爆轰波的拐角性能是炸药爆轰的一个重要特性, 同时也是爆轰学研究的重要内容之一, 对于研究炸药性能、合理设计弹体、构型件以及设计爆炸逻辑网络等有着十分重要的意义。当爆轰波从较小的传爆药柱进入大的药柱时, 产生散心爆轰波, 其传播方向偏离惠更斯原理而出现波阵面滞后或局部不爆轰现象, 这种现象称为炸药爆轰波传播的拐角效应[1-5]。爆轰波的拐角性能是武器设计时必须考虑的重要参数之一, 对该效应的研究也有利于加深对发散爆轰的认识, 完善爆轰理论。美国Cox和Campbell[1]利用多狭缝扫描技术观察了高聚物粘结炸药PBX-9502中的爆轰波拐角现象, 得到了炸药中不爆轰区域的大小。Hill[2]等建立了“蘑菇(Mushroom)”试验, 使用较少的药量获得较多的数据, 研究了钝感高能炸药的传爆性能, 其优点是:形状比较接近于实际的传爆装置, 可以获得整个爆轰前沿的波形; 观察面与实际爆轰阵面接近。黄毅民[6]对TATB基炸药开展了Mushroom试验研究, 获得了颗粒度及炸药半球直径对爆轰波输出断面波形的影响。李晓刚[7]研究了超细钝感HMX在小尺寸拐角装药条件下的爆轰延迟现象, 对影响爆轰延迟时间的因素进行了分析, 采用量纲分析法给出了拐角延迟时间的理论表达式。韩勇[8]利用有限元动力学软件LS-DYNA, 从理论上研究了HMX基的PBX-9404和TATB基的PBX-9502爆轰波的拐角性能, 但相应的拐角效应试验工作并未开展。
为深入研究HMX基、TATB基PBX爆轰波的拐角性能, 获得HMX、TATB含量对PBX炸药爆轰波拐角性能的影响, 本研究选择三种不同HMX/TATB含量的PBX, 采用Mushroom试验, 开展了相应的拐角效应研究, 评价了三种PBX炸药爆轰波的拐角性能。
2 实验装置及原理 2.1 样品及仪器实验用传爆药柱为PBX-01炸药, 尺寸为Φ10 mm×50 mm和Φ7 mm×50 mm, 密度为1.860 g·cm-3, 主炸药为HMX基炸药和TATB基炸药, 其尺寸都为SR25 mm。三种炸药的配方组成分别为: 95%HMX基的PBX(PBX-Ⅰ), 85%HMX和7%TATB的PBX(PBX-Ⅱ), 95%TATB基的PBX(PBX-Ⅲ)。传爆药柱和主炸药均由中国工程物理研究院化工材料研究所提供。
实验雷管采用瞬发雷管。使用高速扫描相机测试爆轰波出半球界面的发光图形, 相机型号为SJZ-15, 其扫描速度为7.5 mm·μs-1(15万转/min)。判读爆轰波输出波形的大型万能工具显微镜的型号: JXBB。
2.2 实验装置Mushroom试验[2]装置如图 1所示, 基座两个斜面与水平方向成45°, 然后分别固定左右反射镜, 使被起爆药柱边部的图像经过镜面反射后, 平行进入相机。装配过程中, 在两面反射镜的边沿分别粘贴一小块医用胶布, 并在被起爆药柱底部表面与反射镜平面的交线处画上细实线。采用高精度游标卡尺测量出被起爆药柱中心到细实线之间的距离L, 得到底片成像的放大比β, 在被起爆药柱的顶部粘贴一层宽2~4 mm粘有颗粒度为0.12~0.18 mm硝酸钡的透明胶带, 以增强被起爆药柱爆炸时测试位置处的发光。
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图 1 实验装置示意图 1—试样, 2—传爆药柱, 3—钢支撑架, 4—镀银反射镜, 5—反射成像 Fig.1 Schematic diagram of experiment setup 1—sample, 2—primary explosive, 3—steel frame, 4—silvered mirror, 5—reflection imaging |
图 2所示为Mushroom试验波形测试原理示意图。若没有反射镜, 假设半球形炸药的输出波形在底片上完全成像, 其测试波形应为图 2a中所示的AB段, 但实际测试时, 由于受装配结构以及两侧发光较弱等影响, 实际仅能有效获得图 2a中所示的CD段波形, 测试范围约在70°左右。且越往半球的两侧, 波形叠加越严重, 即使获得完整波形, 两侧20°左右的输出波形完全重叠在AB和CD段之外, 会给数据处理带来很大的误差。若采用反射镜, 两侧20°左右的测试输出波形被有效放大到DEF段图 2d, 放大了约5~6倍, 波形叠加现象大大降低, 数据处理更准确, 可以获得更大范围内半球形炸药件的输出波形时间差, 从而全面评价半球形炸药件的作用性能。
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图 2 Mushroom试验波形测试原理示意图 Fig.2 Schematic diagram of principle of Mushroom test |
被测试炸药在小直径传爆药的驱动下起爆, 由于传爆药的平面冲击波从半球的端面传入, 压缩主炸药发生化学反应, 并逐渐发展为散心球面爆轰波, 通过高速扫描相机获得三个特征参数以表征炸药的拐角性能:爆轰波的出射角θfb、熄爆角θfn及延迟时间(爆轰波透出炸药半球的波形时间差), 测试结果原理如图 3所示。半球炸药被起爆后, 爆轰波在半球炸药中传播, 通过爆轰波最先透出半球表面位置处的波形得出θfb。在距爆轰波传播方向较大的角度处, 炸药半球内爆轰波将逐渐衰减为应力波, 与爆轰波相比, 应力波强度较弱, 当应力波透出球面时, 无法使硝酸钡发光或发光很弱, 本研究以底片中硝酸钡无明显感光位置作为熄爆点位置, 通过数学处理方法可获得相应的θfn。爆轰波透出炸药半球各表面处的波形时间差为延迟时间。
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图 3 测试结果处理示意图 Fig.3 Schematic diagram of processing test result |
通过大型万能工具显微镜及Origin数据处理软件对三种炸药半球爆轰波输出波形底片进行处理, 在用显微镜读数时, 取底片上炸药圆弧面为横坐标x′, 波形长度差为纵坐标y, 读数时, 对纵坐标取一定的步长, 读出相应的横坐标值x′, 再根据放大比, 得到
| $ x = x'\beta $ | (1) |
由于扫描速度为7.5 mm·μs-1, 将纵坐标值换算成输出波形时间
| $ t = \frac{y}{{7.5}} $ | (2) |
实验获得三种炸药的爆轰波输出波形如图 4所示。
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图 4 三种PBX爆轰波输出波形 Fig.4 Detonation waveform of PBX-Ⅰ, PBX-Ⅱ and PBX-Ⅲ |
从图 4a和图 4b可见, 半球两侧的输出波形使硝酸钡发光很强, PBX-Ⅰ炸药和PBX-Ⅱ炸药的熄爆角为90°。从图 4c可以看出, PBX-Ⅲ半球炸药被起爆后, 在距爆轰波传播方向较大的角度炸药半球内爆轰波将逐渐衰减为应力波, 与爆轰波相比, 应力波强度较弱, 当应力波透出球面时, 无法使硝酸钡发光, 熄爆角较小。
结合实验测试结果和2.4节所述方法, 对三种炸药半球爆轰波输出波形底片进行处理, 结果如图 5所示。
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图 5 图 5三种PBX在不同起爆直径下的爆轰波输出波形 Fig.5 Waveform of the three PBXs with different initiating diameter |
运用2.4节的方法对图 5a和5b进行数据处理, 说明在起爆直径7 mm条件下, PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ半球爆轰时, 其熄爆角均为90°, 中间波形的延迟时间短, 左右两侧的波形延迟时间长。由图 5b和图 5c可见, 随着起爆直径的增大, PBX-Ⅱ爆轰后的中间波形延迟时间变长, PBX-Ⅱ的熄爆角不变。同理对图 5d分析, 在起爆直径10 mm条件下, PBX-Ⅲ半球在爆轰时, 左右两侧波形没有, 因此, PBX-Ⅲ半球的出射角明显小, 熄爆角也较小。
分析并计算获得三种炸药爆轰时的爆轰波透出炸药半球时的出射角、熄爆角和延迟时间, 具体数值见表 1。
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表 1 三种PBX的Mushroom试验结果 Tab.1 Mushroom test results of three kinds of PBX |
从表 1中可得到, 在起爆直径7 mm条件下, PBX-Ⅰ的出射角为75.5°, 熄爆角为90°, 延迟时间为200 ns, PBX-Ⅱ的出射角74.4°, 熄爆角为90°, 延迟时间为225 ns, PBX-Ⅰ半球爆轰波出射角大于PBX-Ⅱ半球的出射角, 并且PBX-Ⅱ炸药的爆轰波波形延迟时间比PBX-Ⅰ的爆轰波波形延迟时间长, 说明在相同试验条件下, PBX-Ⅰ的拐角性能优于PBX-Ⅱ, 这是由于PBX-Ⅱ中添加了7%的钝感TATB, 所以降低了炸药的能量。
在起爆直径10 mm条件下, PBX-Ⅱ的出射角为78.6°, 熄爆角为90°, 延迟时间为371 ns, PBX-Ⅲ炸药的出射角为16.1°, 熄爆角为60.4°, 说明TATB基PBX比HMX基炸药的拐角性能差, 结合图 5可以得到, HMX基炸药的爆轰波均能够发展为类似球形, 此类炸药均具有较好的传爆特性, PBX-Ⅲ炸药拐角能力有限, 传爆特性较差。由图 5d中的两侧没有输出波形更能体现出PBX-Ⅲ的拐角能力差, 所以HMX为基的PBX-Ⅱ的拐角性能优于TATB为基的PBX-Ⅲ。由表 1可得, PBX-Ⅱ在起爆药直径7 mm下的出射角比起爆药10 mm直径下的出射角小, 在起爆药直径7 mm下的延迟时间比起爆药10 mm直径下的延迟时间短, 说明HMX为基的PBX-Ⅱ随着起爆直径的增大, 出射角增大。因此从Mushroom试验结果分析所得结论:三种炸药的拐角性能优劣顺序为PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ。这是由于HMX基炸药作为理想高能炸药的代表, 其能量高, 感度高。TATB为基的炸药耐高温、感度低, 是具有极佳安全性能的钝感高能炸药, 同时它也带来一系列爆轰上的特殊性:难于起爆, 起爆阈值较高, 达到稳定爆轰的时间较长, 所以爆轰传播的拐角能力有限。
4 结论(1) 采用Mushroom试验, 对HMX基和TATB基的三种PBX的拐角性能进行了研究, 获得了在起爆直径7 mm下的PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ的拐角性能参数及起爆直径10 mm下的PBX-Ⅱ和PBX-Ⅲ的拐角性能参数。在相同起爆直径7 mm条件下, 在HMX基PBX(PBX-Ⅰ)中加入7%的TATB(PBX-Ⅱ), 其出射角变小, 延迟时间变长, 说明PBX-Ⅰ的拐角性能优于PBX-Ⅱ。在相同起爆直径10 mm条件下, 炸药中含有的85%HMX全部被TATB取代时, 其出射角大幅度减小, 延迟时间变长, 说明PBX-Ⅱ的拐角性能优于PBX-Ⅲ。
(2) 与HMX基PBX相比, 纯TATB基PBX炸药出射角和熄爆角都明显降低, 表明HMX基PBX的拐角性能优于TATB基PBX。三种炸药的拐角性能优劣顺序为PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ, 冲击波感度由高到低的顺序为PBX-Ⅰ>PBX-Ⅱ>PBX-Ⅲ, 拐角性能与冲击波感度规律一致。
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