新型高能鈍感炸藥JBO-9X在較高沖擊壓力下沖擊起爆過程的實驗研究

張　濤，谷　巖，趙繼波，賀紅亮，劉高旻，伍　星

(1. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900； 2. 中國工程物理研究院

總體工程研究所，四川綿陽621900)

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新型高能鈍感炸藥JBO-9X在較高沖擊壓力下沖擊起爆過程的實驗研究

張濤1，谷巖1，趙繼波1，賀紅亮1，劉高旻1，伍星2

(1. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽621900； 2. 中國工程物理研究院

總體工程研究所，四川綿陽621900)

摘要：采用高速掃描相機和楔形炸藥構型，對新型高能鈍感炸藥JBO-9X的沖擊起爆過程進行了實驗研究；采用LS-DYNA軟件對實驗結果進行了數值模擬驗證。結果表明，在6.9GPa的入射沖擊壓力下，JBO-9X炸藥的沖擊轉爆轟時間為1.5μs，沖擊到爆轟的距離為7.9mm；當沖擊波剛進入炸藥時，炸藥發生化學反應的比例(λ)為0.2，隨著沖擊波進入炸藥的距離增加，受試炸藥中發生化學反應的比例逐步增加。在實驗條件下，入射沖擊波壓力為6.85GPa時，JBO-9X炸藥的沖擊到爆轟距離為8.0mm。化學反應比例隨沖擊波進入炸藥距離的增長曲線與實驗基本相同。

關鍵詞：爆炸力學；JBO-9X；高能鈍感炸藥；沖擊起爆；高速掃描相機；沖擊波；LS-DYNA軟件

引言

鈍感高能炸藥在較高沖擊壓力下的沖擊起爆性能和表征方法已成為反導戰斗部破片和炸藥安定性研究的重要內容，研究炸藥的沖擊起爆過程對深入了解炸藥的起爆機理及提高化爆安全性有非常重要的意義。三氨基三硝基苯(TATB)是常用的高能鈍感炸藥，研究TATB及以TATB為基炸藥的爆轟性能，特別是沖擊起爆性能受到國內外學者的重視[1-4]。R. L. Gustavsen等[5]利用組合式電磁粒子速度計對不同初始沖擊壓力下的TATB基炸藥LX-17和PBX9502的波后粒子速度和沖擊波/爆轟波速度剖面進行了測量，得到表征兩種炸藥沖擊起爆性能的壓力-沖擊到爆轟距離的關系，并采用三項式點火增長模型對兩種炸藥的化學反應過程進行了數值模擬。Viviane Bouyer等[6]采用化爆和激光干涉測速技術研究了TATB基炸藥T2和TATB-HMX混合基炸藥TX1與LiF窗口的界面粒子速度剖面，從而根據爆轟波波后粒子速度剖面研究了兩種炸藥的化學反應區結構。夏先貴等[7]采用一級輕氣炮作為加載手段，采用錳銅計對TATB基炸藥JB-9014與碰撞界面的壓力剖面進行了測量，利用瑞利線和產物的雨貢紐曲線相切的辦法，確定了JB-9014炸藥的SDDT曲線和不同壓力下的沖擊起爆閾值。Kevin S Vandersall等[8]研究了TATB基炸藥RX-03-GO在7~11GPa沖擊壓力下的沖擊到爆轟距離，通過數值模擬對其化學反應率方程的參數進行了標定。

國內外在鈍感炸藥沖擊起爆方面的研究還局限于化學反應率模型及不同初始沖擊段壓力-沖擊到爆轟距離的研究，對于鈍感炸藥在沖擊作用下的化學安定性和表征方法的研究較少。

本研究以一種以TATB為主裝藥的新型高能鈍感炸藥JBO-9X為對象，采用高速掃描相機對JBO-9X炸藥在較高入射壓力下的沖擊起爆行為進行了實驗研究。獲得了入射沖擊壓力為6.9 GPa時JBO-9X炸藥中的化學反應比例隨沖擊波位置的關系，通過數值模擬對結果進行了驗證，提出以化學反應比例作為沖擊作用下炸藥安定性的表征指標，為研究炸藥在沖擊作用下的安定性提供參考。

1實驗

1.1樣品

平面波透鏡的主裝藥為RHT-901，主要成分為RDX/TNT(質量比為60∶40)；傳爆藥JO-9159以HMX為基， HMX與黏結劑的質量比為95∶5；主裝藥和受試炸藥JBO-9X以TATB為基，含有少量高品質HMX；鎢合金為鎢鎳鐵合金。

1.2實驗裝置及測試方法

實驗裝置及測試系統如圖1所示，實驗裝置由雷管、平面波透鏡、傳爆藥、主裝藥、金屬衰減層、楔形受試炸藥和觀察窗口組成。測試系統由計算機控制程序、相機控制單元、電磁快門控制器及高速掃描相機組成。實驗裝置各部分具體參數如表1所示。

高速掃描相機轉速為1.2×105r /min，掃描速度為6mm/μs，時間分辨率為8.3ns，狹縫寬度設置為0.05mm，總記錄時間為12μs。

實驗過程中，相機控制單元向高壓脈沖發生器輸出起爆信號，起爆26號雷管，同時向電磁快門控制器輸出一路啟動信號，并向高速掃描相機輸出轉鏡驅動信號啟動相機。26號雷管起爆平面波透鏡產生平面沖擊波，平面沖擊波起爆傳爆藥并起爆JBO-9X主裝藥，主裝藥與鎢合金衰減層緊密接觸，通過衰減后，沖擊波進入JBO-9X楔形受試炸藥，楔形受試炸藥與觀察窗口之間的預留空氣隙在沖擊波/爆轟波作用下發光，高速掃描相機記錄沖擊波/爆轟波傳播距離與傳播時間的跡線，通過跡線分析可以得到沖擊轉爆轟時間、沖擊起爆沖擊段沖擊波和穩定爆轟段爆轟波的傳播速度等信息。

圖1　實驗裝置及測試系統示意圖Fig.1　The sketch of experiment set and measuring system

部件材料尺寸/mm密度/(g·mm-3)平面波透鏡RHT-901Φ100傳爆藥JO-9159Φ100×101.840主炸藥JBO-9XΦ100×301.905鎢合金W-Ni-Fe合金Φ100×6.0819.20受試炸藥JBO-9X30°×35×501.905

2結果及分析

2.1沖擊波進入受試炸藥的運動特性

高速掃描相機的測試結果如圖2所示。從圖2可以看出，當入射沖擊波進入受試楔形炸藥后，空氣隙開始發光，跡線線寬較窄，經過一段較為明顯的加速段(圖中跡線顏色較淺，寬度較窄)，沖擊波轉化為爆轟波，因為有爆轟產物持續發光，所以跡線加粗，爆轟段的跡線斜率保持不變，即爆轟波傳播速度保持恒定。對圖2所示的測試結果進行數字化分析可以得到沖擊段的平均波速(Ds)為5.810mm/μs，爆轟段爆轟波的速度(Dd)為8.019mm/μs。沖擊轉爆轟的時間為1.5μs，從沖擊波進入受試楔形炸藥到炸藥爆轟，沖擊波在傳播方向運動的距離為7.9mm。

圖2　高速掃描相機測試結果Fig.2　Test result of high speed scanning camera

2.2沖擊波進入受試炸藥的化學反應比例分析

將高速掃描相機得到的沖擊波/爆轟波傳播距離隨時間的變化曲線對時間進行微分，得到沖擊波/爆轟波速度隨時間的變化曲線，如圖3所示。

圖3　受試炸藥中沖擊波/爆轟波波速與時間的關系曲線Fig.3　The velocity-time curve of shock/detonationwave in the tested explosive

從圖3可以看出，進入楔形炸藥的沖擊波波速為4.15mm/μs，隨著時間的增加，沖擊波傳播速度不斷增加，是由于沖擊波在楔形炸藥中的傳播過程中，會有部分受試炸藥發生化學分解釋放能量，從而使沖擊波強度增大，速度加快，沖擊波強度增加又會造成受試炸藥發生化學反應的比例進一步增多，從而在0~1.5μs出現沖擊波加速段，直至1.5μs時受試炸藥發生穩定爆轟。

當進入受試炸藥的沖擊波波速(Ds)為4.15mm/μs時，根據受試炸藥的未反應炸藥雨貢紐曲線(見式(1))、初始密度及沖擊波動量守恒定理(式(2))，計算得到入射沖擊壓力為6.9GPa。

Ds=1.43+3.10Us

(1)

(2)

式中：Ds為進入受試炸藥的沖擊波波速，mm/μs；Us為沖擊波波后粒子速度，mm/μs；p為進入受試炸藥的沖擊波壓力，GPa；ρ0為受試炸藥的初始密度，g/cm3。

化學反應比例(λ)定義為：炸藥在沖擊過程中釋放能量與穩定爆轟時釋放能量的比值。當沖擊波進入受試炸藥后，受試炸藥發生化學分解釋放能量，其與波后粒子速度(Us)所含動能的關系如式(3)所示[9]，將沖擊過程中炸藥釋放的能量(Qs)和穩定爆轟時炸藥釋放的能量(QD)分別用波后粒子速度Us和UD表示，得到Qs與QD的關系，既化學反應比例(λ)的表達式，見式(4):

(3)

(4)

式中：Us為炸藥發生部分化學反應的波后粒子速度，mm/μs；UD為穩定爆轟時的波后粒子速度，mm/μs；Qs為單位質量炸藥發生部分化學反應釋放的能量，MJ/g；QD為單位質量炸藥發生穩定爆轟時釋放的能量，MJ/g；k為炸藥化學反應產物的比熱比。

根據炸藥的分子結構式，炸藥發生部分化學反應或完全爆轟后的產物主要包括H2O、CO2、CO、N2、C、O2，而這些產物的等熵指數分別為1.9、4.5、2.85、3.7、3.55、2.45，不同反應比例下各組分質量比有所不同，因此其等熵指數變化較小。部分炸藥發生化學反應與理想爆轟狀態下二者的(k+1)/(k-1)差異一般小于10%，在炸藥的爆轟或爆炸研究中可以認為近似相等。

將式(1)所示受試炸藥的未反應炸藥雨貢紐曲線代入式(4)，即可得到化學反應比例與沖擊波速度的關系式(5)，其中根據圖2所示的測試結果進行數字化分析得到JBO-9X的穩定爆轟波波速(DD)為8.019mm/μs。

(5)

根據式(4)和式(5)即可計算得到受試炸藥中化學反應比例(λ)與沖擊波進入受試炸藥距離(x)的關系曲線，如圖4所示。由圖4可以看出，當入射沖擊波壓力進入炸藥時，λ為0.24，表明JBO-9X炸藥在入射沖擊波壓力下已有部分發生化學反應。沖擊波進入炸藥的初始階段(x<5mm)，λ從0.24增至0.45，增長較緩；當x>5mm后，λ值快速增加，在x從5mm增至7.9mm的過程中，λ從0.45增至1，x為7.9mm時發生穩定爆轟。

圖4　受試炸藥中化學反應比例與沖擊波位置的關系曲線Fig.4　Relationship curve between the chemical reactionratio and the shock wave position in the tested explosive

3數值模擬

3.1計算模型

應用三維有限元流體動力學程序ANSYS/LS-DYNA對與本實驗相同狀態下JBO-9X炸藥的沖擊起爆過程進行了數值模擬。

二維簡化模型如圖5所示。其中裝置周圍采用自由邊界。起爆藥JO-9159藥柱尺寸為Φ100mm×10mm，反應產物的狀態方程采用式(6)所示的JWL狀態方程[10]；主裝藥和受試炸藥JBO-9X尺寸分別為Φ100mm×30mm和Φ100mm×35mm，化學反應率方程采用式(7)所示的Ignition and growth模型[10]，未反應炸藥和產物的狀態方程采用式(6)所示的JWL狀態方程；衰減層鎢合金尺寸為Φ100mm×6mm，采用式(8)所示的GRUNEISEN狀態方程[10]。在受試炸藥與鎢合金衰減層界面0、4、6、8、10、12、14、16、18mm處分別對應設置1~9號虛擬測試點，探測波后粒子的速度剖面。

圖5　JBO-9X炸藥沖擊起爆過程的計算模型Fig.5　The calculation model of the shock initiation process of JBO-9X explosive

JWL狀態方程如下

(6)

式中：A、B、C、R1、R2、ω為常數；v為相對體積，v=v1/v0=ρ0/ρ1。

Ignition and growth模型如下

dF/dt=I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+

G1(1-F)cFdpy+G2(1-F)eFfpz

(7)

式中：a為臨界壓縮度，用于限制點火界限，當壓縮度大于a，即當沖擊波的強度足夠強時，炸藥達到一定的壓縮度時才會發生點火；通常情況下，燃燒項指數y=1,代表爆燃過程，點火和燃燒項的燃燒階數b=c=2/3，表示向內球形顆粒的燃燒；參數I和x控制點火熱點的數量，點火項是沖擊波強度和壓力持續時間的函數；G1和d控制了點火后熱點早期的反應增長；G2和z確定了高壓下的反應速率。

GRUNEISEN狀態方程(壓縮材料)如下

(8)

式中：μ為壓縮程度，μ=v/v0；C為物質中的聲速；S1、S2、S3為us-up曲線斜率的系數；γ0為GRUNEISEN系數；a為對γ0的一階修正；P為壓力，ρ0為初始密度；E為產物內能。

根據計算模型中不同部分材料的性質和尺寸選取不同的狀態方程后，即可根據各部分成分組成尋找相同或相似材料的狀態方程參數。

JO-9159炸藥與LX-10炸藥的成分相同，其爆轟產物JWL狀態方程的各個參數值見表2[7]；JBO-9X炸藥的Ignition and growth模型的各個參數參照PBX9501[11]和PBX9502[12]炸藥，以PBX9502炸藥作為基本參數，參照PBX9501進行修正，并與激光干涉測速技術獲取的波后粒子速度剖面進行對比，見表3；鎢合金的GRUNEISEN狀態方程參數見表4[13]。

表2　JBO-9X未反應炸藥及JBO-9X和JO-9159炸藥爆轟產物的狀態方程參數

表3　JBO-9X的點火增長模型參數

表4　鎢合金的狀態方程參數

3.2數值模擬結果分析

將表2~表4的狀態方程參數和化學反應率參數帶入模型進行計算，結果如圖6所示。

圖6　受試炸藥中不同位置波后粒子速度Fig.6　The particle velocity after shock wavein the tested explosive

由圖6可以看出，當以JBO-9X作為主炸藥產生的沖擊波經過6mm鎢合金衰減后作為受試JBO-9X炸藥的入射沖擊波時，受試JBO-9X炸藥在初始入射沖擊波后的粒子速度為0.86mm/μs，根據式(1)和式(2)可得入射壓力為6.85GPa，沖擊轉爆轟發生在略大于4號虛擬測試點處，所以沖擊到爆轟的距離約為8mm，由于在沖擊轉爆轟點的波后粒子速度有一定幅度的震蕩，所以通過波后粒子速度剖面確定沖擊轉爆轟點，從而獲得精確的沖擊轉爆轟距離較為困難。

3.3實驗結果與模擬結果的對比

受試炸藥中的沖擊波速度剖面及化學反應比例實驗結果和模擬結果對比曲線見圖7。由圖7(a)可看出，進入受試炸藥的沖擊波波速為4.22mm/μs，沖擊波在受試炸藥中傳播時，會有部分炸藥發生化學分解釋放能量，使沖擊波強度增大，沖擊波速度加快，沖擊波強度增加又會造成受試炸藥化學反應比例進一步增多，從而形成圖7(a)所示9.0~10.5μs沖擊波加速段和圖7(b)所示0~8mm化學反應比例增加段，直至受試炸藥發生穩定爆轟，此時爆轟波速度和化學反應比例趨于穩定。模擬結果與實驗結果雖然存在一定誤差，但總體趨勢相同，說明模擬結果可以正確反映受試炸藥沖擊波傳播的實際物理過程。

圖7　受試炸藥中沖擊波速度剖面實驗結果和化學反應比例實驗結果與模擬結果的對比曲線Fig.7　Comparison curves of the experimental results and the simulated ones of shock wave velocity profileand chemical reaction ratio in the tested explosive

3結論

(1)實驗結果表明，受試JBO-9X炸藥在6.9GPa的入射沖擊波壓力下，沖擊到爆轟的距離為7.9mm；沖擊波進入受試炸藥后，炸藥的化學反應比例不斷增加，尤其是沖擊波進入炸藥5mm后，隨著沖擊波在炸藥中運動距離的增加，炸藥的化學反應比例快速增加，直至7.9mm處炸藥完全爆轟。

(2)模擬結果表明，進入受試JBO-9X炸藥的入射沖擊波壓力為6.85GPa，沖擊到爆轟的距離為8.0mm左右；沖擊波進入受試炸藥后，炸藥的化學反應比例不斷增加，在沖擊波進入炸藥約4.5mm后，受試炸藥的化學反應比例快速增加，直至8.0mm處，炸藥發生完全爆轟，化學反應比例為100%。

(3)實驗結果和模擬結果對比說明，通過將高速掃描相機獲得的沖擊波跡線對時間進行微分得到的沖擊波速度-時間曲線，與根據波后粒子速度和雨貢紐曲線擬合得到的沖擊波速度-時間曲線吻合較好，沖擊波進入受試炸藥后的化學反應比例隨沖擊波位置的變化曲線也吻合較好。

(4)化學反應比例可以作為炸藥沖擊起爆研究中炸藥安定性的指標，該指標可以通過沖擊波速度或波后粒子速度經過轉化獲得。

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Experimental Study on Shock Initiation Process of a New Insensitive High Explosive JBO-9X under High Impact Pressure

ZHANG Tao1, GU Yan1, ZHAO Ji-bo1, HE Hong-liang1, LIU Gao-min1, WU Xing2

(1. Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China；2. Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:A high-speed scanning camera and wedge-shaped explosive configuration were used to study the shock initiation process of a new insensitive high explosive JBO-9X. The experimental results were numerically simulated and verified by LS-DYNA software. Results show that under the incident shock pressure of 6.9GPa, the time of shock to detonation of JBO-9X is 1.5 μs and the distance of shock to detonation is 7.9mm. When the shock wave just goes into the explosive, the ratio of occurred chemical reaction (λ) is 0.2.With increasing the distance of shock wave entering the explosive, the ratio of the chemical reaction occurred in the tested explosive increases gradually. Under the experimental conditions, when the incident shock pressure is 6.85GPa, the distance of shock to detonation of JBO-9X is 8.0 mm. The growth curve of chemical reaction ratio with the distance of the shock wave entering the explosive is basically the same as the experiment.

Keywords:explosion mechanics; JBO-9X；insensitive high explosive; shock initiation; high-speed scanning camera; chock wave; LS-DYNA software

中圖分類號：TJ55；TD235.1+2

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)01-0028-06

作者簡介:張濤(1988-)，男，碩士研究生，研究實習員，從事爆轟物理研究。E-mail：zhangtao102@caep.cn通訊作者:谷巖(1963-)，男，研究員，從事爆轟物理研究。E-mail: guyan@caep.cn

基金項目:國家安全學術基金(U1230116)

收稿日期:2015-10-13；修回日期:2015-11-12

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.004