford等[14]發(fā)現(xiàn)在低于10.5GPa下，PBX-9502表現(xiàn)為惰性(幾μs以內(nèi))，通過(guò)雙沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)炸藥存在鈍化現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)如圖3(c)所示的在沖擊波作用下炸藥內(nèi)部產(chǎn)生明顯的粒子速度下降，然后再逐漸反應(yīng)增長(zhǎng)的報(bào)道。因此，在粒子速度增長(zhǎng)之前，可能還存在一些未知的影響機(jī)制，有待進(jìn)一步的分析探討。

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)用組合式電磁粒子速度計(jì)開(kāi)展了鈍感炸藥沖擊響應(yīng)過(guò)程研究，獲得了不同加載壓力情況下炸藥的粒子速度曲線。

(2)不同加載壓力狀態(tài)下鈍感炸藥的沖擊響應(yīng)有明顯的差異。在炸藥直接加載時(shí)，Tx鈍感炸藥的到爆轟距離約為1.5mm，在加載壓力為14.2GPa時(shí)，炸藥可以發(fā)生爆轟轉(zhuǎn)變，到爆轟距離比較長(zhǎng)，約為5mm；在加載壓力為9.5GPa時(shí)，炸藥發(fā)生了鈍化現(xiàn)象，粒子速度先減小后增大，到爆轟距離大于20mm。

(3)由于試驗(yàn)加載沖擊波的平面性不高，在計(jì)算沖擊波速度或爆速方面準(zhǔn)確性還不高，特別是無(wú)法直接準(zhǔn)確地得到炸藥的到爆轟距離或到爆轟時(shí)間，有待在以后的試驗(yàn)中應(yīng)用火藥炮驅(qū)動(dòng)飛片的加載方式進(jìn)行改善。

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Experimental Study on the Shock Response of a TATB-based Insensitive Explosive with Electromagnetic Particle Velocity Gauge

LI Jin-he，F(xiàn)U Hua，ZHAO Ji-bo，GONG Yan-qing，SUN Yong-qiang

(National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，CAEP， Mianyang Sichuan 621900，China)

Aiming at a new TATB based insensitive explosive(Tx), the particle velocity history and shock wave trajectory in explosive under three kinds of loading states, including explosive loading directly, increase of organic glass partition and explosive driven flyer, were measured by a combined electromagnetic particle velocity(EMV) gauge testing technology. According to the test results, the impact response process of explosive under different loading pressure was analyzed.The results show that when the explosive is loaded directly, the loading pressure is the highest. Tx insensitive explosive soon reach the state of detonation, the distance to detonation is about 1.5mm. After adding organic glass partition,when the loading pressure is 14.2GPa, the velocity of explosive particles is more consistent with the direct loading, the distance to detonation of Tx insensitive explosive is significantly increased to about 5mm. In the explosive driven flyer, when the loading pressure is 9.5GPa, the particle velocity of Tx explosive is gradually decreased,and exist a certain passivation phenomenon, the distance to detonation is more than 20mm.

explosion mechanics；electromagnetic particle velocity gauge；TATB based insensitive explosive；shock response;the distance to detonation

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.010

2016-08-11；

2016-10-12

中物院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金資助(No.2013B0101001)

李金河(1979-)，男，助理研究員，從事炸藥爆轟及安全性研究。E-mail：leejinhe103@163.com

TJ55;O38

A

1007-7812(2016)06-0058-05