LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

袁俊明，田秀琦，張峰峰，黃 娟

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

引信爆炸序列中一般采取具有特定性質(zhì)的傳爆藥與雷管的結(jié)合. 現(xiàn)代彈藥中極鈍感主裝藥的出現(xiàn)，對(duì)引信爆炸序列提出了新要求，即爆炸序列必須要有足夠的能量輸出用于可靠引爆這些極鈍感主裝藥. 整個(gè)戰(zhàn)斗部系統(tǒng)對(duì)爆炸序列的要求則是： 第一，輸出能量大； 第二，整個(gè)爆炸序列的鈍感程度要與主裝藥匹配[1]. 如果傳爆藥的能量輸出不足以引爆主裝藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟，則該主裝藥爆炸不完全，甚至不發(fā)生爆炸，這種傳爆藥就不能起到應(yīng)有的傳爆效應(yīng). 因此，傳爆藥被雷管起爆后能量輸出必須足夠大才能直接引爆鈍感主裝藥[1-2]. 隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化對(duì)彈藥穩(wěn)定性和安全性要求的日益提高，爆炸序列的鈍感化成為當(dāng)今武器彈藥的主要發(fā)展方向之一[3-5]. 目前，國(guó)內(nèi)外常用傳爆藥有鈍化黑索今、 PBXN-5、 CH-6、 LX-14等，但由于這些傳爆藥的槍擊或飛片感度等問(wèn)題，可能被槍彈、 飛片等意外刺激所引爆[1]. 因此，新型鈍感傳爆藥的出現(xiàn)及其性能測(cè)試工作的開(kāi)展至關(guān)重要.

LLM-105(1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪)具有優(yōu)良的物理性能，它的能量比TATB高25%，對(duì)火花、 摩擦以及沖擊鈍感，具有熱穩(wěn)定性和低易損性等優(yōu)異的綜合性能[6-7]. 這些優(yōu)良性能使得LLM-105成為未來(lái)彈藥領(lǐng)域中重要的不敏感傳爆藥. 目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)LLM-105傳爆藥已開(kāi)展了合成、 配方性能和應(yīng)用等方面的研究工作[8-11]. 而在國(guó)內(nèi)，LLM-105傳爆藥的沖擊波感度、 機(jī)械感度、 熱性能和爆速等性能測(cè)試也已有報(bào)道，為L(zhǎng)LM-105傳爆藥的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[7,11].

目前極為鈍感炸藥以TATB為典型代表，其對(duì)沖擊波和機(jī)械撞擊等外界作用極不敏感，具有極好的熱穩(wěn)定性和鈍感性等性質(zhì)[12-13]. 本文以TATB炸藥為被發(fā)藥柱，LLM-105基傳爆藥為主發(fā)藥柱，對(duì)LLM-105基傳爆藥柱的起爆能力開(kāi)展測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬方法，建立全尺寸LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)有限元模型，并在該裝藥條件下對(duì)TATB起爆的臨界鋁隔板厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算. 根據(jù)臨界鋁隔板厚度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，判定LLM-105基傳爆藥柱以及TATB鈍感炸藥材料參數(shù)的準(zhǔn)確性. LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬工作的開(kāi)展對(duì)引信爆炸序列鈍感化研究具有重要的實(shí)際意義.

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)裝置

LLM-105基傳爆藥起爆能力測(cè)試方法選用《航天火工裝置通用規(guī)范》[14]中的最大傳爆間隙方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn). LLM-105不敏感傳爆藥作為主發(fā)藥柱，被發(fā)藥柱選用TATB炸藥. 在主發(fā)藥柱與被發(fā)藥柱之間放置惰性隔板. 主發(fā)藥柱起爆后，產(chǎn)生沖擊波傳向與其接觸的惰性隔板，經(jīng)隔板衰減后作用在被發(fā)藥柱上. 通過(guò)鑒證板凹坑深度驗(yàn)證被發(fā)藥柱是否發(fā)生起爆，并以此表征不敏感傳爆藥(主發(fā)藥柱)的起爆能力. 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

1—雷管； 2—雷管座； 3—不敏感傳爆藥； 4—隔板；5—TATB炸藥； 6—鑒證板； 7—砧板

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本文實(shí)驗(yàn)以TATB炸藥為被發(fā)藥柱，LLM-105基傳爆藥為主發(fā)藥柱，對(duì)LLM-105基傳爆藥柱的起爆能力開(kāi)展測(cè)試實(shí)驗(yàn). 同時(shí)，采用數(shù)值模擬方法，建立全尺寸LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)有限元模型，并在該裝藥條件下對(duì)TATB起爆的臨界鋁隔板厚度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算. LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬工作的開(kāi)展對(duì)引信爆炸序列鈍感化研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值與意義.

主發(fā)藥柱為L(zhǎng)LM-105基傳爆藥柱(96.5% LLM-105，3.5% F2604)，壓制成密度為1.72 g·cm-3的Φ10 mm×10 mm的藥柱； 被發(fā)藥柱為T(mén)ATB炸藥，壓制成密度為1.80 g·cm-3的藥柱，尺寸為Φ20 mm×20 mm； 隔板材料選用1 mm 厚的2A12鋁合金，其直徑大于LLM-105基傳爆藥柱以及TATB藥柱，以防止施主藥柱發(fā)生爆轟產(chǎn)生的熱量以及沖擊波在空氣中的傳導(dǎo)影響到受主藥柱. 要求LLM-105基傳爆藥柱以及TATB藥柱兩端中心對(duì)齊. 將主發(fā)藥柱、 隔板、 被發(fā)藥柱、 鑒證板等按圖1 裝配，保證各部分軸心對(duì)稱(chēng). 實(shí)驗(yàn)實(shí)物裝配圖如圖2 所示.

圖2 起爆能力實(shí)驗(yàn)裝配圖Fig.2 Initiation capacity test assembly diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

連續(xù)進(jìn)行了3發(fā)實(shí)驗(yàn)，雷管均可直接起爆LLM-105傳爆藥，起爆后無(wú)殘留，可知LLM-105傳爆藥發(fā)生完全起爆. A3鋼鑒證板上均出現(xiàn)明顯凹痕，經(jīng)測(cè)量凹坑最大深度處約2.69 mm，且TATB藥柱爆轟壓力作用下鋼鑒證板形成了較大的碎塊. 由此可判定TATB藥柱被起爆后達(dá)到完全爆轟狀態(tài)，從而可知LLM-105基傳爆藥柱具備完全起爆TATB炸藥的能力. A3鋼鑒證板凹坑實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 鑒證板凹坑圖Fig.3 The depth of witness plate

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

由于起爆能力實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)稱(chēng)性，為減少計(jì)算工作量，根據(jù)起爆能力實(shí)驗(yàn)裝配尺寸建立二維軸對(duì)稱(chēng)模型，見(jiàn)圖4. 鋁隔板厚度設(shè)定為1 mm. 模型采用中心點(diǎn)起爆方式，省去雷管元件建模. 計(jì)算模型使用二維實(shí)體Lagrange單元進(jìn)行劃分，炸藥和隔板、 鑒證板之間采用Lagrange/Lagrange單元之間的Self-interaction算法，單位制采用cm-g-μs.

圖4 起爆能力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.4 Model diagram of initiation capacity test

2.2 狀態(tài)方程及參數(shù)

主發(fā)藥柱LLM-105采用JWL狀態(tài)方程[15]

(1)

式中：p為炸藥壓力；υ為炸藥比體積；cV為比定容熱容；T為炸藥熱力學(xué)溫度；A、B、R1、R2和ω為待定參數(shù). 傳爆藥柱的JWL狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 LLM-105基傳爆藥柱的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

TATB鈍感主裝藥的狀態(tài)方程采用Lee-Tarver點(diǎn)火增長(zhǎng)模型進(jìn)行描述. 其中三項(xiàng)式點(diǎn)火增長(zhǎng)反應(yīng)速率方程為[16-18]

G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFgPz,

(2)

式中：F為反應(yīng)率；t為時(shí)間；ρ為炸藥密度；ρ0為炸藥初始密度；I，b，a，x，G1，c，d，y，G2，e，g和z是常數(shù). 方程主要由三部分組成： 第一項(xiàng)是炸藥受到?jīng)_擊波壓縮作用產(chǎn)生離散熱點(diǎn)，發(fā)生點(diǎn)火； 第二項(xiàng)是炸藥快速進(jìn)行化學(xué)分解反應(yīng)； 第三項(xiàng)是炸藥分解反應(yīng)逐漸變緩慢，爆轟壓力趨于穩(wěn)定. TATB的模型參數(shù)見(jiàn)表2. 2A12鋁合金和A3鋼材料采用Mie-Gruneisen狀態(tài)方程進(jìn)行描述.

表2 TATB炸藥點(diǎn)火增長(zhǎng)模型參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果

圖5 為起爆能力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌瑫r(shí)刻的爆轟反應(yīng)壓力云圖. 主發(fā)炸藥LLM-105被引爆發(fā)生爆炸后，在時(shí)刻t=0.64 μs時(shí)，爆轟反應(yīng)前沿波已經(jīng)到達(dá)主發(fā)藥柱中部，爆轟波已逐漸趨于穩(wěn)定爆轟階段. 當(dāng)爆轟波到達(dá)鋁合金隔板表面時(shí)，壓力值發(fā)生衰減. 并傳遞到TATB藥柱上端，若壓力值大于TATB臨界起爆壓力值，TATB藥柱內(nèi)部壓力躍升，發(fā)生爆炸.

圖5 起爆能力實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅Z反應(yīng)壓力云圖Fig.5 The pressure contour of initiation capacity test model

沿TATB藥柱中心軸設(shè)置不同位置的觀測(cè)點(diǎn)，觀察沖擊波在TATB藥柱內(nèi)部傳播情況. 圖6 為受主藥柱TATB觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力變化曲線(xiàn). 當(dāng)t=1.45 μs時(shí)，受主藥柱TATB炸藥受到經(jīng)過(guò)鋁合金隔板衰減作用后的主發(fā)藥柱爆轟波發(fā)生爆轟，此時(shí)最大壓力值為15.50 GPa.t=2.15 μs時(shí)，受主藥柱爆轟波開(kāi)始趨于穩(wěn)定，隨后受主藥柱爆轟波壓力穩(wěn)定在27 GPa左右.

圖6 受主炸藥觀測(cè)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的壓力-時(shí)間曲線(xiàn)圖Fig.6 The observation points and pressure-time curve of TATB

受主藥柱TATB炸藥爆轟后產(chǎn)生的爆轟波進(jìn)入A3鋼鑒證板，并由于A3鋼鑒證板的阻抗顯著大于受主藥柱TATB炸藥的阻抗，因此產(chǎn)生反射沖擊波，從而導(dǎo)致沖擊波壓力急劇增大，最終作用在鋼鑒證板上而產(chǎn)生明顯凹坑. 鑒證板凹坑情況如圖7 和圖8 所示.

圖7 鑒證板的模擬結(jié)果變形圖Fig.7 Simulation results of deformation diagram for witness plate

由圖可知，經(jīng)過(guò)約15 μs作用時(shí)間，鋼鑒定塊凹坑逐漸形成，并最終成穩(wěn)定狀態(tài)，從鋼鑒定塊中心設(shè)定的觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果可知，凹坑深度約為2.22 mm，與實(shí)測(cè)值2.69 mm比較吻合. 由于該起爆能力實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算主要觀測(cè)鑒證板的凹坑深度值，因此A3鋼材料模型沒(méi)有考慮損傷失效參量，鑒證板在爆轟壓力作用下的模擬計(jì)算結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)結(jié)果的碎裂特征.

3 臨界鋁隔板厚度模擬預(yù)測(cè)

基于前述實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果，計(jì)算模型保持材料參數(shù)不變，通過(guò)調(diào)整2A12鋁合金隔板厚度，觀察在不同厚度下TATB受主藥柱的壓力變化曲線(xiàn)，確定在該裝藥條件下的TATB發(fā)生沖擊起爆的臨界鋁隔板厚度. 通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到鋁隔板厚度分別為1.2 mm，1.8 mm時(shí)Al隔板以及TATB受主藥柱內(nèi)部壓力-時(shí)間曲線(xiàn)，如圖9 所示.

(a) 隔板厚度1.2 mm

(b) 隔板厚度1.8 mm

從圖9(a)可以看出，當(dāng)鋁隔板厚度為1.2 mm時(shí)，TATB受主藥柱發(fā)生起爆，內(nèi)部壓力逐漸穩(wěn)定在27 GPa左右，說(shuō)明TATB藥柱發(fā)生完全爆轟. 從圖中可知，當(dāng)沖擊波到達(dá)受主藥柱頂端，該處觀測(cè)點(diǎn)的最大壓力值為14.75 GPa. 而圖9(b)中，當(dāng)鋁隔板厚度為1.8 mm，t=1.57 μs時(shí)，沖擊波到達(dá)受主藥柱頂端后，壓力值未發(fā)生躍升，反而逐漸衰減下去，可知TATB藥柱未發(fā)生爆轟，而受主藥柱頂端處觀測(cè)點(diǎn)的最大壓力值為12.79 GPa. 由此可判定，在此裝藥條件下，預(yù)估TATB受主藥柱起爆的臨界鋁隔板厚度在1.2～1.8 mm之間，TATB炸藥的臨界起爆壓力值在12.79～14.75 GPa之間. 模擬得到的臨界起爆壓力預(yù)估值與文獻(xiàn)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算所得的臨界起爆壓力14 GPa較為符合[19].

4 臨界鋁隔板厚度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行LLM-105基傳爆藥-TATB炸藥臨界鋁隔板厚度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn). 選用直徑為4 mm，厚度分別為1.3, 1.5, 3.0 mm 的鋁隔板，且LLM-105基傳爆藥以及TATB藥柱尺寸不變，進(jìn)行臨界鋁隔板厚度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn). 得到LLM-105基傳爆藥-TATB炸藥的臨界鋁隔板厚度約為1.3～1.5 mm之間，結(jié)果情況如圖10 所示.

圖10 不同鋁隔板厚度下鑒定塊凹坑圖Fig.10 The depth of witness plate at different Al gap thicknesses

圖11 鋁隔板厚度1.5 mm實(shí)驗(yàn)后防爆箱內(nèi)部圖Fig.11 Internal view of explosion-proof box after 1.5 mm gap thickness test

如圖10(a)所示，當(dāng)鋁隔板厚度為1.3 mm時(shí)，雷管點(diǎn)火后，產(chǎn)生巨大爆炸聲響，且出現(xiàn)大量微黃色煙霧，鑒定塊發(fā)生碎裂，測(cè)量凹坑深度約為2.60 mm. 可知當(dāng)鋁隔板厚度為1.3 mm時(shí)TATB炸藥發(fā)生爆轟. 如圖10(b)所示，當(dāng)鋁隔板厚度為1.5 mm時(shí)，施主藥柱LLM-105傳爆藥被起爆，導(dǎo)致鋁隔板中心出現(xiàn)較大的穿孔，而鑒定塊未出現(xiàn)明顯凹痕，且鑒定塊上以及防爆箱內(nèi)壁上出現(xiàn)土黃色粉末，見(jiàn)圖11，可知當(dāng)鋁隔板厚度為1.5 mm時(shí)TATB炸藥未被引爆.

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)LLM-105基傳爆藥柱起爆能力實(shí)驗(yàn)，再對(duì)鋼鑒證板凹坑實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析判斷，可知密度為1.72 g·cm-3的LLM-105基傳爆藥柱完全具備起爆TATB鈍感炸藥的能力.

2) 根據(jù)起爆能力實(shí)驗(yàn)裝配尺寸建立了二維軸對(duì)稱(chēng)模型，模擬計(jì)算得到鑒證板凹坑深度約為2.22 mm，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)凹坑值較為相符.

3) 基于起爆能力實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型預(yù)估在該裝藥條件下LLM-105基傳爆藥柱起爆TATB炸藥的臨界鋁隔板厚度在1.2～1.8 mm之間. 同樣裝藥條件下起爆能力驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的臨界鋁隔板厚度在1.3～1.5 mm之間，TATB炸藥的臨界起爆壓力值在12.79～14.75 GPa之間. 模擬預(yù)測(cè)得到的臨界鋁隔板厚度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，也說(shuō)明LLM-105基傳爆藥柱以及TATB鈍感炸藥的沖擊起爆材料參數(shù)較為準(zhǔn)確.