摘要： 為了獲得環(huán)境溫度對TATB/RDX 傳爆藥起傳爆性能及驅(qū)動性能的影響特性，采用激光多普勒測速技術(shù)及瞬態(tài)太赫茲波多普勒干涉測速技術(shù)，對TATB/RDX 傳爆藥在隔層起爆條件下的起爆、傳播及驅(qū)動性能開展實驗研究，獲取了–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中TATB/RDX 傳爆藥的到爆轟距離、爆轟反應(yīng)區(qū)時間寬度、爆轟傳播速度及驅(qū)動飛片的飛行速度曲線。結(jié)果表明： TATB/RDX 傳爆藥的到爆轟距離及爆轟反應(yīng)區(qū)時間寬度隨環(huán)境溫度的降低均近乎呈線性增長趨勢；爆轟傳播速度隨環(huán)境溫度的降低而逐漸提高；驅(qū)動飛片的速度隨環(huán)境溫度的變化特性在飛片主體-層裂層融合前后存在明顯不同。

關(guān)鍵詞： TATB/RDX 傳爆藥；到爆轟距離；爆轟傳播；飛片速度；環(huán)境溫度

中圖分類號： O381; TJ55 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻標(biāo)志碼： A

高可靠性和高安全性是現(xiàn)代武器彈藥的兩項重要需求，傳爆藥在爆炸序列中起著能量放大和傳遞作用，對于武器彈藥爆炸序列的可靠動作和異常環(huán)境下的彈藥安全性至關(guān)重要[1]。兼具高能量和低感度特性的傳爆藥配方及其性能研究，成為了含能材料的研究熱點[2-8]。

TATB/RDX 傳爆藥不僅保留了RDX 的高能量屬性，又融入了TATB 的力、熱低感度特性。Qu 等[9]的研究表明，TATB/RDX 傳爆藥的撞擊感度較RDX 有大幅下降，同時熱分解溫度提升，安全性能大幅提升。以TATB/RDX 傳爆藥為代表的美國PBXN-7 傳爆藥和英國Rowanex3601 傳爆藥在鈍感彈藥中得到廣泛應(yīng)用。TATB/RDX 傳爆藥的低感度得益于其中的TATB 成分。TATB 為鈍感炸藥，感度較低，但其反應(yīng)區(qū)較寬，易受環(huán)境溫度的影響。已有研究結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的降低，TATB 基炸藥的爆轟波波速提高；波陣面中心與邊界之間的時間差增大，波陣面曲率半徑減小[10-13]；爆轟傳播拐角過程中的“死區(qū)”區(qū)域明顯變大[14-15]，起爆難度增加[16-19]。PBXN-7 傳爆藥的曲率效應(yīng)實驗結(jié)果[20] 表明，TATB 成分的加入使得PBXN-7 傳爆藥的爆轟傳播性能受溫度的影響較大。寬溫域環(huán)境在武器彈藥全天候作戰(zhàn)剖面中是難以避免的，對TATB/RDX 傳爆藥在不同溫度環(huán)境中的起爆及驅(qū)動性能開展研究，對武器彈藥的動作可靠性評估、爆炸序列的優(yōu)化設(shè)計及鈍感復(fù)合炸藥基礎(chǔ)爆轟性能的認識有著重要的意義。研究武器爆炸序列中待測炸藥的寬溫域沖擊起爆及驅(qū)動性能，對實驗設(shè)計及測試技術(shù)均有著更高的要求，尤其是低溫易凝霜環(huán)境，不利于傳統(tǒng)光電測試技術(shù)的開展，用于研究炸藥基礎(chǔ)爆轟性能的實驗技術(shù)也無法直接應(yīng)用于爆炸序列的性能研究中。

本文中，采用不凝霜寬溫域環(huán)境加載技術(shù)、1 550 nm 激光多普勒測速（photon Doppler velocimetry，PDV）技術(shù)[21-22] 和無損穿透瞬態(tài)太赫茲波多普勒干涉測速（terahertz-wave Doppler interferometric velocimetry，TDV）技術(shù)[23-27]，對TATB/RDX 傳爆藥在–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中的爆轟增長、傳播及驅(qū)動性能開展實驗研究，探討寬溫域環(huán)境對TATB/RDX 傳爆藥的反應(yīng)區(qū)寬度、到爆轟距離、爆轟波速及驅(qū)動性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

本文中包含3 種實驗裝置和2 類測試技術(shù)，分別如圖1～3 所示。圖1 為炸藥/窗口界面粒子速度測量實驗裝置。采用雷管起爆傳爆藥，沖擊波經(jīng)惰性隔層起爆待測炸藥。在待測炸藥末端中心點設(shè)置測試窗口，采用PDV 測試技術(shù)對炸藥/窗口的界面粒子速度進行測量，用以研究待測炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)剖面[21-22]。窗口材料為LiF 單晶，與炸藥的接觸面鍍0.7 μm 厚的反射鋁膜。實驗所用PDV 測速探頭的輸出光斑直徑小于0.3 mm，激光波長為1 550 nm。實驗所用傳爆藥為JH-9005（RDX 與黏結(jié)劑的質(zhì)量比為97∶3），尺寸為 50 mm×12 mm，密度為1.644 g/cm3。主炸藥（TATB、RDX 與黏結(jié)劑的質(zhì)量比為60∶35∶5）的尺寸為 150 mm×37 mm，密度為1.816 g/cm3。傳爆藥與待測炸藥之間的惰性隔層材料為不銹鋼，厚度為2 mm。圖2～3 實驗裝置中的裝藥序列同圖1。

圖2 為爆轟增長及傳播測量實驗裝置，采用TDV 測試技術(shù)[23] 對炸藥中心爆轟波波陣面的傳播歷程進行測量，用以研究待測炸藥沖擊轉(zhuǎn)爆轟過程及爆轟傳播速度。太赫茲波是一種振蕩頻率介于微波與遠紅外波之間的電磁波，具有對多數(shù)非極性物質(zhì)（包括常用固體炸藥）穿透性好的特點[23-25]。TDV 技術(shù)采用的太赫茲波能夠有效穿透炸藥，并對其內(nèi)部的爆轟波或沖擊波面進行非侵入式測量，從而獲取爆轟波或沖擊波的速度變化歷程[26-27]。實驗所采用的太赫茲波頻率為0.214 67 THz，太赫茲波光束入射至炸藥內(nèi)的光斑尺寸約為6 mm（以半高寬計）。

圖 3 為炸藥驅(qū)動大板實驗裝置，待測炸藥驅(qū)動下端面尺寸為? 150 mm×2 mm 的紫銅板，采用多點PDV 測試技術(shù)對大板飛片各位置的飛行速度進行測量，用以研究待測炸藥的散心及滑移爆轟驅(qū)動性能。以紫銅板中心為起點，沿待測炸藥徑向，每間隔14 mm 布置PDV 探頭，共計6 個，最邊緣測點所在位置距離紫銅板邊緣為5 mm。

1.2 環(huán)境條件

實驗中采用分體式高低溫風(fēng)冷加載系統(tǒng)對炸藥件進行環(huán)境溫度的加載，加載系統(tǒng)如圖4 所示。圖4（a）為冷源設(shè)備，負責(zé)冷熱空氣的產(chǎn)生及程序控溫，圖4（b） 為溫度實驗箱，內(nèi)含待測炸藥件及測試所需窗口。為了保障炸藥件所處環(huán)境溫度的一致性及測試系統(tǒng)的正常工作，在實驗過程中，溫度實驗箱的位置不再移動。在–45～70 ℃ 范圍內(nèi)，選取–45、20 和70 ℃ 作為本實驗的環(huán)境溫度點。環(huán)境溫度的加載曲線如圖5 所示，保溫時長不低于180 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對TATB/RDX 傳爆藥起傳爆性能的影響

采用TDV 測試技術(shù)獲取的TATB/RDX 傳爆藥爆轟增長及傳播的典型信號如圖6 所示。TDV 信號的周期反映了所測波陣面的速度，周期越長，所測波陣面速度越低；信號幅值與所測波陣面反射太赫茲波的強度以及穿透深度有關(guān)。在炸藥爆轟增長、傳播及產(chǎn)物膨脹的不同階段，所測沖擊波/爆轟波波陣面的傳播速度及其反射太赫茲波的強度均不同，因此在TDV 信號中可明確分辨炸藥內(nèi)的爆轟增長（S1）、爆轟傳播（S2）及爆轟產(chǎn)物的膨脹過程（S3）。以S2 爆轟傳播與S3 爆轟產(chǎn)物膨脹過程的分界為起點，對TDV 所測信號的周期進行統(tǒng)計，結(jié)合所用太赫茲波在所測炸藥內(nèi)傳播的折射率系數(shù)[23]，給出所測炸藥的到爆轟距離（run distance to detonation，RDTD）；對TDV 所測信號的振蕩頻率進行分析[23]，給出所測波陣面的傳播速度。

采用TDV 技術(shù)獲取的–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中TATB/RDX 傳爆藥起傳爆過程中的速度如圖7 所示。沖擊波在炸藥內(nèi)經(jīng)過不同距離的增長過程后轉(zhuǎn)為爆轟狀態(tài)，爆轟波波速基本穩(wěn)定。不同溫度中TATB/RDX傳爆藥的到爆轟距離及爆轟波波速如圖8～9 所示?？梢姡S著環(huán)境溫度的降低，TATB/RDX 傳爆藥的到爆轟距離呈線性增加，爆轟波波速逐漸提高。這可能是因為低溫環(huán)境造成炸藥的點火閾值提高，起爆難度變大。環(huán)境溫度降低引起炸藥密度增大，從而使得炸藥能量釋放的時間變長，反應(yīng)區(qū)寬度增大（圖10），反應(yīng)區(qū)內(nèi)的平衡時間變長，到爆轟距離增大。且密度的增大提高了炸藥的能量密度，反應(yīng)區(qū)內(nèi)驅(qū)動爆轟波波陣面?zhèn)鞑サ哪芰吭龆啵Z波傳播速度變快。該趨勢與TATB 基鈍感炸藥曲率效應(yīng)實驗結(jié)果[11， 20] 一致，但RDX 成分的加入使得TATB/RDX 傳爆藥爆轟波波速隨溫度的降低呈現(xiàn)非線性增長趨勢。在–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中，TATB/RDX 傳爆藥在2 mm 不銹鋼隔層起爆條件下的到爆轟距離隨環(huán)境溫度的降低呈線性增大趨勢，線性系數(shù)為0.015 mm/℃；TATB/RDX 傳爆藥的爆轟反應(yīng)區(qū)時間寬度隨環(huán)境溫度的降低而線性增大，線性系數(shù)為0.165 ns/℃，該趨勢與TATB 基鈍感炸藥PBX-9502 反應(yīng)區(qū)寬度的預(yù)測模型[13] 相一致。

2.2 環(huán)境溫度對TATB/RDX 傳爆藥驅(qū)動性能的影響

采用PDV 測試技術(shù)測量的TATB/RDX 傳爆藥驅(qū)動2 mm 紫銅飛片的典型速度曲線如圖11 所示。從圖11 可以看出，飛片在飛行過程中具有明顯的多階段特征，其中，階段a 為飛片外表面的層裂層在沖擊波來回反射作用下自由飛行的過程；階段b 為飛片的主體部分追趕上表面層裂層的過程；階段c 為飛片主體部分與層裂層的融合過程；階段d 則為飛片主體與層裂層融合完成后，在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下整體飛行的過程。

在70 mm 半徑范圍內(nèi)，飛片表面各處速度曲線的對比如圖12 所示。從圖12 可以看出，不同半徑位置的飛片速度曲線剖面具有相似性，但隨著半徑的增大，飛片在測量方向的速度存在下降趨勢，層裂層的飛行持續(xù)時間縮短，在測點r=42 mm 處的速度變化最明顯，層裂層自由飛行的持續(xù)時間變化最突出（見圖13），這可能是因為在r=42 mm 附近，爆轟驅(qū)動模式由散心爆轟驅(qū)動轉(zhuǎn)變成滑移爆轟驅(qū)動。以惰性隔層/待測炸藥的接觸面中心為原點，以起爆方向為基線，計算得到散心爆轟驅(qū)動向滑移爆轟驅(qū)動的轉(zhuǎn)變角度（見圖14）約為49°。

在–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中，TATB/RDX 傳爆藥驅(qū)動大板飛片各位置處的飛行速度曲線的對比如圖15所示。飛片各點的起跳速度及層裂層的飛行速度與溫度有相同的變化趨勢，即：常溫速度最高，高溫次之，低溫最低。這可能是因為飛片主體/層裂層融合前（階段a）的驅(qū)動性能受炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)特性的影響較大。對本實驗中（圖1）獲取的界面粒子速度（圖16）進行處理[28]，計算出不同環(huán)境溫度中待測炸藥的CJ 點爆壓pCJ 如圖17 所示?？梢钥闯?，在–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中，TATB/RDX 傳爆藥的常溫pCJ 最高，高溫次之，低溫最低。該結(jié)果支持了上述“飛片主體/層裂層融合前（階段a）的驅(qū)動性能受炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)特性的影響較大”的猜想。

在散心爆轟驅(qū)動區(qū)（r＜42 mm），大板飛片層裂層的速度及其飛行持續(xù)時間隨著環(huán)境溫度的變化趨勢一致，但在滑移爆轟驅(qū)動區(qū)（r＞42 mm），環(huán)境溫度對層裂層飛行持續(xù)時間的影響并不明顯。這可能與2 種爆轟驅(qū)動方式下飛片主體的速度隨環(huán)境溫度的變化特性不同有關(guān)。

大板飛片主體和層裂層融合完成后的加速飛行速度（階段d）受低溫環(huán)境的影響較大，除r=70 mm處，低溫環(huán)境中飛片的d 階段飛行速度均高于常溫和高溫結(jié)果，而在常溫和高溫環(huán)境中結(jié)果基本相同。這可能是由于低溫環(huán)境中爆轟產(chǎn)物的特性與高溫及常溫結(jié)果差異較大造成的。

3 結(jié) 論

采用PDV 及TDV 測試技術(shù)對TATB/RDX 傳爆藥在–45～70 ℃ 溫度環(huán)境中的起傳爆性能及驅(qū)動性能進行了實驗研究，結(jié)果表明：TATB/RDX 傳爆藥的到爆轟距離由高溫70 ℃ 的1.3 mm 增大到低溫–45 ℃的3.1 mm，且近乎呈線性增大趨勢，線性系數(shù)為0.015 mm/℃。TATB/RDX 傳爆藥的爆轟傳播速度隨環(huán)境溫度的降低呈非線性增大趨勢；TATB/RDX 傳爆藥的驅(qū)動性能隨溫度的變化趨勢在飛片的主體-層裂層融合前后存在明顯差異。

參考文獻：

[1]WANG Y， SONG S W， HUANG C， et al. Hunting for advanced high-energy-density materials with well-balanced energy and"safety through an energetic host-guest inclusion strategy [J]. Journal of Materials Chemistry A， 2019， 33（7）： 19248–19257.DOI： 10.1039/C9TA04677A.

[2]WATT D， PEUGETOT F， DOHERTY R， et al. Reduced sensitivity RDX， where are we？ [C] // Proceedings of the 35th"International Annual Conference of ICT. Karlsruhe： ICT， 2004.

[3]ELBEIH A， ZEMAN S， PACHMAN J. Effect of polar plasticizers on the characteristics of selected cyclic nitramines [J].Central European Journal of Energetic Materials， 2013， 10（3）： 339–350. DOI： 10.12733/JICS20102176.

[4]WEI X F， ZHANG A B， MA Y， et al. Toward low-sensitive and high-energetic cocrystal Ⅲ： thermodynamics of the energeticenergetic"cocrystal formation [J]. CrystEngComm， 2015， 17（47）： 9037–9047. DOI： 10.1039/C5CE02009C.

[5]GONG F Y， ZHANG J H， DING L， et al. Mussel-inspired coating of energetic crystals： a compact core-shell structure with"highly enhanced thermal stability [J]. Chemical Engineering Journal， 2017， 309： 140–150. DOI： 10.1016/J.CEJ.2016.10.020.

[6]SHI Y B， BAI L F， LI J H， et al. Theoretical calculation into the effect of molar ratio on the structures， stability， mechanical"properties and detonation performance of 1，3，5，7-tetranitro-1，3，5，7-tetrazocane/1，3，5-trinitro-1，3，5-triazacyco-hexane cocrystal[J]. Journal of Molecular Modeling， 2019， 25（25）： 299. DOI： 10.1007/s00894-019-4181-6.

[7]SURESH K， AULAKH D， PUREWAL J， et al. Optimizing hydrogen storage in MOFs through engineering of crystal"morphology and control of crystal size [J]. Journal of the American Chemical Society， 2021， 143： 10727–10734. DOI： 10.1021/JACS.1C04926.

[8]CAI J X， XIE C P， XIONG J， et al. High performance and heat-resistant pyrazole-1，2，4-triazole energetic materials： tuning the"thermal stability by asymmetric framework and azo-bistriazole bridge [J]. Chemical Engineering Journal， 2022， 433： 134480.DOI： 10.1016/J.CEJ.2021.134480.

[9]QU Y Z， QIAN W， ZHANG J H， et al. Interfacial engineered RDX/TATB energetic co-particles for enhanced safety"performance and thermal stability [J]. Dalton Transactions， 2022， 51（27）： 10527–10534. DOI： 10.1039/D2DT01421A.

[10]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. DOI： 10.11943/j.issn.1006-9941.2017.02.008.

GUO L W， LIU Y S， WANG B， 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. DOI： 10.11943/j.issn.1006-9941.2017.02.008.

[11]郭劉偉， 劉宇思， 黃宇， 等. 寬溫域環(huán)境JB-9014 炸藥爆轟波波陣面曲率效應(yīng)實驗 [J]. 含能材料， 2019， 27（12）： 1062–1068.DOI： 10.11943/CJEM2018323.

GUO L W， LIU Y S， HUANG Y， et al. Front curvature rate stick experiment of JB-9014 over a wide temperature range [J].Chinese Journal of Energetic Materials， 2019， 27（12）： 1062–1068. DOI： 10.11943/CJEM2018323.

[12]OLIVIER B. Detonation velocity of a TATB-based high-explosive as a function of density， temperature and curvature [C] //Proceedings of the 15th International Detonation Symposium. ED， 2014： 477–484.

[13]HILL L G， ASLAM T D. Detonation shock dynamics calibration for PBX 9502 with temperature， density， and material lot"variations [C] // Proceedings of the 14th International Detonation Symposium. USA， 2010， 52（3）： 779–788. DOI： 10.1109/TAC.2007.892382.

[14]SOUERS P C， LAUDERBACH L， GARZA， R， et al. LX-17 and ufTATB data for corner-turning， failure and detonation [C] //Proceedings of the 14th International Detonation Symposium. USA， 2010， 52（3）： 716–726. DOI：10.1109/TAC.2007.892382.

[15]WHITWORTH N J. CREST modelling of PBX 9502 corner turning experiments at different initial temperatures [J]. Journal of"Physics： Conference Series， 2014， 500（5）： 1–7. DOI： 10.1088/1742-6596/500/5/052050.

[16]TAN K Y， WEN S G， HAN Y. Shock initiation characteristics of explosives at near-ambient temperatures [J]. Chinese Journal"of Energetic Materials， 2016， 24（9）： 905–910. DOI： 10.11943/J.ISSN.1006-9941.201609.015.

[17]GUSTAVSEN R L， GEHR R J， BUCHOLTZ S M， et al. Shock initiation of the tri-amino-tri-nitro-benzene based explosive"PBX 9502 cooled to –55°C [J]. Journal of Applied Physics， 2012， 112（7）： 074909. DOI： 10.1063/1.4757599.

[18]HOLLOWELL B C， GUSTAVSEN R L， DATTELBAUM D M， et al. Shock initiation of the TATB-based explosive"PBX9502 cooled to 77 Kelvin [J]. Journal of Physics： Conference Series， 2014， 500（18）： 182014. DOI： 10.1088/1742-6596/500/18/182014.

[19]GUSTAVSEN R L， GEHR R J， BUCHOLTZ S M， et al. Shock initiation of the TATB-based explosive PBX-9502 heated to"–76 °C [C] // Proceedings of the Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of"Condensed Matter 2015. NY， USA： AIP Publishing. DOI：10.1063/1.4971475.

[20]FRANCOIS E G， SANDERS V E， MORRIS J. Front curvature and rate stick data on formulations containing DAAF， TATB，RDX and HMX including diameter and temperature effects [C] // Shock Compression of Condensed Matter-2011. Chicago，Illinois： American Physical Society， 2011， DOI：10.1063/1.3686346.

[21]TARVER C M. Detonation reaction zones in condensed explosives [C] // 14th APS Topical Conference on SCCM. Baltimore，MD， USA： American Physical Society， 2005.

[22]GUSTAVSEN R L， BARTRAM B D， SANCHEZ N J. Detonation wave profiles measured in plastic bonded explosives using"1 550 nm photon Doppler velocimetry [C] // Proceedings of the 16th Conference of the American-Physical-Society-Topical-Group on Shock Compression of Condensed Matter. NY， AIP Publishing， 2009. DOI： 10.1063/1.3295117.

[23]ZHAI Z H， LIU Q， GUO L W， et al. Design of terahertz-wave Doppler interferometric velocimetry for detonation physics [J].Applied Physics Letters， 2020， 116（16）： 161102. DOI： 10.1063/1.5142415.

[24]GERHARD M， REN B G， RAHM M. Terahertz Mach-Zehnder interferometer based on a hollow-core metallic ridge"waveguide [J]. Applied Physics Letters， 2015， 106（17）： 171112. DOI： 10.1063/1.4919588.

[25]CHEN J C， KAUSHIK S. Terahertz interferometer that senses vibrations behind barriers [J]. IEEE Photonics Technology"Letters， 2007， 19（7）： 486–488. DOI： 10.1109/LPT.2007.893583.

[26]HUANG X L， ZHAI Z H， FU H， et al. Experimental investigation of the deflagration rate for PBX utilizing terahertz-wavebased"Doppler velocimetry [J]. Journal of the Optical Society of America B， 2022， 39（3）： A25–A30. DOI： 10.1364/JOSAB.444723.

[27]PENG W Y， YANG S Q， SHU J X， et al. Experimental investigation of shock response to an insensitive explosive under"double-shock wave [J]. International Journal of Impact Engineering， 2023， 173（1）： 1–11. DOI： 10.1016/j.ijimpeng.2022.104489.

[28]舒俊翔， 裴紅波， 黃文斌， 等. 幾種常用炸藥的爆壓與爆轟反應(yīng)區(qū)精密測量 [J]. 爆炸與沖擊， 2022， 42（5）： 052301. DOI：10.11883/bzycj-2021-0305.

SHU J X， PEI H B， HUANG W B， et al. Accurate measurements of detonation pressure and detonation reaction zones of"several commonly-used explosives [J]. Explosion and Shock Waves， 2022， 42（5）： 052301. DOI： 10.11883/bzycj-2021-0305.

（責(zé)任編輯 蔡國艷）

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（12002326）；中國工程物理研究院創(chuàng)新基金（CX20200001）