常溫下JBO－9021高能鈍感炸藥直徑效應實驗＊

汪 斌，譚多望，趙繼波，文尚剛

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900）

以TATB為基的鈍感炸藥具有良好的安全性，受到武器系統研究人員的重視。但是，由于鈍感炸藥反應區比較寬，直徑效應明顯。特別在研究鈍感炸藥爆轟波繞射、拐角效應、爆轟波與介質相互作用等方面，采用嚴格的二維反應流動理論分析和數值計算都十分困難。通過精細實驗標定待測炸藥的Dn（κ）關系，采用爆轟沖擊動力學（DSD）方法，就可以把爆轟反應流動方程組分解為爆轟沖擊波陣面發展方程和一維擬定態反應區動力學的常微分方程組，對復雜的二維反應流動理論進行解耦處理，這是目前計算爆轟波非理想傳播研究的熱點［1］。L.G.Hill等［2］、J.B.Bdzil等［3］、T.D.Aslam 等［4］測量了不同溫度、不同直徑下PBX－9502炸藥的爆速和波形，并用這些波形標定了DSD參數，得到了Dn（κ）關系和反應速率。研究得到的Dn（κ）關系表明：當κ較小時，法向爆速Dn只與當地曲率κ有關，當κ較大時，法向爆速Dn不僅與當地曲率κ有關，而且還與藥柱直徑有關。C.D.Hutchinson等［5］測量了EDC235炸藥在不同溫度、不同約束條件下的爆速和波形曲線，B.D.Lambourn等［6］利用實驗得到的爆轟波形狀，用 Whitham沖擊動力學方法擬合了線性Dn（κ）關系。譚多望等［7］、鄒立勇等［8］開展了常溫和低溫環境下JB－9014炸藥的直徑效應研究工作，趙繼波等［9］測量了黃銅、鋁、有機玻璃等邊界條件下柱形JB－9014炸藥中爆轟波的演化過程。

對新型高能鈍感炸藥JBO－9021（w（TATB）＝80%，w（HMX）＝15%，w（粘結劑）＝5%），采用精細的工藝處理技術，可以使它的安全性與JB－9014炸藥相當，但做功能力可以提升17%左右。本文中，采用光電聯合測試方法，測量常溫下直徑分別為10、15、30mm的圓柱形JBO－9021鈍感炸藥定態爆速和波形，根據擬合的爆轟波形，分析波陣面法向速度Dn與當地曲率κ之間的關系，并與JB－9014炸藥（w（TATB）＝95%，w（粘結劑）＝5%）、PBX－9051炸藥（w（HMX）＝95%，w（粘結劑）＝5%）的Dn（κ）關系進行對比。

1 實 驗

JBO－9021炸藥直徑效應研究的實驗裝置如圖1所示。雷管起爆泰安導爆藥柱后，再起爆無約束的柱形JBO－9021鈍感主裝藥。主裝藥的前端用于爆轟波的演化，演化段長度不少于主炸藥直徑的6倍，以保證在測速段之前形成擬定態爆轟波。炸藥爆速由兩組對稱布置的探針測量，探針采用半球頭形狀的彈簧探針，以保證探針與炸藥表面之間點接觸，典型的實驗裝置照片如圖2所示。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Rate stick design

采用氙燈外光源和藥柱表面貼反射膜的方法，由高速掃描相機測量藥柱中的爆轟波陣面形狀，實驗布局見圖3。由于藥柱直徑較小，在藥柱與反光鏡之間放置一個透鏡放大成像尺寸。藥柱端面貼一層非常薄的反射膜，將氙燈光反射至相機，使膠片爆光。當爆轟波到達藥柱端面，反射膜被破壞，氙燈光不再反射至相機，之后產物光出現，膠片再度爆光。氙燈光被截止的形狀即為爆轟波陣面形狀。為使波形前沿和邊界清晰，藥柱端面平整光滑，反射膜與藥柱緊貼，氙燈照明角度盡可能小，以不影響測量為原則，相機掃描速度為12km／s。

圖2 典型的實驗裝置照片Fig.2 Picture of experimental apparatus

圖3 實驗布局Fig.3 Schematic diagram of experiment

2 結果及分析

2.1 爆轟波速度

在炸藥兩邊軸對稱地各放置一組探針，第一組接入探針1～15，第二組接入探針16～30，采用最小二乘法擬合探針距離－時間數據，得到圖4所示的擬合曲線。三種直徑條件下得到的實驗數據點都在擬合線上，說明爆速已經達到定態，爆速為擬合曲線的斜率。

圖4 探針的距離－時間關系Fig.4 Distances of electrical pins with time

表1給出了實驗時三種直徑藥柱相應的尺寸、密度、定態爆速、實驗溫度等實驗數據。可以看出，隨著炸藥直徑的增加，JBO－9021炸藥的爆速迅速增大，當炸藥直徑為29.9mm時，爆速為8.015km／s。

表1 定態爆速測量結果Table1 Steady－state detonation velocity

2.2 定態波陣面

圖5 典型的測量波形Fig.5 Typical film record of streak camera

實驗得到的典型爆轟波陣面波形如圖5所示，從圖中可看出，波形前沿和邊界比較清晰，說明采用氙燈外光源和藥柱表面貼反射膜的方法是可行的。測量底片數字化后讀取波形數據，根據相機掃描速度，得到爆轟波到達藥柱端面的時間，再乘以定態爆速得到波陣面曲線。實驗得到的波陣面有輕微的不對稱，可能是炸藥密度不均勻、相機光路存在的系統誤差或數字化底片時由于分辨率不夠導致讀數的偏差等引起的。目前比較好的處理辦法是，將藥柱中軸兩側的截面圓半徑數據平均，作為最后的波形數據。

2.3 波陣面擬合曲線

將爆轟波波形底片掃描到計算機中，根據相機轉速、放大比、爆轟波到達時刻和定態爆速，用圖像處理軟件可以得到相機掃描時間t和截面圓半徑r的數據。將處理的數據進行擬合，得到爆速曲率關系曲線。對于非線性的爆速－曲率關系，目前擬合波陣面曲線的最佳形式是ln［cos（r）］級數，它適用于長徑比較大的扁條炸藥和圓柱形炸藥，具體表達式為［2］

式中：z（r）為波陣面曲線，R為藥柱半徑，r為波陣面上截面圓的半徑，ai和η為擬合參數。對于鈍感炸藥，取前三項即可很好地模擬波陣面曲線。

本次實驗的擬合參數見表2，擬合波陣面結果見圖6。圖7給出了譚多望等［7］得到的常溫下JB－9014炸藥的爆轟波波陣面的實驗結果。可以看到，相同直徑條件下，JBO－9021炸藥的波形比JB－9014炸藥的波形更為平坦。造成這種現象的原因主要在于JBO－9021炸藥含有部分高能HMX炸藥，因此直徑效應對波陣面的影響相對較小。

圖6 JBO－9021炸藥波陣面擬合結果Fig.6 Fits of wavefront data of JBO－9021

圖7 JB－9014和JBO－9021炸藥波陣面對比Fig.7 Fits of wavefront data of JB－9014and JBO－9021

表2 波陣面曲線擬合參數Table2 Fitting parameters of wave front

2.4 爆速曲率關系

最早，Dn（κ）關系是根據理論和實驗研究結果得到的線性關系［10］

式中：a是曲率系數。對大多數凝聚態炸藥，當爆轟波比較平滑、變化緩慢時，線性Dn（κ）關系近似成立。隨著研究的深入，發現線性關系在小曲率情況下不再適用，并發現Dn（κ）關系同反應速率密切相關。一般反應速率形式下Dn（κ）關系的理論分析非常困難，通常采用經驗關系，有較好效果的有［11－12］

圖8 不同炸藥Dn（κ）關系Fig.8 Dn（κ）curves with different explosive

式中：A、B、C1～C5、α是擬合參數。由不同尺寸JBO－9021炸藥實驗數據擬合得到的Dn（κ）曲線見圖8，擬合參數為：DCJ＝8.070 2km／s，A＝1.485 4，B＝5.676 4，C1＝7.103 8mm－1，C2＝3.939 9 mm－1，C3＝3.562 6mm－2，C4＝211.055 7mm－1，C5＝205.171 1mm－2，α＝0.050 19。圖8中同時給出了JB－9014［7］和 PBX－9501［11］炸藥的爆速曲率關系，可以看出，以HMX為主的PBX－9501炸藥和以TATB為主的JB－9014炸藥相比，JBO－9021炸藥的曲率關系位于兩者之間，說明含HMX對JBO－9021炸藥的直徑效應有一定影響，炸藥爆轟波傳播過程中受曲率效應的影響比PBX－9502小。

3 結 論

JBO－9021鈍感炸藥的定態爆速隨直徑的增大而增大，在TATB中加入一定量的HMX炸藥以后，炸藥爆轟波的非理想傳播行為得到了一定的改進，JBO－9021炸藥波陣面比JB－9014炸藥平坦，JBO－9021炸藥的爆速隨曲率的變化比JB－9014炸藥慢。

由于藥柱邊界處爆轟波形變化非常快，精確測量需提高波形和邊界清晰度外，還需提高相機掃描速度和膠片數字化精度。機械式掃描相機受機械組件的安裝精度和設計公差的影響，相機記錄的波形存在一定的不對稱性，需要采用掃描速度更高、成像更穩定的數字式高速掃描相機，以得到更精確的炸藥爆轟波實驗結果。

［1］孫承緯.應用爆轟物理［M］.北京：國防工業出版社，2002.

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