郭劉偉，汪 斌，鄭賢旭，張光昇，楊林俊，李 強

(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)

JBO-9021炸藥初始密度對爆轟波陣面曲率效應(yīng)的影響

郭劉偉，汪 斌，鄭賢旭，張光昇，楊林俊，李 強

(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)

采用高速掃描相機及電探針，在室溫環(huán)境下對不同初始密度(1.894 ～1.901g/cm3)、不同半徑(5.0、7.5、15.0mm)的鈍感炸藥JBO-9021藥柱開展了曲率效應(yīng)實驗，獲取了擬定態(tài)爆轟波陣面形狀及波速，分析了其隨炸藥柱密度及半徑的變化。結(jié)果表明，隨著炸藥JBO-9021的初始密度由1.894g/cm3增至1.901g/cm3，3種不同半徑JBO-9021藥柱的爆轟波擬定態(tài)波速均增大，擬定態(tài)波陣面形狀變得更為平坦，波陣面中心點與邊界點之間的波到達時間差降低；在小曲率范圍內(nèi)(κ<0.2mm-1)，JBO-9021藥柱爆轟波波陣面法向波速Dn與當(dāng)?shù)厍师实年P(guān)系(Dn(κ)關(guān)系)不受藥柱半徑及密度的影響，當(dāng)曲率κ> 0.2mm-1時，Dn(k)關(guān)系隨藥柱半徑及炸藥密度呈現(xiàn)離散趨勢，藥柱半徑及初始密度共同影響爆轟波波陣面大曲率的Dn(κ)關(guān)系。

爆炸力學(xué)；鈍感炸藥；JBO-9021炸藥；曲率效應(yīng)；擬定態(tài)爆轟波形；擬定態(tài)爆轟波速；初始密度；Dn(κ)關(guān)系

引 言

炸藥初始密度是鈍感炸藥的一個重要參數(shù)，對爆轟波非理想傳播行為具有顯著影響[1]。通過曲率效應(yīng)實驗獲取的擬定態(tài)波速及Dn(κ)關(guān)系參數(shù)是采用爆轟沖擊動力學(xué)(DSD)[2-3]研究爆轟波非理想傳播行為的重要參數(shù)，其受鈍感炸藥初始密度的影響。L.G. Hill等[4-6]對PBX-9502炸藥的曲率效應(yīng)實驗進行了分析，指出炸藥批次及材料性質(zhì)對PBX-9502炸藥的曲率效應(yīng)具有明顯的影響；還建立了爆轟波Dn(κ)關(guān)系及反應(yīng)區(qū)寬度隨炸藥密度及溫度變化的經(jīng)驗公式，結(jié)果表明，鈍感炸藥反應(yīng)區(qū)寬度隨炸藥密度增大而增大，在小曲率范圍內(nèi)，Dn(κ)關(guān)系受炸藥密度的影響較小，但隨著曲率的增大，不同初始密度炸藥的Dn(κ)關(guān)系逐漸離散，且高密度炸藥的Dn(κ)關(guān)系位于低密度之下。O.Bozier[7]在文獻[6]的基礎(chǔ)上，對初始密度1.67 ～1.86 g/cm3的TATB基鈍感炸藥開展了曲率效應(yīng)實驗研究，獲取了爆轟波擬定態(tài)波速及波陣面形狀隨炸藥初始密度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，爆轟波擬定態(tài)波速隨炸藥密度的增大而提高，且在一定的密度范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系，反應(yīng)區(qū)寬度隨炸藥密度的增大呈加速增大的趨勢。

炸藥生產(chǎn)工藝對爆轟波的非理想傳播行為有著重要的影響，國內(nèi)外鈍感炸藥的生產(chǎn)工藝均無公開報道，因此，國外鈍感炸藥的規(guī)律性研究無法直接用于國內(nèi)鈍感炸藥的性能評估。譚多望等[8-11]對國內(nèi)生產(chǎn)的JB-9014及JBO-9021鈍感炸藥的曲率效應(yīng)進行了實驗研究，獲取了擬定態(tài)爆轟波波陣面形狀及波速，擬合了爆轟沖擊動力學(xué)計算用Dn(κ)關(guān)系參數(shù)。沈飛等[12]對CL-20基含鋁炸藥開展了曲率效應(yīng)實驗研究，獲取了爆轟波陣面形狀及擬定態(tài)波速，分析了CL-20基含鋁炸藥爆轟波陣面法向速度與曲率的關(guān)系，并與RDX基炸藥結(jié)果進行了對比。但目前國內(nèi)有關(guān)炸藥初始密度對鈍感炸藥爆轟波曲率效應(yīng)影響的研究較少。

本實驗采用高速掃描照相技術(shù)及電探針陣列測速技術(shù)，在室溫環(huán)境下對JBO-9021鈍感炸藥柱爆轟波波陣面曲率效應(yīng)受炸藥初始密度的影響進行了研究。

1 實 驗

曲率效應(yīng)實驗裝置由雷管、傳爆藥(質(zhì)量分數(shù)96%RDX)、主炸藥(JBO-9021)、電探針陣列及光學(xué)掃描窗口等組成(見圖1)。雷管起爆后引爆傳爆藥柱，傳爆藥柱將起爆能量放大傳遞并可靠引爆主藥柱，爆轟波在主藥柱中傳播足夠遠距離后(大于6倍藥柱直徑)，呈現(xiàn)擬定態(tài)傳播狀態(tài)，在主藥柱末端一定長度上雙側(cè)對稱布置球頭彈簧電探針陣列(相鄰電探針間隔8mm)以測量爆轟波到達各位置的時間。實驗中共布置30路電探針，其中1#～15#電探針位于炸藥一側(cè)，16#～30#電探針位于炸藥另一側(cè)。爆轟波到達主藥柱末端端面時，采用高速掃描相機通過光學(xué)窗口記錄爆轟波波形。

曲率效應(yīng)實驗布局示意圖見圖2。將實驗件置于室溫下，實驗時，高壓氙燈照射主藥柱末端面，反射光線經(jīng)透鏡、反光鏡進入高速掃描相機。爆轟波到達炸藥端面時，端面反射光線強度發(fā)生變化，相機底片根據(jù)感光程度記錄爆轟波出藥柱端面的時間序列。高速掃描相機的掃描速度為12mm/μs。共開展6發(fā)曲率效應(yīng)實驗，被測主藥柱的參數(shù)見表1。

樣品序號R/mmρ/(g·cm-3)15.01.90125.01.89437.51.90047.51.896515.01.900615.01.898

2 結(jié)果與討論

2.1 擬定態(tài)波速

采用最小二乘法，將雙側(cè)電探針陣列測到的爆轟波到達時間及各電探針間距進行處理以獲取該側(cè)爆轟波的平均波速，雙側(cè)測量結(jié)果的平均值作為該發(fā)實驗中炸藥的擬定態(tài)爆轟波波速(ú)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，JBO-9021炸藥擬定態(tài)爆轟波波速隨藥柱半徑的增大而增大。3種半徑炸藥的擬定態(tài)爆轟波波速隨炸藥初始密度的增大均有所提高。

2.2 擬定態(tài)波陣面形狀

采用高速掃描相機獲取的典型爆轟波波陣面形狀如圖4所示。

由圖4可看出，爆轟波波陣面界面清晰，全波形記錄完整，在一定程度上波陣面對稱性良好。

不同初始密度、3種半徑JBO-9021藥柱的擬定態(tài)爆轟波波陣面形狀對比見圖6。

由圖6可看出，隨著藥柱半徑增大，爆轟波擬定態(tài)波陣面形狀更為平坦，波陣面中心點與邊界點之間的時間差變大。在此次實驗范圍內(nèi)，隨著炸藥初始密度的增大，相同半徑JBO-9021藥柱擬定態(tài)爆轟波波陣面形狀變得更為平坦，波陣面中心點與邊界點之間的時間差變得更小。分析其原因可能為：炸藥初始密度增大，爆轟波反應(yīng)區(qū)寬度增大，炸藥邊界稀疏波更易在較大范圍的反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生影響，反應(yīng)區(qū)在藥柱半徑路線上受稀疏波影響的差異性減小，故在爆轟波發(fā)展至穩(wěn)定的過程中，藥柱邊界與中心點的速度差減小，波陣面形狀更為平坦。此規(guī)律與郭劉偉[13]開展的高溫環(huán)境下JB-9014鈍感炸藥藥柱爆轟波波陣面曲率效應(yīng)的實驗結(jié)果相一致(高溫環(huán)境下，鈍感炸藥的密度降低，爆轟波波陣面形狀更為陡峭[13])。

2.3 Dn(κ)關(guān)系

Dn(κ)關(guān)系是采用DSD模型對爆轟波傳播過程進行計算的關(guān)鍵參數(shù)之一，目前只能通過實驗標(biāo)定獲得。對實驗中測量的爆轟波擬定態(tài)波速D0及波陣面形狀z(r)按照公式(1)～(2)[4]進行計算，獲取各實驗狀態(tài)的爆轟波波陣面Dn(κ)關(guān)系如圖7所示。

(1)

(2)

由圖7可看出，JBO-9021藥柱爆轟波波陣面Dn(κ)曲線在小曲率時(κ<0.2mm-1)受藥柱半徑及初始密度的影響不大，各實驗狀態(tài)的Dn(κ)曲線一致性較好。隨著當(dāng)?shù)厍实脑龃螅珼n(κ)曲線隨藥柱半徑及初始密度發(fā)生離散。此實驗中，對于半徑5.0mm及7.5mm的JBO-9021藥柱，低密度炸藥爆轟波波陣面Dn(κ)曲線在小曲率時位于高密度結(jié)果之下，隨著曲率的增大而交叉翻轉(zhuǎn)，超過一定曲率后，低密度Dn(κ)曲線位于高密度結(jié)果之上。對于半徑15.0mm的JBO-9021藥柱，低密度炸藥爆轟波波陣面Dn(κ)曲線始終位于高密度結(jié)果之下。

3 結(jié) 論

(1)對不同初始密度、半徑分別為5.0、7.5及15.0mm的JBO-9021藥柱在常溫環(huán)境下的曲率效應(yīng)開展了實驗研究，獲取了JBO-9021藥柱的擬定態(tài)爆轟波波速及波陣面形狀。在目前的實驗范圍內(nèi)，隨著炸藥密度的增大，3種半徑JBO-9021藥柱的擬定態(tài)爆轟波波速增大，擬定態(tài)波陣面形狀變得更為平坦，波陣面中心點與邊界點之間的時間差降低。

(2)在小曲率范圍內(nèi)(κ<0.2)，JBO-9021藥柱爆轟波波陣面的Dn(κ)曲線受藥柱半徑及初始密度的影響不大，各實驗狀態(tài)的Dn(κ)曲線一致性較好，但隨著當(dāng)?shù)厍实脑龃?，Dn(κ)關(guān)系隨藥柱半徑及炸藥密度呈現(xiàn)離散趨勢，藥柱半徑及初始密度共同影響JBO-9021藥柱爆轟波波陣面大曲率的Dn(κ)關(guān)系。

[1] 孫承緯，衛(wèi)玉章，周之奎. 應(yīng)用爆轟物理[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2000:479-506.

[2] Bdzil J B, Stewart D S. The dynamics of detonation in explosive system DSD [J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2007, 39:263-292.

[3] Bdzil J B, Stewart D S. Modeling two-dimensional detonation with detonation shock dynamics [J]. Physics of Fluids A, 1989, 1(7):1261-1267.

[4] Hill L G, Bdzil J B, Aslam T D. Front curvature rate stick measurements and detonation shock dynamics calibration for PBX 9502 over a wide temperature range[C]∥Proceedings of 11th International Detonation Symposium. Colorado: Office of Naval Research, 1998:1029-1037.

[5] Hill L G, Aslam T D. PBX 9502 front curvature rate stick data: repeatability and the effects of temperature and material variation [C]∥Proceedings of 13th International Detonation Symposium. Virginia: Office of Naval Research, 2006:311-341.

[6] Hill L G, Aslam T D. Detonation shock dynamics calibration for PBX 9502 with temperature, density, and material lot variations[C]∥Proceedings of 14th International Detonation Symposium. Idaho: Office of Naval Research,2010:779-788.

[7] Bozier O, Desbiens N, Dubios V, et al. Detonation velocity of a TATB-based high-explosive as a function of density, temperature and curvature [C]∥Proceedings of 15th International Detonation Symposium. California: Office of Naval Research, 2014:477-484.

[8] 譚多望，方青. 常溫下鈍感炸藥爆轟波傳播的曲率效應(yīng)研究[J].含能材料，2005，13(1)：13-16.

TAN Duo-wang, FANG Qing. Curvature effect for insensitive explosive at normal atmospheric temperature [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2005, 13(1):13-16.

[9] 譚多望，方青，張光升，等. 常溫下JB-9014鈍感炸藥DSD參數(shù)研究[J].高壓物理學(xué)報，2009，23(3)：161-166.

TAN Duo-wang, FANG Qing, ZHANG Guang-sheng, et al. Detonation shock dynamics calibration of JB-9014 explosive at ambient temperature [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009, 23(3):161-166.

[10] 鄒立勇，譚多望，文尚剛，等. 低溫下小尺度鈍感炸藥非理想爆轟實驗研究[J]. 爆炸與沖擊，2007, 27(4)：325-330.

ZOU Li-yong, TAN Duo-wang, WEN Shang-gang, etc. Experimental study on the nonideal detonation for JB-9014 rate sticks at -30℃[J]. Explosion and Shock Waves, 2007, 27(4):325-330.

[11] 汪斌，譚多望，趙繼波，等. 常溫下JBO-9021高溫鈍感炸藥半徑效應(yīng)實驗[J]. 爆炸與沖擊，2012,32(5)：490-494.

WANG Bin, TAN Duo-wang, ZHAO Ji-bo, et al. Diameter effect of JBO-9021 rate sticks at room temperature [J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(5):490-494.

[12] 沈飛，王輝，袁建飛，等. CL-20基含鋁炸藥爆轟波陣面法向速度與曲率的關(guān)系[J]. 火炸藥學(xué)報，2015,38(1)：8-11.

SHEN Fei, WANG Hui, YUAN Jian-fei, et al. Relationship between normal velocity and curvature of detonation wave front for CL-20-based aluminized explosive [J]. Chinese Journal of Explosives Propellants, 2015, 38(1):8-11.

[13] 郭劉偉，劉宇思，汪斌，等. 高溫下TATB基鈍感炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)實驗研究[J]. 含能材料, 2017, 25(2)：138-143.

GUO Liu-wei, LIU Yu-si, WANG Bin, et al. Front curvature rate stick experiment of TATB based insensitive high explosives at high temperature [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2017, 25(2):138-143.

EffectofInitialDensityontheCurvatureEffectofDetonationFrontforJBO-9021Explosive

GUO Liu-wei，WANG Bin，ZHENG Xian-xu，ZHANG Guang-sheng, YANG Lin-jun，LI Qiang

(National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621999, China )

The curvature effect experiments were carried out for the insensitive JBO-9021 explosive grain with different radius (5.0,7.5 and 15mm) and different initial densities (1.894g/cm3-1.901g/cm3) at ambient temperature by using the high-speed streak camera and electric probes, and the steady-state detonation front shape and wave velocity were obtained and the change with density and radius of explosive grain was analyzed. Results show that, with increasing the initial density of JBO-9021 explosive from 1.894g/cm3to 1.901g/cm3, the steady-state wave velocities of detonation wave for three kinds of JBO-9021 explosive grains with different radius increase, the steady-state front shape becomes flatter and the difference of the wave arriving time between the center point and edge point of front becomes smaller. In the range of small curvature (κ<0.2mm-1), the relationship between the normal wave velocityDnand the local curvature, (Dn(κ)),for detonation wave front of JBO-9021 explosive is not affected by the radius and density of the explosive grain. For larger curvature ofκ>0.2mm-1, theDn(κ) relationship reveals a discrete trend with the radius and density of the explosive grain. The initial density and radius of JBO-9021 explosive grain affect theDn(κ) relationship of great curvature for detonation wave front of explosive together.

explosion mechanics; insensitive explosive; JBO-9021 explosive; curvature effect; steady-state detonation front wave shape；steady-state detonation wave velocity; initial density;Dn(κ) relationship

TJ55；O358

A

1007-7812(2017)05-0051-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.009

2017-04-18；

2017-06-22

郭劉偉(1983-)，男，副研究員，從事爆轟物理研究。E-mail: guoliuwei1@163.com