譚凱元， 韓勇， 曹落霞， 文尚剛， 王翔， 葉輝

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621999； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081)

0　引言

炸藥在不同刺激作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的特性響應(yīng)。沖擊波作為一種常用的刺激方式，研究炸藥在沖擊加載刺激下的響應(yīng)起爆特性，不論從安全性、可靠性方面還是從爆轟裝藥方面都具有重要意義。電炮是一種利用金屬橋箔電爆炸產(chǎn)生等離子體來驅(qū)動(dòng)絕緣薄膜飛片高速運(yùn)動(dòng)的沖擊加載裝置。利用電炮驅(qū)動(dòng)高速飛片以沖擊波形式撞擊炸藥的試驗(yàn)，是一種較常用的炸藥短脈沖沖擊起爆試驗(yàn)方法。

研究炸藥的短脈沖沖擊起爆特性涉及到?jīng)_擊起爆判據(jù)問題。早在二十世紀(jì)六七十年代Walker等[1-2]就提出了利用“p2τ=n”(其中p為飛片撞擊產(chǎn)生的沖擊壓力，τ為飛片厚度決定的沖擊波持續(xù)時(shí)間，n為常數(shù))的經(jīng)驗(yàn)性能量判據(jù)來預(yù)測炸藥一維短脈沖作用下的沖擊起爆閾值；此后James[3]對該判據(jù)進(jìn)行了改進(jìn)。類似的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)在工程上取得了較廣泛的應(yīng)用，Schwarz[4]采用電爆炸驅(qū)動(dòng)Kapton飛片來撞擊炸藥，研究了7種炸藥的短脈沖沖擊起爆特性，并對它們的沖擊波感度(飛片感度)進(jìn)行了排序。Weingart 等[5]利用上述方法研究了不同密度的太安(PETN)(密度1.25～1.77 g/cm3)、三氨基三硝基苯(TATB)(密度1.80 g/cm3)和聚合物粘結(jié)炸藥(PBX)-9404(密度1.84 g/cm3)等炸藥的飛片沖擊起爆特性。Bowden[6]研究了不同粒徑的起爆藥PETN和六硝基茋(HNS)對其短脈沖沖擊起爆特性的影響。在國內(nèi)，只永發(fā)等[7]研究了不同造粒尺寸的TATB和B炸藥混合炸藥的短脈沖沖擊起爆特性，發(fā)現(xiàn)小顆粒造粒樣品有更低的起爆閾值。王桂吉等[8]利用電炮研究了以TATB/奧克托今(HMX)為基的PBX炸藥短脈沖沖擊起爆特性，并利用光纖探針/光電轉(zhuǎn)換器/示波器接收技術(shù)研究了沖擊起爆壓力幅值和脈寬對該炸藥到爆轟距離的影響，得到了相應(yīng)的沖擊起爆壓力和到爆轟距離(Pop)關(guān)系。莫建軍等[9-10]研究和比較了以常規(guī)粒徑TATB為基的PBX炸藥和以納米TATB為基的PBX炸藥的短脈沖沖擊起爆閾值。這些研究都表明炸藥的短脈沖沖擊起爆特性不僅與炸藥的種類有關(guān)，而且與炸藥的密度、粒徑等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

炸藥密度在其正常值附近有小幅差異的現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用中十分常見，這種密度的小幅差異對炸藥沖擊起爆特性的影響一直未得到充分關(guān)注，因此開展這方面研究將具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文擬利用電炮驅(qū)動(dòng)飛片加載方式研究一種TATB基PBX炸藥的短脈沖沖擊起爆特性，并重點(diǎn)研究炸藥密度的小幅變化對其沖擊起爆特性的影響程度和規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)裝置和原理

實(shí)驗(yàn)裝置包括利用爆炸橋箔加載技術(shù)(電炮)測量樣品短脈沖沖擊起爆閾值電壓的裝置和利用電炮并結(jié)合激光干涉測速儀(DISAR)測量閾值電壓下飛片速度的裝置兩部分，分別如圖1和圖2所示。其中前者主要由程控充電電源、電容器、爆炸開關(guān)、爆炸橋箔、聚酯薄膜飛片、加速腔、TATB基PBX炸藥樣品和見證板組成。后者與前者的主要區(qū)別是將樣品和見證板替換為光纖探頭和激光干涉測速系統(tǒng)。由于聚酯薄膜飛片是半透明高分子材料，為了增加激光干涉測速時(shí)信號的反射，在聚酯薄膜上表面鍍了一層1 μm厚的鋁薄膜用于增強(qiáng)測試信號，以獲得良好的速度曲線。

實(shí)驗(yàn)的主要過程和基本原理如下：用程控充電電源將電容器充電到預(yù)設(shè)電壓后，觸發(fā)爆炸開關(guān)接通回路，電容器開始放電，瞬間的大電流通過爆炸橋箔橋區(qū)使之發(fā)生電爆炸，爆炸產(chǎn)物推動(dòng)聚酯薄膜并由加速腔邊緣剪切出飛片，飛片在加速腔內(nèi)加速后以高速撞擊被試炸藥，在被試炸藥內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高壓短脈沖對其進(jìn)行刺激。利用炸藥背面的金屬見證板判斷其是否起爆。若炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟應(yīng)同時(shí)符合下列情況：1)金屬見證板上有明顯的向下沖印記，留下的凹痕直徑尺寸要大于樣品直徑尺寸，或金屬見證板穿孔，留下的孔洞直徑較大；2)金屬見證板表面沒有炸藥粉末的痕跡。通過蘭利法[11]獲得不同輪次實(shí)驗(yàn)所需的電容器電壓，當(dāng)實(shí)驗(yàn)響應(yīng)滿足爆炸與不爆炸之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)至少達(dá)到5次時(shí)，即可停止對當(dāng)前被測樣品的實(shí)驗(yàn)，然后按照最大似然估計(jì)算法求出被測樣品50%起爆的閾值電壓[12]。閾值電壓下的飛片速度通過DISAR進(jìn)行測量。

2　實(shí)驗(yàn)條件

利用第1節(jié)的實(shí)驗(yàn)裝置和原理，對不同密度的某TATB基PBX炸藥開展短脈沖沖擊起爆特性研究。在其正常密度附近用等靜壓方法以1.885 g/cm3、1.895 g/cm3和1.905 g/cm3共3種密度作為目標(biāo)密度來壓制較大的毛坯件(不同密度樣品的粒徑保持一致)，然后將毛坯機(jī)械加工成小藥柱，并從中挑選出密度相隔0.010 g/cm3且千分位保持一致的3種密度樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究密度的小幅變化對炸藥起爆閾值的影響程度和規(guī)律。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1　電炮研究炸藥短脈沖沖擊起爆特性實(shí)驗(yàn)條件Tab.1　Test conditions of short-duration shock initiation of samples on electric gun

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，對實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格控制如下：1)按照統(tǒng)一的精度要求對加速腔進(jìn)行精密機(jī)械加工；2)采用同一批次的爆炸橋箔和聚酯薄膜，并保證密度和規(guī)格的一致性；3)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度和濕度保持穩(wěn)定。

3　結(jié)果與分析

3.1　炸藥短脈沖沖擊起爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表2列出了1.885 g/cm3、1.895 g/cm3和1.905 g/cm3共3種密度的TATB基PBX炸藥短脈沖起爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2　不同密度TATB基PBX炸藥短脈沖起爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Results of short-duration shock initiation tests

注：刺激量下限Vl為被測炸藥完全不爆炸時(shí)的充電電壓；刺激量上限Vu為被測炸藥完全爆炸時(shí)的充電電壓； Y表示發(fā)生爆炸反應(yīng)；N表示未發(fā)生爆炸反應(yīng)。

從表2的數(shù)據(jù)可知，隨著TATB基PBX炸藥密度從1.885 g/cm3增高到1.905 g/cm3，其短脈沖沖擊起爆50%起爆閾值電壓相應(yīng)從(12.72±0.03)kV逐漸增高到(15.14±0.11)kV，說明初始密度的小幅變化對TATB基PBX炸藥的短脈沖沖擊起爆特性影響較為明顯。

3.2　飛片測速實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用DISAR分別對低、中、高3種密度樣品在各自50%概率起爆閾值電壓下的飛片速度歷程進(jìn)行測試，結(jié)果分別如圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)的左圖所示，右圖則為對應(yīng)的位移- 時(shí)間曲線。

從圖3可以看出，DISAR較好地測得了飛片在加速腔內(nèi)的整個(gè)加速過程。隨著TATB基PBX炸藥密度的升高，50%起爆閾值電壓增大，飛片的速度- 時(shí)間曲線隨之越陡，5 mm位移處(即飛片飛行經(jīng)過加速腔長度5 mm后開始撞擊炸藥)的飛片速度也隨之升高，即密度越高的炸藥要受到更高速度飛片的撞擊才能達(dá)到50%概率起爆狀態(tài)，同時(shí)從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，飛片飛行5 mm后已基本接近最大速度。

3.3　撞擊閾值壓力和脈寬的計(jì)算

根據(jù)撞擊界面壓力和質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)的條件以及流體力學(xué)基本關(guān)系，有：

vf-uf=ut,

(1)

pi=pf=pt,

(2)

pi=ρDu,

(3)

D=C0+λu,

(4)

式中：vf為飛片的撞擊速度(km/s)；uf和ut分別為飛片撞擊樣品時(shí)界面處飛片和靶(即樣品)的質(zhì)點(diǎn)速度(km/s);pi為撞擊時(shí)界面壓力(GPa)，pf和pt分別為撞擊界面處飛片和樣品的壓力(GPa)；ρ為界面處介質(zhì)密度(g/cm3)；D為界面處沖擊波速度(km/s)；u為界面處質(zhì)點(diǎn)速度(km/s)；C0和λ為與介質(zhì)相關(guān)的沖擊絕熱關(guān)系常數(shù)。由(1)式～(4)式得到：

pt=ρt(C0t+λtut)ut,

(5)

pf=ρf(C0f+λtuf)uf,

(6)

ρt(C0t+λtut)ut=

ρf[C0f+λf(vf-ut)](vf-ut)，

(7)

式中：ρt為樣品密度(g/cm3)；C0t和λt為樣品的沖擊絕熱關(guān)系常數(shù)；ρf為飛片密度(g/cm3)；C0f和λf為飛片的沖擊絕熱關(guān)系常數(shù)。因此，給出閾值電壓下的飛片撞擊速度vf即可根據(jù)(7)式求出樣品的質(zhì)點(diǎn)速度ut，進(jìn)而由(5)式求解出樣品的撞擊壓力pt，該值也即起爆閾值壓力p. 需要指出的是，本文在測量飛片速度時(shí)，為增加激光干涉測速時(shí)信號的反射，在0.2 mm(200 μm)厚飛片上表面鍍了一層1 μm厚的鋁薄膜，該鋁膜對飛片速度的相對影響在0.5%左右，可以忽略其對壓力計(jì)算的影響。

本文中，飛片材料聚酯薄膜的沖擊絕熱關(guān)系為D=2.43+1.58u，1.895 g/cm3TATB基PBX炸藥的沖擊絕熱關(guān)系為D=1.43+3.10u，1.885 g/cm3和1.905 g/cm3TATB基PBX炸藥的沖擊絕熱關(guān)系可基于1.895 g/cm3TATB基PBX炸藥的沖擊絕熱關(guān)系，按照文獻(xiàn)[13]中的方法分別計(jì)算得到：D=1.39+3.08u和D=1.46+3.12u.

樣品中的壓力脈沖寬度近似等于沖擊波在飛片中傳播一個(gè)來回的時(shí)間，即

τ=2H/Df,

(8)

式中：τ為壓力脈寬(μs)；H為飛片厚度(mm)；Df為沖擊波在飛片中的傳播速度(km/s)，可認(rèn)為其等于界面處沖擊波速度D.

利用以上計(jì)算方法，結(jié)合前面的DISAR測飛片速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同密度TATB基PBX炸藥短脈沖沖擊起爆50%起爆概率時(shí)飛片撞擊閾值壓力和持續(xù)時(shí)間，具體如表3所示。

表3　短脈沖沖擊作用下不同密度TATB基PBX炸藥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3　Short-duration shock initiation threshold data of TATB-based PBX samples with different densities

表3中數(shù)據(jù)表明，隨著TATB基PBX炸藥密度的增高，起爆閾值電壓增高，飛片撞擊速度增大，起爆閾值壓力增高，如果將飛片沖擊起爆看成理想的一維撞擊狀態(tài)，則起爆的能量閾值p2τ也增大。即密度越高，TATB基PBX炸藥對短脈沖沖擊越鈍感。這是因?yàn)槊芏壬呤沟脴悠返目紫堵首冃?，?nèi)部熱點(diǎn)含量降低，從而更難起爆。

同時(shí)，從表3中數(shù)據(jù)還可以看出，在其他初始條件保持一致的情況下，樣品密度從1.885 g/cm3增高到1.905 g/cm3時(shí)，其起爆能量閾值p2τ相應(yīng)從5.38 GPa2·μs增加到8.20 GPa2·μs，說明TATB基PBX炸藥密度在正常值百分位上的小幅變化((1.895±0.010) g/cm3)會(huì)對其短脈沖沖擊起爆特性產(chǎn)生較大影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中保持炸藥密度的一致性十分必要。

本文只考慮了一種厚度飛片撞擊的結(jié)果，后續(xù)工作中將進(jìn)一步考察更薄和更厚的飛片撞擊下(即在更短和更長脈沖作用下)TATB基PBX炸藥密度的小幅變化對其沖擊起爆特性的影響。

4　結(jié)論

本文采用爆炸橋箔加載技術(shù)(電炮)產(chǎn)生的短脈沖對某TATB基PBX炸藥進(jìn)行加載，結(jié)合激光干涉測速技術(shù)，研究了炸藥密度在其正常值附近小幅變動(dòng)對該炸藥短脈沖沖擊起爆的影響程度和規(guī)律。結(jié)果表明，在其他條件保持不變的情況下，炸藥密度在其正常值附近小幅變動(dòng)(±0.01 g/cm3)使得其沖擊起爆閾值發(fā)生了明顯變化。炸藥密度越高，使之達(dá)到50%概率起爆狀態(tài)所需的電炮電容器電壓增大，飛片速度變高，起爆閾值壓力增大，臨界能量特征值p2τ也增大，即TATB基PBX炸藥對短脈沖沖擊越鈍感。這種結(jié)果表明TATB基PBX炸藥密度的小幅變化會(huì)對其短脈沖沖擊起爆結(jié)果造成不可忽略的影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中有必要將炸藥密度的一致性至少保持到百分位。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]Walker F E, Wasley R J. Critical energy for shock initiation of heterogeneous explosives [J]. Explosivstoffe,1969,17(1):9-13.

[2]Walker F E, Wasley R J. A general model for the shock initiation of explosives [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics，1976, 1(4):73-80.

[3]James H R. An extension to the critical energy criterion used to predict shock initiation thresholds [J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 1996， 2(1)1:8-13.

[4]Schwarz A C. A new technique for characterizing an explosive for shock initiation sensitivity, SAND75-0314 [R]. Albuquerque, NM, US: Sandia Labs, 1975:1-19.

[5]Weingart R C, Lee R S, Jackson R K, et al. Acceleration of thin flyers by exploding metal foils: application to initiation studies, UCRL-77610 [R]. Livermore, CA, US: Lawrence Livermore Laboratories, 1965:1-10.

[6]Bowden M. Short duration shock initiation of detonator explosives[C]∥Proceedings of the 15th International Detonation Symposium. San Francisco, CA, US: Office of Naval Research, 2014:584-593.

[7]只永發(fā)，鄧治國，聶福德. 炸藥顆粒度對沖擊片起爆感度的影響[J]. 含能材料，2002，10(3)：139-141.

ZHI Yong-fa, DENG Zhi-guo, NIE Fu-de. Effect of granular size of explosive on initiation sensitivity of slapper[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2002,10(3)：139-141. (in Chinese)

[8]王桂吉, 趙同虎, 莫建軍，等. 一種以TATB/HMX為基的高聚物粘結(jié)炸藥的短脈沖沖擊起爆特性[J]. 爆炸與沖擊, 2007, 27(3):230-235.

WANG Gui-ji, ZHAO Tong-hu, MO Jian-jun, et al. Short-duration pulse shock initiation characteristics of a TATB/HMX-based polymer bonded explosive [J]. Explosion and Shock Waves, 2007, 27(3):230-235. (in Chinese)

[9]莫建軍,王桂吉,譚福利，等. 以納米TATB為基炸藥的短脈沖沖擊起爆閾值的測量[J]. 高能量密度物理,2007(1):22-24.

MO Jian-jun, WANG Gui-ji, TAN Fu-li, et al. Measurement of the short-duration pulse shock initiation threshold of a nanometer TATB based explosive[J].High Energy Density Physics,2007(1):22-24. (in Chinese)

[10]莫建軍,王桂吉,吳剛，等. 炸藥TATB/粘結(jié)劑的短脈沖沖擊起爆閾值測量[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2010, 25(1):41-46.

MO Jian-jun, WANG Gui-ji,WU Gang, et al. Measurement of the short-duration pulse shock initiation thresholds for TATB explosive/adhesive [J]. Journal of Experimental Mechanics, 2010, 25(1):41-46. (in Chinese)

[11]Lamglie H J. A reliability test method for “one-shot” items, U-1792 [R]. Newport Beach, CA, US: Aeronutronic Dvision, 1963:1-15.

[12]劉寶光. 敏感性數(shù)據(jù)分析與可靠性評定[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1995：95-113.

LIU Bao-guang. Reliability assessment and analysis of sensitive data [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1995: 95-113. (in Chinese)

[13]傅華，李金河，譚多望，等. 未反應(yīng)炸藥沖擊絕熱線的近似計(jì)算[J]. 高壓物理學(xué)報(bào)，2008，22(3)：329-332.

FU Hua, LI Jin-he, TAN Duo-wang, et al. Calculation of the Hugoniot of unreacted explosives [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2008，22(3):329-332. (in Chinese)