澆注六硝基六氮雜異伍茲烷基混合炸藥驅動性能

吳亞琛， 沈忱， 孫曉樂， 焦清介， 劉海倫， 閆石

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081； 2.重慶紅宇精密工業有限責任公司， 重慶 402760)

0 引言

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是目前已投入應用的能量密度最高的單質炸藥[1]，以CL-20為基的混合炸藥具有爆速高、爆壓高的特點和較強的驅動能力，應用前景極為廣泛。

然而，CL-20自身的感度高、安全性較差，并且存在加工性能差、在混合炸藥中成型效果不佳的缺點[2]。加入合適的功能助劑有利于改善成型藥劑的感度和加工性能，但需要盡量避免混合炸藥體系能量密度降低而導致的炸藥驅動能力下降。目前國外已開展了多項CL-20混合炸藥的應用研究，CL-20已廣泛應用于多種壓裝混合炸藥中[3-4]，澆注炸藥中研究相對較少。 美國ATK公司研制的一種新型CL-20基澆注固化炸藥DLE-C038[5]，其配方為90%CL-20、10%端羥基聚丁二烯(HTPB)和PL1，密度1.82 g/cm3，實測爆速8 730 m/s，爆壓33 GPa；其感度良好，具有良好的力學性能和加工性能；美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室研制的以CL-20為基的注塑炸藥RX-49-AE[6]，裝藥密度1.80 g/cm3，爆速7 880 m/s. 國內已圍繞CL-20包覆降感、粒度配級及晶變控制等方面展開了大量工作，為CL-20基混合炸藥應用研究奠定了基礎。張樸[7]采用HTPB粘合劑研究了兩種高能炸藥配方；張偉等[8]制備了CL-20/GAP/AP/Al四元組分混合炸藥并研究了其能量釋放規律；李小東等[9]制備了一種CL-20/FOX-7基PBX炸藥并進行了性能測試，結果表明其具有較低的感度和較好的安全性；侯聰花等[10]制備了一種CL-20/TATB粘結炸藥，較不含三氨基三硝基苯(TATB)的CL-20/Estane炸藥感度有明顯降低。國內學者對澆注CL-20基炸藥的金屬驅動性能研究較少[11]。

本文制備了一種澆注CL-20試樣，簡稱為GWL，按照國家軍用標準GJB 772A—97炸藥試驗方法開展了50 mm圓筒試驗，獲得了圓筒膨脹速度時程曲線，通過數值模擬得到了GWL炸藥試樣的JWL狀態方程參數，并對比了部分同類型炸藥分析了GWL炸藥試樣的驅動特性，為后續研究提供了參數依據。

1 試驗方法和方案

1.1 試驗原料

原料：重結晶、球形化ε-CL-20，粒徑80～425 μm，遼寧慶陽化學工業公司生產；Al-Zn合金(Zn含量20%)，中位徑粒度為13 μm，唐山威豪鎂粉有限公司生產；HTPB，分子量3 000，羥值0.78 mmol/g，黎明化工研究設計院有限公司生產；甲苯二異氰酸酯(TDI)，國藥集團有限公司生產；PLAH(一種由酯類和烴類組成的復合增塑劑)，自制。

1.2 樣品制備

GWL炸藥的組成為HTPB粘合劑體系11%，CL-20含量為84%，Al-Zn合金粉體[12]為5%. 同時在相同的工藝條件下設計了無金屬粉試樣GC，組成為89%的CL-20和11%的粘合劑。兩種澆注炸藥均采用5 L捏合機工藝制備。所得試樣如圖1所示。

圖1 試樣形貌圖Fig.1 Sample morphology

1.3 機械感度測試

根據國家軍用標準GJB 772A—97炸藥試驗方法中規定的方法，對GWL炸藥試樣及GC炸藥試樣進行了包括撞擊感度和摩擦感度的機械感度測試，測試結果如表1所示。

表1 GWL和GC炸藥試樣機械感度測試

試驗結果表明，GWL炸藥試樣有著較GC炸藥試樣更低的機械感度，安全性較好。

1.4 爆轟性能測試

根據國家軍用標準GJB 772A—97炸藥試驗方法中規定的方法，測試GWL及GC炸藥試樣的爆轟性能，結果如表2所示。

表2 GWL和GC炸藥試樣爆轟性能

1.5 易損性試驗

參照國外不敏感彈藥有關試驗方法，結合《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》對GWL試樣進行快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊3項低易損性試驗。試驗所用彈體尺寸為φ120 mm×300 mm，殼體及端蓋壁厚均為3 mm，材質45號鋼；每個被測裝藥進行3發重復性試驗；試驗樣品裝藥無熱防護層。試驗條件如下：

1)快速烤燃試驗：將彈體架在燃燒槽中，向槽體內先加入水，再加入航空煤油，并利用熱電偶記錄的溫度變化；

2)慢速烤燃試驗：設定升溫速率為1.0 ℃/min，間隔1 min記錄一次溫度，直至試驗產品發生反應；

3)槍彈撞擊試驗：使用12.7 mm槍彈撞擊裝填混合炸藥的試驗產品，試驗產品距槍口的距離為80 m，子彈初速為832 m/s.

1.6 圓筒試驗

按照國家軍用標準GJB 772A—97炸藥試驗方法705.3對GWL炸藥試樣開展了50 mm圓筒試驗，試驗采用激光測速干涉儀(VISAR)記錄筒壁在距起爆端300 mm處的膨脹速度- 時間關系[13]，并在藥柱兩端貼有測試藥柱爆速的電探針。相比于使用傳統高速掃描攝影相機記錄圓筒筒壁的膨脹距離- 時間關系，使用VISAR不需要再架設相機及拍攝用爆炸光源，簡化了圓筒試驗所需試驗裝置，可靠性較高；同時，對VISAR所記錄的膨脹速度- 時間關系進行積分，同樣可以得到圓筒壁膨脹距離- 時間關系，不需要再對相機拍攝的筒壁膨脹跡線進行判讀和擬合，故本試驗不再設置高速掃描攝影相機。圖2為試驗裝置現場布置及示意圖。

圖2 使用VISAR的圓筒試驗現場裝置布置及裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram and field photo of cylinder test using VISAR device

2 試驗結果處理及討論

2.1 不敏感試驗結果

1)快速烤燃試驗。試驗共進行了3次，試驗后試樣完全反應，烤燃彈一側端蓋脫落，燃料槽體整體完好，即試樣反應等級為V類(燃燒反應)。快速烤燃試驗產品試驗后產品狀態見圖3.

圖3 快烤試驗后試樣狀態Fig.3 Sample morphology after fast cookoff test

2)慢速烤燃試驗。試驗后現場檢查試驗產品發現：試驗產品端蓋被沖開，產品整體結構完整，無撕裂、變形等現象發生，試樣反應等級為V類(燃燒反應)。慢速烤燃試驗產品試驗后產品狀態見圖4.

圖4 慢烤試驗后試樣狀態Fig.4 Sample morphology after slow cookoff test

3)槍彈撞擊試驗。試驗共進行2發，試驗后：試驗彈體均被槍彈穿透，試樣未發生反應，殼體未破裂，驗證板完好，反應等級為VI類(無反應)，反應后試樣狀態見圖5.

圖5 彈頭撞擊試驗后試樣狀態Fig.5 Sample morphology after bullet impaction test

試驗結果表明，GWL炸藥試樣在快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊考核過程中均只發生燃燒反應，表明試樣不敏感性能較好。

2.2 圓筒試驗結果

對GWL炸藥試樣進行50 mm標準圓筒試驗，得到圓筒壁的膨脹速度- 時間(u-t)關系，并對u-t關系進行數值積分，得到圓筒壁的膨脹距離- 時間((R-R0)-t)關系，如圖6所示。圖6中，R為t時刻圓筒的半徑，R0為初始狀態下的圓筒半徑。

圖6 GWL炸藥試樣圓筒壁膨脹速度和距離Fig.6 Expansion velocity and distance of cylinder wall driven by GWL

炸藥在爆炸后，CL-20分解產生的氣態爆轟產物迅速膨脹并驅動圓筒壁加速，該過程極為迅速，可在10 μs左右完成。從圖6中可以看出：圓筒開始膨脹的前15 μs內達到了終態速度的70%以上，并且在這之后保持了相當長時間的緩慢加速過程，此時炸藥內的Al-Zn粉體開始參與反應并放出大量的熱，支持爆轟產物進一步膨脹[14]；起爆后65 μs時圓筒膨脹距離達到41 mm的特征點，圓筒壁開始沿環向破裂，爆轟產物由圓筒壁內逸出，圓筒內氣體壓力迅速下降，加速過程基本結束。此時，爆轟產物相對比容V=7，圓筒壁膨脹速度達到1 730 m/s.

2.3 JWL狀態方程的確定

JWL狀態方程是基于標準圓筒試驗得到的用于描述爆轟產物狀態的物態方程。JWL方程的標準形式為

(1)

式中：p為爆轟產物的壓力(Pa);A、B、R1、R2和ω為待定參數；E為炸藥比內能(kJ)。

在等熵條件下，JWL狀態方程的等熵形式為

pe=AeR1V+BeR2V+CV-(ω+1)，

(2)

式中：C為待定系數。

相比標準形式，等熵形式的JWL狀態方程描述了等熵線上的爆轟產物p-V關系，增加了待定系數C.

(3)

(4)

(5)

式中：E0=ρ0Qc，ρ0為炸藥初始密度，Qc為炸藥爆熱。

將一組R1、R2和ω的值代入(3)式～(5)式中，就得到了一組對應的A、B和C的值，即狀態方程中只有3個參數是獨立的。確定炸藥JWL狀態方程的方法是：由以上約束關系確定一組參數的值，代入仿真軟件對圓筒試驗過程進行數值模擬計算，將計算得到的圓筒膨脹過程與圓筒試驗結果進行對比，若結果偏移較大則重新取一組R1、R2和ω的值進行計算，直到圓筒膨脹距離- 時間的數值模擬結果與試驗結果誤差不大于1%為止[16-17]。

應用有限元分析軟件Autodyn對圓筒試驗過程進行數值模擬計算，建立二維軸對稱模型如圖7所示。炸藥與圓筒均采用Lagrange計算方法，圓筒材料為TU1無氧銅，采用Grǜneisen狀態方程及Johnson-Cook強度模型[18]。定義圓筒與炸藥間的接觸為External Gap類型，在炸藥左端中心設置起爆區域，起爆方式為面起爆；在距離起爆端300 mm水平位置上的筒壁處設置觀測點1、觀測點2.

圖7 圓筒試驗有限元建模及網格劃分Fig.7 Finite element modeling and meshing of cylinder test

經過對炸藥JWL狀態方程參數的調整得到JWL狀態方程參數，其中A=1 226.9 GPa，B=41.3 GPa，R1=5.5，R2=1.8,ω=0.31. 圖8、圖9為使用JWL狀態方程參數計算得到的GWL炸藥試樣數值模擬結果和試驗結果的u-t及(R-R0)-t關系，可見圖9中兩條(R-R0)-t曲線基本擬合。

圖8 圓筒壁膨脹速度對比Fig.8 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion velocities

圖9 圓筒壁膨脹距離對比Fig.9 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion displacements

u-t曲線在特征膨脹距離(R-R0=12 mm,25 mm,38 mm,50 mm)上的特征點速度相對誤差如表3所示，其最大誤差不超過1%.

由表3可知，試驗結果與模擬計算結果符合良好，說明得到的澆注CL-20基金屬加速炸藥的JWL狀態方程參數較為準確，可以有效描述圓筒試驗過程中爆轟產物的膨脹過程。

表3 特征點速度的試驗數據與數值模擬結果對比

2.4 金屬粉對炸藥驅動圓筒能力的影響分析

通過相同的試驗條件得到GC炸藥的圓筒試驗筒壁膨脹速度時程曲線，其與GWL炸藥試樣的圓筒試驗筒壁膨脹速度時程曲線對比如圖10所示。

圖10 GWL和GC炸藥圓筒試驗筒壁膨脹速度時程曲線對比Fig.10 u-t curves of clinder wall driven by GWL and GC

從圖10中可以看出，GC炸藥曲線在膨脹初期驅動速度略微高于GWL炸藥驅動速度，而在低壓區GC炸藥驅動速度略低于GWL炸藥，這符合含鋁炸藥的能量釋放規律：爆轟初期，含鋁炸藥中的金屬粉不參與初期反應，使得炸藥能量密度被稀釋，驅動能力偏低；而在膨脹后期，金屬粉發生二次反應放熱，使得爆轟產物內能下降趨勢減緩，支持爆轟產物的膨脹過程延長。但總的來說，GC炸藥驅動破片能力與GWL炸藥非常接近，但其安全性與GWL炸藥試樣有顯著差別，說明GWL炸藥試樣達到了提高混合炸藥安全性，同時達到了其高金屬驅動力的要求，證明了GWL混合炸藥組分設計的科學性。

2.5 GWL炸藥試樣驅動性能分析

圓筒試驗得到的結果是在特定工況下炸藥驅動能力的強弱，具有相對性，為了評估GWL炸藥試樣驅動特性，需提供比較性的參照。在得到GWL炸藥的JWL狀態方程參數的基礎上，通過數值模擬方法對不同裝藥下的圓筒試驗過程進行計算，從而通過比較得到相對性的結論。選取的炸藥及其性能參數見表4，其中，LX-14炸藥配方為HMX∶Estane=95.8∶4.2，是美軍上一代HMX基炸藥，其加工性能好、安全性高，并且有著第二代炸藥中較為優秀的驅動能力，爆速與GWL炸藥試樣相近；C-1炸藥配方為CL-20∶粘結劑=95.5∶4.5，是CL-20基壓裝炸藥，是現階段我國爆轟性能最強的常規炸藥之一，其爆轟性能對比如表4所示。

表4 GWL、LX-14和C-1炸藥的爆轟性能對比

通過對3種裝藥的圓筒試驗過程進行數值模擬，所用JWL狀態方程參數如表5所示。得到GWL炸藥與3種裝藥驅動圓筒的膨脹速度時程關系對比如圖11所示。由圖11可見，C-1炸藥由于密度及爆速較高，驅動性能明顯優于其他兩種炸藥，終態膨脹速度比LX-14炸藥高4.8%，比GWL炸藥高2.1%. 比較LX-14炸藥和GWL炸藥的驅動圓筒加速過程發現，起爆后70 μs前LX-14炸藥驅動圓筒膨脹速度高于GWL炸藥，這主要是因為GWL炸藥中的金屬粉在爆轟初期不參與反應，反而稀釋了爆轟產物能量密度，使得在高壓區內GWL炸藥驅動能力弱于LX-14炸藥；而在70 μs后，鋁粉在反應區內的二次反應放熱支持GWL炸藥爆轟產物進一步驅動圓筒壁，而此時LX-14炸藥已基本反應完全，故GWL炸藥最終驅動速度比LX-14炸藥高2.6%.

表5 GWL、LX-14和C-1炸藥的JWL狀態方程參數

圖11 GWL、LX-14和C-1炸藥筒壁膨脹速度對比Fig.11 u-t curves of clinder wall driven by GWL, LX-14 and C-1

對GWL炸藥驅動能力進行對比研究可知，GWL炸藥在膨脹初期驅動性能略低于LX-14炸藥，而由于鋁粉的存在，使得其驅動筒壁膨脹最終速度略高于LX-14炸藥；GWL炸藥驅動效果明顯低于C-1炸藥，這是因為GWL炸藥密度和CL-20含量都遠低于C-1炸藥，同時GWL還有著更好的安全性。綜上所述，GWL炸藥是一種在保證良好安全性的前提下，驅動性能較好的CL-20基澆注炸藥。

3 結論

1)制備了一種澆注CL-20基金屬加速炸藥試樣GWL，含有84%的CL-20、9%粘合劑體系和5%的Al-Zn合金粉體，其實測密度1.78 g/cm3以上，爆速為8 750 m/s，爆壓為33.21 GPa，體積能量密度11.28 kJ/mm3；其藥漿流動性較好，較壓裝CL-20基混合炸藥有著更好的加工性能；在快速烤燃、慢速烤燃及子彈撞擊不敏感性試驗中均無爆炸現象發生，不敏感性良好。

2)采用50 mm標準圓筒試驗測試了GWL炸藥的驅動性能，并通過數據模擬得到了澆注CL-20基金屬加速混合炸藥的JWL狀態方程參數；對比不含金屬粉的GC炸藥，GWL炸藥驅動性能基本一致，表明添加Al-Zn合金粉對炸藥的驅動能力影響較小。

3)通過數值模擬手段對比分析了GWL炸藥與兩種性能接近的炸藥的驅動性能，結果表明GWL炸藥驅動金屬破片的終態速度比C-1炸藥低2.1%，比LX-14炸藥高2.6%，具有良好的驅動性能。