起爆高密度TATB炸藥的飛片速度閾值＊

呂軍軍，曾慶軒，李明愉，周利存

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081）

TATB類炸藥是以TATB炸藥為基的鈍感炸藥，近幾十年來，TATB類炸藥的性能尤其是其短脈沖沖擊的起爆性能，越來越受到關(guān)注。

J.Campos等［1］設(shè)計了新型的雷管起爆裝置，首先采用微型雷管驅(qū)動二次飛片，飛片撞擊起爆鈍感裝藥PBX－RU81（以RDX炸藥為基），該裝置可用于直接起爆更鈍感的主裝藥。實驗中，采用Fabry－Perot光學(xué)測量裝置記錄了飛片位移曲線，并討論了二次飛片厚度對RU81起爆性能的影響。W.C.Prinse等［2］設(shè)計了含有沖擊片雷管、二次飛片、傳爆藥和主裝藥的起爆序列，實驗證明采用不銹鋼、聚酯薄膜和鋁飛片可以起爆低密度TATB炸藥（ρ＝1.688g／cm3），但采用二次飛片未能起爆高密度的TATB炸藥（ρ＝1.842g／cm3）。B.He等［3］通過實驗和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了飛片起爆亞微米（炸藥顆粒平均粒徑為0.578μm）低密度（ρ＝1.75g／cm3）TATB炸藥的性能，得到了飛片直徑、厚度與飛片可靠起爆TATB裝藥閾值速度的關(guān)系。

本文中，采用鈍感起爆序列分別驅(qū)動二次飛片和三次飛片撞擊TATB裝藥，利用全光纖激光干涉測速系統(tǒng)分別測得飛片可靠起爆和未起爆TATB炸藥的速度，并結(jié)合數(shù)值模擬獲得飛片驅(qū)動、TATB炸藥起爆過程，在飛片尺寸一定的情況下，初步確定飛片起爆高密度TATB炸藥（ρ＝1.895g／cm3）的速度閾值范圍。

圖1 飛片起爆鈍感TATB炸藥實驗示意圖Fig.1 Experimental sketch of initiation of insensitive TATB explosive by flyer

1 飛片起爆鈍感TATB炸藥實驗

為起爆鈍感TATB炸藥，設(shè)計了三次飛片起爆序列，飛片起爆鈍感TATB炸藥的實驗裝置如圖1所示。脈沖功率裝置產(chǎn)生的脈沖能量使金屬爆炸箔發(fā)生快速電爆炸，爆炸形成的等離子體剪切并驅(qū)動聚酰亞胺飛片層產(chǎn)生飛片，起爆初級裝藥HNS－IV，初級裝藥爆轟驅(qū)動二次飛片沖擊起爆二級炸藥LLM－105，LLM－105炸藥爆轟驅(qū)動三次飛片起爆鈍感TATB裝藥。實驗采用的初級裝藥為HNS－IV，尺寸為?4mm×4mm；次級裝藥為分別為HNS－IV、RDX和LLM－105；二次飛片和三次飛片材料均為金屬鈦，其中二次飛片尺寸為?4mm×0.11mm，三次飛片尺寸分別為?4mm×0.11mm、?6mm×0.11mm和?10mm×0.11mm。

表1為部分飛片起爆鈍感TATB炸藥實驗的序列結(jié)構(gòu)和起爆結(jié)果。實驗1、2、3直接采用HNSIV，增加HNS－IV裝藥量和采用RDX二級裝藥不能起爆鈍感TATB炸藥。實驗4、5不含有二次飛片，初級裝藥HNS－IV直接接觸起爆二級裝藥LLM－105并驅(qū)動飛片，高密度TATB裝藥未起爆。實驗6、7中，初級裝藥HNS－IV驅(qū)動二次飛片撞擊二級裝藥LLM－105，LLM－105裝藥爆轟驅(qū)動三次飛片撞擊TATB裝藥，TATB裝藥穩(wěn)定爆轟。

表1 飛片起爆鈍感TATB炸藥的實驗及結(jié)果Table 1 Experiments and results of initiation of insensitive TATB explosive initiated by flyer

2 飛片速度測試和數(shù)值模擬

為初步獲取?6mm×0.11mm鈦飛片起爆TATB裝藥的速度上下限，采用全光纖激光位移干涉測速測速系統(tǒng)（AFDISAR）對實驗2、3三次飛片速度進行測量，分別獲得飛片未起爆和可靠起爆TATB裝藥的飛片速度曲線。飛片速度測試如圖2所示。三次飛片在炸藥驅(qū)動下運動，將激光探頭照射的光返回到耦合器，經(jīng)光電探測器記錄得到飛片的速度。

對LLM－105炸藥爆轟驅(qū)動鈦飛片的過程和鈦飛片沖擊起爆主裝藥TATB炸藥的過程進行數(shù)值模擬，與實驗結(jié)果進行比較。

圖2 三次飛片速度測試示意圖Fig.2 Sketch map of measurement of the third flyer velocity

簡化實驗?zāi)Ｐ停?6.3mm×5mm和?10.0mm×10mm的LLM－105炸藥爆轟驅(qū)動飛片的模型，采用軸對稱結(jié)構(gòu)。在計算過程中，鈦飛片采用彈塑性流體動力學(xué)模型，LLM－105采用高能炸藥燃燒模型，采用JWL狀態(tài)方程描述炸藥的爆轟產(chǎn)物壓力、體積和能量特性。JWL狀態(tài)方程的形式為：

式中：p為壓力，V 為相對體積，E 為內(nèi)能，A、B、R1、R2和ω 為常數(shù)。在實驗中，LLM－105密度為1.82g／cm3，參數(shù)分別為：A＝852GPa，B＝18GPa，R1＝4.6，R2＝1.3，ω＝0.3，E0＝10.2GJ／m3。

飛片起爆TATB炸藥屬于高壓短脈沖沖擊起爆，采用JWL方程描述未反應(yīng)炸藥和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)，采用三項式點火增長模型反應(yīng)速率方程描述TATB炸藥的反應(yīng)過程。點火增長模型反應(yīng)速率方程為：

式中：I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z是12個可調(diào)參數(shù)。ρ0為炸藥初始密度，ρ0＝1.895g／cm3，主要參數(shù)引自文獻［4－5］。

3 結(jié)果分析

圖3（a）為實驗5的飛片速度曲線：在飛片速度上升階段，實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果比較一致，平滑段數(shù)值模擬結(jié)果大于實驗結(jié)果，主要因為在數(shù)值模擬中，未考慮LLM－105炸藥的爆轟稀疏波的影響，飛片也不受空氣阻力的作用。圖3（b）為實驗6的飛片速度曲線，實驗結(jié)果整體小于數(shù)值模擬結(jié)果，這是因為在數(shù)值模擬中，沒有考慮稀疏波和空氣阻力的作用。圖3中，為了更清晰的得出飛片的速度曲線，對AFDISAR測速系統(tǒng)測得曲線的點進行了篩選。

圖3 鈦飛片速度Fig.3 Experimental and simulational results of titanium flyer speed

由表1和圖3可知，當?6mm×0.11mm鈦飛片以3.834km／s的速度撞擊TATB裝藥時，TATB裝藥未起爆，當?6mm×0.11mm鈦飛片以4.350km／s的速度撞擊TATB裝藥時，TATB裝藥起爆。圖4（a）是鈦飛片以3.834km／s的速度撞擊炸藥時，炸藥壓力曲線的數(shù)值模擬結(jié)果。可以看出，炸藥界面處的壓力峰值為38GPa，受稀疏波的影響，炸藥內(nèi)壓力逐漸減小，在8和9mm處壓力不足20GPa，結(jié)果炸藥沒有穩(wěn)定爆轟。圖4（b）是鈦飛片以4.350km／s的速度撞擊炸藥時，炸藥壓力曲線的數(shù)值模擬結(jié)果。可以看出，在炸藥界面處的壓力為約46GPa，隨著爆轟波的傳播，在2和4mm處的壓力分別為38.38和35GPa，受稀疏波的影響，在8和9mm處壓力分別降至29.19和29.5GPa。由炸藥不同位置處的壓力曲線可以判定，炸藥達到穩(wěn)定爆轟。

圖4 炸藥的壓力曲線Fig.4 Pressure curves of explosives

4 結(jié) 論

采用現(xiàn)有的沖擊片雷管直接驅(qū)動二次飛片不能起爆高密度TATB裝藥，通過飛片起爆序列實驗設(shè)計，得出飛片可靠起爆高密度TATB裝藥的起爆序列，且序列中所用的裝藥滿足鈍感起爆序列許用裝藥要求。

采用AFDISAR系統(tǒng)，測得鈦飛片未起爆和起爆TATB炸藥的速度分別為3.834和4.350km／s。通過DYNA2D程序?qū)︼w片速度和起爆TATB炸藥過程進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致。初步確定了鈦飛片起爆高密度TATB裝藥的閾值速度范圍。

［1］Campos J，Duncombe R，Erkol S，et al.Explosive initiation by micro－slapper［C］∥The 33th International Annual Conference of ICT.Karlsruhe：Fraunhofer－Institut fur Chemische Technologie，2002：1－10.

［2］Prinse W C，van’t Hof P G，Cheng L K，et al.High－speed velocity measurements on an EFI－system［C］∥The 27th International Congress on High－speed Photography and Photonics.Xi’an：International Society for Optics and Photonics，2007：62795E－62795E－10.

［3］He Bi，Long Xin－ping，F(xiàn)eng Chang－gen.Numerical simulation on shock－pulse initiation of submicron TATB［C］∥The 25th International Symposium on Ballistics.Beijing，2010：749－758.

［4］Tarver C M，McGuire E M.Reactive flow modeling of the interaction of TATB detonation waves with inert materials［C］∥The 12th International Detonation Symposium.San Diego，2002：641－649.

［5］Garcia M L，Tarver C M.Three－dimensional ignition and growth reactive flow modeling of prism failure tests on PBX 9502［C］∥The 13th International Detonation Symposium.Norfolk，United States：Department of Energy，2006.