激光驅動復合飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ實驗研究*

陳少杰，吳立志，沈瑞琪，葉迎華，胡 艷

(南京理工大學化工學院, 江蘇 南京 210094)

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激光驅動復合飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ實驗研究*

陳少杰，吳立志，沈瑞琪，葉迎華，胡 艷

(南京理工大學化工學院, 江蘇 南京 210094)

激光驅動飛片沖擊起爆技術具有很強的抗電磁干擾能力和可以直接起爆鈍感炸藥等優點，能夠滿足現代戰場對火工系統的高安全性和高可靠性要求。HNS-Ⅳ是最適合激光驅動飛片沖擊起爆技術的藥劑。本文中在6種不同激光能量下，測試了Al/Al2O3/Al復合飛片和Al單層飛片對HNS-Ⅳ藥劑(裝藥密度為1.5 g/cm3)的沖擊起爆情況。實驗實現了激光驅動飛片對HNS-Ⅳ的成功起爆。在217～245 mJ激光能量范圍內，激光驅動Al/Al2O3/Al復合飛片均可成功完全起爆HNS-Ⅳ藥柱。Al單層飛片均未成功起爆HNS-Ⅳ藥柱。飛片沖擊壓力對激光驅動飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ起決定作用。

爆炸力學；沖擊起爆；激光驅動飛片；HNS-Ⅳ；Al/Al2O3/Al

激光驅動飛片沖擊起爆技術就是利用激光驅動產生的高速飛片沖擊起爆高能炸藥的過程。激光驅動飛片沖擊起爆技術具有很強的抗電磁干擾能力和可以起爆鈍感炸藥等優點，能夠滿足現代戰場對起爆系統的安全性和可靠性要求。在所有直列式傳爆序列規定的許用炸藥中，HNS藥劑在撞擊感度低時，其沖擊波感度卻較高。因此，它是激光驅動飛片沖擊起爆技術最適合的藥劑。

激光驅動飛片沖擊起爆技術最早出現在20世紀70年代。已經比較系統地研究了激光驅動飛片沖擊起爆技術，并且利用激光飛片成功起爆了PETN、HNS等炸藥，對沖擊起爆的過程和機理也有了比較深入的了解[1-5]。D.L.Paisley[1]利用激光驅動厚度2 μm，速度1 800 m/s的Al飛片起爆了密度1.55 g/cm3和1.6 g/cm3的超細HNS。S.Watson等[2]發現利用調Q的Nd:YAG激光器驅動厚度3～5 μm，速度4～6 km/s的Al飛片可以很容易起爆超細的PETN，對常規的PETN則較難起爆。M.W.Greenaway等[3]和M.D.Bowden等[4-5]在研究激光驅動金屬飛片沖擊起爆HNS和PETN藥劑時，也有同樣的發現，對于超細晶體(亞微米)的藥劑很容易起爆，對于常規粒度的藥劑則很難起爆。Sun Cheng-wei等[6]、谷卓偉等[7]利用205 mJ脈沖激光驅動厚度為5.5 μm的Al飛片沖擊起爆了密度為1.2 g/cm3的細顆粒壓裝PETN炸藥。吳立志[8]利用5種飛片分別對PETN和HNS等2種炸藥進行沖擊起爆，結果只有部分PETN成功起爆，HNS均未起爆。

本文中在利用Al飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ的研究基礎上[8]，將Al單層飛片中加入Al2O3隔熱層，制備Al/Al2O3/Al復合飛片，實驗對比了Al/Al2O3/Al復合飛片和Al單層飛片對HNS-Ⅳ藥劑的沖擊起爆情況，分析飛片沖擊壓力對激光驅動飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ的影響。

1 實驗裝置與方法

實驗裝置如圖1所示，激光經過聚焦入射到K9玻璃與飛片靶界面處，燒蝕Al層生成高溫高壓等離子體，使剩余部分沿加速膛剪切下來，并被高速驅動出去，形成飛片。飛片撞擊到HNS-Ⅳ藥柱，使HNS-Ⅳ起爆。實驗中，激光器為調Q的Nd:YAG 固體脈沖激光器，波長為1 064 nm，脈寬為6.5 ns，最大輸出激光能量為350 mJ。HNS-Ⅳ(粒度D50=1 196.6 nm)的裝藥直徑為2 mm，裝藥高度為5 mm，裝藥密度為1.5 g/cm3，藥筒材料為不銹鋼。藥柱后面固定一塊鉛靶，對起爆效果進行評判。選用的加速膛材質為T10鋼，尺寸為?1.0 mm×0.6 mm。飛片為Al/Al2O3/Al復合飛片和Al單層飛片，厚度分別為0.5、1.0、5.0和6.8 μm，利用真空磁控濺射技術在K9玻璃上沉積制備。共測試了147、175、202、217、231和245 mJ等6種激光能量下2種飛片對HNS-Ⅳ的沖擊起爆情況。

圖1 激光驅動飛片沖擊起爆實驗裝置圖Fig.1 Schematic of shock initiation by laser-driven flyer

2 實驗結果與分析

2.1 飛片沖擊起爆實驗結果

不同激光能量下，激光驅動Al/Al2O3/Al復合飛片和Al單層飛片沖擊起爆HNS-Ⅳ結果如表1～2所示。表中飛片速度利用多普勒測速儀(PDV)測得。

表1 Al單層飛片沖擊起爆結果Table 1 Initiation results of laser-driven single flyers

表2 Al/Al2O3/Al復合飛片沖擊起爆結果Table 2 Initiation results of laser-driven composite flyers

從表1中可以看出：在6種激光能量下，激光驅動Al單層飛片，均未實現HNS-Ⅳ藥柱的成功起爆。從表2中可以看出：激光能量高于217 mJ時，HNS-Ⅳ藥劑可以被Al/Al2O3/Al復合飛片成功起爆。實驗后的藥柱和藥殼的照片如圖2所示。從圖中可以看出：未成功起爆的藥柱(圖片中的上面一排)：隨著激光能量的增大，藥柱的燒蝕效果增加。成功起爆后的藥殼明顯外擴(圖片中的下面一排)，內徑由原來的2 mm，增大到2.7 mm；外徑由原來的6 mm，增大到6.4 mm。HNS-Ⅳ藥柱成功起爆后，在鉛靶上留下一個直徑為3.6 mm、深度為6 mm的圓坑，如圖3所示，實現了HNS-Ⅳ成功完全起爆。

圖2 復合飛片沖擊起爆實驗后的藥柱和藥筒Fig.2 The explosive and cartridge after the multi-layer flyer shock initiation

圖3 成功起爆后的鉛靶Fig.3 The crater impacted by laser-driven flyer initiation

2.2 飛片沖擊起爆結果分析

對比2種飛片的沖擊起爆結果可知：Al/Al2O3/Al復合飛片能夠實現HNS-Ⅳ的成功起爆，而Al單層飛片無法成功起爆HNS-Ⅳ。根據非均相炸藥的沖擊起爆判據[9]：

Ec=p2τ

(1)

式中：p為進入炸藥的沖擊波壓力，τ為飛片中沖擊波來回傳播的時間。飛片沖擊炸藥時的p2τ值大于炸藥的沖擊起爆閾值Ec時，才可以實現對炸藥的沖擊起爆。τ主要由飛片的厚度和飛片材料的聲速共同決定。本實驗中，2種飛片厚度相當，飛片材料以Al為主，因此τ的影響可以忽略。在先前的研究過程中發現：Al2O3隔熱層的加入，雖然降低了飛片的速度，但是卻大大提高了飛片的沖擊壓力[10]。以Al/Al2O3/Al復合飛片的沖擊壓力pm為Al單層飛片的沖擊壓力ps的2倍為例，則Al/Al2O3/Al復合飛片的p2τ值4倍于Al單層飛片。因此，在同等實驗條件下，Al/Al2O3/Al復合飛片能夠實現HNS-Ⅳ的成功起爆，而Al單層飛片則不能。由此可知，在激光驅動飛片沖擊起爆技術中，追求飛片的高速度并不是炸藥成功起爆的關鍵。通過改變飛片的結構和材料，提高飛片的沖擊壓力，才是實現炸藥沖擊起爆的根本。

3 結 論

在單層Al飛片的基礎上加入Al2O3隔熱層，用磁控濺射沉積制備了Al/Al2O3/Al復合飛片。利用激光驅動Al/Al2O3/Al復合飛片和Al單層飛片沖擊起爆裝藥密度為1.5 g/cm3的HNS-Ⅳ藥劑。測試了不同激光能量下2種飛片對HNS-Ⅳ的沖擊起爆。實驗實現了激光驅動Al/Al2O3/Al復合飛片對HNS-Ⅳ藥劑的成功起爆，Al單層飛片在6種激光能量下均未成功起爆HNS-Ⅳ。對比2種飛片的性能與起爆結果，分析得知：要實現激光驅動飛片對炸藥的沖擊起爆，飛片沖擊壓力的大小起決定性作用。如何通過改變飛片的結構和材料，提高飛片的沖擊壓力，將是今后研究的重點。

[1] Paisley D L. Laser-driven miniature flyer plates for shock initiation of secondary explosives[C]∥Conference on Shock Compression of Condensed Matter. Albuquerque, 1989.

[2] Watson S, Gifford M J, Field J E. The initiation of fine grain pentaerythritol tetranitrate by laser-driven flyer plates [J]. Journal of Appled Physics, 2000,88(1):65-69.

[3] Greenaway M W, Gifford M J, Proud W G, et al. An investigation into the initiation of hexanitrostilbene by laser-driven flyer plates[C]∥AIP Conference Proceedings. Atlanta, 2002,620(1):1035-1038.

[4] Bowden M D, Maisey M P, et al. The initiation of fine particle hexanitrostilbene using laser-driven flyer plates[C]∥Proceedings of the 13th International Detonation Symposium. Norfolk, 2006.

[5] Bowden M D, Drake R C. The initiation of high surface area pentaerythritol tetranitrate using fiber-coupled laser-driven flyer plates[C]∥Proceedings of SPIE. San Diego, 2007.

[6] Sun Cheng-wei, Wu Chun-yan, Yuan Yong-hua, et. al. Shock initiation of explosives impacted by laser-driven flyers[C]∥Proceedings of the 26th International Pyrotechnics Seminar. Nanjing, 1999.

[7] 谷卓偉,孫承緯,蘇小勇.小型激光器驅動飛片沖擊引爆炸藥實驗研究[J].爆炸與沖擊,2002,22(1):88-91. Gu Zhuo-wei, Sun Cheng-wei, Su Xiao-yong. Experimental research on impacting and detonating explosive by mini size laser-driven-flyer[J]. Explosion and Shock Waves, 2002,22(1):88-91.

[8] 吳立志.激光驅動金屬飛片沖擊起爆技術研究[D].南京:南京理工大學,2010.

[9] Walker F E, Wasley R J. Critical energy for shock initiation of heterogeneous explosives[J]. Explosive Stoff, 1969,17(1):9.

[10] Chen Shao-jie, Wu Li-zhi, Shen Rui-qi, et al. Laser driven performance of Al/Al2O3/Al multi-layer flyer[J]. Laser Physics, 2013,23(12):125002.

(責任編輯 王易難)

Initiation of HNS-Ⅳ using a laser-driven multi-layer flyer*

Chen Shao-jie, Wu Li-zhi, Shen Rui-qi, Ye Ying-hua, Hu Yan

(SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

Detonators based on laser-driven flyers are less vulnerable to the strong electromagnetic interference and can use insensitive secondary explosives as initial explosives. Additionally, this technology has advantages in terms of improved flexibility and reliability. Hexanitrostilbene (HNS-Ⅳ) is the ideal candidate for use in laser-driven flyer initiation. Experiments were carried out to study the initiation of HNS-Ⅳ with the density of 1.5 g/cm3, by using laser-driven Al/Al2O3/Al multi-layer flyers and Al single-layer flyer at different laser energies. Within 217-245 mJ laser energies, the HNS-Ⅳ can be successfully detonated by Al/Al2O3/Al multi-layer flyers, while not be detonated by Al single-layer flyers under the above laser energies.

mechanics of explosion; shock initiation; laser-driven flyer; HNS-Ⅳ; Al/Al2O3/Al

10.11883/1001-1455-(2015)02-0285-04

2013-10-30；

2014-02-14

國家自然科學基金項目(11202105)

陳少杰(1987— )，男，博士研究生; 通訊作者：吳立志,wulizhi82@163.com。

O383 國標學科代碼： 13035

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