不同加載壓力下HMX 基含鋁炸藥的沖擊起爆特性?

趙 娟 馮 博 薛樂星 馮曉軍

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

作為武器系統的能量來源，炸藥的爆轟可靠性、反應完全性及能量釋放特性始終是人們關注的重點問題。這就需要深入了解炸藥的沖擊起爆特性，掌握起爆機制和爆轟成長規律，從而正確指導爆轟序列的設計及能量輸出結構調整，確保炸藥的高效安全可靠應用[1-6]。李志鵬等[7]用組合式電磁粒子速度計確定了JOB-9003炸藥在兩種壓力下的沖擊轉爆轟距離和時間；陳朗等[8]測量了5種溫度下飛片起爆PBXC10炸藥內部的壓力變化，標定了不同溫度下的模型參數及POP 關系(加載壓力對到爆轟距離的影響)。 溫麗晶等[9]進行了3 種加載壓力下兩種顆粒度PBXC03 炸藥的沖擊起爆試驗，通過數值模擬得到兩種不同粒度的POP 關系。 李碩等[10]根據JH-14C 炸藥的小隔板試驗得到了點火增長模型參數，模擬其沖擊起爆試驗得到了臨界鋼隔板厚度。張濤等[11]研究了JBO-9X 炸藥在較高沖擊壓力下的沖擊起爆過程及化學反應比例，提出以化學反應比例作為炸藥沖擊起爆研究中炸藥安定性的指標。 白志玲等[12]對比分析了PBXC03 炸藥和PBXCl0 炸藥爆轟建立過程的壓力變化。 李金河等[13]用組合式電磁粒子速度計測量了TATB 基鈍感炸藥在不同加載狀態下的到爆轟距離。 目前，國內已有較多關于炸藥到爆轟距離測量或反應速率方程參數標定的研究，但是參數的確定大都依賴于一組試驗數據，對擬合所得反應速率方程參數在不同加載壓力下的適用性及規律性研究較少。

錳銅壓阻傳感測壓技術及電磁粒子速度計測速技術是研究炸藥沖擊起爆和爆轟成長過程的有效手段。 錳銅壓阻傳感器所測量的壓力歷程更便于進行數值模擬，確定反應速率方程參數。 對于目前廣泛采用的含鋁炸藥，Lee-Tarver 點火增長模型考慮了鋁粉與爆轟產物的二次反應，可以更為準確地描述其沖擊起爆過程[14]。 反應速率方程的確定需要結合JWL 狀態方程，而JWL 狀態方程則需要擬合圓筒試驗數據得到。

針對一種HMX 基含鋁炸藥(HMX、Al 與黏結劑的質量比為57∶35∶8)開展了沖擊起爆試驗，對比了其在兩種加載壓力下的壓力歷程，分析其沖擊起爆特性；根據兩組壓力變化數據，確定并驗證了點火增長模型反應速率方程參數，計算結果與試驗測量結果一致；建立計算模型并分析了加載壓力對HMX 基含鋁炸藥沖擊起爆特性的影響，以期為其應用研究提供基礎數據及技術參考。

1 試驗部分

1.1 圓筒試驗

對HMX 基含鋁炸藥進行50 mm 標準圓筒試驗(GJB 8381—2015)，試樣的平均密度為1. 865 g/cm3。 試驗裝置如圖1 所示。

1.2 沖擊起爆試驗

沖擊起爆試驗裝置如圖2所示。試驗系統由雷管、傳爆藥、觸發探針、主發裝藥、隔板、錳銅壓阻傳感器、受試裝藥、試驗支架、脈沖恒流源及示波器等組成。 主發裝藥為?40 mm×50 mm 的JH-14 藥柱；傳爆藥為?20 mm ×20 mm 的JH-14 藥柱；隔板為?40 mm 鋁板，厚度可調；受試裝藥為多個?40 mm的圓柱形藥片疊加而成，每兩個藥片之間放置一個錳銅壓阻傳感器。

圖1 圓筒試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylinder test

圖2 沖擊起爆試驗裝置圖Fig.2 Diagrams of shock initiation experiment device

2 結果與討論

2.1 圓筒試驗結果

對HMX 基含鋁炸藥的圓筒試驗結果進行處理，擬合時間-膨脹距離變化曲線，結果如圖3 所示；得到HMX 基含鋁炸藥爆轟產物的JWL 狀態方程參數如表1 所示。

2.2 沖擊起爆過程

對HMX 基含鋁炸藥進行了兩種加載壓力下的沖擊起爆試驗，所用鋁隔板厚度分別為27. 85、26.00 mm。 由文獻資料[15]得到相同加載條件下沖擊波在鋁隔板中的衰減規律如圖4 所示。 沖擊波壓力隨鋁隔板厚度的變化方程為lnp ＝3.550 -0.031x。 由此可知，27.85、26.00 mm 厚鋁隔板對應的壓力分別為14.68、15.55 GPa。

圖5 給出了14.68 GPa 和15.55 GPa 加載壓力下測得HMX 基含鋁炸藥內部不同位置處的波形曲線，經計算得到不同位置處的壓力峰值如表2 所示。

從表2 可以看出，對于HMX 基含鋁炸藥，在不同的加載壓力下，其壓力峰值都呈現出遞增趨勢，最后穩定在25 GPa 左右，均達到穩定爆轟。 加載壓力為14.68 GPa 時，炸藥在15.38 mm 處壓力峰值趨于穩定，到爆轟距離為12.04 mm 至15.38 mm 之間。加載壓力為15.55 GPa 時，炸藥在12.01 mm 處已經達到穩定爆轟，到爆轟距離為10.23 mm 至12.01 mm 之間。 可見，加載壓力增大后，爆轟波成長速度增大，炸藥的到爆轟距離明顯減小。

圖3 時間-膨脹距離曲線Fig.3 t-(R-R0) curves

表1 HMX 基含鋁炸藥爆轟產物的JWL狀態方程參數Tab.1 Parameters of JWL equation of state of HMX based aluminized explosive

圖4 沖擊波壓力與鋁隔板厚度關系的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of relationship between shock wave pressure and aluminum gap thickness

圖5 不同加載壓力下測得的波形曲線Fig.5 Waveform curves measured under different initiation pressures

表2 不同位置處的測試壓力峰值Tab.2 Tested pressure peak at different locations

3 數值計算

采用非線性有限元計算軟件AUTODYN 對HMX 基含鋁炸藥的沖擊起爆過程進行模擬，根據簡化的沖擊起爆試驗裝置建立二維軸對稱計算模型。HMX 基含鋁炸藥采用點火增長模型反應速率方程和JWL 狀態方程進行描述，主發裝藥JH-14 采用JWL 狀態方程進行描述，參數由文獻[10]得到。 鋁隔板材料參數取自AUTODYN 程序自帶的材料庫。

點火增長模型反應速率方程為

式中:λ為反應度；t為時間；ρ為密度；ρ0為初始密度；p為壓力；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z均為模型參數。

根據14.68 GPa 加載壓力下的測量結果，調整模型參數，使得計算結果與試驗結果基本一致，擬合得到HMX 基含鋁炸藥的點火增長模型反應速率方程參數見表3 所示，計算結果見圖6(a)。 為了進一步驗證確定的反應速率方程參數的適用性，對加載壓力為15.55 GPa 的沖擊起爆過程進行了數值模擬，計算結果見圖6(b)。 計算壓力與試驗壓力對比如圖7 所示。

表3 HMX 基含鋁炸藥點火增長模型反應速率方程參數Tab.3 Parameters of reaction rate equation for ignition and growth model of HMX based aluminized explosive

圖6 不同加載壓力下炸藥內部壓力-時間曲線計算結果Fig.6 Calculated pressure-time curves under two different initiation pressures

圖7 壓力峰值試驗值與計算值對比Fig.7 Comparison between experimental and calculated pressure peak value

通過圖7 可以看出，在14.68 GPa 和15.55 GPa的加載壓力下，計算壓力與試驗測量壓力均吻合得較好，表明這組參數可以比較準確地描述該HMX基含鋁炸藥在不同加載壓力下的沖擊起爆過程。 為了進一步研究HMX 基含鋁炸藥在不同加載壓力下的沖擊起爆特性，采用這組參數計算炸藥在不同加載壓力下前導沖擊波陣面壓力歷程及前導沖擊波時程曲線，如圖8 和圖9 所示。

圖8 不同加載壓力下前導沖擊波陣面壓力歷程Fig.8 Pressure history of front shock wave under different initiation pressures

圖8 可以看出，加載壓力為14.68 GPa 時，1.5 μs 前壓力增長較為緩慢，1.5 ～2.0 μs 壓力迅速增大，在2.5 μs 時炸藥達到穩定爆轟，對應的到爆轟距離為13.7 mm；加載壓力為15.55 GPa 時，1.2 ～1.8 μs 壓力增長迅速，到爆轟時間為1.9 μs，對應的到爆轟距離為10.6 mm。 可見，加載壓力增大后，前導沖擊波陣面壓力增速明顯變快，炸藥的到爆轟時間變短。

圖9可以看出，起爆后前導沖擊波的速度不斷增大，直至達到穩定，且15.55 GPa 加載壓力下前導沖擊波速度增長明顯比14.68 GPa 時的速度增長快，可知，前導沖擊波速度增長隨著加載壓力的增大而變快。

前導沖擊波的壓力增長在早期較為緩慢，此時熱點數量較少；隨后，炸藥反應所產生的壓縮波推動壓力持續增長，直至穩定爆轟。 增大加載壓力后，前導沖擊波壓力增大的同時，沖擊波速度增長也變快。這是由于不同加載壓力下產生的熱點數量和尺寸不同，前導沖擊波過后反應程度不同，熱點密度影響了壓力變化過程。

對圖8 中前導沖擊波陣面壓力增長階段進行求導處理，得到不同加載壓力下前導沖擊波陣面壓力隨時間的變化率，如圖10 所示。

圖9 不同加載壓力下前導沖擊波時程曲線Fig.9 Time history curve of front shock wave under different initiation pressures

圖10 不同加載壓力下前導沖擊波陣面壓力變化率與時間的關系Fig.10 Relationship between pressure change rate of front shock wave and time under different initiation pressures

通過圖10 可以看出，在沖擊起爆前期的爆轟成長階段，不同加載壓力下的前導沖擊波陣面壓力增長速率均在不斷增大，同一時刻下15.55 GPa 加載壓力下的波陣面壓力增長速率始終大于14.68 GPa時的增長速率。 加載壓力為14.68 GPa 時，爆轟成長初期波陣面壓力僅略有增大，從0.9 μs 后開始迅速增大；而15.55 GPa 加載壓力下波陣面壓力從0.5 μs 便開始迅速增長。

在沖擊載荷作用下，會發生HMX 晶粒的破碎以及晶粒與黏結劑基體材料的脫粘等形式的損傷，沖擊波能量沉積在缺陷處形成熱點；隨著加載壓力的增大，沖擊波能量增強，炸藥內部損傷更為明顯；熱點數量增加，能量釋放加快，波陣面的反應更加迅速，爆轟的建立也相應加快。

4 結論

1)對HMX 基含鋁炸藥進行了不同加載壓力下的沖擊起爆試驗，測量其不同位置處的壓力歷程。結果表明，加載壓力為14.68 GPa 時，到爆轟距離為12.04 ～15.38 mm；加載壓力為15.55 GPa，到爆轟距離為10.23 ～12.01 mm；穩定爆轟后的爆轟壓力約為25 GPa。

2)根據圓筒試驗確定HMX 基含鋁炸藥的JWL狀態方程參數；結合沖擊起爆試驗結果，標定并驗證了其點火增長模型反應速率方程參數；對兩種加載壓力下的沖擊起爆試驗進行了數值模擬，計算結果與試驗結果能較好地吻合。 得到14.68 GPa 加載壓力下HMX 基含鋁炸藥的到爆轟時間為2.5 μs，到爆轟距離為13.70 mm；15.55 GPa 加載壓力下的到爆轟時間為1.9 μs，到爆轟距離為10.60 mm。

3)通過數值模擬得到不同加載壓力下HMX 基含鋁炸藥沖擊起爆特性規律:加載壓力增大，前導沖擊波速度增長變快，波陣面壓力增長變快，炸藥的到爆轟時間與到爆轟距離減小，爆轟成長階段同一時刻下的波陣面壓力增長速率也隨之增大。