郭向利, 韓 勇, 盧校軍, 李志鵬

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

爆轟波的拐角性能是炸藥爆轟的一個重要特性,同時也是爆轟學研究的重要內容之一,對于研究炸藥性能、合理設計彈體、構型件以及設計爆炸邏輯網絡等有著十分重要的意義。當爆轟波從較小的傳爆藥柱進入大的藥柱時,產生散心爆轟波,其傳播方向偏離惠更斯原理而出現波陣面滯后或局部不爆轟現象,這種現象稱為炸藥爆轟波傳播的拐角效應[1-5]。爆轟波的拐角性能是武器設計時必須考慮的重要參數之一,對該效應的研究也有利于加深對發(fā)散爆轟的認識,完善爆轟理論。美國Cox和Campbell[1]利用多狹縫掃描技術觀察了高聚物粘結炸藥PBX-9502中的爆轟波拐角現象,得到了炸藥中不爆轟區(qū)域的大小。Hill[2]等建立了“蘑菇(Mushroom)”試驗,使用較少的藥量獲得較多的數據,研究了鈍感高能炸藥的傳爆性能,其優(yōu)點是: 形狀比較接近于實際的傳爆裝置,可以獲得整個爆轟前沿的波形; 觀察面與實際爆轟陣面接近。黃毅民[6]對TATB基炸藥開展了Mushroom試驗研究,獲得了顆粒度及炸藥半球直徑對爆轟波輸出斷面波形的影響。李曉剛[7]研究了超細鈍感HMX在小尺寸拐角裝藥條件下的爆轟延遲現象,對影響爆轟延遲時間的因素進行了分析,采用量綱分析法給出了拐角延遲時間的理論表達式。韓勇[8]利用有限元動力學軟件LS-DYNA,從理論上研究了HMX基的PBX-9404和TATB基的PBX-9502爆轟波的拐角性能,但相應的拐角效應試驗工作并未開展。

為深入研究HMX基、TATB基PBX爆轟波的拐角性能,獲得HMX、TATB含量對PBX炸藥爆轟波拐角性能的影響,本研究選擇三種不同HMX/TATB含量的PBX,采用Mushroom試驗,開展了相應的拐角效應研究,評價了三種PBX炸藥爆轟波的拐角性能。

2 實驗裝置及原理

2.1 樣品及儀器

實驗用傳爆藥柱為PBX-01炸藥,尺寸為Φ10 mm×50 mm和Φ7 mm×50 mm,密度為1.860 g·cm-3,主炸藥為HMX基炸藥和TATB基炸藥,其尺寸都為SR25 mm。三種炸藥的配方組成分別為: 95%HMX基的PBX(PBX-Ⅰ),85%HMX和7%TATB的PBX(PBX-Ⅱ),95%TATB基的PBX(PBX-Ⅲ)。傳爆藥柱和主炸藥均由中國工程物理研究院化工材料研究所提供。

實驗雷管采用瞬發(fā)雷管。使用高速掃描相機測試爆轟波出半球界面的發(fā)光圖形,相機型號為SJZ-15,其掃描速度為7.5 mm·μs-1(15萬轉/min)。判讀爆轟波輸出波形的大型萬能工具顯微鏡的型號: JXBB。

2.2 實驗裝置

Mushroom試驗[2]裝置如圖1所示,基座兩個斜面與水平方向成45°,然后分別固定左右反射鏡,使被起爆藥柱邊部的圖像經過鏡面反射后,平行進入相機。裝配過程中,在兩面反射鏡的邊沿分別粘貼一小塊醫(yī)用膠布,并在被起爆藥柱底部表面與反射鏡平面的交線處畫上細實線。采用高精度游標卡尺測量出被起爆藥柱中心到細實線之間的距離L,得到底片成像的放大比β,在被起爆藥柱的頂部粘貼一層寬2～4 mm粘有顆粒度為0.12～0.18 mm硝酸鋇的透明膠帶,以增強被起爆藥柱爆炸時測試位置處的發(fā)光。

圖1 實驗裝置示意圖

1—試樣, 2—傳爆藥柱, 3—鋼支撐架, 4—鍍銀反射鏡,5—反射成像

Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

1—sample, 2—primary explosive, 3—steel frame,4—silvered mirror, 5—reflection imaging

2.3 實驗原理

圖2所示為Mushroom試驗波形測試原理示意圖。若沒有反射鏡,假設半球形炸藥的輸出波形在底片上完全成像,其測試波形應為圖2a中所示的AB段,但實際測試時,由于受裝配結構以及兩側發(fā)光較弱等影響,實際僅能有效獲得圖2a中所示的CD段波形,測試范圍約在70°左右。且越往半球的兩側,波形疊加越嚴重,即使獲得完整波形,兩側20°左右的輸出波形完全重疊在AB和CD段之外,會給數據處理帶來很大的誤差。若采用反射鏡,兩側20°左右的測試輸出波形被有效放大到DEF段圖2d,放大了約5～6倍,波形疊加現象大大降低,數據處理更準確,可以獲得更大范圍內半球形炸藥件的輸出波形時間差,從而全面評價半球形炸藥件的作用性能。

圖2 Mushroom試驗波形測試原理示意圖

Fig.2 Schematic diagram of principle of Mushroom test

2.4 數據處理方法

被測試炸藥在小直徑傳爆藥的驅動下起爆,由于傳爆藥的平面沖擊波從半球的端面?zhèn)魅?壓縮主炸藥發(fā)生化學反應,并逐漸發(fā)展為散心球面爆轟波,通過高速掃描相機獲得三個特征參數以表征炸藥的拐角性能: 爆轟波的出射角θfb、熄爆角θfn及延遲時間(爆轟波透出炸藥半球的波形時間差),測試結果原理如圖3所示。半球炸藥被起爆后,爆轟波在半球炸藥中傳播,通過爆轟波最先透出半球表面位置處的波形得出θfb。在距爆轟波傳播方向較大的角度處,炸藥半球內爆轟波將逐漸衰減為應力波,與爆轟波相比,應力波強度較弱,當應力波透出球面時,無法使硝酸鋇發(fā)光或發(fā)光很弱,本研究以底片中硝酸鋇無明顯感光位置作為熄爆點位置,通過數學處理方法可獲得相應的θfn。爆轟波透出炸藥半球各表面處的波形時間差為延遲時間。

圖3 測試結果處理示意圖

Fig.3 Schematic diagram of processing test result

通過大型萬能工具顯微鏡及Origin數據處理軟件對三種炸藥半球爆轟波輸出波形底片進行處理,在用顯微鏡讀數時,取底片上炸藥圓弧面為橫坐標x′,波形長度差為縱坐標y,讀數時,對縱坐標取一定的步長,讀出相應的橫坐標值x′,再根據放大比,得到

x=x′β

(1)

由于掃描速度為7.5 mm·μs-1,將縱坐標值換算成輸出波形時間

(2)

3 結果與討論

3.1 實驗結果

實驗獲得三種炸藥的爆轟波輸出波形如圖4所示。

從圖4a和圖4b可見,半球兩側的輸出波形使硝酸鋇發(fā)光很強,PBX-Ⅰ炸藥和PBX-Ⅱ炸藥的熄爆角為90°。從圖4c可以看出,PBX-Ⅲ半球炸藥被起爆后,在距爆轟波傳播方向較大的角度炸藥半球內爆轟波將逐漸衰減為應力波,與爆轟波相比,應力波強度較弱,當應力波透出球面時,無法使硝酸鋇發(fā)光,熄爆角較小。

結合實驗測試結果和2.4節(jié)所述方法,對三種炸藥半球爆轟波輸出波形底片進行處理,結果如圖5所示。

運用2.4節(jié)的方法對圖5a和5b進行數據處理,說明在起爆直徑7 mm條件下,PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ半球爆轟時,其熄爆角均為90°,中間波形的延遲時間短,左右兩側的波形延遲時間長。由圖5b和圖5c可見,隨著起爆直徑的增大,PBX-Ⅱ爆轟后的中間波形延遲時間變長,PBX-Ⅱ的熄爆角不變。同理對圖5d分析,在起爆直徑10 mm條件下,PBX-Ⅲ半球在爆轟時,左右兩側波形沒有,因此,PBX-Ⅲ半球的出射角明顯小,熄爆角也較小。

a. PBX-Ⅰ b. PBX-Ⅱ c. PBX-Ⅲ

圖4 三種PBX爆轟波輸出波形

Fig.4 Detonation waveform of PBX-Ⅰ, PBX-Ⅱ and PBX-Ⅲ

a. PBX-Ⅰ(diameter of the booster is 7 mm)

b. PBX-Ⅱ(diameter of the booster is 7 mm)

c. PBX-Ⅱ(diameter of the booster is 10 mm)

d. PBX-Ⅲ(diameter of the booster is 10 mm)

圖5 圖5三種PBX在不同起爆直徑下的爆轟波輸出波形

Fig.5 Waveform of the three PBXs with different initiating diameter

分析并計算獲得三種炸藥爆轟時的爆轟波透出炸藥半球時的出射角、熄爆角和延遲時間,具體數值見表1。

表1 三種PBX的Mushroom試驗結果

Table 1 Mushroom test results of three kinds of PBX

explosiveρ/g·cm-3d/mmθfb/(°)θfn/(°)t/nsPBX-Ⅰ1.865775.5°90°200PBX-Ⅱ1.848774.4°90°225PBX-Ⅱ1.8501078.6°90°371PBX-Ⅲ1.8991016.1°60.4°632

Note:ρis density,dis initiating diameter,θfbis breakout angle,θfnis failure angle,tis delay time.

3.2 分析討論

從表1中可得到,在起爆直徑7 mm條件下,PBX-Ⅰ的出射角為75.5°,熄爆角為90°,延遲時間為200 ns,PBX-Ⅱ的出射角74.4°,熄爆角為90°,延遲時間為225 ns,PBX-Ⅰ半球爆轟波出射角大于PBX-Ⅱ半球的出射角,并且PBX-Ⅱ炸藥的爆轟波波形延遲時間比PBX-Ⅰ的爆轟波波形延遲時間長,說明在相同試驗條件下,PBX-Ⅰ的拐角性能優(yōu)于PBX-Ⅱ,這是由于PBX-Ⅱ中添加了7%的鈍感TATB,所以降低了炸藥的能量。

在起爆直徑10 mm條件下,PBX-Ⅱ的出射角為78.6°,熄爆角為90°,延遲時間為371 ns,PBX-Ⅲ炸藥的出射角為16.1°,熄爆角為60.4°,說明TATB基PBX比HMX基炸藥的拐角性能差,結合圖5可以得到,HMX基炸藥的爆轟波均能夠發(fā)展為類似球形,此類炸藥均具有較好的傳爆特性,PBX-Ⅲ炸藥拐角能力有限,傳爆特性較差。由圖5d中的兩側沒有輸出波形更能體現出PBX-Ⅲ的拐角能力差,所以HMX為基的PBX-Ⅱ的拐角性能優(yōu)于TATB為基的PBX-Ⅲ。由表1可得,PBX-Ⅱ在起爆藥直徑7 mm下的出射角比起爆藥10 mm直徑下的出射角小,在起爆藥直徑7 mm下的延遲時間比起爆藥10 mm直徑下的延遲時間短,說明HMX為基的PBX-Ⅱ隨著起爆直徑的增大,出射角增大。因此從Mushroom試驗結果分析所得結論: 三種炸藥的拐角性能優(yōu)劣順序為PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ。這是由于HMX基炸藥作為理想高能炸藥的代表,其能量高,感度高。TATB為基的炸藥耐高溫、感度低,是具有極佳安全性能的鈍感高能炸藥,同時它也帶來一系列爆轟上的特殊性: 難于起爆,起爆閾值較高,達到穩(wěn)定爆轟的時間較長,所以爆轟傳播的拐角能力有限。

4 結 論

(1)采用Mushroom試驗,對HMX基和TATB基的三種PBX的拐角性能進行了研究,獲得了在起爆直徑7 mm下的PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ的拐角性能參數及起爆直徑10 mm下的PBX-Ⅱ和PBX-Ⅲ的拐角性能參數。在相同起爆直徑7 mm條件下,在HMX基PBX(PBX-Ⅰ)中加入7%的TATB(PBX-Ⅱ),其出射角變小,延遲時間變長,說明PBX-Ⅰ的拐角性能優(yōu)于PBX-Ⅱ。在相同起爆直徑10 mm條件下,炸藥中含有的85%HMX全部被TATB取代時,其出射角大幅度減小,延遲時間變長,說明PBX-Ⅱ的拐角性能優(yōu)于PBX-Ⅲ。

(2)與HMX基PBX相比,純TATB基PBX炸藥出射角和熄爆角都明顯降低,表明HMX基PBX的拐角性能優(yōu)于TATB基PBX。三種炸藥的拐角性能優(yōu)劣順序為PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ,沖擊波感度由高到低的順序為PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ,拐角性能與沖擊波感度規(guī)律一致。

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