劉 杰, 王延飛, 王廣軍, 張 蓉, 鐘 斌, 趙 鋒, 張 旭

(1. 中國工程物理研究院研究生部， 四川 綿陽 621999； 2. 中國工程物理研究院流體研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

組合電磁粒子速度計(jì)技術(shù)(電磁法)是炸藥沖擊起爆、老化效應(yīng)研究中非常重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一,作為嵌入式傳感器,其主要特點(diǎn)是靈敏度高、無需標(biāo)定。Fowles[1]最早將組合電磁粒子速度計(jì)技術(shù)結(jié)合氣炮使用,美國洛斯阿拉莫斯(LANL)實(shí)驗(yàn)室的Campbell[2]、Dick[3]、Gustavsen[4-5]和Sheffield[6]利用組合電磁粒子速度計(jì)技術(shù)開展了多種炸藥的沖擊起爆研究,測(cè)量以奧克托今(HMX)為基的LX-04、PBX-9404、PBX-9501炸藥在不同入射壓力下的粒子速度,同時(shí)考慮了溫度效應(yīng)、顆粒度效應(yīng)和老化效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還給出了未反應(yīng)炸藥Hugoniot參數(shù)、Popolato(POP關(guān)系)數(shù)據(jù),提供豐富的沖擊起爆過程信息。目前LANL實(shí)驗(yàn)室[7]主要利用組合電磁粒子速度計(jì)技術(shù)測(cè)量鈍感炸藥PBX-9502沖擊起爆過程的波后粒子速度,包括PBX-9502鈍感炸藥受炸藥顆粒度、溫度參數(shù)影響的沖擊起爆過程實(shí)驗(yàn)研究。北京理工大學(xué)和國防科技大學(xué)[8]、化工材料研究所[9-10]和流體物理研究所[11-12]也先后開展了電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究,組合電磁粒子速度計(jì)的感應(yīng)單元以銅基材料為主,加載方式以化爆加載為主,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果受電磁干擾較大,不理想。以銅基材料作為感應(yīng)單元的主要缺點(diǎn)是時(shí)間響應(yīng)慢,不能滿足炸藥反應(yīng)過程測(cè)量的快響應(yīng)需求,因此本研究設(shè)計(jì)了與炸藥阻抗匹配的鋁基組合電磁粒子速度計(jì),提高了組合電磁粒子速度計(jì)的時(shí)間響應(yīng)特性,結(jié)合火炮加載實(shí)驗(yàn)方式,測(cè)量了某HMX基高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)在不同入射沖擊壓力下的粒子速度,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度高,電磁干擾小。

2 組合電磁粒子速度計(jì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)設(shè)計(jì)

組合電磁粒子速度計(jì)設(shè)計(jì)中切割磁場(chǎng)的感應(yīng)單元選取主要以銅和鋁為主,如果采用銅箔作為計(jì)材料,銅密度大,阻抗高(40890 g·s-1·m-2),與炸藥阻抗不匹配,測(cè)量過程中時(shí)間響應(yīng)慢,故本研究選取與炸藥阻抗(11400 g·s-1·m-2)接近的鋁箔(鋁的阻抗為17010 g·s-1·m-2)[4]作為計(jì)材料,以提高計(jì)單元的時(shí)間響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)的鋁基組合電磁粒子速度計(jì)如圖1所示,設(shè)計(jì)計(jì)長5～8 mm,各個(gè)感應(yīng)單元之間間距2 mm,鋁箔厚度10 μm,夾在聚酰亞胺絕緣膜之間。鋁基組合電磁粒子速度計(jì)通過轉(zhuǎn)接板與測(cè)試電纜連接,消除附加電阻,設(shè)計(jì)的沖擊示蹤器記錄惰性沖擊波轉(zhuǎn)化為爆轟的時(shí)間-距離關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中鋁基組合電磁粒子速度計(jì)鑲?cè)刖哂?0°傾角的炸藥樣品中,如圖2所示,保證相鄰感應(yīng)單元在沖擊波傳播方向的間距為 1 mm間隔。

圖1 設(shè)計(jì)的鋁基組合電磁粒子速度計(jì)

Fig.1 Designed Al-based electromagnetic particle velocity gauge

圖2 鑲?cè)胝ㄋ帢悠分械慕M合電磁粒子速度計(jì)

Fig.2 Electromagnetic particle velocity gauge inserted in explosive sample

2.2 實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)試方法

組合電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)的裝置構(gòu)型如圖3所示。由圖3可見,加載和測(cè)試主要包括火炮加載裝置、真空靶室、Φ57 mm的彈托(polycarbonate projectile)、Φ55 mm藍(lán)寶石飛片、磁場(chǎng)裝置防護(hù)筒、Φ40 mm×30 mm待測(cè)炸藥樣品,鋁基組合電磁粒子速度計(jì)、磁通量為0.14T的永久磁場(chǎng)裝置。磁場(chǎng)裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻區(qū)域?yàn)檫呴L30 mm的立方均勻區(qū)域,非均勻性小于1%。嵌入組合電磁粒子速度計(jì)的待測(cè)HMX基炸藥樣品放置在磁場(chǎng)均勻區(qū)域內(nèi),單計(jì)放置在炸藥樣品前表面和撞擊飛片之間,用于測(cè)量待測(cè)樣品表面的界面粒子速度,結(jié)合炸藥樣品中的沖擊波速度計(jì)算入射到樣品中的撞擊壓力。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)型圖

1—聚碳酸酯彈托, 2—飛片, 3—防護(hù)筒, 4—HMX基炸藥樣品, 5—組合電磁粒子速度計(jì), 6—導(dǎo)線

Fig.3 Scheme of experimental device

1— Lexon(polycarbonate projectile), 2—flyer, 3—protection cylinder, 4—HMX-based explosive sample, 5—electromagnetic particle velocity gauge, 6—conducting wire

組合電磁粒子速度計(jì)實(shí)驗(yàn)原理是利用法拉第電磁感應(yīng)定律,閉合回路導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。在已知磁場(chǎng)強(qiáng)度B、切割磁力線的感應(yīng)單元長度l前提下,通過測(cè)量感生電動(dòng)勢(shì)ε計(jì)算粒子速度v

v=ε/Bl× 103

(1)

式中,v為粒子速度,mm·μs-1;ε為感生電動(dòng)勢(shì),V;l為感應(yīng)單元長度, mm;B磁場(chǎng)強(qiáng)度,T。

入射沖擊波壓力由實(shí)驗(yàn)獲得的進(jìn)入樣品中的沖擊波速度D、樣品和和飛片間的界面粒子速度up、樣品初始密度ρ0計(jì)算:

p=ρ0Dup

(2)

式中,p為入射沖擊波壓力,GPa;ρ0為樣品初始密度,g·cm-3;D為沖擊波速度, mm·μs-1;up為界面粒子速度,mm·μs-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)的時(shí)間響應(yīng)特性

組合電磁粒子速度計(jì)的時(shí)間響應(yīng)是影響沖擊波后速度波剖面參數(shù)測(cè)試精度的重要因素之一,一般認(rèn)為由計(jì)箔被加速到與周圍介質(zhì)相同速度所需時(shí)間、作用在計(jì)箔單元上的沖擊波與計(jì)箔的夾角、傳輸和記錄系統(tǒng)的前沿響應(yīng)時(shí)間等因素決定。計(jì)箔響應(yīng)時(shí)間由沖擊波在計(jì)箔內(nèi)來回反射兩次的時(shí)間確定,即t1=4δ/D,其中D為沖擊波速度,mm·μs-1;δ為計(jì)箔厚度,mm; 感應(yīng)單元從開始部分動(dòng)作到全部動(dòng)作需的時(shí)間由飛片的撞擊傾斜角確定,即t2=l*sinθ/D,其中l(wèi)為感應(yīng)長度,θ為撞擊傾斜角。以實(shí)驗(yàn)中進(jìn)入樣品的沖擊波速度D=5.25 mm·μs-1、,飛片的傾角小于0.5°為例,計(jì)箔厚度δ=10μm,則其響應(yīng)時(shí)間約為t1≈7.62 ns,t2≈18 ns,則總作用時(shí)間為20～30 ns。本實(shí)驗(yàn)獲得的3.07,4.14,7.81,8.12 GPa四種入射壓力(見表1)下炸藥樣品中入射沖擊波無傾斜,在入射沖擊波壓力為4.14 GPa的實(shí)驗(yàn)條件下,獲得的沖擊波到達(dá)炸藥樣品1 mm深度處的左、右示蹤器、中間感應(yīng)單元的記錄信號(hào)如圖4所示,從圖4可見,入射沖擊波幾乎同時(shí)到達(dá)左、右示蹤器和中間感應(yīng)單元,表明飛片撞擊樣品的平面度好,在感應(yīng)單元投影方向沖擊波無傾斜,能夠保證感應(yīng)單元的時(shí)間響應(yīng)特性。此外,入射沖擊波壓力為4.14 GPa時(shí),炸藥樣品中鋁基組合電磁粒子速度計(jì)中感應(yīng)單元的上升時(shí)間約為20 ns,如圖5所示,達(dá)到了理想的沖擊時(shí)間響應(yīng)特性,與LANL實(shí)驗(yàn)室Gustavsen[4]獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)。

圖4 沖擊波撞擊平面度(p=4.14 GPa)

Fig.4 Planeness of shock wave

圖5 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)時(shí)間響應(yīng)特性(p=4.14 GPa)

Fig.5 Time responsecharacteristic of Al based electromagnetic particle velocity gauge

為了比較不同計(jì)箔材料對(duì)粒子速度測(cè)量結(jié)果的影響,分別選取10 μm厚的銅箔和10 μm厚的鋁箔作為感應(yīng)單元,測(cè)量同一撞擊界面處兩種不同計(jì)箔材料的時(shí)間響應(yīng)特性(即從信號(hào)出現(xiàn)直至達(dá)到峰值所需的時(shí)間)。實(shí)驗(yàn)中計(jì)箔感應(yīng)單元放置在有機(jī)玻璃(PMMA)樣品撞擊表面,保證沖擊波同時(shí)到達(dá)銅箔和鋁箔感應(yīng)單元。實(shí)驗(yàn)中飛片速度為1136 m·s-1(入射沖擊波壓力為8.71 GPa)時(shí),測(cè)到的銅箔和鋁箔感應(yīng)單元感生電動(dòng)勢(shì)原始記錄信號(hào)如圖6a所示,由圖6a可見,鋁箔上升前沿0.06 μs,銅箔上升前沿0.07 μs,鋁箔上升時(shí)間比銅箔上升前沿快7%左右,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鋁基組合電磁粒子速度計(jì)具有更優(yōu)異的時(shí)間響應(yīng)特性。

此外,對(duì)比實(shí)驗(yàn)中有機(jī)玻璃樣品中的組合電磁粒子速度計(jì)記錄了沖擊波后粒子速度和示蹤器數(shù)據(jù)如圖6b所示,由圖6b可見,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)無干擾,完整記錄了PMMA沖擊響應(yīng)的波后粒子速度歷程,同時(shí)記錄了銅箔和鋁箔作為感應(yīng)單元的時(shí)間響應(yīng)特性。

3.2 不同沖擊起爆壓力下HMX基炸藥反應(yīng)增長的速度剖面

為了檢驗(yàn)反應(yīng)增長過程粒子速度測(cè)量的精度和干擾,采用所設(shè)計(jì)的鋁基組合電磁粒子速度計(jì),感應(yīng)單元預(yù)埋在樣品1～8 mm深度處,在3.07,4.14,7.81,8.12 GPa四種入射壓力下測(cè)量了HMX基PBX炸藥不同沖擊起爆壓力下的粒子速度,結(jié)果見表1。同時(shí),表1還給出了HMX基PBX炸藥反應(yīng)增長粒子速度測(cè)量的樣品密度和入射沖擊波壓力列表。

a. comparison of Cu and Al origin signal

b. origin signals of all gauges

圖6 銅和鋁感應(yīng)單元計(jì)記錄信號(hào)和組合計(jì)信號(hào)

Fig.6 Comparison of the origin signals of Cu and Al induction unit and the ones of all gauge

表1 樣品密度和入射沖擊波壓力

Table 1 Sample density and incident shock wave pressure

No.sampledensity/g·cm-3shockwavevelocityinsample/km·s-1interfacevelocity/m·s-1impactpressure/GPa11.8493.1655253.0721.8413.4606504.1431.8453.84611017.8141.8453.87611368.12

在入射沖擊波壓力3.07,4.14,7.81,8.12 GPa下,鋁基組合電磁粒子速度計(jì)測(cè)試HMX基PBX反應(yīng)增長粒子速度原始信號(hào)如圖7a～圖7d所示,相應(yīng)的粒子速度信號(hào)如圖8a～圖8d所示,圖8中每組曲線的第一條曲線為飛片撞擊表面的stirup gauge記錄的界面粒子速度,以stirup gauge所在的撞擊表面作為源點(diǎn),由左至右感應(yīng)單元埋入樣品中深度間隔1 mm。由圖7所見,速度計(jì)記錄信號(hào)信噪比高、無干擾,而且每個(gè)速度計(jì)的上升沿時(shí)間都小于20 ns,說明鋁基組合電磁粒子速度計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。當(dāng)入射壓力(3.07 GPa和4.14 GPa)較低時(shí),由圖8a和圖8b可見,1 mm深度處的粒子速度沒有出現(xiàn)增長現(xiàn)象,而且整個(gè)記錄時(shí)間內(nèi)粒子速度都處于增長階段,說明反應(yīng)過程沒有轉(zhuǎn)為正常爆轟; 當(dāng)入射沖擊波壓力提高到7.81 GPa和8.12 GPa時(shí),由圖8c和圖8d可見,出現(xiàn)了反應(yīng)沖擊波趕上惰性前驅(qū)沖擊波的過程。HMX基PBX炸藥的反應(yīng)增長粒子速度數(shù)據(jù)表明: 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)時(shí)間響應(yīng)特性高,無干擾,能夠很好地反映炸藥沖擊起爆過程的粒子速度增長規(guī)律。

a. 3.07 GPa

b. 4.14 GPa

c. 7.81 GPa

d. 8.12 GPa

圖7 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)記錄的HMX基炸藥反應(yīng)增長原始信號(hào)

Fig.7 Origin signals of reaction-build-up in HMX-based PBX recorded by Al based electromagnetic particle velocity gauge

a. 3.07 GPa

b. 4.14 GPa

c. 7.81 GPa

d. 8.12 GPa

圖8 4種入射沖擊波壓力下的粒子速度

Fig.8 Particle velocity at different incident shock wave pressure

鋁基組合電磁粒子速度計(jì)中的示蹤器也正確記錄了沖擊波在樣品中的運(yùn)動(dòng)軌跡,其原理是當(dāng)沖擊波經(jīng)過示蹤器的敏感單元時(shí),會(huì)產(chǎn)生跳變信號(hào),每一個(gè)跳變信號(hào)對(duì)應(yīng)沖擊波在樣品中傳播的一個(gè)位置和時(shí)間,由此可以得到?jīng)_擊波在樣品中的運(yùn)動(dòng)軌跡。以入射沖擊波壓力為4.14 GPa的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例,示蹤器記錄信號(hào)如圖9a所示,相應(yīng)的沖擊波在樣品中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9b所示,完整記錄了沖擊波在樣品中的傳播特性,示蹤器間隔0.5 mm,沖擊波掃過示蹤器時(shí),示蹤器感生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)符號(hào)發(fā)生變化,此外,當(dāng)沖擊波轉(zhuǎn)化為爆轟波時(shí),信號(hào)幅度會(huì)明顯增強(qiáng),即為沖擊轉(zhuǎn)爆轟的拐點(diǎn)。

a. original signal of shock tracer

b. shock wave trajectory in sample

圖9 用示蹤器記錄的信號(hào)和沖擊波在樣品中的傳播特性

Fig.9 Signals recorded by tracer and propagation characteristic of shock wave in sample

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了與炸藥阻抗匹配的鋁基組合電磁粒子速度計(jì),與銅基組合電磁粒子速度計(jì)相比,鋁基組合電磁粒子速度計(jì)具有更好的沖擊時(shí)間響應(yīng)特性,鋁箔上升時(shí)間比銅箔上升前沿快7%左右; HMX基PBX炸藥反應(yīng)增長粒子速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,鋁基組合電磁粒子速度計(jì)記錄信號(hào)信噪比高、無干擾,而且每個(gè)感應(yīng)單元的上升沿時(shí)間都小于20 ns,達(dá)到了設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。研究結(jié)果表明: 鋁基組合電磁粒子速度計(jì)及其測(cè)試系統(tǒng)得到的感生電動(dòng)勢(shì)干擾小,精度高,可以成功獲得高精度的HMX基炸藥反應(yīng)增長過程粒子速度數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果將有助于對(duì)沖擊起爆反應(yīng)增長過程規(guī)律的認(rèn)識(shí),也是反應(yīng)速率建模和反應(yīng)流體動(dòng)力學(xué)程序校驗(yàn)的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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