李東偉，姜振明，張向榮，周霖（.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京0008；.國(guó)營(yíng)第805廠，甘肅白銀730900）

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2，4-二硝基苯甲醚基高爆速熔鑄炸藥爆轟性能表征

李東偉1，姜振明2，張向榮1，周霖1
（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081；2.國(guó)營(yíng)第805廠，甘肅白銀730900）

摘要：為了揭示2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔鑄炸藥的爆轟特性，加快DNAN基熔鑄炸藥的應(yīng)用，采用Fortran BKW代碼計(jì)算了Octol炸藥和不同組分DNAN基熔鑄炸藥的爆轟參數(shù)（爆速、爆壓）。采用電測(cè)法、爆炸概率法和激光干涉測(cè)速技術(shù)分別對(duì)DNAN基配方DNAN 20/奧克托今80和Octol炸藥的爆速、爆壓、機(jī)械感度以及金屬板驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:該DNAN基炸藥的爆速為8 436 m/ s，爆壓為31. 23 GPa，爆轟性能優(yōu)于Octol炸藥；撞擊感度為33%，摩擦感度為57%，機(jī)械感度低于Octol炸藥；驅(qū)動(dòng)金屬板速度達(dá)到3 045 m/ s，優(yōu)于Octol炸藥。該DNAN基高爆速熔鑄炸藥綜合性能優(yōu)于Octol炸藥，可替代Octol炸藥用于防空反導(dǎo)和大口徑爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部。

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；2，4-二硝基苯甲醚；Fortran BKW；電測(cè)法；激光速度干涉儀

0 引言

熔鑄型炸藥是國(guó)內(nèi)外廣泛使用的混合炸藥，其裝備量占戰(zhàn)斗部裝藥總量的80%左右。熔鑄炸藥適用于裝填大口徑、異形結(jié)構(gòu)的防空反導(dǎo)和爆炸成型彈丸（EFP）戰(zhàn)斗部。自20世紀(jì)80年代初，低易損性炸藥相關(guān)研究受到世界各國(guó)的高度重視［1］。由于TNT存在異構(gòu)物，以TNT為基的熔鑄炸藥存在滲油、長(zhǎng)貯性差、感度高、力學(xué)性能差、凝固過(guò)程收縮大、裝藥易出現(xiàn)裂紋等缺點(diǎn)，因此，以TNT為載體的熔鑄炸藥難以滿足當(dāng)今高能鈍感戰(zhàn)斗部的技術(shù)要求［2 -3］。2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）的感度和粘度均顯著低于TNT，而且DNAN不存在異構(gòu)物，純度達(dá)99. 8%. DNAN是一種替代TNT的高安全性載體炸藥。DNAN基熔鑄炸藥不僅提高了戰(zhàn)斗部的長(zhǎng)期貯存性能和裝藥工藝性，而且其具有良好的安定性，提高了戰(zhàn)斗部勤務(wù)處理過(guò)程安全性以及在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力［4］。美軍研制出了一系列以DNAN為基的熔鑄炸藥［5］，已經(jīng)應(yīng)用于155 mm榴彈、120 mm迫彈等戰(zhàn)斗部。我國(guó)“十二五”期間，開(kāi)展了DNAN基高能熔鑄炸藥研制工作，結(jié)果表明該炸藥通過(guò)了慢速烤燃、快速烤燃等7項(xiàng)易損性考核，結(jié)合大口徑EFP戰(zhàn)斗部和破片反導(dǎo)戰(zhàn)斗部開(kāi)展了集成驗(yàn)證，驗(yàn)證了該炸藥具有良好的安全性和長(zhǎng)期貯存性能。因此，進(jìn)一步揭示DNAN基熔鑄炸藥的爆轟性能特點(diǎn)對(duì)加快其在戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用具有重要意義。

本文采用Fortran BKW代碼計(jì)算了3種DNAN基熔鑄炸藥的爆轟參數(shù)，運(yùn)用LS-DYNA軟件計(jì)算了DNAN基熔鑄炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)金屬板的自由表面速度，并采用電測(cè)法、爆炸概率法和激光干涉測(cè)速技術(shù)分別對(duì)其中DNAN基熔鑄炸藥（DNAN 20/ HMX 80）的爆速、爆壓、機(jī)械感度以及金屬板驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。計(jì)算和測(cè)試結(jié)果表明，DNAN基高能熔鑄炸藥（DNAN 20/ HMX 80）綜合性能良好，可替代Octol（TNT 30/ HMX 70）炸藥裝填大口徑防空反導(dǎo)和EFP戰(zhàn)斗部，以提高戰(zhàn)斗部安全性、長(zhǎng)貯性和毀傷威力。

1 計(jì)算部分

1. 1 爆轟參數(shù)計(jì)算

本文運(yùn)用Mader編制的Fortran BKW代碼［6］對(duì)表1中所列4種炸藥的爆轟參數(shù)（爆速、爆壓）進(jìn)行計(jì)算。

表1 炸藥原始參數(shù)Tab. 1 Original parameters of explosives

BKW狀態(tài)方程表達(dá)式為

根據(jù)文獻(xiàn)［7］理論，計(jì)算得到DNAN基配方炸藥含碳量較低，采用適用于RDX的BKW狀態(tài)方程參數(shù)［8］，如表2所示。

表2 BKW方程參數(shù)Tab. 2 BKW parameters

1. 2 驅(qū)動(dòng)金屬數(shù)值計(jì)算

本文采用非線性有限元程序LS-DYNA進(jìn)行炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板數(shù)值模擬計(jì)算。該試驗(yàn)裝置為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量，建立二維軸對(duì)稱計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板計(jì)算模型Fig. 1 Model for drive potential measurement

起爆炸藥、被測(cè)炸藥均采用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程。被測(cè)炸藥（DNAN/ HMX炸藥）的JWL狀態(tài)方程通過(guò)BKW代碼計(jì)算得到HOM狀態(tài)方程，進(jìn)而擬合得到，擬合方法參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］，本文不作詳述。

JWL狀態(tài)方程表達(dá)式為

鋼材料模型采用彈塑性流體力學(xué)模型，銅板材料模型采用Steinberg模型，狀態(tài)方程均采用的Gruneisen狀態(tài)方程。套筒鋼和銅板的Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示。

表3 Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)Tab. 3 Parameters of Gruneisen equation of state

2 試驗(yàn)部分

炸藥感度、爆速、爆壓藥柱的制備均采用熔鑄工藝，即高能炸藥固相顆粒（如HMX等）加入到熔融態(tài)炸藥基質(zhì)（DNAN、TNT等）中形成懸浮液，鑄裝到模具，冷卻凝固成型。鑄裝過(guò)程中，采用震動(dòng)、抽真空等措施消除炸藥缺陷，控制炸藥密度。

2. 1 感度測(cè)試試驗(yàn)

按照GJB772A—97《炸藥試驗(yàn)方法》對(duì)DNAN基熔鑄炸藥和Octol炸藥感度進(jìn)行測(cè)試。撞擊感度按照方法601. 1爆炸概率法測(cè)定。摩擦感度按照方法602. 1爆炸概率法測(cè)定。

2. 2 爆速測(cè)試試驗(yàn)

按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB772A—97《炸藥試驗(yàn)方法》方法702. 1電測(cè)法對(duì)DNAN基熔鑄炸藥和Octol炸藥的爆速進(jìn)行測(cè)試。

2. 3 爆壓測(cè)試試驗(yàn)

爆轟壓力測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)中，將3節(jié)相同尺寸的炸藥藥柱粘接在一起，在第2節(jié)和第3節(jié)炸藥之間放置錳銅壓阻傳感器，測(cè)量炸藥的爆轟壓力。測(cè)試中，配方1炸藥密度為1.798 g/ cm3，Octol炸藥密度為1. 75 g/ cm3.每節(jié)被測(cè)炸藥柱尺寸均為φ87 mm×86 mm.

圖2 DNAN基熔鑄炸藥爆壓測(cè)試試驗(yàn)裝置Fig. 2 Detonation pressure measurement

2. 4 炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板試驗(yàn)

DNAN基熔鑄炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 3 Charge structure for drive potential measurement

試驗(yàn)前，將裝藥結(jié)構(gòu)和測(cè)速裝置安裝好，如圖4所示。試驗(yàn)開(kāi)始，雷管起爆炸藥透鏡產(chǎn)生平面爆轟波起爆加載炸藥，加載炸藥爆炸產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波經(jīng)金屬圓筒封閉端面起爆圓筒內(nèi)的試驗(yàn)炸藥，試驗(yàn)炸藥爆轟，驅(qū)動(dòng)金屬平板運(yùn)動(dòng)。采用SGD-150型全光纖激光干涉速度儀測(cè)量金屬平板自由面的速度。激光束沿圓筒軸線照射于銅板中心，在炸藥透鏡和加載炸藥之間安放一個(gè)電離探針，用于給出激光速度干涉儀起動(dòng)信號(hào)。

炸藥透鏡尺寸為φ50 mm，8701炸藥；加載炸藥尺寸為φ50 mm×10 mm，TNT；金屬圓筒尺寸為φ40 mm（內(nèi)徑）×54 mm；金屬平板尺寸為φ40 mm× 1. 5 mm，銅板；被測(cè)炸藥尺寸為φ40 mm×30 mm，配方1炸藥密度為1. 798 g/ cm3，Octol炸藥密度為1. 75 g/ cm3.

圖4 炸藥驅(qū)動(dòng)金屬平板試驗(yàn)裝配照片F(xiàn)ig. 4 Assembly photograph of drive potential measurement

3 結(jié)果與討論

3. 1 爆轟參數(shù)

本文表1中所列炸藥的爆速、爆壓計(jì)算結(jié)果及配方1（DNAN 20/ HMX 80炸藥）和Octol炸藥爆速、爆壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 炸藥爆轟參數(shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比Tab. 4 Comparison of calculated and experimental results

由表4計(jì)算值可得到，DNAN基炸藥固相物質(zhì)（HMX）每增加1%，炸藥爆速約增加21. 3 m/ s，爆壓約增加0. 2 GPa.同時(shí)，由表4可見(jiàn)，配方1炸藥的爆速較Octol炸藥高124 m/ s，爆壓較Octol炸藥高0. 84 GPa.其原因?yàn)橛捎赥NT粘度較大，固相物質(zhì)含量較高時(shí)，炸藥的安全性和工藝性均難滿足要求。而DNAN粘度較低，較TNT低42. 8%［9］，相對(duì)而言，以DNAN為載體的熔鑄炸藥固相物質(zhì)的含量可增大至80%，固含量越高，炸藥爆速爆壓越高。配方1炸藥與Octol炸藥相比，其固含量高，所以其爆速、爆壓高于Octol炸藥。

3. 2 感度

DNAN基配方1炸藥與Octol炸藥的機(jī)械感度測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 炸藥感度測(cè)試結(jié)果Tab. 5 Sensitivity comparison of some explosives

由于DNAN和TNT均含有1個(gè)苯環(huán)，結(jié)構(gòu)相似，不同的是DNAN含有2個(gè)硝基，而TNT含有3個(gè)硝基，TNT活性指數(shù)較高，所以其機(jī)械感度高［10］。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，DNAN撞擊感度和摩擦感度均為0，而TNT撞擊感度和摩擦感度分別為8%和6%［11］，DNAN較TNT更為鈍感。因此DNAN為基的配方1炸藥的機(jī)械感度低于以TNT為基的Octol炸藥。

3. 3 驅(qū)動(dòng)金屬

由HOM裝藥方程擬合配方1炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)結(jié)果如表6所示。

表6 配方1炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)Tab. 6 JWL parameters of formula-1

由LS-DYNA計(jì)算得到了8. 239 6 μs壓力分布如圖5所示。

圖5 8. 239 6 μs時(shí)壓力分布Fig. 5 Pressure distribution at 8. 239 6 μs

計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量配方1炸藥和Octol炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)銅板的自由面速度曲線的對(duì)比如圖6所示。

由圖6配方1炸藥的計(jì)算值和試驗(yàn)值比較可見(jiàn)，配方1炸藥驅(qū)動(dòng)銅板自由面速度曲線在10 μs后計(jì)算值和試驗(yàn)值重合，吻合比較好；曲線2和曲線3比較可以看到，在爆轟波驅(qū)動(dòng)作用下，配方1炸藥驅(qū)動(dòng)銅板自由面最大速度為3 045 m/ s，Octol炸藥驅(qū)動(dòng)銅板的最大速度為2 823 m/ s左右。原因是配方1炸藥爆速、爆壓較Octol炸藥高，做功能力較強(qiáng)，因此配方1炸藥金屬驅(qū)動(dòng)能力優(yōu)于Octol炸藥。

4 結(jié)論

1）配方1炸藥（DNAN 20/ HMX 80）的實(shí)測(cè)爆速8 436 m/ s，爆壓31. 23 GPa，其爆轟性能優(yōu)于Octol炸藥。

2）配方1炸藥（DNAN 20/ HMX 80）的實(shí)測(cè)機(jī)械感度均低于Octol炸藥。

3）配方1炸藥（DNAN 20/ HMX 80）和Octol炸藥驅(qū)動(dòng)銅板的最大速度分別為3045 m/ s和2823 m/ s.配方1炸藥金屬驅(qū)動(dòng)能力優(yōu)于Octol炸藥。

綜上所述，DNAN基配方炸藥DNAN 20/ HMX 80爆轟性能、感度和金屬加速能力等，綜合性能優(yōu)于Octol炸藥，可替代Octol炸藥裝填大口徑防空反導(dǎo)和EFP戰(zhàn)斗部。研究結(jié)果可為DNAN基熔鑄炸藥的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Characterization of New 2，4-dinitroanisole-based Melt-cast High Detonation Velocity Explosives

LI Dong-wei1，JIANG Zhen-ming2，ZHANG Xiang-rong1，ZHOU Lin1
（1. School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2. No 805 Factory，Baiyin 730900，Gansu，China）

Abstract：In order to reveal the detonation properties of 2，4-dinitroanisole（DNAN）-based melt-cast explosives and promote the application of this kind of explosives，a computer code is used to calculate the detonation properties of three DNAN-based melt-cast explosives. A series of experiments are carried out to characterize the properties of the DNAN-based explosive（DNAN 20/ HMX 80）and Octol. Electrometric method is used to test the detonation velocities and pressures of the two explosives. Explosive probability method is used to test the mechanical sensitivities of the two explosives. Laser interferometer velocimetry（VISAR）is used to test the free surface of copper bar drived by the detonation products. The results show that the detonation properties（detonation velocity is 8 436 m/ s and pressure is 31. 23 GPa）of DNAN-based explosive（DNAN 20/ HMX 80）are better than those of Octol. The mechanical sensitivity of DNAN-based explosive（impact sensitivity is 33%and friction sensitivity is 57%）is lower than that ofOctol. The speed of the copper bar drived by the detonation products is 3 045 m/ s. The comprehensive performance of DNAN-based explosive（DNAN20/ HMX80）is better than that of Octol. The DNAN-based explosive could replace Octol for air defense warhead，antimissile warhead，and large-caliber EFP warhead.

Key words：ordnance science and technoogy；2，4-dinitroanisole；Fortran BKW；electrometric method；laser interferometer velocimetry

中圖分類號(hào)：TJ55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1093（2016）04-0656-05

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 012

收稿日期：2015-09-04

基金項(xiàng)目：國(guó)防“086”專項(xiàng)項(xiàng)目（00401030181）

作者簡(jiǎn)介：張向榮（1975—），男，講師。E-mail：zhangxr@ bit. edu. cn