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基于反向撞击法的JB-9014炸药Hugoniot关系测量

裴红波 刘俊明 张旭 舒俊翔 黄文斌 郑贤旭

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基于反向撞击法的JB-9014炸药Hugoniot关系测量

    作者简介: 裴红波(1987- ),男,博士,助理研究员,hongbo2751@sina.com;
    通讯作者: 刘俊明, 13521934162@163.com
  • 中图分类号: O381; TJ55

Measurement of Hugoniot relation for unreacted JB-9014 explosive with reverse-impact method

    Corresponding author: LIU Junming, 13521934162@163.com ;
  • CLC number: O381; TJ55

  • 摘要: 为了获得JB-9014未反应炸药的Hugoniot关系,在火炮加载平台上利用反向撞击技术对JB-9014炸药进行一维平面冲击实验。将JB-9014炸药样品作为飞片安装于弹托前表面,将镀膜氟化锂窗口作为装置靶。利用火炮加速弹托,使炸药样品以一定速度撞击镀膜氟化锂窗口,通过光子多普勒测速仪(photonic Doppler velocimetry,PDV)测量炸药样品击靶速度以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。最终根据冲击波阵面守恒关系计算获得了JB-9014炸药冲击Hugoniot数据,采用正交回归直线拟合得到了炸药样品在3.1~8.2 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系:Ds=2.417+2.140us (Dsus的单位均为km/s)。结果表明:该方法测试精度较高,响应时间快(小于5 ns),同时该方法可以对炸药的反应情况进行检测,便于判断实验是否测得真实的未反应炸药冲击Hugoniot数据。
  • 图 1  实验原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of experimental principle

    图 2  实验装置示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of experimental device

    图 3  实验装置实物图

    Figure 3.  Physical diagrams of experimental devices

    图 4  样品/窗口界面粒子速度

    Figure 4.  Particle velocity at interface between sample and window

    图 5  飞片速度曲线

    Figure 5.  Flyer velocity-time curves

    图 6  炸药样品的冲击波速度与粒子速度的关系

    Figure 6.  Relation between shock velocity and particle velocity for the explosive samples

    表 1  实验测试结果

    Table 1.  Experimental results

    实验编号 ρ/(g·cm−3) W/(km·s−1) uw/(km·s−1) us/(km·s−1) Ds/(km·s−1) p/GPa
    Shot 1 1.883 0.696 0.216 0.480 3.433 3.119
    Shot 2 1.889 0.918 0.300 0.618 3.788 4.422
    Shot 3 1.893 1.173 0.394 0.779 4.028 5.941
    Shot 4 1.891 1.490 0.527 0.963 4.501 8.196
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-31
  • 录用日期:  2018-03-08
  • 网络出版日期:  2019-07-25
  • 刊出日期:  2019-05-01

基于反向撞击法的JB-9014炸药Hugoniot关系测量

    作者简介:裴红波(1987- ),男,博士,助理研究员,hongbo2751@sina.com
    通讯作者: 刘俊明, 13521934162@163.com
  • 1. 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川 绵阳 621999
  • 2. 中国工程物理研究院研究生部,四川 绵阳 621999

摘要: 为了获得JB-9014未反应炸药的Hugoniot关系,在火炮加载平台上利用反向撞击技术对JB-9014炸药进行一维平面冲击实验。将JB-9014炸药样品作为飞片安装于弹托前表面,将镀膜氟化锂窗口作为装置靶。利用火炮加速弹托,使炸药样品以一定速度撞击镀膜氟化锂窗口,通过光子多普勒测速仪(photonic Doppler velocimetry,PDV)测量炸药样品击靶速度以及炸药/镀膜氟化锂窗口界面粒子速度。最终根据冲击波阵面守恒关系计算获得了JB-9014炸药冲击Hugoniot数据,采用正交回归直线拟合得到了炸药样品在3.1~8.2 GPa压力范围内的冲击Hugoniot关系:Ds=2.417+2.140us (Dsus的单位均为km/s)。结果表明:该方法测试精度较高,响应时间快(小于5 ns),同时该方法可以对炸药的反应情况进行检测,便于判断实验是否测得真实的未反应炸药冲击Hugoniot数据。

English Abstract

  • 炸药的冲击Hugoniot关系是指炸药从同一初始状态出发,经过不同的冲击压缩达到终态的集合[1]。它反映了冲击波后炸药热力学状态量之间的关系,其对标定未反应炸药的状态方程、研究炸药的冲击起爆、进行爆轰数值模拟以及理解爆轰反应区结构具有重要的意义,实际应用中使用最多的炸药Hugoniot关系就是炸药中冲击波速度D与波后粒子速度u之间的关系。大量实验表明,在凝聚介质中冲击波的速度D与其波后质点速度u之间,在相当宽的速度范围(或压力范围)存在着线性关系[2]

    $ D=a+bu $

    式中:ab为待定系数,需要通过实验测量确定。

    到目前为止,已经有多种测试炸药冲击Hugoniot关系的方法,如楔形药实验法[3]、冲击波速度对比法[4]、压力对比法[5-6]、速度对比法[7]、组合式电磁速度计法等[8-9]。测试手段方面,采用的有电磁速度计[3, 7-11]、扫描相机[3-4]、VISAR[10-11]、锰铜压力计[5-6, 12-13]等。由于炸药为不导电材料,常被用来测量金属材料的电探针技术在测量炸药冲击Hugoniot关系中应用较少。在加载技术方面,近年来采用的主要是气炮加载、透镜加载。相比于炸药透镜加载,火炮或者气炮加载平面性更好,而且更易控制和测试输入压力的大小。不同于金属等惰性材料,炸药在强冲击波作用下会发生反应,这就要求测试所用的传感器具有较短的响应时间,否则仪器记录到的就是一部分反应后炸药的冲击Hugoniot状态,从而给测试数据引入较大的不确定度。锰铜压力计、电磁速度计响应时间一般大于20 ns,楔形药实验通过扫描相机测量冲击波在炸药中的传播轨迹,获得的是一段时间内冲击波的平均速度,其响应时间也较长。此外,受传感器标定、安装、电路干扰等因素的影响,上述测试方法的精度普遍不高,导致测试数据分散性较大,通常需要进行多发实验来获得较准确的冲击Hugoniot关系。因此,有必要发展新的测试方法,提高炸药冲击Hugoniot数据的测试精度。

    PDV(photonic Doppler velocimetry)是近年来新发展的一种激光干涉测试技术,其具有使用方便、响应快、测试精度高等优点,被广泛应用于各种爆炸、冲击测试[14-15]。传统的冲击Hugoniot测试中,样品都是固定不动的,一般通过炸药或者火炮驱动飞片撞击样品,使样品中产生冲击波,这种方式下难以通过激光干涉法测量撞击面的粒子速度。一个可行的办法就是将样品作为飞片去撞击透明光学窗口,然后根据冲击波阵面上的守恒条件计算炸药样品的冲击Hugoniot关系。谭叶等[16]利用该方法成功获得了惰性材料Bi的冲击Hugoniot数据。

    以三氨基三硝基苯(TATB)为基的塑性粘结炸药,由于其良好的安全性能,在军事上获得了广泛的应用。例如:JB-9014炸药是以TATB为基的塑性粘结炸药,其配方组分为质量分数95%的TATB和5%粘结剂,典型装药密度为1.895 g/cm3,对应的爆速为7.66 km/s。已有JB-9014炸药冲击Hugoniot数据不确定度较大[6],且与类似配方PBX-9502的Hugoniot数据存在较大差异,有待进一步研究。本文中,在火炮平台上,采用反向撞击法通过PDV技术测量JB-9014炸药的冲击Hugoniot数据,拟合得到JB-9014炸药的冲击Hugoniot关系,并与已有的文献报道数据进行比较,以期为深入开展JB-9014炸药的冲击起爆、反应区结构研究以及爆轰数值模拟奠定基础。

    • 反向撞击法是将待测样品作为飞片安装在弹托上直接撞击镀膜LiF窗口,其原理如图1所示。在拉格朗日坐标系中,安装在弹托上的炸药样品经火炮加速后以终速W撞击静止镀膜LiF窗口,样品和窗口中将分别产生左行和右行冲击波,样品和窗口中的压力、粒子速度等状态也由p0su0sD0sp0wu0wD0w变为psusDspwuwDw

      图  1  实验原理图

      Figure 1.  Schematic diagram of experimental principle

      由冲击波的基本关系式可知,在一维平面情况下,冲击波阵面的质量和动量守恒,其方程分别为:

      $ \quad\quad\rho \left( D-u \right)={{\rho }_{0}}\left( D-{{u}_{0}} \right) \quad\quad\quad\quad\;\;\;\quad\quad(2)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad$

      $ \quad\quad\quad\quad\quad p+\rho {{\left( D-u \right)}^{2}}={{p}_{0}}+{{\rho }_{0}}{{\left( D-{{u}_{0}} \right)}^{2}}\quad\quad\quad\quad\quad(3)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad $

      联立式(2)和式(3)可得:

      $ \quad\quad\quad\;\quad\quad\quad p-{{p}_{0}}={{\rho }_{0}}\left( D-{{u}_{0}} \right)\left( u-{{u}_{0}} \right)\quad\quad\;\;\quad\quad\quad(4)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad $

      式中:ρDup分别为冲击波阵面后的密度、冲击波速度、粒子速度和压力,下标0表示初始状态。

      在欧拉坐标中,根据界面连续性条件可以得到:

      $ {{u}_{\rm{s}}}=W-{{u}_{\rm{w}}} $

      $ {{p}_{\rm{s}}}={{p}_{\rm{w}}} $

      根据式(4)和(5),炸药样品和LiF窗口中冲击波后压力可分别表示为:

      $ {{p}_{\rm{w}}}={{\rho }_{0\rm{w}}}{{D}_{\rm{w}}}{{u}_{\rm{w}}} $

      $ {{p}_{\rm{s}}}={{\rho }_{0\rm{s}}}{{D}_{\rm{s}}}(W-{{u}_{\rm{s}}}) $

      联立式(6)~(8),得到炸药样品内的冲击波速度:

      $ {{D}_{\rm{s}}}=\frac{{{\rho }_{\rm{0w}}}{{D}_{\rm{w}}}{{u}_{\rm{w}}}}{{{\rho }_{\rm{0s}}}(W-{{u}_{\rm{s}}})} $

      式中:ρ0sρ0w分别为样品和窗口的初始密度。窗口材料的D-u曲线一般满足线性关系:

      $ {{D}_{\rm{w}}}={{a}_{\rm{w}}}+{{b}_{\rm{w}}}{{u}_{\rm{w}}} $

      式中:awbw为窗口材料的Hugoniot参数。联立式(9)~(10)可得:

      $ {{D}_{\rm{s}}}=\frac{{{\rho }_{0\rm{w}}}({{a}_{\rm{w}}}+{{b}_{\rm{w}}}{{u}_{\rm{w}}}){{u}_{\rm{w}}}}{{{\rho }_{\rm{0s}}}(W-{{u}_{\rm{s}}})} $

      根据式(5)和(11),在已知窗口材料Hugoniot参数的条件下,利用反向撞击法测量炸药样品的Hugoniot参数时,只需要测量样品击靶的速度W和波后粒子速度uw,即可获得炸药样品中波后粒子速度us和冲击波速度Ds

    • 实验在口径为57 mm的火炮上进行,JB-9014炸药样品尺寸为$\varnothing $30 mm×20 mm。装置示意图如图2所示,装置实物图如图3所示,将圆柱状的JB-9014炸药样品安装在弹托上,利用口径为57 mm的火炮将弹托发射至终点弹道速度W,并且撞击LiF光学窗口。LiF窗口的尺寸为$\varnothing $20 mm ×11 mm,其撞击面一端镀有约0.7 μm厚的铝膜,一般冲击波在铝膜内反射2~3次后压力可达到平衡,据此估算窗口的响应时间约为0.6 ns。LiF窗口通过支架安装在炮管正前方,安装时利用工装确保炸药撞击面与炮管轴线垂直,在火炮直径57 mm范围内,飞片加载的平面性优于10 ns。利用光子多普勒测速仪(PDV)同时测量样品击靶速度W和窗口的界面粒子速度uw。PDV测速探头的直径为3.2 mm,探头输出激光的焦斑直径小于0.3 mm,探头距离窗口反射面的距离约为35 mm。实验前对爆炸罐抽真空,实验时爆炸罐内压强小于200 Pa,激光测速探头通过爆炸罐上的光纤法兰与罐外仪器设备相连。

      图  2  实验装置示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of experimental device

      图  3  实验装置实物图

      Figure 3.  Physical diagrams of experimental devices

      实验中使用光子多普勒测速仪CAEP-PDV-3,该测速仪为全光纤结构,结构较紧凑。PDV使用的激光波长为1 550 nm,当被测物体的运动速度为1 km/s时,对应的差频频率为1.29 GHz。该PDV的光电探测器的带宽为12.5 GHz,与其配套的采集示波器带宽为13 GHz,示波器最高采样速率为40 GS/s,受PDV探测器带宽的限制,该系统最高可以测量约9.7 km/s的速度。PDV装置的具体结构及测速原理可参考文献[14]。

    • 进行了4发实验,测量了JB-9014炸药样品在3.1~8.2 GPa压力范围内的样品击靶速度W和样品/窗口界面粒子速度uw,获得的界面粒子速度如图4所示。从图4可知,反向撞击法中,炸药样品直接与LiF窗口撞击,界面粒子速度迅速上升,紧接着是一个很平坦的平台,平台速度即为窗口的冲击波后粒子速度uw,平台阶段粒子速度的变化幅值小于1%。在1 μs内炸药界面粒子速度没有出现上升,表明冲击加载下JB-9014炸药没有发生明显反应,实验中最大加载压力为8.2 GPa,要小于JB-9014炸药的临界起爆压力(约10 GPa)。如果撞击过程中炸药发生了反应,则界面粒子速度会出现上升,因此,通过该方法可以对炸药的反应情况进行检测,便于判断实验是否测得真实未反应炸药的冲击Hugoniot数据。实验测得的飞片速度W图5所示,图5中的时间零点为炸药撞击LiF窗口界面的时刻。从图5可知,炸药撞击窗口前速度较稳定,近似于一条直线,实验测得的撞靶时刻附近飞片速度变化小于0.1%。

      图  4  样品/窗口界面粒子速度

      Figure 4.  Particle velocity at interface between sample and window

      图  5  飞片速度曲线

      Figure 5.  Flyer velocity-time curves

      根据实验测量的飞片速度W和窗口界面粒子速度uw,利用式(8)和(11)计算得到JB-9014炸药的冲击波后压力、冲击波速度等参数见表1。数据处理中涉及的LiF单晶Hugoniot参数为:ρw=2.641 g/cm3aw=5.176 km/s,bw=1.353[17]

      实验编号 ρ/(g·cm−3) W/(km·s−1) uw/(km·s−1) us/(km·s−1) Ds/(km·s−1) p/GPa
      Shot 1 1.883 0.696 0.216 0.480 3.433 3.119
      Shot 2 1.889 0.918 0.300 0.618 3.788 4.422
      Shot 3 1.893 1.173 0.394 0.779 4.028 5.941
      Shot 4 1.891 1.490 0.527 0.963 4.501 8.196

      表 1  实验测试结果

      Table 1.  Experimental results

      利用反向撞击法得到JB-9014炸药样品的Ds-us关系如图6所示。从图6可知,在测试压力范围附近,本文的实验结果与Dick等[3]的类似配方PBX-9502的实验结果较一致,且本文测试结果分散性更小。与张旭等[6]给出的数据相比,本文测得的数据整体偏高。张旭等[6]给出的数据由锰铜压阻计获得,锰铜压阻计测量精度与压阻系数的标定精度、封装保护等因素有关,另外由于锰铜压阻计测量的是电信号,实验过程易受干扰,因此,该数据的分散性较大。

      图  6  炸药样品的冲击波速度与粒子速度的关系

      Figure 6.  Relation between shock velocity and particle velocity for the explosive samples

      采用反向撞击法测量JB-9014炸药冲击Hugoniot数据的实验中,不确定度主要源自窗口界面粒子速度、飞片速度和窗口材料的冲击Hugoniot参数。对于飞片速度,PDV测速的相对标准不确定度约为0.1%;对于窗口界面粒子速度,PDV测速的相对标准不确定度约为1%;如果窗口材料冲击Hugoniot参数的相对不确定度按照0.5%计算,则根据不确定度的传递规律,采用反向撞击法获得的样品粒子速度相对合成标准不确定度约为1%,冲击波速度的相对合成标准不确定度约为1.8%。

      由上述结果可知,采用反向撞击法测量炸药冲击Hugoniot参数是可行的,实验中主要参数均采用PDV测量,数据不确定度要小于楔形药法、压力对比法、粒子速度对比法等方法的。受火炮加载能力的限制,本文中暂时没有开展更高加载压力的实验,根据已有的实验结果,反向撞击法测试的响应时间约为5 ns,该值要明显低于锰铜压阻计、电磁速度计的响应时间,通过提高弹托的发射速度,有望得到更高压力下未反应炸药冲击的Hugoniot数据。

    • (1) 采用反向撞击法测量炸药冲击Hugoniot参数是可行的,该方法实验原理简单,数据处理方便,精度较高,实验获得的冲击Hugoniot数据粒子速度相对合成标准不确定度约为1%,冲击波速度的相对合成标准不确定度约为1.8%。

      (2) 反向撞击法中,主要参数均采用PDV测试获得,时间响应快,小于5 ns。同时,该方法可以对炸药的反应情况进行检测,便于判断实验是否测得真实的未反应炸药冲击Hugoniot数据。

      (3) 在3.1~8.2 G Pa压力范围内,JB-9014炸药的冲击雨贡曲线近似成线性关系,可表示为Ds=2.417+2.140usDsus的单位均为km/s),在该压力范围内,本文得到的数据与类似炸药PBX-9502的数据[3]较为接近。

参考文献 (17)

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