DNTF基含鋁炸藥復合裝藥的驅動特性

周　濤，程淑杰，王　輝，沈　飛

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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DNTF基含鋁炸藥復合裝藥的驅動特性

周濤，程淑杰，王輝，沈飛

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：設計了內外層分別由含鋁質量分數為5%和20%的DNTF基炸藥組成的復合裝藥。采用直徑50mm圓筒試驗測量了其爆速及圓筒壁的膨脹位移，研究了不同復合裝藥結構的能量釋放特性，并與單一配方裝藥進行了對比。結果表明，內層為高爆速炸藥時，爆速約為兩種單一裝藥的平均值，后期驅動能力沒有顯著增強，格尼系數僅為2.86mm/μs；外層為高爆速炸藥時，爆速略低于高爆速單一裝藥，爆轟波形具有明顯的內聚特征，提高了內層低爆速炸藥的能量釋放速率，驅動能力持續增強，格尼系數為2.93mm/μs。

關鍵詞：爆炸力學；DNTF；含鋁炸藥；復合裝藥；圓筒試驗；驅動能力；格尼系數

引言

DNTF是一種新型高能量密度材料，具有低熔點、高威力的特征，可替代TNT作為熔鑄炸藥的載體，使熔鑄炸藥的能量得到大幅提高[1-2]。尤其是以HMX為主體成分的DNTF基含鋁熔鑄炸藥，不僅具有較高的爆熱，同時，與TNT基熔鑄炸藥相比，還具有較強的金屬驅動能力[3]，在高性能殺傷爆破戰斗部中具有較好的應用前景。

為了進一步提高殺傷爆破戰斗部的綜合毀傷效能，需要其兼顧破片殺傷和沖擊波毀傷兩種功能。然而炸藥的鋁粉含量不同，其能量釋放結構及速率會存在較大差異，鋁粉含量較低時，炸藥的能量釋放速率較快，并具有較高的爆速及格尼系數，但爆熱偏低；鋁粉含量較高時，雖然能夠提高炸藥的爆熱，但其驅動性能將會明顯下降[4]。因此，單一裝藥一般難以兼顧這兩種功能[5]。Arthur Spencer等[6-7]提出采用內外層雙元復合裝藥結構來調整戰斗部裝藥的能量釋放特性，在保證其爆炸沖擊波作用效果的同時能夠盡可能地提升其驅動性能。

本研究采用不同含鋁量的DNTF基炸藥組成兩種內外層復合裝藥結構，在其化學能總量相同的前提下，通過直徑50mm圓筒試驗對其驅動特性進行研究，并與單一裝藥進行對比，以期更好地發揮DNTF基含鋁炸藥的優勢并為其在相關戰斗部中的應用提供參考。

1實驗

1.1樣品

裝藥由兩種不同含鋁量的DNTF基炸藥制成，其組分均為DNTF/HMX/Al/鈍感劑，4種裝藥樣品的結構及參數列于表1中，其中，兩種復合裝藥內外層炸藥的質量比約為1∶1。

表1　裝藥結構及參數

1.2實驗裝置

圓筒試驗裝置由待測主裝藥、傳爆藥柱、銅管、電探針、氬氣彈、反射鏡、GSJ高速轉鏡相機、高壓雷管等組成，如圖1所示。其中，銅管材料為TU1無氧銅，密度為8.93g/cm3，內徑和外徑分別為50和60.2mm；狹縫掃描位置距圓筒尾端約200mm，相機掃描速度設定為1.5mm/μs；采用Φ200mm×300mm氬氣彈作為照明設備，其軸線與相機光軸重合；通過固定于圓筒兩端的電探針測定炸藥的爆速。對于復合裝藥，采用兩組探針分別放置在裝藥兩端的中心及邊緣位置測量內、外層裝藥的爆速。

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

2結果與討論

2.14種裝藥的爆速

通過圓筒試驗測得的單一裝藥和復合裝藥的爆速(D)見表2，復合裝藥尾部探針測量圖如圖2所示。

表2　圓筒試驗測得4種裝藥的爆速

從表2可以看出，復合裝藥1的平均爆速約為8.4mm/μs，接近單一裝藥1和2爆速的平均值(復合裝藥1的平均含鋁質量分數約為12.5%，為單一裝藥1和2的平均值)，且爆轟波到達裝藥末端時，內外層探針導通的時間間隔僅為0.1μs左右(如圖2(a)所示)，表明整體爆轟波形達到穩定狀態后，略呈“凸”狀，并未形成明顯的內外層爆速差，從整體上看復合裝藥1中爆轟波的傳播特征類似于鋁粉混合不均勻的情況。這可能由于該“凸”狀爆轟波形使內層高爆速炸藥的能量向外層分散，雖然一定程度上能夠提高外層炸藥的爆速，但受外層爆轟波的干擾，其自身爆速也大幅下降。

圖2　復合裝藥尾部探針測量圖Fig.2　Measurement results of electrical pins inthe end of dual explosive charge

復合裝藥2的平均爆速約為8.62mm/μs，與單一裝藥1的爆速接近，表明外層的高爆速炸藥(含鋁質量分數為5%)在爆轟過程中不僅自身爆速沒有出現大幅度降低，還能有效提高內層炸藥(含鋁質量分數為20%)的爆速。這是由于其穩態爆轟波形呈現較明顯的“凹”狀特征(如圖2(b)所示)，裝藥末端的內外層探針導通的時間間隔約為0.4μs，使得外層高爆速炸藥的能量發生內聚，導致內層炸藥中的壓力大幅提高，從而提升了其爆速。

2.2圓筒膨脹位移及格尼能的變化

2.2.1圓筒膨脹位移

4種裝藥的圓筒壁膨脹過程的掃描照片如圖3所示。

圖3　圓筒壁膨脹過程的掃描照片Fig.3　Scanning photograph of expansion processof the cylinder wall

通過對掃描照片進行數字化判讀，并結合相機的掃描速度及照片的放大比例，得出圓筒壁外表面的膨脹距離Δre隨時間變化的一系列數據。數據處理采用文獻[8-9]中的方法，首先按照公式(1)將圓筒壁外表面的Δre-t數據轉換為圓筒壁質量中心面處的數據Δrm-t，然后按照公式(2)對試驗數據進行擬合：

(1)

(2)

式中：ri0和re0分別為圓筒內、外半徑的初始值；aj、bj均為擬合參數；t0作為時間項的修正參數，當t+t0=0時，圓筒質量中心面開始膨脹。

圓筒壁膨脹位移曲線擬合參數見表3。

表3　圓筒壁膨脹位移曲線擬合參數

2.2.2圓筒壁膨脹速度

將公式(2)對時間求導，可得到圓筒壁質量中心面的徑向速度

(3)

將表3中的參數值代入公式(3)可計算出um隨時間變化的曲線，如圖4所示。

圖4　圓筒壁膨脹速度變化曲線Fig.4　The curves of change in expansionvelocity of the cylinder wall

從圖4可以看出，由于單一裝藥1與2的含鋁量差距較大，其能量釋放特性存在明顯差異。單一裝藥1的爆速較高，其沖擊波較強，使得圓筒膨脹早期其速度上升較快，約15μs時，膨脹速度便接近最大值；而單一裝藥2雖然爆速相對較低，圓筒膨脹早期速度上升較慢，但由于其含有質量分數為20%的鋁粉，能量釋放時間相對較長，在25μs后，圓筒壁的膨脹速度仍有一定程度的上升。

復合裝藥1的內層炸藥具有較高的爆速和爆壓，使外層炸藥發生局部過壓縮爆轟，增強了徑向沖擊波的驅動力，從而造成在圓筒壁膨脹早期，其膨脹速度明顯高于單一裝藥2；隨后，圓筒壁的膨脹加速度逐漸下降，約12μs后，圓筒壁膨脹速度的增長趨勢便與單一裝藥2相似，這是因為這個階段圓筒壁膨脹速度的增長主要由爆轟產物膨脹力所致，也表明復合裝藥1的結構沒有能夠加快外層炸藥中鋁粉能量的釋放速率，從而達到進一步提高其驅動性能的目的。

復合裝藥2的圓筒膨脹速度早期增長也較快，這主要是由于外層高爆速炸藥具有較強的沖擊波驅動力所致，雖然其膨脹速度低于單一裝藥1，但復合裝藥2的爆轟波形具有明顯的內聚特征，使內層裝藥具有較高的溫度和壓力，從而加速了內層裝藥的反應速率，也使得鋁粉能夠更充分地釋放其能量，尤其是在圓筒膨脹的中后期，其膨脹速度一直表現出明顯的增長特征，約27μs時，復合裝藥2的膨脹速度便超越了單一裝藥1。

2.2.3格尼能及格尼系數

首先按照公式(4)計算出圓筒質量中心面的質點速度

us=2D·sin(arctan(um/D)/2)

(4)

式中：D為炸藥在圓筒內的爆速。

炸藥的格尼能(圓筒壁和爆轟產物的動能之和與炸藥質量的比值)根據公式(5)計算

(5)

式中：M為單位長度圓筒的質量；m為單位長度炸藥的質量。

為了更清晰地看出格尼能的變化規律，可通過公式(6)[10]計算出筒壁徑向位移所對應的爆轟產物相對比容

(6)

式中：Vg=(ri/ri0)2。

圖5　格尼能與爆轟產物相對比容的關系曲線Fig.5　Relationship curves between Gurney energy andrelative volume of detonation products

表4　4種裝藥在特定相對比容處的格尼能

結合圖5和表4可以看出，爆轟產物相對比容分別為2.2、4.4、7.0時，復合裝藥2的格尼能較復合裝藥1分別提高了4.0%、5.0%、5.4%，表明復合裝藥2的內聚爆轟特性能有效提高其驅動能力，隨著爆轟產物相對比容的增加，與復合裝藥1相比其優越性更加明顯，且當相對比容為10時，復合裝藥2的格尼能略大于單一裝藥1，表現出較強的驅動能力；由于復合裝藥1的爆速高于單一裝藥2，導致初始階段沖擊波的驅動力較強，從而使得格尼能整體高于單一裝藥2，但其增長趨勢與單一裝藥2相似，相對比容為2.2、4.4、7.0、10.0時，其格尼能分別提高了5.3%、4.4%、4.9%、5.0%，這也反映出復合裝藥1的裝藥結構并沒有使其能量釋放特性發生較大的變化。

3結論

(1)由兩種不同爆速的DNTF基含鋁炸藥制成的復合裝藥，其內外層裝藥中的爆轟波會產生較為顯著的干擾，且內外層裝藥的爆速差較小。復合裝藥1的整體波形略呈“凸”狀，其爆速約為兩種單一裝藥的平均值；復合裝藥2的整體波形呈現明顯“凹”狀，其爆速略低于單一裝藥1。

(2)復合裝藥1的外層發生局部過壓縮爆轟，導致早期驅動能力較強，但未能有效改變外層裝藥中鋁粉能量的釋放速率，后期的驅動能力沒有顯著增強，其格尼系數僅為2.86mm/μs；復合裝藥2的爆轟波形具有明顯內聚特征，大幅提高內層裝藥中的壓力，加速了內層裝藥的能量釋放速率，使驅動能力持續增強，其格尼系數提升至2.93mm/μs。

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Research on Driving Characteristic for Compound Charge of DNTF-based Aluminized Explosive

ZHOU Tao, CHENG Shu-jie, WANG Hui, SHEN Fei

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China)

Abstract:Two kinds of typical inner/outer layer compound charge composed of two types of DNTF-based explosives with aluminum mass fraction of 5% and 20% were chosen. Their detonation velocity and expansion displacement of the cylinder wall were measured by a 50mm cylinder test. The energy release characteristics of different compound charge structures were studied and compared with those of single formula charge. Results show that when inner layer compound charge is high detonation velocity explosive, the detonation velocity is about the average of two kinds of single charge, and the driving ability in the late is not enhanced significantly and its Gurney coefficient is only 2.86mm/μs. When outer layer compound charge is high detonation velocity explosive, the detonation velocity is slightly lower than that of single charge with high detonation velocity, and the detonation wave has obvious cohesion characteristics, which improves the energy release rate of the inner layer low detonation velocity explosive and continuously enhances the driving ability, its Gurney coefficient is 2.93mm/μs.

Keywords:explosion mechanics; DNTF; aluminized explosive; compound charge; cylinder test; driving ability; Gurney coefficient

作者簡介:周濤(1979-)，男，高級工程師，從事爆炸力學及戰斗部設計研究。

基金項目:國家基礎科研項目(00402020202)

收稿日期:2015-04-13；修回日期:2015-08-19

中圖分類號：TJ55; O389

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0046-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.009