HMX 基PBX 的作功能力及其JWL狀態方程

譚凱元，韓 勇，羅 觀，殷 明，黃毅民，盧校軍

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

引 言

炸藥加速金屬的能力及其爆轟產物狀態方程是武器戰斗部設計中的重要問題。圓筒試驗則是考察炸藥作功能力的一種常用試驗方法，可以確定爆轟產物的JWL 狀態方程參數［1］。目前圓筒試驗已發展成為標準的系列試驗，國內外研究人員利用圓筒試驗對各類炸藥的加速金屬能力和JWL 狀態方程做了大量工作，并獲得了其JWL 狀態方程參數［2-8］。

目前，我國已有的金屬加速炸藥還是以TNT為基的高固相熔鑄炸藥為主，這類炸藥的能量較高、金屬加速能力較強，但存在安全性較差的問題。目前，國外常規武器戰斗部裝藥已由以TNT為基的熔鑄炸藥逐步換裝為綜合性能優異的PBX炸藥。與普通熔鑄炸藥相比，PBX 炸藥的安全性能較好，具有不敏感特征。此外，HMX 是現有單質炸藥中綜合性能最好的高能炸藥，具有高爆速、高爆壓和較好的耐熱性、貯存穩定性。本研究通過圓筒試驗結合數值計算技術評價一種新的HMX 基PBX 炸藥的作功能力并確定其JWL狀態方程參數，再利用平板飛片試驗來驗證JWL 狀態方程參數的有效性，為該炸藥今后的應用和理論計算提供基礎數據。

1 實 驗

1.1 圓筒試驗

圓筒試驗裝置由高壓電雷管、傳爆藥柱（JO9159），待測HMX 基PBX炸藥（90%HMX，10%黏結劑，均為質量分數）、紫銅圓筒管、電探針、氬氣彈、光學窗口、高速轉鏡掃描相機等組成，如圖1所示。圓筒尺寸Φ25mm×300mm。在距引爆端約200mm 處用高速相機掃描記錄管壁的徑向膨脹過程，獲得膨脹距離對時間的試驗數據。在被測試炸藥第一和最后一個藥柱之間，放置兩對電探針，與時間記錄系統相連接，用于測量炸藥爆速。

圖1 圓筒試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylinder test

高壓電雷管、傳爆藥柱（Φ25mm×30mm），待測Φ25mm HMX基PBX 炸藥均為中國工程物理研究院化工材料研究所研制；SJZ-15 型轉鏡式高速掃描相機為蘇州光學儀器廠制造。

圓筒膨脹高速掃描底片如圖2所示。

圖2 圓筒壁膨脹過程的底片Fig.2 Photograph of the cylinder expansion process

圓筒膨脹距離R-R0與膨脹時間t之間的關系用公式（1）表示：

式中：a1、a2、a3、a4均為擬合系數，擬合的相關系數及爆速測試結果如表1所示。

表1 HMX 基PBX 炸藥擬合系數及爆速測試結果Table 1 Results of detonation velocity and fitting coefficient for the HMX based PBX

1.2 平面飛片試驗

HMX 基PBX 炸藥驅動平板飛片試驗裝置如圖3所示。

圖3 炸藥驅動平板飛片試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the explosive driven flyer plate test

從被測藥柱一端端面中心用雷管引爆炸藥，以驅動緊貼在藥柱另一端面（用真空脂排掉間隙空氣）的銅飛片運動，采用全光纖激光位移干涉測速系統（DISAR）對飛片的速度歷程進行測量。DISAR 的激光探頭布置在藥柱中心軸線上，并對準飛片中心以探測由運動飛片反射回來的帶有多普勒頻移信息的激光信號，通過對頻移信息的處理就可以計算出平板飛片的自由面速度歷史［9］。

HMX 基PBX 藥柱尺寸為Φ50mm×100mm，密度為1.721g／cm3，銅飛片為Φ50mm×1.0mm，密度為8.93g／cm3。DISAR 測速系統為電子科技大學研制的AFDISAR8000型測速裝置。

2 結果和討論

2.1 HMX 基PBX的作功能力

標準圓筒試驗通常用R-R0=5mm 和R-R0=19mm 時的圓筒壁速u和比動能Ecyl來描述一種炸藥的作功能力。由式（1）可推得：

將表1中的擬合系數代入式（2），即可通過式（2）和式（3）算得HMX基PBX的圓筒試驗特征值：

R-R0=5mm 時，u=1.410mm／μs；Ecyl=0.994kJ／g。

R-R0=19mm 時，u=1.615mm／μs；Ecyl=1.304kJ／g。

此外，格尼模型也是一種廣泛用于表征炸藥加速金屬能力的方法，在軸對稱膨脹情況下的格尼公式為［10］：

式中：m為炸藥質量；M為圓筒質量；u為圓筒壁的終速度，可由式（2）算得為1.658mm／μs，為表征炸藥加速金屬能力的格尼系數（又稱格尼速度），由式（4）最終計算出HMX 基PBX 的格尼速度為2.8mm／μs。

2.2 HMX 基PBX 的JWL狀態方程

JWL狀態方程的形式為［11］：

式中：p為爆轟產物的壓力；V為爆轟產物的相對比容。A，B，R1，R2，ω和E0為6個待定參數，由圓筒試驗來確定。

采用非線性有限元動力學軟件ANSYS／LSDYNA 對圓筒試驗進行數值計算，通過對圓筒壁膨脹過程的試驗值和計算值進行比較，確定JWL狀態方程參數。計算時對圓筒建立軸對稱模型，如圖4所示，OABC為HMX 基PBX炸藥，采用基于JWL狀態方程的MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN 模型；CDEF為銅管壁，采用GRUNEISEN 狀態方程［12-13］和MAT＿JOHNSON＿COOK 力學模型［14］；由A點起爆。

圖4 圓筒試驗數值模擬軸對稱模型Fig.4 Axisymmetric model of numerical simulation for the cylinder test

在圓筒試驗數值計算中，紫銅參數由文獻［11］和［13］獲得，炸藥JWL狀態方程參數在開始時輸入一組已知的與其組分相近的炸藥參數，得到圓筒膨脹距離與時間的關系曲線，再與試驗測定的膨脹距離-時間曲線進行比較，根據它們之間的差異對參數進行調整，重新輸入程序進行計算，再把計算結果與試驗結果比較，調整參數值后進行下一次計算。這樣經過多次反復計算，不斷修正狀態方程參數，直到計算的膨脹距離-時間曲線與試驗曲線間的誤差小于1%時，即認為使用的狀態方程參數是所要標定的參數。按上述方法，獲得該JWL狀態方程參數，見表3。計算和實驗得到圓筒壁膨脹距離與時間的關系曲線如圖5所示，圖6為圓筒壁膨脹速度與膨脹距離之間的關系曲線。

表3 HMX 基PBX 爆轟產物的JWL狀態方程參數Table 3 The parameters of the JWL equation state of detonation product for the HMX-based PBX

圖5 圓筒壁膨脹距離與時間之間的關系曲線Fig.5 The expansion distance-time curve of cylinder

圖6 圓筒壁膨脹距離與膨脹速度之間的關系曲線Fig.6 The expansion distance-expansion velocity curve of cylinder

從圖5和圖6都可以看出，計算值和實驗值的重合性非常好，誤差小于1%。從圖6可以看出，圓筒壁在初始膨脹階段壁速上升很快，但經過一小段膨脹后，壁速上升明顯減緩，并迅速出現了壁速平臺，說明該HMX 基PBX 爆轟反應區較窄，能量釋放過程較快，所以初始階段作功能力較強，而后續作功能力較弱。

2.3 JWL狀態方程參數的驗證

為了考察HMX 基PBX 沿軸向加速金屬的能力，同時驗證由圓筒試驗所確定的JWL狀態方程參數的有效性，設計了炸藥柱推動平板銅飛片的試驗，并進行了數值計算。炸藥柱和銅飛片建立二分之一的軸對稱模型，炸藥采用MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN 模型，JWL 狀態方程參數使用表3中的數據，銅飛片采用GRUNEISEN 狀態方程和MAT＿ELASTIC＿PLASTIC＿HYDRO 力學模型，紫銅飛片的性能力學的參數由文獻［11］和［13］獲得，測量值與計算值的結果如圖7所示。

圖7 飛片速度測量值和計算值的比較Fig.7 Comparison of experimental results and calculated ones of the plate flyer test

由圖7可看出，在整個時間歷程中，飛片速度的測量值與計算值能較好地符合，驗證了圓筒試驗所標定的JWL狀態方程參數的有效性。從圖7還可以看出，飛片速度在剛開始的2μs內上升很快，之后迅速變緩，到6μs左右就接近于最終的速度，這與圓筒試驗的結果是一致的，說明該PBX 炸藥的能量釋放過程較快，初始階段作功能力較強，后續作功能力較弱。

3 結 論

（1）利 用Φ25mm標準圓筒試驗對HMX基PBX（90%HMX，10%黏結劑）的作功能力進行了評價，得到了其作功能力的特征參量以及格尼速度（2.80mm／μs）。

（2）通過圓筒試驗結合數值計算獲得該HMX基PBX 的爆轟產物JWL 狀態方程參數，通過平板飛片試驗驗證了所得參數正確，為該炸藥今后的應用和理論計算提供基礎數據。

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