李金河，傅 華，曾代朋，李 濤

(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) 621999)

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低沖擊加載下JOB-9003炸藥的反應(yīng)閾值*

李金河，傅 華，曾代朋，李 濤

(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) 621999)

發(fā)展了一種研究炸藥反應(yīng)閾值的實(shí)驗(yàn)方法和分析技術(shù)：采用火藥炮發(fā)射飛片的加載技術(shù)產(chǎn)生低沖擊加載壓力，應(yīng)用電磁粒子速度計(jì)測(cè)量JOB-9003炸藥后界面與PMMA之間界面粒子速度。通過分析界面粒子速度曲線，得到了低沖擊加載下炸藥與PMMA之間的界面粒子速度歷史，獲得了入射壓力與未反應(yīng)和反應(yīng)后的界面粒子速度之間的up-p關(guān)系。JOB-9003炸藥在低沖擊加載下的化學(xué)反應(yīng)閾值和點(diǎn)火閾值分別為1.42、2.62 GPa。

爆炸力學(xué)；反應(yīng)閾值；電磁粒子速度計(jì)；界面粒子速度；飛片；火藥炮

在低速撞擊或弱沖擊作用下，由于強(qiáng)度和作用時(shí)間的不同，炸藥可能會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)情況，如化學(xué)反應(yīng)、點(diǎn)火、燃燒、爆燃、爆轟以及DDT和XDT等現(xiàn)象[1]。由于DDT和XDT現(xiàn)象往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的事故，是炸藥或武器系統(tǒng)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程中必須避免的。P.J.Baker[2]認(rèn)為研究在低刺激作用下炸藥的反應(yīng)很有意義，他指出在低于一定壓力情況下炸藥不會(huì)發(fā)生反應(yīng)(即存在反應(yīng)閾值)，但壓力在反應(yīng)閾值和爆轟閾值之間可能出現(xiàn)DDT、燃燒和爆炸等現(xiàn)象。因此，研究炸藥的反應(yīng)閾值，明確某種炸藥在什么撞擊壓力或撞擊速度下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的程度有多大，反應(yīng)的性質(zhì)是什么，對(duì)研究炸藥的安全性有非常重要的意義。S.K.Chidester等[3-4]用Steven實(shí)驗(yàn)方法對(duì)PBX-9501等炸藥進(jìn)行了研究，說明在低壓下存在燃燒性質(zhì)的反應(yīng)，得到了不同炸藥發(fā)生反應(yīng)的閾值速度。T.P.Liddiard等[5-6]通過改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法(modified gap test)，獲得了幾十種炸藥的反應(yīng)閾值，研究表明炸藥的反應(yīng)閾值與炸藥厚度無關(guān)，入射壓力在化學(xué)反應(yīng)閾值與點(diǎn)火閾值之間時(shí)，炸藥的反應(yīng)烈度很低。對(duì)于某些以HMX為主要成分的炸藥，在接近點(diǎn)火閾值時(shí)，大尺寸裝藥有可能發(fā)生災(zāi)害性的反應(yīng)。D.G.Tasker[7]、M.Kroh[8]、李金河等[9]也采用改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法得到了低于炸藥爆轟閾值壓力的反應(yīng)閾值壓力。由此可見，炸藥在低沖擊加載下存在反應(yīng)閾值，反應(yīng)閾值與炸藥的安全性密切相關(guān)，研究炸藥在低沖擊加載下的反應(yīng)閾值對(duì)炸藥在使用和運(yùn)輸過程中的安全性評(píng)估具有重要意義。

改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法被多個(gè)研究者用于研究炸藥的反應(yīng)閾值，但是，該實(shí)驗(yàn)方法存在一些問題。一是改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法采用炸藥加載方式，炸藥的爆壓較高，為了獲得低沖擊壓力，需要使用很厚的隔板，裝置比較笨重，并且壓力幅值、脈寬調(diào)節(jié)不方便。另外，以往的測(cè)試手段都是采用高速分幅相機(jī)拍攝炸藥自由面的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)分幅圖像分析、計(jì)算炸藥自由面粒子速度，而炸藥自由面并不是一維平面，且邊界并不是很清晰，炸藥自由面邊界的提取存在比較大的人為性，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不高。本文中應(yīng)用火藥炮發(fā)射飛片撞擊炸藥的加載方式，通過改變飛片的速度和材料，可以準(zhǔn)確地獲得所需要的低沖擊加載壓力。采用電磁粒子速度計(jì)[10](EMV)測(cè)量炸藥與PMMA之間界面粒子速度，發(fā)展以界面粒子速度研究炸藥在低沖擊加載下反應(yīng)閾值的分析方法，為炸藥安全性研究提供一種新的研究思路。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)布局示意圖見圖1。通過火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體驅(qū)動(dòng)飛片撞擊受試炸藥，獲得所需加載壓力。飛片材料為Al或無磁不銹鋼，尺寸?120 mm×25 mm(鋼飛片為?100 mm×10 mm)。受試炸藥JOB-9003的尺寸為?40 mm×30 mm，炸藥密度為1.844～1.847 g/cm3。通過改變火藥的裝填量(調(diào)節(jié)飛片的撞靶速度)和飛片材料(改變飛片的阻抗)，可以在炸藥表面產(chǎn)生不同的撞擊壓力。

實(shí)驗(yàn)采用高速數(shù)字分幅相機(jī)拍攝飛片的撞靶過程并計(jì)算飛片的撞靶速度和撞靶壓力。采用電磁粒子速度計(jì)測(cè)量炸藥與有機(jī)玻璃窗口之間的界面粒子速度。電磁粒子速度計(jì)所需的磁場(chǎng)由亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，線圈的直徑為400 mm。磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.07 T[11]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 飛片速度以及撞靶壓力

采用高速數(shù)字式分幅相機(jī)拍攝飛片的飛行姿態(tài)和撞靶情況，并計(jì)算了飛片的速度和相應(yīng)的撞靶壓力。飛片撞靶時(shí)，界面處的壓力是連續(xù)的。根據(jù)飛片的速度v和材料的沖擊絕熱線關(guān)系可計(jì)算加載壓力:

(1)

(2)

式中:up為飛片與炸藥界面粒子速度，v為飛片速度，ρe、ρf分別指受試炸藥和飛片的密度，ce、e和cf、f為未反應(yīng)炸藥和飛片的沖擊絕熱線常數(shù),p為界面壓力，實(shí)驗(yàn)用材料參數(shù)見表1，飛片速度及壓力計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 材料參數(shù)[12]

表2 界面粒子速度隨加載壓力的變化情況

2.2 電磁粒子速度計(jì)測(cè)試結(jié)果

電磁粒子速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果見圖2，由圖2可知，加載壓力從1.28 GPa上升到3.08 GPa的過程中，炸藥經(jīng)歷了不反應(yīng)到微弱反應(yīng)，再到快速反應(yīng)直至爆炸的過程，相應(yīng)地，炸藥的界面粒子速度逐步增大。圖中，upn表示未反應(yīng)炸藥界面粒子速度，upr表示反應(yīng)后炸藥的界面粒子速度。

圖2 典型的界面粒子速度實(shí)驗(yàn)波形Fig.2 Typical experimental waves of interface velocity

3 分析與討論

根據(jù)電磁粒子速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果，可以獲得不同加載壓力下炸藥未反應(yīng)以及反應(yīng)后JOB-9003炸藥的界面粒子速度。

如果炸藥未發(fā)生反應(yīng)，電磁粒子速度計(jì)記錄的最大粒子速度即為未反應(yīng)炸藥的界面粒子速度upn，為了便于在up-p圖上比較反應(yīng)后的界面粒子速度變化趨勢(shì)，將未反應(yīng)炸藥的粒子速度也當(dāng)作反應(yīng)后炸藥的界面粒子速度進(jìn)行處理，見圖2(a)。

如果炸藥發(fā)生了反應(yīng)，但是并沒有爆炸或爆轟，則粒子速度的記錄結(jié)果包含2部分，一部分為未反應(yīng)炸藥的界面粒子速度upn，另一部分為炸藥發(fā)生反應(yīng)之后的界面粒子速度upr，分析圖見圖2(b)～(c)。即炸藥與有機(jī)玻璃之間的界面粒子速度先是在沖擊波的作用下增加，之后，炸藥反應(yīng)沖擊波追趕上來，導(dǎo)致界面粒子速度進(jìn)一步增大。需要說明的是，這里所指未反應(yīng)炸藥的界面粒子速度是指當(dāng)時(shí)界面處的炸藥還未反應(yīng)，而界面之前的炸藥已經(jīng)發(fā)生了反應(yīng)，因此，upn實(shí)際上包含了界面之前炸藥反應(yīng)的貢獻(xiàn)。J.Wackerle等[13]和C.A.Forest等[14]從理論上說明了該方法是可行的，R.L.Guatavsen等[15]已經(jīng)成功地將該方法用于獲取未反應(yīng)炸藥的沖擊絕熱線。一般情況下，電磁粒子速度計(jì)能夠記錄炸藥反應(yīng)后界面粒子速度變化的全過程，電磁粒子速度計(jì)記錄的最大速度為炸藥反應(yīng)后的界面粒子速度。

如果炸藥發(fā)生了爆炸或爆轟，電磁粒子速度計(jì)的記錄結(jié)果只有炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)后的界面粒子速度upr，見圖2(d)。

共完成了8發(fā)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。表2中upc為將炸藥當(dāng)作惰性介質(zhì)數(shù)值模擬計(jì)算的界面粒子速度。當(dāng)炸藥未反應(yīng)時(shí)，測(cè)量的未反應(yīng)炸藥的界面粒子速度與測(cè)量的界面粒子速度大小一致，說明電磁粒子速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。當(dāng)炸藥發(fā)生反應(yīng)后，計(jì)算結(jié)果明顯偏小，且隨著加載壓力增大，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的差值逐漸增大。典型的計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 測(cè)量界面粒子速度結(jié)果與未反應(yīng)炸藥計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of interface particle velocity of experiment and calculation

圖4 界面粒子速度與入射壓力關(guān)系圖Fig.4 Interface particle velocity vs. input pressure

根據(jù)表2繪制未反應(yīng)以及反應(yīng)后炸藥的界面粒子速度與入射壓力之間的關(guān)系圖，見圖4。由圖4可知，炸藥在未反應(yīng)的時(shí)候，隨著入射壓力的增加，其界面粒子速度也逐漸增加，且界面粒子速度的變化與入射壓力近似呈線性關(guān)系。與未反應(yīng)炸藥計(jì)算的界面粒子速度相比，在較高壓力情況下，其中顯然也包含有界面之前炸藥反應(yīng)的貢獻(xiàn)。炸藥發(fā)生反應(yīng)后，其界面粒子速度隨壓力的變化可以分為2個(gè)階段:第1個(gè)階段，隨著壓力的增加，界面粒子速度緩慢增加，在約1.75 GPa以后，粒子速度的變化增加相對(duì)明顯，該階段對(duì)應(yīng)炸藥的化學(xué)反應(yīng)過程；第2個(gè)階段，隨著壓力增加，界面粒子速度迅速增加，該階段對(duì)應(yīng)了炸藥的點(diǎn)火反應(yīng)，發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)后，炸藥可能發(fā)生爆炸、直至爆轟。根據(jù)圖4可知，JOB-9003炸藥存在化學(xué)反應(yīng)閾值和點(diǎn)火閾值，化學(xué)反應(yīng)閾值約為1.42 GPa，點(diǎn)火閾值約為2.62 GPa。

4 結(jié) 論

用火藥炮發(fā)射飛片撞擊炸藥產(chǎn)生了低沖擊加載的壓力，用電磁粒子速度計(jì)測(cè)量了炸藥與PMMA之間的界面粒子速度，獲得了炸藥與PMMA界面粒子速度隨壓力的變化情況，得到了JOB-9003炸藥的化學(xué)反應(yīng)閾值和點(diǎn)火閾值分別約為1.42、2.62 GPa。另外，由于本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是炸藥與有機(jī)玻璃之間的界面粒子速度，2種材料由于阻抗失配，測(cè)量的界面粒子速度的后期波形會(huì)受到反射稀疏波的影響，在以后的實(shí)驗(yàn)中將電磁粒子速度計(jì)置于炸藥內(nèi)部，可以更準(zhǔn)確地研究炸藥的反應(yīng)閾值。與反應(yīng)閾值研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和分析方法有待在以后的工作中進(jìn)一步完善。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

The reaction threshold of JOB-9003 explosive under low amplitude loading

Li Jin-he, Fu Hua, Zeng Dai-peng, Li Tao

(NationalKeyLaboratoryofShockWaveandDetonationPhysics,InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

A novel experimental technique to study the reaction threshold of explosives is developed. The flyer is accelerated to an expected velocity to gain a low amplitude loading by the gas gun. The interface particle velocity between JOB-9003 and PMMA under different stresses is measured with electromagnetic particle velocity gauges. The interface velocities of unreacting and reacting explosive are achieved based on the curve of the explosive interface particle velocity. The relationship ofup-pis achieved according to interface velocity of unreacting and reacting explosives. The chemical reaction threshold and the ignition threshold of JOB-9003 are 1.65 GPa and 2.62 GPa under the low amplitude loading.

mechanics of explosion; reaction threshold; electromagnetic particle velocity gauge; interface particle velocity; flyer; gas gun

10.11883/1001-1455(2015)06-0876-05

2014-04-17；

2014-07-15

李金河(1979— )，男，學(xué)士，助理研究員,leejinhe103@163.com。

O381 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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