CL-20基含鋁炸藥爆轟波陣面法向速度與曲率的關系

沈　飛，王　輝，袁建飛，任新聯

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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CL-20基含鋁炸藥爆轟波陣面法向速度與曲率的關系

沈飛，王輝，袁建飛，任新聯

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：采用高速掃描相機及電探針測速法測量了具有相同鋁含量的CL-20基和RDX基含鋁炸藥的擬定態爆轟波形及爆速，分析了炸藥波陣面法向速度Dn與曲率κ之間的函數關系。結果表明，CL-20基含鋁炸藥的爆轟波陣面較RDX基含鋁炸藥的平坦，其法向爆速受曲率效應的影響也較RDX基含鋁炸藥的小。當κ>0.005mm-1時，其法向爆速的下降速率明顯小于RDX基含鋁炸藥；當κ<0.005mm-1時，其法向爆速的下降速率略高于RDX基含鋁炸藥。

關鍵詞：爆炸力學；含鋁炸藥；非理想爆轟；Dspan(κ)關系；CL-20；高速掃描；擬定態波形

引言

含鋁炸藥是一類高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，由于其爆轟反應區較寬，爆轟波的傳播過程中具有明顯的非理想特性，使得在研究爆轟波繞射、爆轟波與介質相互作用、拐角效應等方面遇到了較多困難[1]。對于這類問題，目前主要采用爆轟沖擊動力學(DSD)法進行研究。DSD法可以對爆轟反應流動方程組進行解耦處理，即將其分解為爆轟沖擊波陣面的發展方程和一維擬定態反應區動力學的常微分方程組[2-3]。在該方法的分析過程中需要了解爆轟波陣面曲率κ對法向爆速Dn的影響規律，即Dn(κ)關系式，由于該關系式只與炸藥的本構性質有關，所以一般需要通過曲面爆轟波傳播實驗進行標定。然而，這方面目前已有的成果主要是針對PBX-9502[4-6]、JB-9014[7]、JBO-9021[8]、RDX/TNT[9]、HMX/TNT[9]，對于含鋁炸藥Dn(κ)關系的研究還較少。

本研究采用高速掃描相機及電探針測速系統分別測量擬定態條件下CL-20基含鋁炸藥的爆轟波形及爆速，根據實驗結果分析了爆轟波陣面法向速度Dn與曲率κ之間的函數關系，并與常用的RDX基含鋁炸藥進行對比，以期為該炸藥爆轟特性的深入研究提供參考。

1實驗

1.1樣品制備

CL-20基及RDX基含鋁炸藥配方見表1。采用壓裝工藝將兩種含鋁炸藥壓制成Φ50mm×50mm的藥柱，藥柱密度分別為1.96、1.75g/cm3。

表1　兩種含鋁炸藥配方

待測樣品由6節藥柱粘接而成，用JH-14作傳爆藥，藥柱尺寸為Φ25mm×25mm，密度為1.67g/cm3，實驗前將傳爆藥柱粘接在主裝藥一端的中心位置處。

1.2實驗裝置

采用SJZ-15型轉鏡式高速掃描相機掃描主裝藥柱端面的擬定態爆轟波形，實驗裝置如圖1所示。其中，主裝藥柱固定于V形槽內，以減小邊界約束條件對爆轟波形的影響；掃描相機的光學狹縫通過反射鏡對準主裝藥柱端面的直徑，并通過一組電探針測定炸藥的爆速。為了保證底片中波形的分辨率，相機的掃描速度設定為6mm/μs。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of the test apparatus

2結果與分析

2.1擬定態波形

高速相機記錄的爆轟波形如圖2所示，橫向表示裝藥直徑，縱向表示掃描時間，從圖2可以清晰地看出波形的前沿。由于主裝藥的長徑比較大，可以使爆轟波演化為擬定態波形，此外，第一根電探針距離起爆端較遠，此時爆速已基本穩定，探針所測得的爆速可認為是擬定態爆速。

通過對底片進行數字化判讀，并結合相機的掃描速度及底片的放大比，可得到爆轟波到達藥柱端面的時間，再將獲得的時間點與探針測量的擬定態爆速相乘，即可獲得波陣面曲線。目前，對于波陣面曲線擬合的函數一般選擇擬合精度較高的ln[cos(r)]級數，同時該函數也具有較高的數值計算效率，其具體表達式為[10]：

(1)

式中：r為波陣面上截面圓的半徑，mm；R為主裝藥的半徑，mm；z(r)為波陣面曲線，mm；ai及b均為擬合參數。

圖2　爆轟波形照片Fig.2　Photographs of detonation wave shape

在擬合過程中，正常n=2時可很好地模擬波陣面曲線。兩種炸藥爆轟波陣面曲線的擬合效果如圖3所示。

圖3　爆轟波波陣面擬合曲線Fig.3　Fitting curves of wave front

由圖3可以看出，CA-1炸藥擬定態爆轟波形的彎曲程度明顯小于RA-1炸藥，在裝藥邊界處，CA-1炸藥波陣面的z值約為0.8mm，而RA-1炸藥波陣面的z值接近1.2mm。所得擬合參數值及探針測得的擬定態爆速值(D0)均列于表2。

表2　波形擬合參數

2.2爆速與曲率的關系

當爆轟波達到擬定態波形時，炸藥爆轟波法向傳播速度Dn與擬定態爆速D0之間的關系如圖4所示。

圖4　波陣面Dn與D0關系圖Fig.4　Relation of Dnand D0at wave front

根據圖4中的幾何關系，可得出：

(2)

式中：θ為波陣面法向與藥柱軸線方向的夾角。爆轟波陣面上的曲率κ用公式(3)計算：

(3)

當r=0時，公式右端的兩項相等。由公式(1)~(3)可計算出爆轟波陣面的Dn(κ)關系曲線，結果如圖5所示。

圖5　兩種含鋁炸藥的Dn(κ)關系曲線Fig.5　Relation curves of Dn(κ) for the two explosives

由圖5可以看出，曲率κ從藥柱軸線至邊界兩側逐漸增大，且法向爆速Dn逐漸減小，CA-1炸藥波陣面的κ從0.004mm-1增加至0.01mm-1時，Dn從8.47mm/μs降至8.45mm/μs左右，κ繼續增大時，Dn的下降速度明顯提高；RA-1炸藥波陣面的κ從0.006mm-1增加至0.018mm-1時，Dn從7.91mm/μs降至7.86mm/μs左右，κ繼續增大時，Dn的下降速度明顯提高。此外，CA-1炸藥波陣面的最大曲率約為0.012mm-1，對應的Dn較D0約降低0.03mm/μs，而RA-1炸藥波陣面的最大曲率約為0.023mm-1，對應的Dn較D0約降低了0.07mm/μs。這是因為爆轟波陣面的彎曲程度反映了反應區能量的損耗，從Dn的下降幅度可以看出爆轟傳播過程中沿著波陣面從軸線向兩側流動的能量大小[2,11]，因此，圖5中的數據表明，CA-1炸藥在爆轟傳播過程中沿波陣面從軸線向兩側流動的能量明顯小于RA-1炸藥。

由于難以通過理論分析獲得一般反應速率形式下的Dn(κ)關系，通常采用經驗公式對實驗數據進行擬合，而簡單的線性函數又明顯不適用于描述圖5中的曲線，本研究采用一種效果較好的非線性函數形式，其具體形式為[5,10]：

(4)

式中：DCJ為炸藥的CJ爆速；C1、C2、C3、f、α、β、γ均為擬合參數。通過對圖5中的數據點進行擬合，得到兩種炸藥Dn(κ)關系的擬合參數計算值，結果見表3。

表3　兩種含鋁炸藥Dn(κ)關系擬合參數計算值

為了進一步比較Dn相對于DCJ的衰減狀況，設η=(DCJ-Dn)/DCJ，則公式(4)可變為：

(5)

結合表3中參數，可得到η-κ關系曲線，如圖6所示。圖6可看出，當κ小于0.005mm-1時，CA-1的η值略高于RA-1；當κ大于0.005mm-1時，CA-1的η值明顯低于RA-1，且在κ達到最大值時，RA-1的η值接近1.2%，而此時CA-1的η值小于0.5%，這說明CA-1炸藥爆轟波在傳播過程中受曲率效應的影響比RA-1小，這可能是由于CL-20的爆速和爆壓較高，使得含鋁炸藥爆轟波傳播過程中的非理想程度得以降低，但具體的影響規律還需要進一步研究。

圖6　兩種含鋁炸藥的η-κ關系曲線Fig.6　Relation curves of η-κ for the two explosives

3結論

(1)與RDX基含鋁炸藥相比，CL-20基含鋁炸藥的爆轟波陣面明顯平坦，其波陣面的最大曲率約為0.012mm-1，RDX基含鋁炸藥波陣面的最大曲率約為0.023mm-1。

(2)CL-20基含鋁炸藥波陣面的法向爆速受到曲率效應的影響較RDX基含鋁炸藥小，其法向爆速的最低值較擬定態爆速降低約0.03mm/μs，而RDX基含鋁炸藥法向爆速的最低值較擬定態爆速降低約0.07mm/μs。

(3)κ<0.005mm時，CL-20基含鋁炸藥法向爆速的衰減系數大于RDX基含鋁炸藥；而κ>0.005mm時，CL-20基含鋁炸藥法向爆速的衰減系數則小于RDX基含鋁炸藥。

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Relationship Between Normal Velocity and Curvature of Detonation Wave

Front for CL-20-based Aluminized Explosive

SHEN Fei, WANG Hui, YUAN Jian-fei, REN Xin-lian

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:The steady state wave shapes and detonation velocities of CL-20-based and RDX-based aluminized explosives with same Al content were measured by a high speed scanning camera and electrical probe measuring velocity method. The function relationship between the normal velocity (Dn) and curvature (κ) of the detonation wave front of explosives was analyzed. Results show that the detonation wave front of CL-20-based aluminized explosive is flat than that of RDX-based aluminized explosive. The effect of curvature effect on normal detonation velocity of CL-20-based aluminized explosive is smaller than that of RDX-based aluminized explosive. Whenκ>0.005mm-1, the reduced rate ofDnof CL-20-based aluminized explosive is obviously less than that of RDX-based aluminized explosive. Whenκ<0.005mm-1, the reduced rate ofDnof CL-20-based aluminized explosive is slightly higher than that of RDX-based aluminized explosive.

Keywords:explosion mechanics; aluminized explosive; non-ideal detonation;Dn(κ) relation; CL-20; high speed scanning; steady wave shape

作者簡介:沈飛(1983-)，男，工程師，從事炸藥爆轟性能試驗與理論研究。

收稿日期:2014-07-06；修回日期:2014-08-17

中圖分類號：TJ55；O389

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)01-0008-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.002