不同炸藥在激光輻射下響應特性

牛國濤， 趙生偉， 金大勇， 曹少庭， 牛 磊

(1.西安近代化學研究所， 西安 710065； 2.西北核技術研究所， 西安 710024)

炸藥的激光點火通常認為是一個光能轉換為熱能的過程，炸藥吸收光能后，溫度升高，當達到點火溫度時，炸藥發(fā)生燃燒或爆炸。激光的能量在其傳播方向的橫截面上呈高斯分布，在光斑中心處的能量流密度最大，所以利用激光對炸藥進行輻射，不僅可以研究炸藥的激光點火機理，而且對研究炸藥的激光感度、激光作用下炸藥的易損性、武器的激光防護等有重要的意義。激光燒蝕激發(fā)炸藥反應的一系列實驗涉及的炸藥量在毫克量級，同時激光提供的能量和作用區(qū)可以精確控制，中外已用于炸藥反應動力學研究，Roy等[1]觀測了激光燒蝕含鋁炸藥后產生的沖擊波傳播，并測量了波后瞬態(tài)溫度的空間分布；Gottfired等[2]對鋁等多種金屬基底的黑索金(RDX)粉末進行了激光燒蝕，提供了不同金屬材料的激發(fā)效率和溫度效果；伍俊英等[3-6]研究了在飛秒激光作用下RDX和奧克托今(HMX)燒蝕的微觀機理，當激光能量較高時，炸藥分子瞬時分解成高溫高壓等離子體，當激光能量較低時，炸藥分子以完成氣化擴散逃逸；對LX-17和LX-10炸藥進行了激光燒蝕進行了數(shù)值計算，結果表明燒蝕產物等離子體和激光作用區(qū)外附近炸藥的初始壓力較高；并研究了飛秒激光加工炸藥的安全性；劉嘉錫等[7]研究了單脈沖飛秒激光燒蝕梯恩梯(TNT)炸藥過程的熱效應，結果表明峰值溫度高于TNT的點火溫度，由于炸藥內熱效應區(qū)域小，高溫持續(xù)時間短，沒有發(fā)生點火現(xiàn)象；湛贊等[8]研究了半導體激光起爆炸藥試驗與仿真研究，結果表明半導體激光直接可以起爆摻雜1%炭黑的太安炸藥；郭文燦等[9]對激光燒蝕下含鋁炸藥發(fā)射光譜分布和瞬態(tài)溫度進行了測量；Collins[10]研究了含能材料激光誘導燃燒的特性。前人研究多為激光直接作用于炸藥的燃燒、溫度、壓力及動力學，而以強激光輻照戰(zhàn)斗部毀傷為背景的炸藥響應研究較少。

為此，從試驗出發(fā)，利用激光對裝有不同類型炸藥的約束裝置進行輻射，研究激光對炸藥的響應特性以及不同炸藥之間響應差異，為炸藥在激光作用下的易損性提供參考。

1 試驗

1.1 材料和儀器

原材料：端羥基聚丁二烯(HTPB)體系的黏結劑(NJ)；梯恩梯(TNT)，湖北東方化工有限公司；黑索金(RDX)、奧克托今(HMX)，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司、鋁粉(Al)，西北鋁粉分公司、自制復合鈍感劑(FHD-1)。

試驗儀器：激光器型號為YLS-2000光纖激光器，最大功率2 000 W；鎳鉻鎳硅熱電偶測試溫度最大可達到1 200 ℃。溫度測試系統(tǒng)由鎳鉻鎳硅熱電偶、補償導線、電壓放大器、電纜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機組成。

1.2 試樣制備

試驗采用3種配方，兩種類型炸藥，其中熔鑄炸藥為梯奧鋁(TOL)和梯黑鋁(THL)，高分子黏結炸藥為PBXN-109，主要組分如表1所示。

表1 TOL、THL、PBXN-109主要組分

將混合好的3種炸藥裝填到如圖1所示裝置中，該裝置炸藥約束外徑80 mm，內徑40 mm，固定環(huán)外徑140 mm，每種炸藥裝填3發(fā)試驗彈，每發(fā)試驗彈約裝填炸藥16 g。其中假藥為水泥制成，裝于炸藥與封蓋之間，用于絕熱減少裝藥中熱量散失。炸藥和假藥完全固化后，上好蓋板，備用。共使用5支鎳鉻鎳硅熱電偶，一支在裝藥底部中心，其余4支環(huán)繞放置，距離中心10 mm分別焊接在裝藥底部，經過炸藥、假藥與引線孔與溫度測試系統(tǒng)連接，熱電偶布置如圖1所示。

圖1 激光輻射試驗用炸藥約束裝置和熱電偶布置

1.3 試驗裝置和布置

試驗在空曠場地進行，炸藥約束裝置(殼體)放置在防護體內，通過熱電偶與溫度測試系統(tǒng)相連，激光器放置在防護體外與炸藥保持在同一水平面上，激光通過防護體上的玻璃光窗輻射在裝藥殼體的中心位置，炸藥熱響應過程由溫度測試系統(tǒng)記錄。通過試驗觀察并記錄炸藥熱響應狀況，并回收裝藥約束裝置及殘藥。具體試驗布置如圖2所示。

圖2 激光輻射炸藥裝置布置圖

2 結果與分析

試驗采用功率640 W激光輻射3種不同炸藥，并且改變激光的輻射直徑，用以研究激光輻射直徑對炸藥響應延遲時間和點火溫度的影響，以及在相同的激光輻射下，不同種炸藥響應差異。不同激光輻射直徑輻射不同炸藥的試驗結果如表2、表3所示。

表2 3種炸藥在直徑5 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

表3 3種炸藥在直徑10 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

2.1 相同功率不同激光輻射直徑下炸藥的響應特性

對比表2、表3可知，在相同功率下，激光輻射直徑為5 mm和10 mm的情況下，3種炸藥的響應特性變化趨勢是一致的，即當輻射直徑變大的時候，3種炸藥響應的延滯時間都變長，點火溫度都變小，而且差異較大，典型的不同直徑對對THL炸藥的延滯時間和點火溫度影響如圖3所示。

圖3 THL炸藥在功率640 W輻射直徑為5、10 mm的溫度曲線

圖3(b)中，①為殼體中心熱電偶的歷史曲線，②～⑤為等距周圍熱電偶歷史曲線，激光輻射在中心熱電偶位置，所以中心溫度上升較周邊快。由兩圖對比發(fā)現(xiàn)在激光功率640 W的情況下，輻射直徑對炸藥的響應特性影響較大。激光輻射直徑的變化對應著炸藥溫度上升速率的變化，在相同激光功率輻射下，輻射直徑大炸藥溫度上升速率慢，即圖3(b)的曲線斜率明顯較圖3(a)小，導致炸藥響應的延遲時間延長，點火溫度變低。

從炸藥熱響應結果上可知，在輻射直徑為5 mm時，兩種熔鑄炸藥均反應完全，PBXN-109剩余6 g炸藥；在輻射直徑為10 mm時，3種參試炸藥均未反應完全，分別剩余13 g THL、14 g TOL、8 g PBXN-109，說明輻射直徑小，能量流集中，熱效應明顯，有利于炸藥反應。

2.2 同類型炸藥之間的響應對比分析

THL炸藥和TOL炸藥均為TNT基的熔鑄炸藥，兩者相比明顯THL的延滯時間更長，需要的點火溫度更高。雖然兩者體系類似，但THL中TNT含量達到60%，Al粉含量為16%，比TOL炸藥TNT含量30%，Al粉含量為5%要高，TNT熔化需要熱量，鋁粉含量高使得配方導熱性能更好，況且RDX比HMX安全性更好，三者綜合都說明THL炸藥需要更長的延遲時間和更高的點火溫度。從炸藥的響應結果中可知，兩種炸藥類似，在激光輻射直徑5 mm炸藥反應完全，輻射直徑10 mm時，炸藥剩余量相當，且只有很少的量(2～3 g)反應。

2.3 不同類型炸藥之間的相應對比分析

PBXN-109為高聚物黏結炸藥，與TNT基熔鑄炸藥黏結體系不同。在激光輻射下，THL和TOL炸藥有一個相變過程，即固相TNT熔化，需要吸收熱量，而PBXN-109炸藥的黏結體系為惰性體系且在成型過程中交聯(lián)固化，物化性能比較穩(wěn)定，這就導致了兩者不同的熱響應結果。兩種熔鑄炸藥在激光輻射直徑5 mm和10 mm下，延遲時間差了兩倍以上，而PBXN-109炸藥的延遲時間差相對要??；PBXN-109的點火溫度明顯比兩種熔鑄炸藥高；而且兩種類型炸藥之間的毀傷模式也有較大差別，如圖4所示。

圖4 實驗后炸藥約束裝置實物圖

如圖4所示，激光輻照炸藥約束裝置產生熱作用，熱通過殼體傳導在炸藥上，當?shù)竭_一定溫度時炸藥發(fā)生反應，產生大量氣體，導致殼體內壓力急劇上升。當殼體內壓強超過殼體的密封強度時，殼體被氣壓漲破，導致殼體破壞。兩種熔鑄炸藥在激光作用下，炸藥熱響應后從后端口沖開，為破壞模式一；PBXN-109在激光作用下，炸藥從前端即激光輻射反方向沖開，如圖5所示，并且炸藥都未反應完全，說明在激光作用下，炸藥在自行設計的約束裝置內，PBXN-109比兩種熔鑄炸藥更鈍感。

圖5 炸藥在激光輻照下的金屬殼體及殘藥

9次試驗均表現(xiàn)為如上情景，從熔鑄炸藥與PBXN-109在激光下的延遲時間、點火溫度、炸藥對約束的毀傷模式及反應的現(xiàn)象說明兩種類型炸藥的響應機理是不同的。

3 結論

通過激光輻射自行設計的裝藥約束裝置，得到以下結論。

(1)相同功率下，激光輻射直徑小，溫度升高速率快，THL、TOL、PBXN-109延遲時間更短，點火溫度更高，炸藥反應完全性更充分。

(2)兩種熔鑄炸藥激光反應特性相比，TNT和鋁粉含量相對高的THL需要更長的延遲時間和更高的點火溫度，但兩種炸藥反應現(xiàn)象類似。

(3)從不從類型炸藥之間的激光輻射對比可知，PBXN-109炸藥比兩種熔鑄炸藥更鈍感，且延遲時間差異更小，毀傷模式完全不同。綜上可以說明兩種類型的炸藥在激光的熱作用下響應機理是不同的。兩種類型的炸藥在激光作用下的作用機理還需要進一步研究。