王剛?cè)A，鐘 敏，趙劍衡，張紅平，范銳鋒

（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）

利用化爆加載裝置研究材料的動態(tài)響應(yīng)特性已被廣泛應(yīng)用，一般是將飛片直接粘附在炸藥后表面，這種做法使得飛片中載荷的上升時間較短，獲得的飛片速度較高，難以獲得弱沖擊或無沖擊加載。為了研究材料在弱沖擊或無沖擊加載條件下的動態(tài)響應(yīng)特性，研究材料在脈寬為幾微秒、幅值覆蓋幾吉帕至十幾吉帕的壓力脈沖加載下的性能，И.ЦыпкцнВ［1］提出了在炸藥和飛片之間留一段空隙，從而利用爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片的辦法來避免強(qiáng)沖擊作用，給出了空氣間隙厚度對飛片速度、飛片飛行姿態(tài)等的影響。金柯等［2］、趙劍衡等［3］也對該技術(shù)進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究，獲得了飛片的速度歷史與空氣間隙厚度的關(guān)系，但并未能獲取爆轟產(chǎn)物驅(qū)動在材料內(nèi)部產(chǎn)生的壓力波形。

本文中利用流場反演技術(shù)將實驗測得的飛片自由面速度歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算［4－5］，獲得飛片內(nèi)部物理量的演化過程，試圖更加準(zhǔn)確地描述帶空腔爆轟驅(qū)動飛片的物理過程。

1 實 驗

圖1 帶空腔的爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片加載裝置示意圖與實物照片F(xiàn)ig.1 Sketch map and photo of a flyer accelerated by explosive device with a cavity

帶空腔爆轟產(chǎn)物驅(qū)動準(zhǔn)等熵加載實驗的裝置示意圖如圖1所示，在炸藥與樣品材料之間有一段空腔，炸藥經(jīng)平面波發(fā)生器起爆后，爆轟波不能直接作用于飛片表面，爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物在空腔中膨脹，經(jīng)過一段距離后作用在樣品表面，這樣可以使沖擊作用大大減弱，通過控制間隙的厚度可以使樣品上的加載過程為弱沖擊加載或接近于等熵加載。

實驗中，直接使用平面波發(fā)生器產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片，沒有另外加入其他炸藥。裝置的波形發(fā)生器選用?100mm平面爆轟波炸藥透鏡，由高、低爆速2種炸藥構(gòu)成。外層是TNT／RDX（40／60），ρ＝1.684g／cm3、pCJ＝18.77GPa、DCJ＝7.786km／s、多方指數(shù) 2.787。內(nèi)層是 Ba（NO3）2／TNT（78／22），ρ＝2.66g／cm3、pCJ＝10.45GPa、DCJ＝4.7km／s、多方指數(shù)γ＝4.62。飛片材料為 Cu，ρ＝8.9g／cm3、E＝117GPa、ν＝0.374，飛片厚度h＝6、7mm，空腔長度L＝20mm，利用VISAR測量飛片的后自由面速度歷史。

圖2所示為其中一發(fā)銅飛片實驗中VISAR的測量結(jié)果，可以看到，其速度的上升比較平滑，沒有形成明顯的沖擊，利用反記分方法反演出的加載面壓力歷史也可證明該實驗的壓力加載波形無沖擊現(xiàn)象，如圖3所示。

圖2 銅飛片自由面、加載面速度歷史Fig.2 Velocity profiles of rear free surface and load surface of copper flyer

圖3 銅飛片加載面壓力歷史Fig.3 Pressure profile of rear free surface of copper flyer

2 驅(qū)動過程二維模擬

采用鐘敏等自行研制的二維爆轟驅(qū)動動力學(xué)計算程序LSFC2D對該過程進(jìn)行模擬計算，該程序沿用原有HELP程序的思想，采用歐拉方法，將空間劃分為固定的網(wǎng)格，網(wǎng)格間通過格邊相互作用，計算這些網(wǎng)格的質(zhì)量、動量和能量的變化模擬物理過程，引入Level Set（LS）方法描述并處理混合物質(zhì)的界面推進(jìn)問題，取得了良好的效果；利用貼體坐標(biāo)系和DSD結(jié)合計算非理想爆轟波陣面的傳播。

計算中采用了等效藥柱和平面起爆的方法來近似描述平面波發(fā)生器的起爆過程。圖4中給出了2種不同裝藥直徑下流場內(nèi)質(zhì)量分布，其中DTNT為TNT裝藥直徑，H 為藥柱高度，L為空腔長度，h為飛片厚度。從圖4（a）、（b）中t＝8μs時刻可以看出，炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物在其向銅飛片運動過程中受到了側(cè)向稀疏波的作用，其一維平面區(qū)域迅速縮小。對于裝藥直徑為100mm的情況，爆轟產(chǎn)物在驅(qū)動飛片時其本身的未受側(cè)向稀疏波擾動區(qū)域已經(jīng)大大縮?。ㄒ妶D4（b）中t＝12μs時刻），因此，銅飛片在后期飛行過程迅速變成了弧形（見圖4（b）中t＝20μs時刻），幾乎沒有平面未擾動區(qū)域。當(dāng)使用150mm直徑的裝藥時，爆轟產(chǎn)物在驅(qū)動飛片時，在與飛片接觸的大部分范圍內(nèi)保持了較好的平面度，飛片受側(cè)向稀疏波的影響區(qū)域也就較小，在20μs時刻，飛片仍保持了較好的平面性。因此，在實驗中，適當(dāng)增大裝藥直徑是必要的。

圖4 飛片飛行姿態(tài)演化Fig.4 Evolvement of flyer shapes

3 流場反演數(shù)據(jù)技術(shù)

在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片無沖擊壓縮實驗中，由于壓縮波在樣品后自由面或低阻抗窗口材料的界面處反射稀疏波，并與壓縮波后續(xù)部分相互作用，使得應(yīng)用VISAR等激光干涉技術(shù)測量到的樣品自由面、樣品／透明窗口界面（或者貼附于樣品表面反光金屬膜）的速度歷史不是相應(yīng)于原始壓縮波的自由面（或界面）的速度歷史，而是受到自由面或窗口擾動之后的結(jié)果，如果利用原位粒子速度約為自由面速度的1／2來近似，進(jìn)而通過簡單波假設(shè)來獲得樣品內(nèi)部信息，則會帶來較大誤差。為了獲取樣品加載表面處的壓力波形以及樣品內(nèi)部的流場演化歷史，引入了流場反演方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。流場反演方法由D.Hayes等［4］提出，將流體力學(xué)方程組進(jìn)行時間離散，然后將VISAR測量得到的樣品后自由面速度歷史作為輸入數(shù)據(jù)，再進(jìn)行空間的反演計算。這一做法避免了復(fù)雜的波傳播過程分析，還能有效地考慮自由面或窗口界面的影響，目前該方法已被廣泛采用［6－7］。

由于壓力比較低，計算中狀態(tài)方程使用沖擊Hugoniot線性表達(dá)式

圖5 銅飛片內(nèi)壓力波形演化過程Fig.5 Evolvement of pressure wave in copper flyer

式中：η＝1－（ρ0／ρ）為體應(yīng)變，c0＝3.94km／s，ρ0＝8.93g／cm3。通過反演計算給出了加載面上的速度（見圖2中實線）和加載壓力歷史數(shù)據(jù)（見圖3）。在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下，銅飛片在6.3μs的時間內(nèi)壓力平滑上升到4.3GPa，沒有形成明顯的沖擊，接近于等熵壓縮過程。

圖5給出了飛片內(nèi)部壓力波的演化過程，可以清晰地看出在飛行過程中，飛片內(nèi)部壓力經(jīng)過了多次震蕩，壓縮過程峰值在5μs附近。在整個加載過程中，飛片的溫度上升很小，溫度最高上升只有不到20K（見圖6，材料初始溫度為300K），這也說明這一加載過程的熵增很小，接近于等熵壓縮。

實驗中飛片的應(yīng)變率較低，最高約12 000s－1，如圖7所示。

圖6 銅飛片內(nèi)溫度波形演化過程Fig.6 Evolvement of temperature in copper flyer

圖7 銅飛片內(nèi)應(yīng)變率演化過程Fig.7 Evolvement of strain rate in copper flyer

4 結(jié) 論

利用帶空腔爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片技術(shù)實現(xiàn)了對材料的弱沖擊或無沖擊加載實驗，測量結(jié)果顯示，飛片在加載過程中沒有形成沖擊波。利用二維程序模擬了整個實驗過程，提出了適當(dāng)?shù)脑龃笱b藥直徑能保證飛片較好的平面性。利用反積分?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析，獲得了飛片內(nèi)部流場的演化圖像。

［1］ЦыпкцнВ И.Исследованиепроцессаразгона медных пластин продуктами взрывачереззазор［J］.Журнал ТехническийФизики，1975，XLV（3）：624－629.

［2］金柯，李平，吳強(qiáng)，等.爆轟產(chǎn)物驅(qū)動飛片運動數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24（5）：419－424.Jin Ke，Li Ping，Wu Qiang，et al.Numerical simulation on acceleration process of flyer driven by detonation product through an air cushion［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24（5）：419－424.

［3］趙劍衡，趙鋒，文尚剛，等.帶空腔爆轟加載裝置對驅(qū)動飛片的影響［J］.爆炸與沖擊，2001，21（4）：307－310.Zhao Jian－h(huán)eng，Zhao Feng，Wen Shang－gang，et al.The effects of explosive device with a cavity on flyer driving［J］.Explosion and Shock Waves，2001，21（4）：307－310.

［4］Hayes D.Backward integration of the equations of motion to correct for free surface perturbaritz［R］.SAND2001－1440.Sandia National Laboratories，2001.

［5］王剛?cè)A，孫承緯，王桂吉，等.帶窗口準(zhǔn)等熵壓縮試驗的流場反演技術(shù)［J］.爆炸與沖擊，2009，29（1）：101－104.Wang Gang－h(huán)ua，Sun Cheng－wei，Wang Gui－ji，et al.Backward analysis for isentropic compression experiments with windows backed on samples［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（1）：101－104.

［6］Hawke R S，Duerre D E，Huebel J G，et al.Method of isentropically compressing materials to several Megabars［J］.Journal of Applied Physics，1972，43（6）：2734－2741.

［7］Asay J R，Hall C A，Holland K G，et al.Isentropic compression on iron with the Z accelerator［C］∥Furnish M D.Shock Compression of Condensed Matter－1999.Utah：Snowbird，2000：1151－1154.