不同炸藥在激光輻射下響應特性

牛國濤， 趙生偉， 金大勇， 曹少庭， 牛 磊

(1.西安近代化學研究所， 西安 710065； 2.西北核技術研究所， 西安 710024)

炸藥的激光點火通常認為是一個光能轉換為熱能的過程，炸藥吸收光能后，溫度升高，當達到點火溫度時，炸藥發生燃燒或爆炸。激光的能量在其傳播方向的橫截面上呈高斯分布，在光斑中心處的能量流密度最大，所以利用激光對炸藥進行輻射，不僅可以研究炸藥的激光點火機理，而且對研究炸藥的激光感度、激光作用下炸藥的易損性、武器的激光防護等有重要的意義。激光燒蝕激發炸藥反應的一系列實驗涉及的炸藥量在毫克量級，同時激光提供的能量和作用區可以精確控制，中外已用于炸藥反應動力學研究，Roy等[1]觀測了激光燒蝕含鋁炸藥后產生的沖擊波傳播，并測量了波后瞬態溫度的空間分布；Gottfired等[2]對鋁等多種金屬基底的黑索金(RDX)粉末進行了激光燒蝕，提供了不同金屬材料的激發效率和溫度效果；伍俊英等[3-6]研究了在飛秒激光作用下RDX和奧克托今(HMX)燒蝕的微觀機理，當激光能量較高時，炸藥分子瞬時分解成高溫高壓等離子體，當激光能量較低時，炸藥分子以完成氣化擴散逃逸；對LX-17和LX-10炸藥進行了激光燒蝕進行了數值計算，結果表明燒蝕產物等離子體和激光作用區外附近炸藥的初始壓力較高；并研究了飛秒激光加工炸藥的安全性；劉嘉錫等[7]研究了單脈沖飛秒激光燒蝕梯恩梯(TNT)炸藥過程的熱效應，結果表明峰值溫度高于TNT的點火溫度，由于炸藥內熱效應區域小，高溫持續時間短，沒有發生點火現象；湛贊等[8]研究了半導體激光起爆炸藥試驗與仿真研究，結果表明半導體激光直接可以起爆摻雜1%炭黑的太安炸藥；郭文燦等[9]對激光燒蝕下含鋁炸藥發射光譜分布和瞬態溫度進行了測量；Collins[10]研究了含能材料激光誘導燃燒的特性。前人研究多為激光直接作用于炸藥的燃燒、溫度、壓力及動力學，而以強激光輻照戰斗部毀傷為背景的炸藥響應研究較少。

為此，從試驗出發，利用激光對裝有不同類型炸藥的約束裝置進行輻射，研究激光對炸藥的響應特性以及不同炸藥之間響應差異，為炸藥在激光作用下的易損性提供參考。

1 試驗

1.1 材料和儀器

原材料：端羥基聚丁二烯(HTPB)體系的黏結劑(NJ)；梯恩梯(TNT)，湖北東方化工有限公司；黑索金(RDX)、奧克托今(HMX)，甘肅銀光化學工業集團有限公司、鋁粉(Al)，西北鋁粉分公司、自制復合鈍感劑(FHD-1)。

試驗儀器：激光器型號為YLS-2000光纖激光器，最大功率2 000 W；鎳鉻鎳硅熱電偶測試溫度最大可達到1 200 ℃。溫度測試系統由鎳鉻鎳硅熱電偶、補償導線、電壓放大器、電纜、數據采集系統、計算機組成。

1.2 試樣制備

試驗采用3種配方，兩種類型炸藥，其中熔鑄炸藥為梯奧鋁(TOL)和梯黑鋁(THL)，高分子黏結炸藥為PBXN-109，主要組分如表1所示。

表1 TOL、THL、PBXN-109主要組分

將混合好的3種炸藥裝填到如圖1所示裝置中，該裝置炸藥約束外徑80 mm，內徑40 mm，固定環外徑140 mm，每種炸藥裝填3發試驗彈，每發試驗彈約裝填炸藥16 g。其中假藥為水泥制成，裝于炸藥與封蓋之間，用于絕熱減少裝藥中熱量散失。炸藥和假藥完全固化后，上好蓋板，備用。共使用5支鎳鉻鎳硅熱電偶，一支在裝藥底部中心，其余4支環繞放置，距離中心10 mm分別焊接在裝藥底部，經過炸藥、假藥與引線孔與溫度測試系統連接，熱電偶布置如圖1所示。

圖1 激光輻射試驗用炸藥約束裝置和熱電偶布置

1.3 試驗裝置和布置

試驗在空曠場地進行，炸藥約束裝置(殼體)放置在防護體內，通過熱電偶與溫度測試系統相連，激光器放置在防護體外與炸藥保持在同一水平面上，激光通過防護體上的玻璃光窗輻射在裝藥殼體的中心位置，炸藥熱響應過程由溫度測試系統記錄。通過試驗觀察并記錄炸藥熱響應狀況，并回收裝藥約束裝置及殘藥。具體試驗布置如圖2所示。

圖2 激光輻射炸藥裝置布置圖

2 結果與分析

試驗采用功率640 W激光輻射3種不同炸藥，并且改變激光的輻射直徑，用以研究激光輻射直徑對炸藥響應延遲時間和點火溫度的影響，以及在相同的激光輻射下，不同種炸藥響應差異。不同激光輻射直徑輻射不同炸藥的試驗結果如表2、表3所示。

表2 3種炸藥在直徑5 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

表3 3種炸藥在直徑10 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

2.1 相同功率不同激光輻射直徑下炸藥的響應特性

對比表2、表3可知，在相同功率下，激光輻射直徑為5 mm和10 mm的情況下，3種炸藥的響應特性變化趨勢是一致的，即當輻射直徑變大的時候，3種炸藥響應的延滯時間都變長，點火溫度都變小，而且差異較大，典型的不同直徑對對THL炸藥的延滯時間和點火溫度影響如圖3所示。

圖3 THL炸藥在功率640 W輻射直徑為5、10 mm的溫度曲線

圖3(b)中，①為殼體中心熱電偶的歷史曲線，②～⑤為等距周圍熱電偶歷史曲線，激光輻射在中心熱電偶位置，所以中心溫度上升較周邊快。由兩圖對比發現在激光功率640 W的情況下，輻射直徑對炸藥的響應特性影響較大。激光輻射直徑的變化對應著炸藥溫度上升速率的變化，在相同激光功率輻射下，輻射直徑大炸藥溫度上升速率慢，即圖3(b)的曲線斜率明顯較圖3(a)小，導致炸藥響應的延遲時間延長，點火溫度變低。

從炸藥熱響應結果上可知，在輻射直徑為5 mm時，兩種熔鑄炸藥均反應完全，PBXN-109剩余6 g炸藥；在輻射直徑為10 mm時，3種參試炸藥均未反應完全，分別剩余13 g THL、14 g TOL、8 g PBXN-109，說明輻射直徑小，能量流集中，熱效應明顯，有利于炸藥反應。

2.2 同類型炸藥之間的響應對比分析

THL炸藥和TOL炸藥均為TNT基的熔鑄炸藥，兩者相比明顯THL的延滯時間更長，需要的點火溫度更高。雖然兩者體系類似，但THL中TNT含量達到60%，Al粉含量為16%，比TOL炸藥TNT含量30%，Al粉含量為5%要高，TNT熔化需要熱量，鋁粉含量高使得配方導熱性能更好，況且RDX比HMX安全性更好，三者綜合都說明THL炸藥需要更長的延遲時間和更高的點火溫度。從炸藥的響應結果中可知，兩種炸藥類似，在激光輻射直徑5 mm炸藥反應完全，輻射直徑10 mm時，炸藥剩余量相當，且只有很少的量(2～3 g)反應。

2.3 不同類型炸藥之間的相應對比分析

PBXN-109為高聚物黏結炸藥，與TNT基熔鑄炸藥黏結體系不同。在激光輻射下，THL和TOL炸藥有一個相變過程，即固相TNT熔化，需要吸收熱量，而PBXN-109炸藥的黏結體系為惰性體系且在成型過程中交聯固化，物化性能比較穩定，這就導致了兩者不同的熱響應結果。兩種熔鑄炸藥在激光輻射直徑5 mm和10 mm下，延遲時間差了兩倍以上，而PBXN-109炸藥的延遲時間差相對要小；PBXN-109的點火溫度明顯比兩種熔鑄炸藥高；而且兩種類型炸藥之間的毀傷模式也有較大差別，如圖4所示。

圖4 實驗后炸藥約束裝置實物圖

如圖4所示，激光輻照炸藥約束裝置產生熱作用，熱通過殼體傳導在炸藥上，當到達一定溫度時炸藥發生反應，產生大量氣體，導致殼體內壓力急劇上升。當殼體內壓強超過殼體的密封強度時，殼體被氣壓漲破，導致殼體破壞。兩種熔鑄炸藥在激光作用下，炸藥熱響應后從后端口沖開，為破壞模式一；PBXN-109在激光作用下，炸藥從前端即激光輻射反方向沖開，如圖5所示，并且炸藥都未反應完全，說明在激光作用下，炸藥在自行設計的約束裝置內，PBXN-109比兩種熔鑄炸藥更鈍感。

圖5 炸藥在激光輻照下的金屬殼體及殘藥

9次試驗均表現為如上情景，從熔鑄炸藥與PBXN-109在激光下的延遲時間、點火溫度、炸藥對約束的毀傷模式及反應的現象說明兩種類型炸藥的響應機理是不同的。

3 結論

通過激光輻射自行設計的裝藥約束裝置，得到以下結論。

(1)相同功率下，激光輻射直徑小，溫度升高速率快，THL、TOL、PBXN-109延遲時間更短，點火溫度更高，炸藥反應完全性更充分。

(2)兩種熔鑄炸藥激光反應特性相比，TNT和鋁粉含量相對高的THL需要更長的延遲時間和更高的點火溫度，但兩種炸藥反應現象類似。

(3)從不從類型炸藥之間的激光輻射對比可知，PBXN-109炸藥比兩種熔鑄炸藥更鈍感，且延遲時間差異更小，毀傷模式完全不同。綜上可以說明兩種類型的炸藥在激光的熱作用下響應機理是不同的。兩種類型的炸藥在激光作用下的作用機理還需要進一步研究。