皮錚迪，陳 朗，劉丹陽，伍俊英

CL－20基混合炸藥的沖擊起爆特征＊

皮錚迪，陳 朗，劉丹陽，伍俊英

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081）

為了研究CL－20基混合炸藥的沖擊起爆特征，深入分析沖擊波作用下CL－20基混合炸藥的爆轟成長規(guī)律，采用炸藥驅(qū)動飛片沖擊起爆實驗方法，對CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7三種壓裝混合炸藥進(jìn)行了沖擊起爆實驗，通過嵌入在炸藥內(nèi)部不同位置處的錳銅壓力傳感器，獲得了炸藥內(nèi)部壓力的變化歷程。依據(jù)實驗結(jié)果標(biāo)定了混合炸藥的點火增長模型參數(shù)，其中，利用反應(yīng)速率方程中的兩個增長項，分別模擬CL－20／NTO和CL－20／FOX－7混合炸藥中兩種組分的反應(yīng)增長過程，得到這兩種混合炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)。并通過數(shù)值模擬的方法得到了三種炸藥的臨界起爆閾值和POP關(guān)系。研究結(jié)果表明：三種CL－20基混合炸藥中，CL－20／NTO混合炸藥具有更高的臨界起爆閾值，而CL－20／FOX－7混合炸藥具有更長的爆轟成長距離；此外，利用此套擬合雙組分混合炸藥反應(yīng)速率方程的方法，可以對新型配方炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行預(yù)測性計算。

沖擊起爆；CL－20；NTO；FOX－7；點火增長反應(yīng)速率方程

1987年，A.T.Nielsen等［1］首次合成六硝基六氮雜異伍茲烷（CL－20），由于其具有較高的密度和能量［2］，得到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著現(xiàn)代武器系統(tǒng)的發(fā)展，對炸藥使用的安全性要求逐漸提高，其中，在沖擊加載作用下炸藥起爆并成長為爆轟的過程是了解炸藥安全性能的核心問題，因此，研究CL－20基混合炸藥的沖擊起爆規(guī)律具有重要意義。實驗中，通常利用Lagrange量計測量沖擊波后反應(yīng)流場的變化，獲得沖擊作用下炸藥的爆轟成長過程，C.M.Tarver等［3］對LX－19炸藥（95.2%wt.#－CL－20，4.8%Estane）進(jìn)行了沖擊起爆實驗研究，通過嵌入在炸藥內(nèi)部的錳銅壓力傳感器獲得了距離待測炸藥起爆面不同位置處的壓力變化歷程，根據(jù)實驗結(jié)果，分析了LX－19炸藥的沖擊波感度。由于炸藥沖擊起爆過程的瞬時性以及炸藥爆炸的破壞性，在實驗過程中得到的數(shù)據(jù)仍然比較有限，因此，可以借助數(shù)值模擬的方法深入了解炸藥的起爆和爆轟成長過程，其中，炸藥在受到?jīng)_擊加載后的反應(yīng)速率是數(shù)值模擬研究的核心問題?；诮?jīng)驗的反應(yīng)速率方程，已經(jīng)可以較好地描述這一過程，其中，應(yīng)用比較廣泛的是Lee和Tarver設(shè)計的點火增長反應(yīng)速率方程［4］，此方程基于爆轟波的ZND模型和熱點理論假設(shè)，描述炸藥受沖擊后的點火－增長過程，通過匹配平面一維反應(yīng)沖擊波陣面后反應(yīng)流場的實驗結(jié)果，擬合反應(yīng)速率方程中的待定參數(shù)。可是，該反應(yīng)速率方程的應(yīng)用范圍比較有限，一旦炸藥的配方發(fā)生變化，就需要基于新的實驗結(jié)果重新調(diào)整反應(yīng)速率方程中的參數(shù)。

本文中采用炸藥驅(qū)動飛片的實驗方法，對 CL－20、CL－20／FOX－7和 CL－20／NTO 三種 CL－20基混合炸藥進(jìn)行沖擊起爆實驗研究，利用嵌入在炸藥內(nèi)部的錳銅壓力傳感器，測量距離起爆面不同位置處的壓力變化歷程，獲得三種CL－20基混合炸藥的爆轟成長過程。采用點火增長反應(yīng)速率模型，對炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)實驗結(jié)果擬合三種炸藥的點火增長反應(yīng)速率方程參數(shù)，在擬合CL－20／FOX－7和CL－20／NTO兩種混合炸藥的模型參數(shù)時，利用反應(yīng)速率方程中兩個獨立的增長項分別描述混合炸藥中兩種組分炸藥的反應(yīng)過程。建立飛片撞擊炸藥的計算模型，得到三種CL－20基混合炸藥的沖擊起爆閾值和入射沖擊壓力與爆轟成長距離關(guān)系（Pop plot），并對三種炸藥的沖擊感度進(jìn)行定量分析。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

炸藥驅(qū)動飛片沖擊起爆實驗裝置如圖1所示，裝置由雷管、平面波炸藥透鏡、加載炸藥、有機(jī)玻璃隔板、鋼飛片、有機(jī)玻璃支架、鋁隔板、炸藥試件和見證板組成。實驗時，通過雷管起爆炸藥平面波透鏡和加載炸藥，產(chǎn)生一束平面波，經(jīng)有機(jī)玻璃隔板衰減后作用于鋼飛片并驅(qū)動其向下運動，飛片撞擊鋁隔板，產(chǎn)生的平面沖擊波經(jīng)鋁隔板衰減后最終起爆待測炸藥。通過改變有機(jī)玻璃隔板和鋁隔板的厚度來調(diào)節(jié)起爆待測炸藥的沖擊波強度。平面波炸藥透鏡和加載炸藥的直徑均為50mm，有機(jī)玻璃隔板直徑為60mm，鋼飛片的直徑為50mm、厚3mm，鋁隔板的直徑為150mm。

實驗炸藥為CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7壓裝混合炸藥，詳細(xì)配方如表1所示，按照預(yù)定的壓制工藝將其制成直徑40mm，高度分別為25mm和1～4mm的藥柱，藥柱間密度極差不超過0.02g／cm3，三種炸藥的平均密度列于表1中。在裝配炸藥試件時，將高25mm的藥柱作為底座置于最底端，在其上方依次放置三個厚度1～4mm的藥柱，在藥柱間和試件的最上方嵌入錳銅壓力傳感器，其中，傳感器被封裝在兩層0.1mm厚的聚四氟乙烯薄膜之中，按此結(jié)構(gòu)，就可獲得從沖擊波入射面至炸藥內(nèi)部0～8mm之間4個位置處的壓力變化歷程。

利用上述實驗裝置，對CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7混合炸藥進(jìn)行了沖擊起爆實驗，每次實驗獲得沖擊波入射面及炸藥內(nèi)部共4個位置處壓力隨時間的變化曲線，通過改變有機(jī)玻璃和鋁隔板的厚度，調(diào)節(jié)入射沖擊波壓力。

1.2 實驗結(jié)果及分析

圖2是CL－20混合炸藥在p0＝4.18GPa的入射壓力下，距沖擊波入射面不同距離x處的壓力－時間變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)沖擊波傳至2mm位置時，炸藥反應(yīng)釋放的能量已能夠支持到爆轟波陣面，但支持度很小，只是使波陣面壓力有小幅度的提高，達(dá)到4.29GPa，隨著時間的推移，波后炸藥反應(yīng)釋能的壓力峰逐漸追趕前導(dǎo)沖擊波，在4mm處爆轟波陣面壓力已達(dá)到25GPa左右。

圖3是3.49GPa的入射壓力下，CL－20／NTO混合炸藥內(nèi)部不同位置的壓力－時間曲線，可以看到，3.49GPa壓力的沖擊波引發(fā)了炸藥的反應(yīng)，但反應(yīng)相對緩慢，壓力成長較慢，在5mm之內(nèi)炸藥反應(yīng)釋放的能量沒有支持到爆轟波陣面。另外，幾乎每個前導(dǎo)波陣面后都出現(xiàn)了壓力的卸載，即壓力到達(dá)峰值后又迅速下降。這可能是多種機(jī)制引起的，例如混合壓制炸藥中存在的孔穴，在壓力波的作用下閉合，出現(xiàn)壓力卸載的現(xiàn)象；也可能是由于NTO的屈服強度相對較低，在沖擊波的作用下發(fā)生了較大的形變，從而導(dǎo)致了壓力的卸載。

在入射壓力為3.40GPa時，CL－20／FOX－7混合炸藥內(nèi)部不同位置的壓力變化歷程如圖4所示，可以看出，在有效信號范圍內(nèi)，炸藥釋放的能量未能支持到爆轟波陣面，表明在此范圍的入射壓力下，波陣面只激發(fā)了少量的炸藥反應(yīng)，并且反應(yīng)增長速率也相對緩慢。

CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7混合炸藥在相同沖擊加載條件下的實驗結(jié)果如圖2～4中所示，這三次實驗中有機(jī)玻璃隔板厚度均為14mm，鋁隔板厚度均為10mm，由于CL－20混合炸藥的密度高于后兩者，因此，其入射壓力相對較高，為4.18GPa，而后兩種混合炸藥的入射沖擊波壓力分別為3.49、3.40GPa。通過比較三種混合炸藥的壓力成長趨勢，可以明顯看出，向CL－20中分別加入NTO和FOX－7，均可有效降低其沖擊波感度。

2 炸藥沖擊起爆數(shù)值模擬

根據(jù)炸藥驅(qū)動飛片沖擊起爆實驗裝置，建立計算模型。由于裝置具有對稱性，因此采用二維軸對稱模型，模型中各組件的尺寸與實驗裝置一致。在炸藥內(nèi)部嵌入了錳銅壓力傳感器，且傳感器的上下表面均貼敷聚四氟乙烯薄膜，這些結(jié)構(gòu)對沖擊波在炸藥內(nèi)部的傳播會產(chǎn)生一定的影響，因此在計算中也建立了傳感器模型。采用非線性有限元計算方法［5］對炸藥的起爆過程進(jìn)行模擬。

平面波炸藥透鏡由TNT和8701炸藥組成，加載炸藥為TNT，均采用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程［6］進(jìn)行描述。兩種炸藥的材料參數(shù)如表2所示，表中ρ為炸藥的初始密度，D 為爆速，PCJ為C－J點爆轟壓力。

表2 8701和 TNT的材料參數(shù)［7］Table 2Parameters of TNT and 8701explosive

計算中有機(jī)玻璃隔板、支架、鋁隔板、鋼飛片、包裹傳感器的聚四氟乙烯薄膜均為惰性材料，采用彈塑性流體力學(xué)材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述，Grüneisen狀態(tài)方程［8］的具體形式為：

式中：μ＝ρ／ρ0－1，ρ是密度，ρ0是材料初始密度，C 是us－up曲線截距。S1、S2、S3是us－up曲線斜率的系數(shù)，$0是Grüneisen系數(shù)，a是對$0的一階體積修正。表3是幾種惰性材料的Grüneisen狀態(tài)方程參數(shù)。

表3 幾種惰性材料的Grüneisen狀態(tài)方程參數(shù)［7］Table 3Grüneisen parameters for inert materials

利用點火增長模型模擬凝聚炸藥的沖擊起爆過程，模型中使用JWL（Jones－Wikins－Lee）狀態(tài)方程［9］來描述未反應(yīng)炸藥和爆轟產(chǎn)物，具體形式為：

式中：PE和Pp為炸藥初始壓力和產(chǎn)物壓力，vE和vp為炸藥初始相對比容和產(chǎn)物相對比容，cV為比定壓熱容，T0和Tp為炸藥初始溫度和產(chǎn)物溫度，A、B、R1、R2、和ω為待定參數(shù)。

通過匹配沖擊波傳入炸藥中最初幾個位置的壓力變化趨勢，擬合出CL－20／NTO和CL－20／FOX－7兩種混合炸藥的未反應(yīng)JWL狀態(tài)方參數(shù)，由于CL－20混合炸藥的壓制密度與LX－19［3］接近，利用已有的LX－19未反應(yīng)JWL狀態(tài)方程參數(shù)進(jìn)行試算，計算結(jié)果可以較好地模擬沖擊波傳入炸藥中最初幾個位置的壓力波形，因此，CL－20混合炸藥的未反應(yīng)JWL狀態(tài)方程選用已有的LX－19參數(shù)。三種混合炸藥的未反應(yīng)JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表4中所示。利用CL－20混合炸藥圓筒實驗，得到密度為1.94g／cm3的CL－20混合炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程，方程參數(shù)如表4中所示。采用BKW狀態(tài)方程［9］和計算程序［10］來計算CL－20／NTO和CL－20／FOX－7兩種混合炸藥爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹，兩種混合炸藥的配方和生成熱數(shù)據(jù)見表5。利用BKW狀態(tài)方程計算得到的炸藥爆轟產(chǎn)物等熵膨脹數(shù)據(jù)，擬合出CL－20／NTO和CL－20／FOX－7兩種混合炸藥爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，詳見表4中所示。

點火增長反應(yīng)速率方程最初由兩項組成［4］，點火項和燃燒項，后來，為了更好地模擬高壓、短脈沖下的沖擊起爆過程，在兩項式的基礎(chǔ)上又增加了快速反應(yīng)項［11］，三項式點火增長反應(yīng)速率方程為：

式中：λ 是炸藥反應(yīng)度，t是時間，ρ 是密度，ρ0是初始密度，P 是壓力，I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g 和z是可調(diào)系數(shù)。

表4 CL－20、CL－20／NTO、CL－20／FOX－7混合炸藥的點火增長模型參數(shù)Table 4Ignition and growth model parameters for CL－20，CL－20／NTO and CL－20／FOX－7

采用點火增長反應(yīng)速率方程模擬CL－20混合炸藥的起爆過程，根據(jù)沖擊起爆實驗結(jié)果，標(biāo)定出它的反應(yīng)速率方程參數(shù)，如表5中所示，模擬計算與實驗結(jié)果的對比如圖5所示。

使用三項式點火增長反應(yīng)速率方程模擬CL－20／NTO和CL－20／FOX－7兩種混合炸藥的沖擊起爆過程，利用方程中第二項來描述CL－20的反應(yīng)增長過程，而第三項來模擬兩種混合炸藥中反應(yīng)相對較慢的NTO和FOX－7的反應(yīng)釋能過程。由于CL－20的反應(yīng)較快，且兩種混合炸藥中CL－20的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為47%，因此，假設(shè)在反應(yīng)度達(dá)到0.5時混合炸藥中的CL－20就已經(jīng)完成了全部反應(yīng)，而NTO和FOX－7的反應(yīng)速率相對較慢，它們的反應(yīng)進(jìn)程應(yīng)貫穿始終。本次實驗已得到CL－20單組分炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)，而NTO和FOX－7則參考與其沖擊感度相近的RDX和TATB炸藥的模型參數(shù)［12］，在得到每種組分炸藥的兩項式點火增長反應(yīng)速率方程參數(shù)后，即可“拼”出雙組分混合炸藥的反應(yīng)速率方程，其中，還需要根據(jù)實際情況對方程參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整。嘗試采用兩種不同的方法獲得CL－20／NTO和CL－20／FOX－7混合炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)，第1種方法選用反應(yīng)較慢組分的點火項作為反應(yīng)速率方程的第一項，選用兩種組分的增長項作為反應(yīng)速率方程的第2～3項，利用此方法，得到了CL－20／NTO混合炸藥的參數(shù)，如表5中所示。另一方法中，在CL－20混合炸藥反應(yīng)速率方程的基礎(chǔ)上添加第3項，描述FOX－7的反應(yīng)過程，然而，添加此項后，會使初期的反應(yīng)速率增大，這明顯與實際情況不符，因此，嘗試對CL－20增長項系數(shù)G進(jìn)行修正來解決此問題，參數(shù)的修正公式如下：

表5 CL－20／NTO和CL－20／FOX－7兩種混合炸藥的配方和生成熱數(shù)據(jù)Table 5Formula and heat of formation for the explosive of CL－20／NTO and CL－20／FOX－7

式中：GCL－20和GFOX－7分別為 CL－20和 FOX－7的增長項系數(shù)，%CL－20和%FOX－7為兩種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Gnew為修正后的系數(shù)。當(dāng)GCL－20為402、GFOX－7為140、%CL－20和%FOX－7均為47%時，按公式（5）計算出修正后的增長項系數(shù)為254，CL－20／FOX－7混合炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)如表5中所示。

圖6～7是CL－20／NTO和CL－20／FOX－7混合炸藥的計算與實驗結(jié)果對比，可以看出，計算結(jié)果較好地模擬出了兩種混合炸藥中不同位置處壓力的成長趨勢，表明利用上述方法得到的反應(yīng)速率方程參數(shù)，可以較好地描述雙組分混合炸藥CL－20／NTO和CL－20／FOX－7的沖擊起爆過程。因此，利用上述擬合雙組分混合炸藥點火增長反應(yīng)速率方程的方法，可以對不同配比混合炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行預(yù)測性計算，從而降低實驗量及成本。

非均質(zhì)炸藥沖擊起爆的p2&判據(jù)和臨界能量流判據(jù)［13］，是研究炸藥沖擊感度的重要參數(shù)，兩種判據(jù)的具體形式為：

式中：p為入射沖擊波壓力，u為沖擊波后粒子速度，τ為入射沖擊波脈沖寬度，Ec為臨界起爆能量。此外，炸藥在不同入射壓力下的爆轟成長距離，即POP關(guān)系［14］，也是反映炸藥沖擊感度的重要參數(shù)。

這幾種重要判據(jù)可以利用飛片撞擊有隔板炸藥的實驗獲得，因此，建立了飛片沖擊起爆計算模型，嘗試采用數(shù)值模擬的方法，計算CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7三種混合炸藥的沖擊感度相關(guān)參數(shù)。計算模型由飛片、隔板、待測炸藥組成，賦予飛片一定的速度，使其撞擊隔板產(chǎn)生沖擊波并起爆待測炸藥，通過改變飛片的速度以獲得不同的入射沖擊波壓力，計算分析待測炸藥在不同入射壓力下的起爆規(guī)律。鋼飛片和鋁隔板采用彈塑性流體力學(xué)材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程描述，使用點火增長模型描述待測炸藥。鋼飛片的厚度為3mm，鋁隔板厚6mm，待測炸藥高40mm，三者直徑均為50mm。

利用此計算模型對CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7三種混合炸藥進(jìn)行了飛片沖擊起爆數(shù)值模擬，計算得到了使炸藥起爆的最低入射壓力（臨界壓力）p，入射沖擊波后粒子速度u以及飛片撞擊隔板產(chǎn)生沖擊波的脈寬&，最終得到三種混合炸藥沖擊起爆的臨界閾值，如表6所示。通過改變飛片撞擊隔板的速度，得到待測炸藥在不同入射沖擊壓力下的爆轟成長距離，并在對數(shù)坐標(biāo)下對樣本點進(jìn)行線性擬合，得到炸藥的沖擊起爆POP關(guān)系，如圖8所示。由以上結(jié)果可以看出，與CL－20混合炸藥相比，CL－20／FOX－7混合炸藥沖擊起爆的p2&判據(jù)和臨界能量流判據(jù)只有少許提高，而添加了NTO的CL－20／NTO混合炸藥的臨界起爆閾值卻有較大提升；從POP關(guān)系可以看出，向CL－20中分別添加FOX－7和NTO均可增加其爆轟成長距離，其中，在相同入射壓力下，CL－20／FOX－7混合炸藥的爆轟成長距離要大于CL－20／NTO混合炸藥。綜合這兩種結(jié)果，認(rèn)為在相同加載條件下，CL－20／NTO混合炸藥內(nèi)部形成的“熱點”數(shù)量要少于CL－20、CL－20／FOX－7兩種混合炸藥，因此，其臨界起爆閾值較高。然而，在“熱點”的增長階段，F(xiàn)OX－7炸藥的反應(yīng)速率要低于NTO炸藥，從而導(dǎo)致CL－20／FOX－7混合炸藥比CL－20／NTO混合炸藥的爆轟成長距離更大。

表6 三種混合炸藥沖擊起爆的臨界閾值Table 6Shock initiation critical thresholds for three mixed explosives

3 結(jié) 論

通過在炸藥內(nèi)部嵌入錳銅壓力傳感器，并采用炸藥驅(qū)動飛片沖擊起爆的實驗方法，獲得了CL－20、CL－20／NTO和CL－20／FOX－7三種混合炸藥的內(nèi)部壓力變化歷程，利用點火增長模型，對炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，三種CL－20基混合炸藥相比，CL－20／NTO混合炸藥具有更高的臨界起爆閾值，而在相同沖擊加載條件下CL－20／FOX－7混合炸藥具有更長的爆轟成長距離。在擬合雙組分混合炸藥CL－20／NTO和CL－20／FOX－7的反應(yīng)速率方程過程中，使用兩個增長項對兩種炸藥的反應(yīng)分開描述，通過對比計算與實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此方法得到的反應(yīng)速率方程可以有效地模擬混合炸藥的起爆過程。因此，利用此套擬合雙組分混合炸藥反應(yīng)速率方程的方法，可以對新型配方炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行預(yù)測性計算。

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Shock initiation of CL－20based explosives

Pi Zhengdi，Chen Lang，Liu Danyang，Wu Junying
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China）

In the present work，shock initiation experiments on CL－20，CL－20／NTO and CL－20／FOX－7mixed explosives were performed to investigate the shock initiation characteristics of Hexanitrohexaazaisowurtzitane（CL－20）based explosives.An explosive driven flyer device was utilized to initiate the charges with manganin gauges embedded into the target to measure time resolved local pressure histories.The shock initiation of CL－20based explosives was simulated using the ignition and growth reactive flow model，and the parameters were obtained by fitting the experimental data.Furthermore，the reaction of two compositions in CL－20／NTO and CL－20／FOX－7was simulated respectively using the two growth terms in the ignition and growth model.The parameters were then applied in the calculation of the initial shock pressure－distance to detonation relationship （Pop plot）and the shock initiation critical thresholds for the three mixed explosives.The results show that the CL－20／NTO explosive has a higher shock initiation critical threshold，while the CL－20／FOX－7explosive has a longer distance to detonation under the same loading conditions.Besides，this model for the explosive with the two compositions can be applied to predict the shock initiation characteristics of the explosive with new formulations.

shock initiation；CL－20；NTO；FOX－7；ignition and growth reactive flow model

O381 國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0915－09

2016－04－26；

2016－07－26

皮錚迪（1984— ），男，博士；通信作者：陳 朗，chenlang＠bit.edu.cn。

（責(zé)任編輯 曾月蓉）