DNTF基炸藥的起爆傳爆特性研究

張廣華,沈 飛,李凌峰,蔣秋黎,王 輝

(西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065)

0 引言

傳爆序列是武器彈藥中不可或缺的關(guān)鍵部件,能夠?qū)⒗坠茚尫诺妮^小能量逐級傳遞并且放大,并最終實(shí)現(xiàn)主裝藥的可靠起爆。隨著兵器技術(shù)的發(fā)展,傳爆序列裝藥尺寸小型化越來越受到科研人員的關(guān)注,傳爆序列的小型化,不僅可以減小武器系統(tǒng)的裝藥量,并且也直接降低了傳爆序列受到外界刺激的概率,進(jìn)而提升了武器彈藥的安全性[1]。與此同時,傳爆序列的小型化也對主裝彈藥的可靠起爆提出了更高要求,該過程具有一定的復(fù)雜性,既與主發(fā)裝藥的自身起爆特性有關(guān),也與起爆藥與主發(fā)裝藥的匹配性有關(guān)[2]。因此,開展炸藥的起爆傳爆特性研究具有重要理論意義與應(yīng)用價值,能夠深刻揭示炸藥的起爆傳爆規(guī)律,科學(xué)指導(dǎo)武器系統(tǒng)的傳爆序列設(shè)計。

臨界直徑是描述炸藥爆轟傳播動力學(xué)的精確參量之一。目前,測量炸藥臨界直徑的方法主要有以下幾種:① 將炸藥加工成圓錐形狀,從大端面起爆,通過見證板或電學(xué)方法記錄爆轟熄爆位置,進(jìn)而獲取炸藥的臨界直徑[3-5];② 將藥柱加工成直徑逐漸遞減的臺階式藥柱,在最大端面處起爆,爆轟相繼傳過不同直徑的炸藥段,直至熄滅,熄滅位置對應(yīng)的藥柱直徑即為臨界直徑[6-7];③ 分別用許多不同直徑但相差很小的藥柱做實(shí)驗(yàn),用升降法獲取爆轟穩(wěn)定傳播的最小直徑與不能穩(wěn)定傳播的最大直徑,取二者平均值,得出炸藥的臨界直徑[8-9]。作為傳爆序列,要達(dá)到可靠起爆主發(fā)裝藥的目的,必須提供足夠的起爆能量,影響起爆能量的主要因素包括起爆藥種類、裝藥密度、裝藥尺寸、裝藥量等[10],因此,開展起爆藥與主發(fā)裝藥的匹配性分析也是很有必要的。目前,研究傳爆效應(yīng)的主要方法包括板痕法[11]、脈沖X光照相技術(shù)[12-13]、高速掃描相機(jī)技術(shù)[2,14-15]等。

DNTF是一種新型高能量密度材料,具有低熔點(diǎn)、高能量密度、高爆速、高作功能力等特點(diǎn),可以替代TNT作為熔鑄炸藥載體,大幅提升熔鑄炸藥的能量[16]。本文中通過試驗(yàn)和數(shù)值仿真開展了某DNTF基炸藥的起爆傳爆特性研究,獲取了該炸藥的臨界直徑及其與起爆藥的匹配特性,希望為該炸藥的傳爆序列設(shè)計提供參考。

1 起爆特性研究

1.1 臨界直徑試驗(yàn)

1.1.1樣品狀態(tài)

主裝藥為DNTF基D-1炸藥(DNTF/HMX/Al/鈍感劑:28/56/13/3),密度1.87 g/cm3,爆速8 435 m/s,形狀為截錐形,一端直徑40 mm,一端直徑4 mm,長度300 mm,如圖1所示;起爆藥為Φ10 mm×10 mm帶雷管孔的JH14C藥柱,密度1.67 g/cm3,爆速8 410 m/s。上述樣品均由西安近代化學(xué)研究所提供。

圖1 主裝藥示意圖

1.1.2試驗(yàn)方法

通過板痕法開展D-1炸藥的臨界直徑試驗(yàn),現(xiàn)場布局圖如圖2所示。由主裝藥、起爆藥、雷管座、雷管及見證板組成。主裝藥大直徑端安裝有雷管座,雷管座內(nèi)有起爆藥和軍用8號電雷管;見證板為500 mm×150 mm×10 mm的2A12硬鋁板,與主裝藥兩端對齊位置處畫有標(biāo)記線。由大直徑端面處起爆主裝藥,爆轟產(chǎn)物會在見證板上留下痕跡,通過該痕跡判斷主裝藥的熄爆位置,進(jìn)而得到爆轟熄滅處的藥柱直徑,即為主裝藥的臨界直徑。

圖2 試驗(yàn)布局圖

1.1.3試驗(yàn)結(jié)果

采用上述方法開展D-1炸藥的臨界直徑試驗(yàn),試驗(yàn)后的見證板如圖3所示,經(jīng)過測量,D-1炸藥的熄爆位置距小直徑端面的距離l1為8 mm,通過式(1)可得熄爆位置對應(yīng)的炸藥臨界直徑Rx為4.96 mm。

(1)

圖3 試驗(yàn)后的見證板

1.2 數(shù)值仿真

1.2.1仿真模型

1) 有限元模型。

采用非線性動力分析軟件AUTODYN建立數(shù)值仿真模型,模型由空氣、起爆藥、主裝藥、見證板組成,整體采用Euler算法,空氣模型設(shè)置流出邊界,并在沿主裝藥軸向每隔10 mm設(shè)置一個高斯點(diǎn),共計31個,以獲取該位置的壓力-時程及反應(yīng)度曲線。有限元模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

2) 材料模型。

空氣材料為AIR,采用IDEAL AIR 狀態(tài)方程,其表達(dá)式為

P=(γ-1)ρe-Pshift

(2)

式(2)中:P表示壓力;γ表示絕熱指數(shù);ρ表示密度;e表示內(nèi)能;Pshift表示一個較小的初始壓力。具體參數(shù)如表1所示。

表1 AIR參數(shù)

見證板采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型和Shock狀態(tài)方程,強(qiáng)度模型表達(dá)式為

(3)

起爆藥采用JWL狀態(tài)方程,其表達(dá)式為

(4)

式(4)中:P為爆轟產(chǎn)物壓力;V為相對體積;A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程參數(shù);E0為單位體積內(nèi)能。具體參數(shù)如表3所示。

表2 見證板參數(shù)

表3 JH-14C炸藥參數(shù)

主裝藥采用Lee-Tarver點(diǎn)火增長模型,其反應(yīng)速率方程式為

G1(1-λ)cλdPy+G2(1-λ)eλgPz

(5)

式(5)中:λ為反應(yīng)度;t為時間;ρ為密度;ρ0為初始密度;P為壓力;I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z為12個可調(diào)系數(shù)。經(jīng)過拉氏試驗(yàn)標(biāo)定的D-1炸藥的Lee-Tarver點(diǎn)火增長模型參數(shù)如表4所示。

表4 D-1炸藥的Lee-Tarver參數(shù)

1.2.2計算結(jié)果

通過計算得到各高斯點(diǎn)的壓力、反應(yīng)度曲線如圖5、圖6所示。爆炸初始階段,由于炸藥直徑遠(yuǎn)高于其臨界直徑,因此爆轟波能夠穩(wěn)定傳播;隨著炸藥直徑逐漸減小,側(cè)向稀疏波對爆轟波傳播的影響越來越顯著,導(dǎo)致越來越多的能量被稀疏波耗散掉;當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至12.21 μs時,波陣面峰值壓力開始逐漸下降;到第42.29 μs時,波陣面峰值壓力僅為0.87 GPa,爆轟產(chǎn)物能量不能維持爆轟的穩(wěn)定傳播,炸藥熄爆,此時爆轟波傳播至第30個高斯點(diǎn),該位置對應(yīng)的藥柱直徑為5.2 mm,即為D-1炸藥的臨界直徑,該值與試驗(yàn)值基本吻合,二者誤差為4.84%。

2 與起爆藥的匹配特性

2.1 試驗(yàn)研究

2.1.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖如圖7所示。由雷管、雷管座、起爆藥柱、被測試樣和見證板組成;起爆藥為JH-14C,尺寸分別為Φ5×5 mm(0.16 g)、Φ10×10 mm(1.31 g)、Φ15×15 mm(4.42 g);主發(fā)藥尺寸為Φ60×60 mm;見證板為Φ100×30 mm 的Q235鋼靶,通過觀察見證板上的凹坑痕跡判斷主發(fā)藥是否完全起爆。通過本試驗(yàn)獲取與主發(fā)藥匹配的最小起爆藥量。

圖5 高斯點(diǎn)壓力-時程曲線

圖6 高斯點(diǎn)反應(yīng)度曲線

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場布局

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果

不同起爆藥量起爆D-1炸藥后的見證板及殘骸如圖8所示,由圖8可以看出,當(dāng)起爆藥柱尺寸為Φ5×5 mm(0.16 g)時,見證板上未見凹坑,現(xiàn)場回收到了大量未反應(yīng)殘藥,由此判斷,D-1炸藥未完全起爆;當(dāng)起爆藥柱尺寸分別為Φ10×10 mm(1.31 g)、Φ15×15 mm(4.42 g)時,見證板上均出現(xiàn)了凹坑,且現(xiàn)場未回收到任何未反應(yīng)殘藥,由此判斷,D-1炸藥發(fā)生了完全爆轟。因此,當(dāng)起爆藥柱長徑比為1時,D-1炸藥的最小起爆藥量在0.16～1.31 g之間。

圖8 試驗(yàn)后的見證板及殘骸

2.2 數(shù)值仿真

2.2.1仿真模型

采用AUTODYN軟件建立最小起爆藥量的二維軸對稱仿真模型,模型由空氣、起爆藥、主發(fā)藥組成,主發(fā)藥尺寸為Φ60×60 mm,并在其對稱軸上平均設(shè)置10個高斯點(diǎn),獲取高斯點(diǎn)的壓力-時程和反應(yīng)度曲線;起爆藥長徑比為1∶1,通過調(diào)整起爆藥尺寸,獲取主發(fā)藥的最小起爆藥量。整體采用Euler算法,空氣模型設(shè)置流出邊界?？諝?、起爆藥、主發(fā)裝藥材料模型與上節(jié)所述材料模型一致。仿真模型如圖9所示。

圖9 最小起爆藥量仿真模型

2.2.2計算結(jié)果

當(dāng)起爆藥尺寸為Φ7×7 mm時,初始時刻,主發(fā)藥前端被部分起爆,此時,波陣面峰值壓力為2.09 GPa;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,由于爆轟產(chǎn)物能量無法維持爆轟的穩(wěn)定傳播,因此,波陣面峰值壓力逐漸下降,到7.92 μs時,壓力僅為0.39 GPa;此后,主發(fā)藥內(nèi)無法再形成穩(wěn)定的沖擊波,炸藥熄爆。高斯點(diǎn)的壓力-時程曲線如圖10(a)所示,反應(yīng)度曲線如圖10(b)所示。上述結(jié)果證明D-1炸藥未完全爆轟。

當(dāng)起爆藥尺寸為Φ8×8 mm時,高斯點(diǎn)的壓力時程曲線如圖11(a)所示,初始高斯點(diǎn)的沖擊波壓力峰值為18.37 GPa,此后,波陣面峰值壓力逐漸升高,最終形成穩(wěn)定爆轟;圖11(b)反應(yīng)度曲線也證明了所有高斯點(diǎn)處的炸藥均發(fā)生了完全反應(yīng)。因此,該條件下炸藥發(fā)生了完全爆轟。

圖10 計算結(jié)果(起爆藥尺寸Φ7×7 mm)

圖11 計算結(jié)果(起爆藥尺寸Φ8×8 mm)

綜上所述,當(dāng)起爆藥長徑比為1時,D-1炸藥能穩(wěn)定爆轟的臨界起爆藥(JH-14C)尺寸為Φ8×8 mm,對應(yīng)的最小起爆藥量為0.67 g,與試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3 長徑比對最小起爆藥量的影響規(guī)律

為了分析起爆藥長徑比對D-1炸藥最小起爆藥量的影響規(guī)律,通過數(shù)值仿真分別開展了起爆藥長徑比為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5時的最小起爆藥量計算,得到了不同起爆藥長徑比下能完全起爆D-1炸藥的最小起爆藥量如表5所示,由表5可以看出,最小起爆藥量隨長徑比的增加而逐漸增加。

表5 不同長徑比下的最小起爆藥量

3 結(jié)論

1) 分別通過試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法得到了D-1炸藥的臨界直徑,試驗(yàn)值為4.96 mm,仿真值為5.2 mm,二者基本吻合。

2) 起爆藥長徑比分別為0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5時,JH-14C起爆藥能完全起爆D-1炸藥的最小起爆藥量分別為0.44、0.48、0.5、0.67、0.84、1 g,最小起爆藥量隨起爆藥長徑比的增加而逐漸增加。