陳清疇，李 光，李 藝

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

雷管屬于起爆類火工元件，作為起爆傳爆序列的重要組成部分，雷管的輸出威力是表征其輸出特性的主要指標之一。目前標準的雷管輸出威力試驗方法有鉛板試驗［1］、鋼塊凹痕試驗［2］和鋁塊凹痕試驗［3］。鉛板試驗使用的鉛材料有毒性，并且其硬度受溫度影響較大，具有顯著的實驗誤差。凹痕試驗能夠給出相對的輸出威力特征比較，但是凹痕本身無法與雷管的起爆能力建立起定量關系。

根據(jù)沖擊起爆的臨界起爆能量判據(jù)［4］，沖擊壓力及其持續(xù)時間是炸藥能否被起爆的主要特征量，因此輸出壓力是體現(xiàn)雷管起爆能力的重要特征之一。Coleburn 等［5］采用高速相機測量了雷管在水中的沖擊波速度，并且根據(jù)沖擊波速度和壓力的關系［6］獲得了雷管在水中的輸出壓力。但是這種實驗方法復雜、成本高、效率較低，并且需要對水介質(zhì)的沖擊波特性有深入了解。壓力傳感器也被用于測量雷管爆炸時在水介質(zhì)［7］或者空氣介質(zhì)［8］中的壓力波形，但是這種實驗方法也只能獲得雷管的相對輸出壓力，而無法獲得雷管實際輸出壓力。錳銅壓力計做為爆轟壓力測量的常用實驗方法，同樣適用于雷管輸出壓力的測量。路光明等［9］利用錳銅壓力計對雷管內(nèi)部不同裝藥界面處的爆壓進行了測量，認為在雷管輸出端處雷管裝藥已達到穩(wěn)定爆轟。錳銅壓力計產(chǎn)生的電信號較弱，容易受到干擾，造成主信號淹沒。針對此問題，蔣俊等［10］改進了測試系統(tǒng)，避免了發(fā)火通路對傳感器采集通路的影響，保證了傳感器信號的無干擾。韓克華等［11］采用錳銅壓力計測量了沖擊片雷管多點同步起爆爆轟波壓力，但是實驗值明顯低于計算值，這說明錳銅壓力顯著的影響了測試結(jié)果的準確性。錳銅壓力計需要包裹絕緣層以保持與爆轟產(chǎn)物絕緣，同時為改善壓力上升信號而增加的保護介質(zhì)厚度甚至可以達到1 mm［12］，而絕緣層和保護介質(zhì)會引起信號畸變或者增大測量誤差［13］。以上研究結(jié)果表明，錳銅壓力計法測量雷管的輸出壓力存在著抗干擾能力差，測量精度較低，有必要發(fā)展新的測試方法。隨著激光測速技術的發(fā)展，光子多普勒測速儀（Photonic Doppler Velocimetry，PDV）被應用于雷管作用后的破片速度［14］、輸出壓力在有機玻璃中的衰減［15］等輸出性能表征研究中。

相對于錳銅壓力計測量方法，PDV 測量無需保護絕緣層，能夠減少絕緣層對輸出壓力衰減帶來的影響；激光傳輸信號能夠天然隔離電干擾信號，提高測試成功率。為此，本研究采用PDV 技術，測量雷管與光學窗口的界面粒子速度，并且通過阻抗匹配計算方法，計算雷管的輸出壓力，建立一種可靠的雷管輸出壓力測量新方法。同時采用數(shù)值模擬方法，計算雷管輸出壓力，與實驗結(jié)果對比驗證。

2 實驗方法及實驗結(jié)果

2.1 實驗樣品

設計了三種二級裝藥的沖擊片雷管（Slapper Det?onator），開展雷管與光學窗口的界面粒子速度實驗。沖擊片雷管的橋箔材料為銅，尺寸（寬度×厚度）為0.3 mm×3 μm；飛片材料為聚酰亞胺薄膜，尺寸為Φ0.45 mm×25 μm；炮 筒 材 料 為 不 銹 鋼，尺 寸 為Φ0.45 mm×0.4 mm。雷管底殼材料為不銹鋼，厚度為0.20 mm。

沖擊片雷管的一級裝藥為六硝基茋（HNS?Ⅳ），二級裝藥為以黑索今（RDX）為基的高聚物黏結(jié)炸藥（以下簡稱為PBX?RDX），裝藥直徑均為Φ6.3 mm。為了形成標準化產(chǎn)品，沖擊片雷管的結(jié)構(gòu)尺寸通常難以隨意更改，可以在總裝藥量不變的條件下，通過調(diào)整兩級裝藥的配比來控制雷管的輸出能力。為研究不同配比裝藥對雷管輸出能力的影響，設計了三種雷管的裝藥配比（見表1）。

表1 實驗用沖擊片雷管裝藥參數(shù)Table 1 Parameters of explosive load of slapper detonator

沖擊片雷管的放電回路采用0.2 μF 的放電電容，充電電壓為3500 V。PDV 系統(tǒng)采用的激光波長為1550 nm，示波器參數(shù)設置為采樣率10 GS·s-1。LiF 窗口厚度為5 mm，光纖探頭距離光學窗口約為（1～3）mm。

2.2 實驗原理與方法

在沖擊片雷管作用過程中，起爆回路中會有大電流脈沖信號，有可能在電測系統(tǒng)中產(chǎn)生感應干擾信號。為驗證測量方法的抗干擾能力，實驗中采用沖擊片雷管。采用PDV 測量系統(tǒng)，測量雷管與光學窗口之間的界面粒子速度。實驗裝置結(jié)構(gòu)及原理如圖1 所示，主要由沖擊片雷管、氟化鋰（LiF）光學窗口、光纖探頭、PDV 主機和示波器等部分組成。

圖1 界面粒子速度測量實驗裝置及原理示意圖Fig.1 Schematic of the interface particle velocity measurement

LiF 光學窗口與雷管接觸端鍍有一層鋁膜，厚度為400 nm。當開關閉合后，脈沖電源釋放出脈沖大電流，激發(fā)金屬橋箔發(fā)生電爆炸，剪切并驅(qū)動飛片高速運動。飛片以一定速度沖擊起爆炸藥，炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動雷管底殼對LiF 光學窗口沖擊壓縮。由于速度連續(xù)性，在界面處，雷管底殼、鋁膜和LiF 光學窗口以相同速度一起運動。光纖探頭捕捉到鋁膜反射回的激光信號，由此測量鋁膜的運動速度。當鋁膜厚度非常薄時，其對界面處粒子速度影響非常小，可忽略不計。此時，測量到的鋁膜速度即為雷管底殼與窗口界面粒子速度。

2.3 實驗結(jié)果與阻抗匹配計算

按照表1 參數(shù)準備三種雷管進行實驗，每種狀態(tài)進行兩發(fā)實驗。PDV 測速系統(tǒng)通過偽顏色深淺來表征頻率和速度高低。以第一組第一發(fā)實驗為例，實驗獲得的界面粒子速度的偽色彩圖片如圖2 所示。

通過程序分析偽色彩圖片，可以獲得速度曲線數(shù)據(jù)。以第一組實驗為例，實驗獲得的界面粒子速度曲線如圖3 所示。

從圖3 看出，雷管作用后的爆轟波驅(qū)動雷管底殼撞擊窗口材料，碰撞界面的速度瞬間升高到1400 m·s-1左右，隨后界面速度迅速降低。在界面速度下降約200 m·s-1后，受到雷管底殼內(nèi)部反射波的作用，界面速度再次升高，形成第二峰值，第二峰值速度小于第一峰值速度。雷管輸出壓力的波形為雙峰結(jié)構(gòu)。在沖擊波作用下，受窗口材料折射率變化的影響，加窗激光干涉測速系統(tǒng)的實測界面粒子速度（ua）不是真實的界面粒子速度（up），需要對實測速度進行修正。在壓力小于124 GPa 時，可以認為兩者是線性關系［16］。1550 nm 波長下LiF窗口的速度線性修正方程［16］為：

圖2 實測界面粒子速度的偽色彩圖片示例Fig.2 Pictures of the measured interface particle velocity histories

圖3 第一組實驗所得界面粒子速度曲線Fig.3 Interface particle velocity histories of group 1 experimental

式中，up為真實界面粒子速度，m·s-1；ua為實測界面粒子速度，m·s-1。讀取實驗獲得的界面粒子速度峰值，并按照式（1）修正，可得雷管輸出時實際的界面粒子速度。三組實驗的實際界面粒子速度如表2 所示。

沖擊波在傳播過程中遇到界面，會在兩種材料的界面處發(fā)生反射和透射。采用界面粒子速度法測量雷管輸出壓力時，雷管輸出壓力即為透射波壓力。透射波壓力與材料沖擊阻抗密切相關，雷管起爆不同種類炸藥時的輸出壓力不相同。因此有必要選擇一種標準材料作為受主，便于雷管輸出能力的在同一基準下對比。本研究選擇沖擊阻抗與炸藥接近、同時在爆壓測試中常用的有機玻璃（PMMA）作為標準受主。

在雷管底殼與LiF 窗口的界面處，壓力和質(zhì)點速度連續(xù)。根據(jù)壓力和速度連續(xù)條件，采用阻抗匹配方法，可以求解界面處沖擊波狀態(tài)參量。阻抗匹配的作圖求解過程［17］如圖4 所示。

圖4 阻抗匹配法計算所得雷管輸出壓力Fig.4 Detonator output pressure calculated by the impedance matching method

不銹鋼、LiF 和PMMA 的沖擊雨貢紐（Hugoniot）參數(shù)已知，可在圖中做出三種材料的壓力?粒子速度（p?u）曲線。LiF 的沖擊Hugoniot 曲線與不銹鋼的沖擊Hugoniot 鏡像線的交點為沖擊波在界面反射后的狀態(tài)。當已知界面粒子速度時，可在圖中確定此交點位置并給出不銹鋼的沖擊Hugoniot 鏡像線。當由PMMA 替 代LiF 時，PMMA 的 沖 擊Hugoniot 曲 線 與 不銹鋼的沖擊Hugoniot 鏡像線的交點為雷管底殼與PMMA 界面狀態(tài)，此點即為本文定義的雷管輸出壓力。按照圖解法對三組實驗中雷管輸出壓力進行計算，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 輸出壓力實驗和阻抗匹配結(jié)果Table 2 Results of output measurements and impedance matching

從表2 的計算結(jié)果來看，三種裝藥結(jié)構(gòu)雷管的平均輸出壓力分別為7.64、7.29 GPa 和6.71 GPa。雷管輸出壓力隨著HNS?Ⅳ藥量增大、PBX?RDX 藥量減小而逐漸減小。對比而言，PBX?RDX 的爆速比HNS?Ⅳ的爆速高，輸出能量更高，PBX?RDX 藥量減少對雷管輸出壓力有一定影響。這說明，通過不同能量的炸藥配比設計，可以控制沖擊片雷管的輸出壓力。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 計算模型

采用數(shù)值模擬方法也可以預估沖擊片雷管的輸出壓力，但是需要獲得雷管裝藥的爆轟狀態(tài)方程參數(shù)，而擁有狀態(tài)方程參數(shù)的雷管裝藥種類較少。在未知雷管裝藥的狀態(tài)方程參數(shù)情況下，采用數(shù)值模擬方法不能計算得到準確的雷管輸出壓力。實驗中采用的HNS?Ⅳ［18］和PBX?RDX［19］已通過圓筒實驗獲得了狀態(tài)方程參數(shù)。

基于沖擊片雷管的基本構(gòu)型，以PMMA 為受主，建立有限元計算模型。HNS?Ⅳ可以認為是理想炸藥，因此沖擊片雷管起爆方式簡化為點起爆，將HNS?Ⅳ起爆面的中心設置為起爆點。網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，尺寸為0.05 mm。計算模型中各接觸面均為單面接觸，PMMA 下端面為透射邊界。沖擊片雷管的輸出壓力計算模型如圖5 所示。

圖5 雷管輸出壓力計算模型Fig.5 Simulation model of the detonator output pressure

采用非線性有限元動力學程序Ansys/Ls?Dyna 進行數(shù)值模擬。HNS?Ⅳ和PBX?RDX 采用高能炸藥燃燒模型和JWL 狀態(tài)方程。JWL 狀態(tài)方程參數(shù)已由圓筒實驗獲得［18-19］。不銹鋼［20］、鋁［20］、聚四氟乙烯（PTFE）［21］和PMMA［22］均采用彈塑性動力學模型和Grüneisen 狀態(tài)方程。計算所需參數(shù)如表3 所示。

3.2 計算結(jié)果與討論

計算了表3 中不同裝藥參數(shù)的沖擊片雷管起爆過程。以PMMA 界面中心單元為觀測點，獲得了三種裝藥結(jié)構(gòu)雷管的輸出壓力曲線，如圖6 所示。

從圖6 可以看出，計算所得的壓力曲線與實驗所得的界面粒子速度曲線類似，均具有雙峰結(jié)構(gòu)。但是在數(shù)值模擬結(jié)果中出現(xiàn)了第二峰值大于第一峰值的情況，這是由于實驗用受主材料為LiF，數(shù)值模擬中的受主材料為PMMA，雙峰的峰值大小與材料特性有關。在本研究的沖擊片雷管中，總裝藥量相同，意味著雷管輸出壓力的脈寬基本相同；雷管直徑相同，說明沖擊起爆的作用面積也相同。因此在雷管沖擊起爆過程下級裝藥的過程中，主導因素是壓力峰值。不論是第一峰值、還是第二峰值作用到下級裝藥時，較大的壓力峰能夠使下級裝藥發(fā)生更為劇烈的反應，由較大的壓力峰表征雷管輸出能力具有一定的合理性。按照最大壓力峰值為輸出壓力，三種裝藥參數(shù)的沖擊片雷管的計算輸出壓力分別為7.7，7.1 GPa 和6.4 GPa，采用界面粒子速度法獲得的輸出壓力與數(shù)值模擬結(jié)果相比，誤差小于6.5%。這說明采用界面粒子速度法評估雷管輸出壓力具有較好的準確性。

表3 計算所需材料參數(shù)Table 3 Parameters of inert materials for simulation

圖6 裝藥參數(shù)對輸出壓力的影響Fig.6 Effects of explosive load on the detonator output pressure

為了保持一定的雷管結(jié)構(gòu)強度，并減小雷管底殼對沖擊波的衰減作用，雷管底殼厚度的變化余地較小。對于不同應用需求的雷管，雷管底殼材料會不同。為了研究不同材料對雷管輸出壓力的影響，計算了不銹鋼、鋁和PTFE 三種材料在0.2 mm 厚度下、第一組裝藥結(jié)構(gòu)的雷管輸出壓力。計算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 底殼材料對輸出壓力的影響Fig.7 Effects of the shell materials on the detonator output pressure

從圖7 可以看出，材料對雷管輸出壓力峰值有著顯著影響。PTFE 底殼的雷管輸出壓力峰值達到了12.9 GPa，鋁殼雷管的輸出壓力峰值為11.6 GPa，均高于不銹鋼殼雷管的7.7 GPa。不銹鋼底殼的壓力波形與其他兩種顯著不同，不銹鋼底殼削峰作用明顯。在裝藥爆轟產(chǎn)物和雷管底殼界面上，透射波壓力取決于底殼材料的沖擊阻抗。PTFE 和鋁的沖擊阻抗接近，不銹鋼的沖擊阻抗最大。由此造成雷管輸出壓力的峰值按沖擊阻抗大小依次降低，并且大幅度降低不銹鋼底殼的雷管輸出壓力峰值。

4 結(jié)論

采用PDV 測量技術，結(jié)合阻抗匹配計算方法，建立了一種可靠的沖擊片雷管輸出壓力測量與計算方法。

（1）采用PDV 測量了三種裝藥結(jié)構(gòu)的沖擊片雷管與光學窗口的界面粒子速度，阻抗匹配計算結(jié)果表明雷管輸出壓力分別為7.64，7.29 GPa 和6.71 GPa，隨著PBX?RDX 配比減小，雷管輸出壓力也逐漸減小。

（2）采用數(shù)值模擬計算，計算了三種裝藥參數(shù)的沖擊片雷管輸出壓力，分別為7.7，7.1 GPa 和6.4 GPa，實驗值與計算值相比，誤差小于6.5%。

（3）雷管底殼材料對雷管輸出壓力有重要影響，雷管底殼的沖擊阻抗越低，雷管輸出壓力越高，不銹鋼底殼對雷管輸出壓力有明顯的削峰作用。