JBO-9021炸藥的沖擊起爆Pop關系*

張 濤，趙繼波，伍 星，劉雨生，劉 藝，楊 佳，谷 巖

(1.中國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實驗室，四川 綿陽 621999；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999)

三氨基三硝基苯(TATB)是常用的鈍感高能炸藥(IHE)。近年來，TATB基炸藥的沖擊起爆性能和沖擊動力學性能受到國內外眾多學者的重視[1-4]，其中鈍感高能炸藥在沖擊波作用下的Pop關系是表征炸藥性能的關鍵參數(shù)，也是炸藥沖擊起爆性能和炸藥安定性研究的重要課題之一。如何高效地獲取炸藥的高精度Pop關系是當前國內外學者面臨的問題之一。Sollier等[5]對沖擊作用下TATB基炸藥T2的沖擊起爆Pop關系進行了實驗研究，獲得了0.5～25 GPa壓力下T2炸藥的沖擊起爆Pop關系。Wang等[6]采用電炮驅動薄飛片高速撞擊作為沖擊加載手段，以激光干涉測速技術作為測試手段，研究了一種TATB/HMX基炸藥在高壓短脈沖沖擊加載條件下的沖擊起爆性能，獲得了10～17 GPa時的Pop關系曲線。Vandersall等[7]利用氣炮驅動組合式飛片，結合錳銅應力計，對LX04炸藥在低幅值單/雙沖擊波加載下的沖擊響應進行了研究，發(fā)現(xiàn)LX04炸藥在0.6～1.4 GPa壓力下會發(fā)生沖擊減敏，并獲得了其低壓Pop關系。另外Gustavsen等[8]、Sheffield等[9-10]、Urtiew等[11]、Chidester等[12]利用電磁粒子速度計對HMX基炸藥EDC-37、PBX9501，以及TATB基炸藥LX-17、PBX9502等多種高能鈍感炸藥的沖擊起爆性能進行了研究，獲得了表征炸藥沖擊起爆性能的Pop關系，并據(jù)此確定了炸藥的化學反應速率方程參數(shù)。

本研究中采用測試精度相對更高的激光干涉測速技術，結合高速掃描相機，對新型鈍感高能炸藥JBO-9021的沖擊起爆性能開展實驗研究，結合一種新的獲取炸藥Pop關系的研究方法，得到表征JBO-9021沖擊起爆性能的Pop關系。

1 實驗裝置及測試系統(tǒng)

實驗裝置及測試系統(tǒng)如圖1所示。測試系統(tǒng)主要包括：起爆裝置、同步機、高壓脈沖發(fā)生器、光纖探針、光纖放大器、激光器、激光干涉測速儀、示波器、計算機控制系統(tǒng)。測試窗口LiF晶體鍍鋁膜，鍍膜一側靠近受試炸藥，作為粒子速度的載體。為了保證測試精度，膜層不宜過厚，本實驗中鋁膜厚度控制在1.0 μm。為了使入射激光在LiF窗口上表面(靠近光纖探針一側)的反射光不影響測試信號光，LiF窗口的上表面與下表面(靠近受試炸藥一側)之間保持5°傾角。通過高速掃描相機獲得較精確的沖擊到爆轟距離。

采用自行研制的波分時復用多點激光干涉測速系統(tǒng)，測速范圍為0～8 km/s，測速不確定度小于2%。平面波透鏡的主裝藥為RHT-901，主要成分為RDX和TNT，質量分數(shù)分別為60%和40%，直徑為100 mm。傳爆藥JO-9159以HMX為基，HMX與黏結劑的質量比為95∶5，尺寸為?100 mm×10 mm；主裝藥和受試炸藥均采用JBO-9021，JBO-9021以TATB為基，含有少量HMX，主裝藥的尺寸為?100 mm×30 mm；鎢合金飛片采用尺寸為?100 mm×6.08 mm的鎢鎳鐵合金。

為了獲得沖擊波進入受試炸藥后粒子運動速度隨沖擊波傳播距離的變化情況，受試炸藥選擇楔形，如圖2(a)所示。為了避免邊側稀疏波的影響，確保測試炸藥部位受到一維沖擊，楔形炸藥的寬度設計為50 mm；為了獲得多個測點(本研究中設置了8個測試點，見圖2(b))的波后粒子速度，楔形炸藥的斜面長度設計為70 mm，楔形角為30°。

實驗過程中，通過起爆裝置向同步機輸出起爆信號。同步機輸出兩路同步信號：一路觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器，起爆26號雷管；另一路觸發(fā)示波器。26號雷管起爆平面波透鏡產生平面沖擊波；平面沖擊波起爆傳爆藥，繼而起爆JBO-9021主裝藥；主裝藥與鎢合金衰減層緊密接觸，沖擊波經過鎢合金衰減層衰減后，進入并起爆JBO-9021楔形受試炸藥，驅動緊貼其表面的鋁膜運動；光纖探頭將探測激光輸出至LiF窗口表面，透過窗口到達鋁膜表面，反射光攜帶楔形炸藥/LiF窗口界面粒子速度剖面的多普勒光信號返回光纖探頭，通過光纖放大器進入激光干涉儀，經由光電傳感器將承載速度剖面的光信號轉化成電信號，最后由示波器記錄。通過激光干涉測速處理，得到楔形炸藥/窗口界面粒子速度剖面。同時由高速掃描相機記錄，得到沖擊轉爆轟距離。

獲得Pop關系的基本思路：在受試炸藥沖擊起爆過程中，隨著沖擊波進入受試炸藥距離的不同，沖擊波強度會發(fā)生變化，結合波后粒子速度剖面的粒子起跳速度和未反應炸藥的雨貢紐曲線，可獲得沖擊波進入受試炸藥不同距離處的沖擊波壓力；通過探針與沖擊轉爆轟點的距離獲得該探針所處壓力下的沖擊到爆轟距離，從而獲得一組初始沖擊壓力-沖擊起爆距離數(shù)據(jù)，最后由多組實驗數(shù)據(jù)擬合Pop關系。

2 實驗結果與分析

實驗過程中，平面波透鏡、傳爆藥和主裝藥相繼引爆產生一定強度的沖擊波，經過不同厚度鎢合金衰減層，沖擊波強度得到衰減調節(jié)。當沖擊波到達鎢合金衰減層與受試炸藥界面時，在受試炸藥中入射一個特定幅值的沖擊波。測得的楔形JBO-9021炸藥后界面不同位置的粒子速度up隨時間t的變化曲線如圖3所示，其中光纖探針1#～8#分別測量沖擊波進入炸藥的距離為4、5、6、7、8、9、10、11 mm時的波后粒子速度剖面。

由于激光干涉測試技術獲取的是LiF窗口/JBO-9021炸藥界面的粒子速度在垂直于斜面的分速度(如圖1所示)，并且LiF窗口與JBO-9021炸藥的阻抗無法完全匹配，所測粒子速度并非受試炸藥中穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度，同時在沖擊壓縮過程中窗口材料的折射率會發(fā)生變化，從而引起一定的測試誤差，因此需要對測量結果進行修正，以得到JBO-9021炸藥穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度剖面。采用角度修正、窗口折射率修正、阻抗匹配修正[13]后，獲得沖擊波在受試炸藥JBO-9021中傳播時的波后粒子速度剖面，如圖4所示。從圖4中可以看到：當沖擊波進入受試炸藥4 mm時，探針1#處對應的粒子速度開始起跳；此后隨著沖擊波進入炸藥距離的增加，波后粒子速度峰值不斷增加，從不同位置探針之間的起跳時間差可以看出，沖擊波不斷加速；沖擊波進入炸藥8～9 mm時，受試炸藥發(fā)生爆轟。從波形可以看出，沖擊波在進入炸藥0～8 mm(探針1#～5#)的過程中，強度不斷增加，但并未發(fā)生爆轟。通過不同探針處測得的粒子速度up和探針位置h獲得一組up-h數(shù)據(jù)，其中粒子速度取波后粒子速度剖面的起跳速度，如表1所示。

高速掃描相機的測試結果如圖5所示。從圖5中可以看出：當入射沖擊波進入受試楔形炸藥后，空氣隙開始發(fā)光，跡線線寬較窄；經過一段較明顯的加速段(跡線顏色較淺，寬度較窄)，沖擊波轉化為爆轟波，因為爆轟產物持續(xù)發(fā)光，所以跡線加粗，爆轟段的跡線斜率保持不變，也就是爆轟波傳播速度保持恒定。將高速掃描結果進行處理后可以得到該發(fā)試驗的沖擊轉爆轟時間為1.5 μs，從沖擊波進入受試楔形炸藥到炸藥爆轟，沖擊波在傳播方向的傳播距離為8.49 mm。

表1 實驗結果Table 1 Experimental results

JBO-9021炸藥中未反應炸藥的雨貢紐關系和動量守恒關系可表示為[13]

式中：p為沖擊波陣面壓力，GPa；ρ0為炸藥的初始密度，g/cm3；Ds為沖擊波速度，km/s；up為沖擊波過后的粒子速度，km/s。根據(jù)式(1)、式(2)以及炸藥的初始密度，可以計算得到沖擊壓力與沖擊波進入受試炸藥距離的關系，結合高速掃描相機得到的沖擊起爆距離8.49 mm，可以獲得探針位置與沖擊轉爆轟點的距離s，如表1所示。

對表1所示的沖擊波進入炸藥不同距離處，未反應炸藥經歷不同沖擊壓力時的沖擊到爆轟距離(X)進行最小二乘法擬合，獲得JBO-9021炸藥的沖擊起爆Pop關系(見圖6)，即

式中：p的單位為GPa；X的單位為mm。

從式(3)所示的JBO-9021炸藥沖擊起爆Pop關系可知，當入射沖擊波壓力分別為10和15 GPa時，沖擊到爆轟距離分別為5.07和2.04 mm。以純TATB為主裝藥的炸藥PBX9502在入射沖擊波壓力分別為10和15 GPa時，其沖擊到爆轟距離分別為15.85和4.58 mm。以純HMX為主裝藥的炸藥PBX9501在入射沖擊波壓力分別為4.2和8.3 GPa時，其沖擊到爆轟距離分別為5.07和2.04 mm?？梢钥闯觯合鄬τ赑BX9502炸藥，JBO-9021炸藥的沖擊起爆感度較高，即JBO-9021炸藥對起爆藥的要求更低，同時由于HMX的爆壓和爆速較TATB更高，使得JBO-9021炸藥的爆轟性能更加優(yōu)越；而相對于PBX9501炸藥，JBO-9021炸藥的沖擊起爆感度較低，表明JBO-9021炸藥的安全性更好，炸藥安全性的提高對武器的生產、運輸和使用將起到積極的推動作用。

3 結 論

采用一種高測試精度、高時間分辨率的激光干涉測速技術，對一種新型高能鈍感炸藥JBO-9021在沖擊起爆過程中不同沖擊波位置處的波后粒子速度剖面進行了測量；并采用高速掃描相機測量沖擊波進入炸藥的距離隨時間的變化關系，獲得了沖擊到爆轟距離。采用不同沖擊波位置處的波后粒子起跳速度和該點到沖擊轉爆轟點的距離，擬合得到表征JBO-9021炸藥沖擊起爆性能的Pop關系，即lgX=(2.951±0.182)-(2.246±0.152)lgp(10.3 GPa

參考文獻:

[1] GUSTAVSEN R L, THOMPSON D G, OLINGER B W, et al. Shock initiation experiments on ratchet grown PBX 9502: LA-UR-10-01468[R]. Los Alamos: Los Alamos National Laboratory (LANL), 2010.

[2] 張濤,谷巖,趙繼波,等.新型高能鈍感炸藥JBO-9X在較高沖擊壓力下沖擊起爆過程的實驗研究[J].火炸藥學報,2016,39(1):28-33.

ZHANG Tao, GU Yan, ZHAO Jibo, et al. Experimental study on shock initiation process of a new insensitive high explosive JBO-9X under high impact pressure[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2016,39(1):28-33.

[3] BOUYER V, DOUCET M, DECARIS L. Experimental measurements of the detonation wave profile in a TATB based explosive[C]∥EPJ Web of Conferences, EDP Sciences, 2010,10:00030.

[4] BOUYER V, HEBERT P, DOUCET M, et al. Experimental measurements of the chemical reaction zone of TATB and HMX based explosives[J]. AIP Conference Proceedings, 2012,1426(1):209-212.

[5] SOLLIER A, MANCZUR P, CROUZET B, et al. Single and double shock initiation of TATB based explosive T2: comparison of electromagnetic gauge measurements with DNS using different reactive flow models[C]∥Proceedings of the 14th Symposium (International) on Detonation. Coeur d’Alene, USA, 2010:563-572.

[6] 王桂吉,趙同虎,莫建軍,等.一種以TATB/HMX為基炸藥的到爆轟距離[J].爆炸與沖擊,2006,26(6):510-515.

WANG Guiji, ZHAO Tonghu, MO Jianjun, et al. Run distance to detonation in a TATB/HMX-based explosive[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(6):510-515.

[7] VANDERSALL K S, TARVER C M, GARCIA F, et al. Low amplitude single and multiple shock initiation experiments and modeling of LX-04: UCRL-CONF-222467[R]. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), 2006.

[8] GUSTAVSEN R L, SHEFFIELD S A, ALCON R R, et al. Initiation of EDC-37 measured with embedded electromagnetic particle velocity gauges[J]. AIP Conference Proceedings, 2000,505(1):879-882.

[9] SHEFFIELD S A, GUSTAVSEN R L, ALCON R R.In-situmagnetic gauging technique used at LANL-method and shock information obtained[J]. AIP Conference Proceedings, 2000,505(1):1043-1048.

[10] SHEFFIELD S A, BLOOMQUIST D D, TARVER C M. Subnanosecond measurements of detonation fronts in solid high explosives[J]. The Journal of Chemical Physics, 1984,80(8):3831-3844.

[11] URTIEW P A, VANDERSALL K S, TARVER C M, et al. Shock initiation experiments and modeling of composition B, C-4, and ANFO[C]∥Proceedings of the 13th Symposium (International) on Detonation. Norfolk, 2006:432-439.

[12] CHIDESTER S K, THOMPSON D G, VANDERSALL K S, et al. Shock initiation experiments on PBX 9501 explosive at pressures below 3 GPa with associated ignition and growth modeling[J]. AIP Conference Proceedings, 2007,955(1):903-906.

[13] 張濤,趙繼波,伍星,等.未反應JBO-9021炸藥沖擊雨貢紐曲線的研究[J].高壓物理學報,2016,30(6):457-462.

ZHANG Tao, ZHAO Jibo, WU Xing, et al. Hugoniot curve of unreacted JBO-9021 explosive[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2016,30(6):457-462.