典型CL-20 和HMX 基壓裝炸藥爆炸驅動特性對比

王樹有，南宇翔，蔣建偉，韓 偉，譚 杰，陳東萍

（1. 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2. 中國北方工業(yè)有限公司，北京 100053；3. 中國人民解放軍32381 部隊，北京 100072；4. 山西江陽化工有限公司，山西 太原 030041）

1 引言

炸藥作為武器系統(tǒng)中最主要的能量來源，其能量的大小直接決定了戰(zhàn)斗部的爆炸毀傷威力。從19 世紀末的TNT 基炸藥，到二戰(zhàn)時期發(fā)展的RDX 基和HMX 基炸藥，每一次更高能量密度炸藥的應用都影響著戰(zhàn)斗部毀傷威力的跨越式發(fā)展，也引領著武器裝備的更新?lián)Q代。CL-20 自1987 年合成以來［1］，已被廣泛的研究和應用［2-3］，是目前世界上已應用含有最高能量密度的單質炸藥，許多文獻表明CL-20 基混合炸藥具有高爆速、高爆壓等特點，其爆炸威力高于現(xiàn)已應用的炸藥 威 力［4-5］。國 內 自20 世 紀90 年 代CL-20 單質 炸藥合成以來［6］，也先后研制了多個能量高、安全性良好的CL-20 基混合炸藥［7-8］。目前，關于CL-20 炸藥爆炸驅動特性開展了一些單項研究，如劉紅梅等［9］開展了CL-20 炸藥驅動金屬飛片研究，得出了CL-20 炸藥對金屬飛片的驅動速度高于HMX 基JO-9159 炸藥；王利俠等［10］開展了壓裝工藝對CL-20 基炸藥性能及聚能破甲威力的影響研究，研究表明熱壓成型藥柱的各項性能均優(yōu)于常溫成型藥柱。

由于在CL-20 基炸藥爆炸驅動能力方面僅開展了單項實驗研究，未全面系統(tǒng)的開展對比研究，為此，本研究選取了典型的CL-20 基和HMX 基壓裝混合炸藥，通過測試爆速、爆壓及標準圓筒實驗對比炸藥基本爆轟性能；設計預制破片驅動裝置進行靜爆實驗，利用脈沖X 光攝影儀及通靶測速系統(tǒng)測試驅動破片的初速；設計了兩種錐角銅藥型罩的聚能裝藥結構，裝填不同炸藥進行相同炸高下的靜破甲實驗對比，獲得了對鋼靶的侵徹能力，以期較全面地對比兩種炸藥的軸/徑向驅動能力，為CL-20 基炸藥應用提供參考。

2 樣品與實驗

2.1 樣品

CL-20 基炸藥主成分由六硝基六氮雜異伍茲烷（ε-CL-20，簡稱HNIW）和塑性粘結劑組成，應用水懸浮法［11］對ε-CL-20 進行鈍化包覆，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司，CL-20 基炸藥造型粉如圖1。

圖1 CL-20 基炸藥造型粉Fig.1 CL-20-based explosive powder

采用熱壓成型工藝壓制了不同直徑的柱形及異形藥柱，其中藥柱直徑為25 mm 的爆速、爆壓實驗，裝藥密 度 有 兩 種，分 別 為1.93 g·cm-3、1.95 g·cm-3（98.1%TMD），用于圓筒實驗的藥柱直徑為20 mm、25 mm，密度為1.93 g·cm-3，用于破片驅動實驗的藥柱直徑為36 mm、106 mm，密度為1.93 g·cm-3，用于聚能破甲實驗的藥柱直徑為82 mm，密度為1.93 g·cm-3，裝藥軸向、徑向密度均勻性良好，藥柱經(jīng)過高低溫變化后，無裂紋及不可逆增長、縮小。圖2 為壓制的CL-20基炸藥壓裝成型的藥柱。

HMX 基JO-8 炸藥，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司，作為對比炸藥，將其壓制成與CL-20 基炸藥相同的藥柱，裝藥密度為1.83 g·cm-3。

圖2 CL-20 基炸藥壓裝成型的藥柱Fig.2 Pressed CL-20-based explosive charges

2.2 實驗

2.2.1 爆速、爆壓實驗

炸藥的爆速D，爆壓PCJ等基本爆轟參數(shù)可表征炸藥的基本爆轟驅動特性。選取兩種密度的CL-20 基炸藥藥柱及HMX 基JO-8 炸藥藥柱，按照GJB772A-1997《炸藥試驗方法》標準，用電測法測量炸藥爆速，錳銅壓力傳感器法測試炸藥爆壓。圖3 為爆速、爆壓測試實驗裝置。

圖3 炸藥爆速爆壓測試裝置Fig.3 Testing devices for detonation velocity and detonation pressure

2.2.2 圓筒實驗

格尼系數(shù)可用于表征炸藥的爆轟驅動特性，為評價CL-20 基炸藥的爆轟性能，按照GJB772A-1997《炸藥試驗方法》開展典型密度CL-20 基炸藥（ρ0=1.93 g·cm-3）和JO-8 炸藥（ρ0=1.83 g·cm-3）的圓筒對比實驗，采用激光干涉測速儀和狹縫掃描高速攝影儀分別測量圓筒壁膨脹速度v、位移（r-r0）的歷程曲線，分析兩種炸藥的基本爆轟性能差異。圖4 為圓筒實驗裝置布局示意圖，藥柱直徑為25 mm，圓筒外徑為30 mm。

2.2.3 破片驅動實驗

設計兩種預制破片驅動裝置如圖5 所示，分別裝填CL-20 基炸藥和JO-8 炸藥，開展靜爆實驗［12］對比兩炸藥驅動預制破片的速度。圖5a 所示Φ36 mm 預制破片驅動裝置，內裝Φ4.9 mm×4.9 mm 鎢柱，分別裝填CL-20 基炸藥、JO-8 炸藥，端部起爆，采用脈沖X 光攝影儀測試破片初速。圖5b 所示的Φ106 mm 預制破片驅動裝置，內襯和殼體間裝有Φ7 mm 鎢球，裝填CL-20 基炸藥、JO-8 炸藥，中心起爆，采用通靶測速系統(tǒng)距爆心5 m 處的破片平均速度。

圖4 圓筒實驗裝置Fig.4 Schematic diagram and physical map of cylinder test

圖5 兩種破片驅動裝置Fig.5 Two kinds of fragment devices

2.2.4 聚能破甲實驗

聚能裝藥分為帶隔板和不帶隔板兩種，帶隔板的聚能裝藥長徑比一般較大，隔板的加入可以改善爆轟波形，提高壓垮速度和射流速度，從而提高破甲穿深［13］。為獲得兩種炸藥較佳的聚能破甲威力，設計了帶隔板單錐罩聚能裝藥（如圖6 所示），其中裝藥直徑Φ82 mm，藥型罩為紫銅材料?？紤]不同炸藥對應的最佳錐角有所不同［14-15］，罩錐角取49°、55°兩種，分別裝填JO-8 與CL-20 基炸藥。聚能裝藥靜破甲實驗實施方法如下：將圓柱形45#鋼錠作為靶板放到水平地基上，在45#鋼錠上放置5.5 CD 木質炸高筒，將聚能裝藥放置炸高筒上，上端采用8#電雷管起爆。

圖6 聚能裝藥結構Fig.6 Diagram of shaped charge

3 實驗結果及分析

3.1 爆速、爆壓實驗結果及分析

表1 給出了兩種炸藥的爆速、爆壓測試結果。由表1 結果可知，對于兩種密度的CL-20 基炸藥，密度提高1.04%，爆速D 相應提高1.11%，爆壓PCJ提高3.70%，CL-20 基炸藥爆速較JO-8 最大提高4.8%，爆壓最大提高16.7%。

3.2 圓筒實驗結果及分析

圖7 為JO-8 與CL-20 基炸藥圓筒實驗圓筒壁膨脹速度與時間v-t、位移與時間（r-r0）-t 對比曲線。由圖7a曲線可知CL-20 基炸藥爆炸驅動圓筒壁膨脹速度為1890 m·s-1，JO-8 炸藥爆炸驅動圓筒壁膨脹速度為1783 m·s-1，表明CL-20 基炸藥具有更高的驅動金屬的能力。

表1 JO-8 和CL-20 基炸藥的爆速爆壓Table 1 Detonation velocity and detonation pressure for JO-8 and CL-20-based explosive

圖7 JO-8 和CL-20 基炸藥圓筒實驗結果對比Fig.7 Comparison of cylinder test results between JO-8 and CL-20-based explosive

從圖7 獲得圓筒壁的膨脹速度，及試驗對應炸藥和圓筒質量，帶入公式（1），得到JO-8 炸藥的格尼系數(shù)為2903 m·s-1，CL-20 基炸藥的格尼系數(shù)為3004 m·s-1，CL-20 基炸藥的格尼系數(shù)較JO-8 提高3.5%。

3.3 破片實驗結果及分析

圖8 為Φ36 mm 預制破片驅動裝置爆炸后脈沖X光拍攝典型時刻的照片。通過測量戰(zhàn)斗部典型位置處的膨脹速度并取平均值。表2 列出了兩種破片驅動裝置靜爆實驗后獲得的破片平均速度測試結果。

圖8 Φ36 mm 破片驅動裝置典型時刻X 光照片F(xiàn)ig.8 X-ray images of Φ36 mm fragment device at the typical moments

表2 破片驅動裝置破片速度測試結果Table 2 Testing results of velocity of the two fragment devices

由表2 結果可知，CL-20 基炸藥對破片驅動的速度較JO-8 炸藥高5.1%～7.3%，在此基礎上可以計算得出破片在CL-20 基炸藥驅動下獲得的動能，較JO-8炸藥提高10.5%～15.1%。由式（1）格尼公式可知，破片速度由格尼系數(shù)和裝填載荷系數(shù)共同決定，本研究設計的36 mm、106 mm 兩種不同直徑的破片驅動裝置，其裝填載荷系數(shù)不同，致使二者破片速度和動能提高幅度有略有差異。

3.4 破甲實驗結果及分析

圖9 為55°錐角罩聚能裝藥靜破甲實驗照片，表3為49°和55°錐角罩聚能裝藥靜破甲實驗結果。表3表明，5.5CD 炸高條件下，55°罩錐角聚能裝藥結構裝填CL-20 基炸藥較裝填JO-8 炸藥靜破甲深度提高3.2%；49°罩錐角聚能裝藥結構裝填CL-20 基炸藥較裝填JO-8 炸藥靜破甲深度提高12.6%。另外，從兩種炸藥裝藥、兩種不同錐角結構的靜破甲結果來看，裝填JO-8 炸藥的聚能裝藥隨著罩錐角的減小，靜破甲深度隨之降低，而裝填CL-20 基炸藥的聚能裝藥隨著罩錐角的減小，靜破甲深度反之提高，可以得出高爆速炸藥對應的最佳罩錐角小于低爆速炸藥對應的最佳罩錐角。

圖9 55°錐角罩聚能裝藥靜破甲實驗照片F(xiàn)ig.9 Photo of penetration results of shaped charge with 55°cone liner

表3 靜破甲實驗結果Table 3 Average penetration depth of shaped charge for JO-8 and CL-20-based explosive

4 結論

通過爆速爆壓、圓筒、預制破片爆炸驅動及聚能靜破甲實驗研究了CL-20 基壓裝混合炸藥爆炸驅動特性，結果表明：

（1）CL-20 基炸藥較JO-8 具有更高的爆速、爆壓及格尼系數(shù)，CL-20基炸藥（密度為1.95 g·cm-3）的爆速、爆壓和格尼系數(shù)較JO-8 炸藥（密度為1.83 g·cm-3）分別提高4.8%、16.7%和3.5%。

（2）在Φ36 mm 驅動裝置裝填4.9×4.9 mm 鎢柱結構下，CL-20 基炸藥對破片驅動的速度、動能較JO-8炸藥分別提高5.1%、10.5%；在Φ106 mm 驅動裝置裝填7 mm 鎢球結構下，CL-20 基炸藥對破片驅動的速度、動能較JO-8 炸藥分別提高7.3%、15.1%。

（3）5.5CD 炸藥條件下，55°罩錐角聚能裝藥結構裝填CL-20 基炸藥較JO-8 炸藥靜破甲深度提高3.2%；49°罩錐角聚能裝藥結構裝填CL-20 基炸藥較JO-8 炸藥靜破甲深度提高12.6%。高爆速炸藥的最佳錐角比低爆速炸藥的最佳錐角要小。