聚奧-9C裝藥的傳爆管殉爆*

袁俊明,李 碩,劉玉存,唐 鑫,于雁武,閆利偉

(1.中北大學環境與安全工程學院，山西 太原 030051;2.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順 113003)

炸藥是一種含能物質，在受到足夠強的外界刺激(如力、熱、光、電等)作用時會發生爆炸，并可能造成臨近炸藥的殉爆。由于殉爆的存在，彈藥在儲存和運輸時必須考慮各個彈藥以及彈藥庫之間的距離，否則一旦單個彈藥系統意外引爆，就會引起其他彈藥以及彈藥庫發生爆炸，造成無法挽回的后果。殉爆現象使彈藥的儲存、運輸及使用變得更加困難和復雜，所以深入了解彈藥系統間發生殉爆的機理、避免彈藥發生意外殉爆以及減輕由于殉爆而發生的危害具有十分重要的意義。

由于炸藥本身已具備較高的機械感度和沖擊波感度，在外界刺激作用下極易發生爆炸或爆轟，所以對殉爆的研究工作主要集中在炸藥性質上，并對炸藥的殉爆機理進行了較完整、充分的描述。Lu等[1]對裸裝 PBXN-109 炸藥的殉爆實驗進行了數值模擬，并給出了PBXN-109炸藥的沖擊波感度曲線。Fisher等[2]則對殼裝PBXN-109 炸藥的殉爆實驗進行了數值模擬，分析了包裝容器中彈藥間的沖擊波與泡沫隔離層材料對炸藥殉爆的影響。Mostafa等[3]開發了一種輕型硬質聚氨酯泡沫塑料并進行測試，對裸裝炸藥殉爆時爆轟波的成長情況進行了研究。周保順等[4]對沖擊波作用下炸藥的殉爆過程進行了數值模擬。陳朗等[5]計算了不同距離下裸裝固黑鋁(GHL)炸藥的臨界殉爆距離。除了對裸裝炸藥和較近殉爆距離下殼裝炸藥的殉爆實驗進行計算研究，姜穎資等[6]應用Lee-Tarver點火增長模型對3種不同運動速度的兩種主發炸藥TNT和PBX9404作用下帶殼炸藥的臨界殉爆距離進行數值模擬研究。王晨等[7]進行了殼裝固黑鋁(GHL)炸藥的殉爆實驗，并建立有限元模型進行模擬計算。隨著現代固體推進劑能量的提高和火炸藥技術的融合，含有炸藥顆粒的高能固體推進劑極易導致殉爆的發生。路勝卓等[8]采用實驗和數值模擬對比相結合的分析方法，研究了某高能固體推進劑的殉爆過程，揭示了殼裝高能固體推進劑的殉爆特性。

對戰斗部主裝藥如裸裝和殼裝炸藥等殉爆研究工作已取得了較多成果，但對含炸藥的復雜結構如彈藥引爆系統的傳爆序列殉爆研究工作尚未見詳細報道。如果傳爆序列安全性不能保證，就會引發彈藥安全系統失效，甚至導致爆炸事故發生。基于榴彈引信結構，本文中主要針對傳爆序列的傳爆管進行殉爆實驗，并考慮了導爆藥柱的作用。殉爆實驗中的主發炸藥為RDX-8701、被發裝置為JO-9C裝藥的傳爆管，通過實驗分析導爆藥柱及傳爆管的殉爆規律，建立全尺寸JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實驗有限元模型，利用AUTODYN軟件進行模擬計算，基于實驗與計算結果對比分析，獲得引信傳爆管的殉爆距離及安全距離。

1 實 驗

殉爆實驗裝置如圖1所示。此實驗裝置由主發炸藥、JO-9C裝藥的傳爆管、鋼套筒、雷管以及見證塊等部分組成，d1、d2是實驗殉爆距離。主發炸藥為RDX-8701、被發裝置為JO-9C裝藥的傳爆管，在不同距離下對JO-9C裝藥的傳爆管進行殉爆實驗。實驗中，由雷管起爆主發炸藥，主發炸藥爆炸產生的沖擊波經空氣傳播后作用于整個傳爆管，通過觀察鋼殼體碎裂、殼體內側炸藥殘留情況，并測量出見證塊的凹坑深度，從而判斷傳爆管中藥柱的爆炸情況，得到臨界殉爆距離和殉爆安全距離。圖2是殉爆實驗現場照片。鋼套筒材料為45鋼，密度7.842 g/cm3，導爆藥柱鋼套的外徑17 mm、內徑5 mm、高7 mm，傳爆藥柱鋼套的外徑17 mm、內徑15 mm、高13 mm，殉爆實驗的實驗距離分別為5、6、8和10 mm。

2 數值計算

2.1 物理模型及算法

采用非線性有限元軟件AUTODYN對JO-9C傳爆藥的傳爆管殉爆實驗進行數值模擬，并根據實驗裝置建立相應的二維模型。模型不考慮雷管，將主發炸藥最上端的中心點設置為起爆點，即圖3中的紅色點。殉爆實驗有限元模型如圖3所示。

模型中的計算區域主要包括主發炸藥、導爆藥柱、傳爆藥柱、鋼殼體、見證塊以及周圍一定范圍的空氣介質。采用單點多物質流固耦合算法，即主發炸藥和空氣域選用Euler網格，導、傳爆藥柱、鋼殼體、見證塊為Lagrange網格，Lagrange網格置入Euler網格中。

為簡化模型并與實驗相對應，模型中僅建立一個主發炸藥，由JO-9C傳爆藥構成的傳爆管分別設立在主發炸藥的左右兩側。模型中的主發炸藥和鋼見證塊采用與空氣域相同的0.5 mm網格，藥柱及藥柱外側鋼殼體網格為0.25 mm。

2.2 材料參數及狀態方程

殉爆實驗的模擬計算中，主發炸藥為RDX炸藥，采用爆轟產物的JWL狀態方程：

p=A(1-ω/(R1V))e-R1V+B(1-ω/(R2V))e-R2V+ωE/V

(1)

式中：A、B、R1、R2、ω為待擬合參數；E為初始比內能；p為爆轟產物的壓力。

對于傳爆藥JO-9C，采用流體彈塑性材料模型和點火及增長狀態方程描述，未反應炸藥采用JWL狀態方程，爆轟產物的反應速率采用三項式點火增長模型的反應速率方程：

(2)

式中：I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為12個可調的擬合系數；a為臨界壓縮度；λ為炸藥反應度；b、c表示內向的球形顆粒燃燒；G1、d控制點火后熱點早期的反應增長；G2、e、g、z決定高壓下的反應速率；I、x控制點火熱點的數量；ρ為密度；y為壓力指數；p為反應壓力。

主發炸藥RDX-8701的 JWL方程相關參數來自文獻[9]。JO-9C的三項式點火增長模型參數是以LX-10炸藥(ρ=1.862 g/cm3，95HMX/5氟橡膠)和PBX-9501炸藥(ρ=1.832 g/cm3，95HMX/2.5Estane/2.5NP)的參數[10]為基礎以及JO-9C傳爆藥的小隔板實驗結果進行微調得到，所確定的JO-9C參數分別為：

未反應時，A=952.2 TPa，B=-5.944 GPa，R1=14.1，R2=1.41，ω=0.886 7，G=5 GPa，Y=0.2 GPa，ρ=1.70g/cm3；

產物，A=614 GPa，B=10.89 GPa，R1=4.416 04，R2=1.19，ω=0.33，E0=9.08 GPa，D=8.212 5 km/s，p=30.4 GPa；

反應速率方程中，a=0.022，b=0.667，c=0.667，d=0.267，e=0.333，g=1.0，I=4×106μs-1，x=4，y=2，z=3，Fig,max=0.022，FG1,max=0.5，FG2,min=0.5，G1=28 TPa/μs，G2=25 TPa/μs。

殉爆實驗有限元模型中，藥柱鋼殼體選擇45鋼，鑒定塊為A3鋼。兩種材料均采用Johnson-Cook強度模型，狀態方程為Grüneisen狀態方程，強度理論為von Mises準則[11]。

空氣對應的材料模型采用線性多項式方程和理想氣體的狀態方程，密度取標準狀態下ρ=1.225 kg/m3。

3 分析及討論

3.1 實驗結果

根據GJB 2178.1A-2005《傳爆藥安全性試驗方法》，取在主發炸藥和被發炸藥中間無隔板，即零間隙所對應鋼凹值的50%為判據，鋼凹深不小于此值判為爆，小于此值判為不爆。根據JO-9C裝藥的傳爆管零間隙沖擊起爆實驗結果可知，傳爆管完全爆轟時見證塊鋼凹值為2.4 mm。圖4～7分別是5和10 mm、6和8 mm兩組工況的殉爆實驗結果。

主發炸藥爆炸后產生的凹坑深度為2.2 mm，距離主發炸藥5 mm處傳爆管爆炸后的凹坑深度為1.2 mm，凹坑端面口徑約為18.32 mm，與傳爆管的外徑基本一致，藥柱完全爆炸。通過測量傳爆管處的凹坑，發現距主發炸藥稍遠一端的凹坑深度為0.2 mm，當主發炸藥發生爆炸后，產生的沖擊波經過空氣傳播作用于傳爆管側面的管殼，并經約束管殼衰減后的沖擊波沖擊引爆傳爆藥柱。實驗后未收集到鋼殼碎片，也未在約束套筒外壁發現殘留炸藥，結合見證塊凹坑深度可確定距離5 mm時，傳爆管發生了穩定爆轟。

從圖5可知，實驗距離10 mm時傳爆管殼體向內凹陷并發生變形，隔板微微上翹但形狀基本保持完好，管壁上存有大量殘留炸藥，表明管內只有少量JO-9C炸藥發生反應。從圖6可知，實驗距離6和8 mm時傳爆管爆炸后的見證塊僅有凹陷痕跡，未出現明顯凹坑，無法測出準確的凹坑值。圖7是距離8 mm時鋼約束殼體的變形照片，傳爆藥柱鋼殼體發生嚴重的塑性變形并向內凹陷，導爆藥柱鋼殼體發生輕微變形并有殘留炸藥，與距離10 mm的實驗現象相似，表明沖擊波對藥柱兩側有不同的沖擊作用，主發炸藥爆炸對傳爆管的作用主要集中在中下部。

3.2 數值模擬結果

在t=0時刻以點起爆方式引爆RDX-8701主發炸藥，主發炸藥在藥柱頂端發生非理想爆轟，爆炸后產生的沖擊波經過空氣以及鋼殼體衰減后作用于傳爆管，根據沖擊波在傳爆管藥柱中的傳播方向，選取不同位置單元點觀察沖擊波在傳爆藥柱及導爆藥柱內的成長狀況。

從圖8可以看出，在距離為5 mm的殉爆實驗中，主發炸藥產生的爆炸沖擊波作用于傳爆管的上端側面一角，先引爆傳爆藥柱，后爆轟波沿傳爆藥柱的斜角方向繼續往下傳播。當爆轟波經過導爆藥柱殼體下方時，經殼體衰減后沖擊波使導爆藥柱殉爆，而傳爆藥柱的爆轟波持續沿斜角向下方傳播，進而起爆整個傳爆管，整個殉爆作用過程約5.47 μs。

3.2.1不同距離的殉爆實驗

分別對實驗距離為5、6、8和10 mm的殉爆實驗進行數值模擬計算，其中圖9～10為距離5 mm時傳爆藥柱和導爆藥柱的壓力曲線。由圖9可見，在t=2.25 μs時沖擊波進入傳爆藥柱，引起爆炸反應，起爆點1的初始峰值壓力約為6.4 GPa，隨著沖擊波的傳播，波陣面的壓力值越來越高，從t=4.66 μs開始，觀測點壓力值達到28 GPa，逐漸發展成穩定的爆轟波，直到在傳爆藥柱反應后期達到并穩定維持在JO-9C的爆壓值30 GPa左右，炸藥發生穩定爆轟。由圖10可見，導爆藥柱的臨界入射壓非常小，僅有1.7 GPa，不足以使導爆藥柱發生起爆，隨著沖擊波繼續傳播，在t=4.68 μs時整個導爆藥柱內部壓力上升，由于導爆藥尺寸較小，發生反應時間短，導致爆轟成長不完全。導爆藥柱內部各個觀測點的峰值壓力維持在15 GPa左右，遠遠小于爆轟波在傳爆藥柱內部后期的穩定爆壓值，由此表明爆轟波在向上傳播的過程中受到導爆管底部鋼約束套筒的衰減作用，更加驗證了殉爆實驗中，爆轟波在傳爆裝置中的傳播方向是自下向上。

3.2.2臨界殉爆距離

圖11～12為距離5.7 mm時傳爆藥柱和導爆藥柱的壓力曲線。由圖11可見，傳爆藥柱反應后期JO-9C的最大壓力為29.8 GPa左右，炸藥發生穩定爆轟。由圖12可見，導爆藥柱的臨界入射壓僅有1.67 GPa，不足以使導爆藥柱發生起爆，隨著沖擊波繼續傳播，在t=4.68 μs時整個導爆藥柱內部壓力上升，由于導爆藥的尺寸較小，發生反應時間短，導爆藥柱內部各個觀測點的峰值壓力穩定維持在10 GPa左右。

3.2.3殉爆安全距離

圖13～14為距離8.8 mm時傳爆藥柱和導爆藥柱的壓力曲線。由圖13可見，在t=2.38 μs時沖擊波進入傳爆藥柱，傳爆藥柱發生反應，爆轟波由下向上持續傳播，但是壓力較低，起爆點1的壓力值僅為0.17 GPa。爆轟波繼續向上傳播，但炸藥內部的壓力值并無上升，反而呈現衰減的趨勢，反應沒有成長為爆轟。由圖14可見，導爆藥柱內部峰值壓力整體低于0.11 GPa，低于傳爆藥柱的內部壓力。

4 結 論

(1)以JO-9C裝藥的傳爆管為被發裝置、并考慮了含導爆藥柱作用的殉爆實驗過程中，沖擊波先作用于傳爆管上端側角，后爆轟波沿其斜角方向繼續往下傳播，并使導爆藥柱發生了爆炸。

(2)不同距離的殉爆實驗與數值模擬結果基本一致，表明JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實驗計算模型能夠有效描述傳爆管的殉爆實驗情況。

(3)RDX-8701為主發炸藥、JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實驗的數值模擬計算，獲得了該條件下引信傳爆裝置的臨界殉爆距離為5.7 mm、殉爆安全距離為8.8 mm。

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