裝藥密度小幅變化對三氨基三硝基苯基聚合物粘結(jié)炸藥短脈沖沖擊起爆特性的影響

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) 機電學(xué)院， 北京 100081)

0　引言

炸藥在不同刺激作用下會表現(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)動絕緣薄膜飛片高速運動的沖擊加載裝置。利用電炮驅(qū)動高速飛片以沖擊波形式撞擊炸藥的試驗，是一種較常用的炸藥短脈沖沖擊起爆試驗方法。

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)時間，n為常數(shù))的經(jīng)驗性能量判據(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)進行了改進。類似的經(jīng)驗判據(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的現(xiàn)實意義。本文擬利用電炮驅(qū)動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　實驗裝置和原理

實驗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測試信號，以獲得良好的速度曲線。

實驗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)生一個高壓短脈沖對其進行刺激。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]獲得不同輪次實驗所需的電容器電壓，當(dāng)實驗響應(yīng)滿足爆炸與不爆炸之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)至少達到5次時，即可停止對當(dāng)前被測樣品的實驗，然后按照最大似然估計算法求出被測樣品50%起爆的閾值電壓[12]。閾值電壓下的飛片速度通過DISAR進行測量。

2　實驗條件

利用第1節(jié)的實驗裝置和原理，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種密度樣品進行實驗，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)的實驗條件如表1所示。

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

為了保證實驗結(jié)果的一致性，對實驗條件嚴(yán)格控制如下：1)按照統(tǒng)一的精度要求對加速腔進行精密機械加工；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)實驗室的環(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驗結(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炸藥短脈沖起爆實驗結(jié)果。

表2　不同密度TATB基PBX炸藥短脈沖起爆實驗結(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的充電電壓；刺激量上限Vu為被測炸藥完全爆炸時的充電電壓； 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　飛片測速實驗結(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到50%概率起爆狀態(tài)，同時從圖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算

根據(jù)撞擊界面壓力和質(zhì)點速度連續(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界面處飛片和靶(即樣品)的質(zhì)點速度(km/s);pi為撞擊時界面壓力(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)點速度ut，進而由(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，為增加激光干涉測速時信號的反射，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[13]中的方法分別計算得到：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來回的時間，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.

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

表3　短脈沖沖擊作用下不同密度TATB基PBX炸藥的實驗數(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。這是因為密度升高使得樣品的孔隙率變小，內(nèi)部熱點含量降低，從而更難起爆。

同時，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，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)會對其短脈沖沖擊起爆特性產(chǎn)生較大影響。因此，在實際應(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(±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。

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