CL-20混合炸藥的爆轟波結構*

劉丹陽,陳 朗,王 晨,張連生

(北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室，北京 100081)

CL-20混合炸藥的爆轟波結構*

劉丹陽,陳 朗,王 晨,張連生

(北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室，北京 100081)

基于爆轟數值模擬計算，分析了CL-20混合炸藥爆轟反應的特征，設計了炸藥與窗口的界面粒子速度測量實驗裝置；采用激光干涉法，測量了C-1炸藥(CL-20/粘合劑/94/6)與窗口的界面粒子速度;運用先求導、再分段擬合的方法，對界面粒子速度隨時間的變化曲線進行了數據處理，確定了炸藥爆轟CJ點對應的時間位置；根據CJ點對應的粒子速度，計算獲得了炸藥的爆轟反應區寬度和CJ爆轟壓力。結果顯示：密度為1.943 g/cm3的C-1炸藥的爆轟反應時間為38 ns，CJ壓力為34.2 GPa。

爆炸力學；爆轟反應區；激光干涉法；CL-20混合炸藥;

CL-20炸藥爆速快，爆壓高，但爆轟反應時間短，這給觀測其爆轟波結構帶來困難。采用激光干涉法觀測炸藥與窗口的界面粒子速度，是分析炸藥爆轟波結構的主要方法之一。該方法把界面粒子速度隨時間的變化與ZND爆轟模型中的壓力分布假設相對應，將速度曲線中出現的速率變化折點看作爆轟波結構中的CJ點，從而得出爆轟反應結束時間，確定出爆轟反應區寬度。W.L.Seitz等[1]采用Fabry-perot激光速度干涉儀，分別測量TATB炸藥與氟化鋰和有機玻璃界面的粒子速度，結合數值模擬分析TATB爆轟波結構。S.A.Sheffield等[2]采用光學記錄速度干涉儀獲得了炸藥與水界面粒子速度在500 ns之內的變化。韓勇等[3]采用激光位移干涉儀，測量了PETN和TNT炸藥與有機玻璃界面粒子速度，通過計算爆轟產物等熵線與有機玻璃雨貢紐曲線交點的粒子速度，找到實驗測量粒子速度曲線上的對應值，確定炸藥到達CJ點的時間。

目前，在激光干涉測量中，數據點的采樣時間間隔大多在2 ns到10 ns之間，可以滿足絕大部分炸藥的測量需求。如果依賴于直接觀察法[4]，即從曲線上直接讀取速度變化拐點，并定義為CJ狀態點，可分析炸藥的爆轟波特性。然而，對于反應時間小于100 ns的高能炸藥，如CL-20、HMX等，從上述采樣頻率下獲得的粒子速度曲線上直接判斷爆轟CJ點會有一定困難。B.G.Loboiko等[5]提出了先對速度-時間曲線求導，再對獲得的速度導數曲線進行分段線性擬合的方法，將粒子速度變化趨勢通過2個不同的函數表示，認為2個函數的交點就是CJ點。

本文中，通過爆轟數值模擬，分析CL-20混合炸藥的爆轟反應特征，設計炸藥與窗口的界面粒子速度測量實驗裝置。采用激光位移干涉儀，測量C-1炸藥(CL-20/粘合劑/94/6)與窗口的界面粒子速度隨時間的變化。用先求導、再分段擬合的方法，確定界面粒子速度-時間曲線上CJ點對應的時間位置；基于ZND爆轟模型，分析C-1炸藥的爆轟反應區寬度和爆轟壓力。

1 實驗裝置設計

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

測量炸藥與窗口界面粒子速度的實驗裝置如圖1所示，由雷管、加載炸藥、被測炸藥和透明窗口等組成。透明窗口與炸藥的接觸面鍍有一層金屬薄膜，用于反射激光信號。實驗中，首先由雷管起爆加載炸藥，加載炸藥爆炸引爆被測炸藥。采用激光位移干涉儀，記錄被測炸藥與測試窗口的界面粒子速度。激光探頭發出激光束，透過透明窗口照射于炸藥與窗口界面的中心位置。通過接收金屬薄膜反射的激光，獲得金屬薄膜速度變化信息。由于金屬薄膜很薄，可以認為金屬薄膜速度與炸藥粒子速度一致。實驗時在加載炸藥和被測炸藥之間放置一個電離探針，用于給出激光位移干涉儀啟動信號。

在實驗中需要選擇合適的炸藥尺寸，確保爆轟波在到達測量點時已成長為穩定爆轟波，并且不受稀疏波影響。為此，采用LS-DYNA有限元分析軟件對炸藥爆轟進行數值模擬，對實驗裝置中的炸藥尺寸進行設計。根據實驗裝置的結構特征，建立了二維軸對稱計算模型。模型由加載炸藥柱、被測炸藥柱及透明窗口組成。把加載炸藥上表面中心點設為起爆點，代替雷管。采用高能炸藥材料模型和JWL狀態方程描述加載炸藥，采用彈塑性流體力學材料模型和Grüneisen狀態方程描述窗口材料[6]。采用點火增長反應速率方程和JWL狀態方程描述CL-20混合炸藥。點火增長反應速率方程為[7]：

(1)

式中:λ為炸藥反應度，t為時間，ρ為密度，ρ0為初始密度，p為壓力，I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為常數。CL-20混合炸藥的方程參數選用LX-19炸藥(CL-20/Estane/95.8/4.2)的方程參數[8]。

圖2 炸藥內部壓力歷史隨軸向距離的變化Fig.2 Internal pressure history of explosivevaried with axial distances

當加載炸藥為JO-9159(HMX/粘合劑/95/5)，其藥柱尺寸為?20 mm×20 mm，被測炸藥柱尺寸為?20 mm×20 mm，窗口材料尺寸為?20 mm×10 mm時，圖2為計算得到的距離起爆面不同距離下LX-19炸藥內部的壓力變化。從圖2可看出，炸藥內部在距離起爆面3 mm處已成長為穩定爆轟波。圖3為計算得到的在爆轟波到達與窗口界面時炸藥軸向剖面的壓力分布。由圖3可看出，爆轟波在以中心測量點為圓心、半徑為4 mm的圓面范圍內未受到稀疏波的影響，而照射到測量點的激光束直徑小于0.5 mm。因此，在上述炸藥尺寸條件下，實驗裝置能夠滿足實驗要求。

根據計算結果開展實驗，其中1發實驗的照片如圖4所示。實驗中，加載炸藥JO-9159的密度為1.78 g/cm3；被測炸藥為C-1炸藥(CL-20/粘合劑/94/6)，共進行了2發實驗，第1發實驗中被測炸藥密度為1.943 g/cm3，第2發實驗中被測炸藥密度為1.940 g/cm3；測試窗口材料為LiF(氟化鋰)，密度為2.63 g/cm3；金屬薄膜為鋁膜，厚度為0.6 μm。激光位移干涉儀的激光波長為1 550 nm。實驗結果經處理后，時間分辨率為5 ns。

圖3 炸藥軸向剖面的壓力分布 Fig.3 Pressure distribution of explosive on axial section

圖4 實驗裝置照片Fig.4 Photo of experimental setup

2 實驗結果與分析

在爆炸沖擊波作用下，LiF窗口的折射率發生改變，使得激光速度干涉儀測得的界面粒子速度ua與界面粒子速度的真實值up存在一定差異[9]，但在一定壓力范圍內，可認為兩者是線性關系，在激光波長為1 550 nm時,該關系式為[10]：

up=ua/1.267 8

(2)

圖5為經過式(2)修正及數據平滑處理后的C-1炸藥與LiF窗口的界面粒子速度曲線。從圖5可以看出，第2發實驗僅記錄到200ns的有效信號，但在記錄的時間內，2條曲線的數值和變化趨勢幾乎相同，說明實驗有較好的重復性。本文中主要對第1發實驗結果進行分析，從圖中可以看出，炸藥爆轟波到達LiF窗口界面時，粒子速度先是瞬間達到最大值，然后在很短時間內快速下降，最后在較長時間內以相對平緩的速度下降。在ZND模型中，爆轟波由前導沖擊波和緊跟在后面的化學反應區構成：由于前導沖擊波的作用，粒子速度會在瞬間達到最大值；之后，炸藥發生化學反應，粒子速度快速下降；當炸藥反應結束時，到達爆轟CJ點，進入爆轟產物等熵膨脹階段，粒子速度相對緩慢下降。因此，在分析炸藥與窗口界面粒子速度曲線時，確定CJ點位置是分析炸藥爆轟波結構的關鍵。

從圖5中的炸藥粒子速度曲線，直接判斷CJ點的位置有一定困難。因此，基于ZND爆轟模型假設，采用G.B.Loboiko等[5]提出的對曲線求導的計算方法，確定爆轟CJ點的位置。

在半對數坐標系下，對速度-時間曲線取導數，粒子速度曲線的變化規律就體現成了可以近似成2條相交的直線，并且對應爆轟產物等熵膨脹區的直線斜率幾乎為零。2條直線的交點即為CJ點，從而可以得出炸藥的爆轟反應時間tCJ。按照上述方法，對第1發實驗C-1炸藥的粒子速度曲線進行處理，結果如圖6所示。

圖5 C-1炸藥與窗口的界面粒子速度Fig.5 Particle velocity at C-1-LiF interfacevarying with time

圖6 C-1炸藥粒子速度導數-時間曲線Fig.6 Derivative of particle velocity at C-1-LiF interfacevarying with time

對圖6中擬合出的2條直線積分，可知在CJ點前后界面粒子速度up隨時間的變化規律為：

(3)

式中：u11、u12、up0、u′、τ為擬合過程中形成的系數。

已知在ZND爆轟模型中，前沿沖擊波與爆轟反應區按爆速D沿炸藥傳播，則炸藥的反應區寬度x0可以近似為[11]：

(4)

根據Goranson公式和LiF晶體的Hugoniot關系可知壓力p與界面粒子速度up的關系為[12]：

(5)

圖7 C-1炸藥與LX-19炸藥窗口界面粒子速度曲線對比Fig.7 Comparison of particle velocity curves at explosive-LiF interfaces between C-1 and LX-19

式中：ρ0為被測炸藥的初始密度，g/cm3；ρm0為窗口材料的初始密度，g/cm3；界面粒子速度up和爆速D的單位均為km/s，壓力p的單位為GPa。

通過電探針法測得密度為1.943 g/cm3的C-1炸藥的爆速為9 100 m/s。由式(3)～(5)得到的C-1炸藥的爆轟反應區參數如表1所示。考慮到實驗數據的離散性，CJ時刻的粒子速度up,CJ取式(3)2條擬合曲線的交點，為1 817 m/s。將C-1的實驗結果與LX-19的模擬計算結果相對比，結果如表1及圖7所示。計算中，將炸藥反應度λ從0到1的時間定義為反應時間，粒子速度從峰值經反應時間后達到的速度為CJ速度。

從表1可以看出，C-1炸藥的爆轟反應時間很短，只有38 ns，而實驗中的時間分辨率為5 ns，這使測量到的炸藥反應區內的數據點很少，給判斷CJ點的位置造成了困難，而由于反應區內粒子速度變化很快，實驗中很可能沒有測量到粒子速度的最大值，因此，還需要進一步提高測量系統的時間分辨率。從表1和圖7可以看到：C-1炸藥的爆轟反應區參數與LX-19炸藥的接近，2種炸藥粒子速度隨時間的變化規律也基本一致；在炸藥爆轟反應區，C-1炸藥的粒子速度略低于LX-19炸藥的粒子速度，C-1炸藥的粒子速度峰值為2 050 m/s，低于LX-19炸藥的2 388 m/s，在CJ點后2種炸藥反應產物的粒子速度基本相同。

表1 炸藥爆轟反應區參數Table 1 Parameters for reaction zones of explosives

3 小 結

(1)采用點火增長模型對CL-20混合炸藥爆轟過程進行數值模擬，設計了CL-20混合炸藥與窗口的界面粒子速度測量實驗。

(2)根據計算設計的實驗裝置，采用激光干涉法獲得了C-1炸藥與LiF窗口的界面粒子速度隨時間的變化曲線。數據處理結果顯示，密度為1.943 g/cm3的C-1炸藥的爆轟反應時間為38 ns，反應區寬度為0.27 mm，CJ壓力為34.2 GPa。

(3)由于CL-20混合炸藥爆轟反應時間很短，還需要進一步提高測量系統的時間分辨率，從而提高其測量精度。

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(責任編輯 張凌云)

Detonation wave structure of CL-20 composite explosive

Liu Danyang, Chen Lang, Wang Chen, Zhang Liansheng

(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The detonation reaction of CL-20 composite explosive was numerically simulated to analyze its detonation reaction characteristics, and then an experimental setup was designed for measuring the particle velocity at the explosive-window interface. The laser interference method was used to measure the particle velocity at the interface between the LiF window and the C-1 explosive, and ninety-four percent of the C-1 explosive is CL-20 and six percent is binder by weight. And the measured particle velocity-time curves were processed by the method of derivation and piecewise fitting to determine the corresponding CJ point. According to the corresponding CJ velocity, the reaction time and CJ pressure were determined. The detonation reaction time of the C-1 explosive with the density of 1.943 g/cm3is 38 ns and the CJ pressure is 34.2 GPa.

mechanics of explosion; detonation reaction zone; laser interference method; CL-20 composite explosive

10.11883/1001-1455(2016)04-0568-05

2015-01-06；

2015-05-27

劉丹陽(1991— )，女，博士研究生;

陳 朗，chenlang@bit.edu.cn。

O382.1國標學科代碼：13035

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