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TATB基钝感炸药JB-9014的冲击起爆反应增长规律

张琪敏 张旭 赵康 舒俊翔 张蓉 钟斌

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TATB基钝感炸药JB-9014的冲击起爆反应增长规律

    作者简介: 张琪敏(1993- ),女,硕士研究生,15802856071@163.com;
    通讯作者: 张旭, caepzx@sohu.com
  • 中图分类号: O382

Law of reaction growth of shock initiation on the TATB based insensitive explosive JB-9014

    Corresponding author: ZHANG Xu, caepzx@sohu.com ;
  • CLC number: O382

  • 摘要: 采用铝基组合式电磁粒子速度计技术,通过一维平面冲击实验研究了JB-9014炸药的冲击起爆反应增长规律,获得了11.33~14.18 GPa不同初始入射冲击压力下JB-9014炸药撞击界面及其内部不同深度处冲击前沿的波后粒子速度,进而得到粒子速度-时间波剖面图,并拟合得到未反应JB-9014炸药的Hugoniot关系。此外,根据冲击波跟踪器所测波形获得了不同冲击压力下的到爆轰时间及距离。
  • 图 1  实验装置图

    Figure 1.  Illustration of the experimental set-up

    图 2  铝基组合式电磁粒子速度计

    Figure 2.  Aluminum-based multiple electromagnetic particle velocity gauge

    图 3  6发实验粒子速度曲线

    Figure 3.  Particle velocities of six shots on PBX-9014

    图 4  JB-9014炸药内部不同深度的压力

    Figure 4.  Impact pressure at different depths of JB-9014 explosive

    图 5  Hugoniot关系(us-up曲线)

    Figure 5.  Particle velocity (up) vs. shock velocity (us)

    图 6  冲击波时间-位置曲线

    Figure 6.  Time-distance curve of shock waves

    图 7  Pop关系

    Figure 7.  Pop-plot for JB-9014 explosives

    表 1  JB-9014炸药平面冲击实验参数

    Table 1.  Parameters of plane impact experiments on JB-9014 explosive

    实验 ρ0/(g·cm−3) uI/(km·s−1) p0/GPa 实验 ρ0/(g·cm−3) uI/(km·s−1) p0/GPa
    上端 下端 上端 下端
    A 1.897 1.896 1.517 11.472 D 1.9 1.902 1.553 12.830
    B 1.897 1.894 1.686 14.175 E 1.895 1.489 13.645
    C 1.898 1.893 1.651 13.667 F 1.9 1.893 1.529 11.334
     注:Shot E炸药样品的密度数据缺失,故炸药样品初始密度用平均密度1.895 g/cm3替代。
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    表 2  JB-9014炸药的实验数据

    Table 2.  Particle velocity vs shock velocity data for JB-9014

    实验 ρ0/(g·cm−3) up/(km·s−1) us/(km·s−1) 实验 ρ0/(g·cm−3) up/(km·s−1) us/(km·s−1)
    1 1.887 0.508 3.32 16 1.891 0.963 4.501
    2 1.889 0.510 3.34 17 1.894 0.574 3.347
    3 1.887 0.523 3.37 18 1.893 0.735 3.990
    4 1.885 0.546 3.47 19 1.893 0.913 4.369
    5 1.891 0.582 3.43 20 1.898 1.084 4.727
    6 1.885 0.592 3.37 21 1.898 0.481 3.408
    7 1.891 0.772 3.60 22 1.898 0.604 3.776
    8 1.887 1.017 4.11 23 1.893 0.639 4.000
    9 1.885 1.074 4.12 24 1.889 0.813 4.136
    10 1.889 1.445 4.32 A 表1 1.282 4.718
    11 1.884 1.425 4.63 B 表1 1.428 5.236
    12 1.885 1.447 4.65 C 表1 1.431 5.040
    13 1.893 0.480 3.433 D 表1 1.373 4.918
    14 1.889 0.618 3.788 E 表1 1.330 4.997
    15 1.893 0.779 4.028 F 表1 1.286 4.647
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    表 3  JB-9014炸药的数据

    Table 3.  data for JB-9014 explosives

    实验 ρ0/(g·cm−3) ρ0/(g·cm−3) tD/μs xD/mm 实验 ρ0/(g·cm−3) p0/GPa tD/μs xD/mm
    上端 下端 上端 下端
    A 1.897 1.896 11.472 26.48 13.97 D 1.900 1.902 12.830 23.04 8.54
    B 1.897 1.894 14.175 53.01 8.35 E 1.895 13.645 41.38 9.05
    C 1.898 1.893 13.667 21.57 7.38 F 1.900 1.893 11.334 24.09 9.59
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-06
  • 录用日期:  2018-05-09
  • 网络出版日期:  2019-03-25
  • 刊出日期:  2019-04-01

TATB基钝感炸药JB-9014的冲击起爆反应增长规律

    作者简介:张琪敏(1993- ),女,硕士研究生,15802856071@163.com
    通讯作者: 张旭, caepzx@sohu.com
  • 1. 中国工程物理研究院研究生院,四川 绵阳 621999
  • 2. 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川 绵阳 621999

摘要: 采用铝基组合式电磁粒子速度计技术,通过一维平面冲击实验研究了JB-9014炸药的冲击起爆反应增长规律,获得了11.33~14.18 GPa不同初始入射冲击压力下JB-9014炸药撞击界面及其内部不同深度处冲击前沿的波后粒子速度,进而得到粒子速度-时间波剖面图,并拟合得到未反应JB-9014炸药的Hugoniot关系。此外,根据冲击波跟踪器所测波形获得了不同冲击压力下的到爆轰时间及距离。

English Abstract

  • 随着现代武器对弹药安全性能要求的提高,钝感炸药已成为近年来武器弹药研究的热点。TATB炸药最早于1887年由Jackson和Wing合成,到目前为止,TATB依然是最钝感的炸药[1],因此TATB及以TATB为基的炸药的冲击起爆性能受到各国学者的重视。Gustavsen等[2-3]利用组合式电磁粒子速度计技术,研究了常温下和−55℃下TATB基钝感炸药PBX-9502在不同入射冲击压力下的波后粒子速度和冲击波/爆轰波传播轨迹,得到了2种温度下表征炸药冲击起爆性能的“压力-冲击到爆轰距离”关系;张旭等[4]利用压力对比法,采用锰铜计测量了TATB基钝感炸药JB-9014的界面压力场,拟合了该炸药的冲击绝热线关系。

    在钝感炸药冲击起爆性能研究的实验技术中,组合式电磁粒子速度计技术是使用最广泛的技术之一,它具有工作原理简单、响应灵敏、单次实验所得信息丰富、对反应流场干扰小、无需标定等优点[5]。1960年,电磁粒子速度计技术最先由俄罗斯的Zaitzev等提出;中国的电磁粒子速度计测试技术起步于20世纪80年代初期,经过几十年的研究与改造,现已成功地利用火炮平台作为初始冲击力发射撞击起爆炸药,再利用铝基组合式探针在爆炸或冲击波驱动下切割磁力线获得粒子速度-时间关系、冲击起爆雨贡纽关系,这些数据于爆轰反应动力学过程建模的标定和验证具有重要支撑作用。

    • 组合式电磁粒子速度计的设计原理为法拉第电磁感应定律:即导线切割磁感线会产生感应电动势[6]。电磁粒子速度计切割磁感线产生的感应电动势为:

      $ {E_{{\rm{gauge}}}} = Blu $

      式中:${E_{{\rm{gauge}}}}$为动生电动势(V),B为已知磁场强度(T),l为有效切割长度(m),u为粒子速度(m/s)。示波器记录的电压信号为:

      ${E_{{\rm{scope}}}} = {E_{{\rm{gauge}}}}\frac{{{R_{{\rm{scope}}}}}}{{{R_{{\rm{scope}}}} + \left( {{R_{{\rm{gauge}}}} - \Delta {R_{{\rm{gauge}}}}} \right)}} $

      式中:$R_{{\rm{scope}}}$为示波器的电阻,50 Ω;${R_{{\rm{gauge}}}}$为粒子速度计的电阻,实验时需用万用表测量,$\Delta {R_{{\rm{gauge}}}}$为万用表本身的电阻。粒子速度为:

      $ u = {E_{{\rm{scope}}}}\frac{{{R_{{\rm{scope}}}} + ({R_{{\rm{gauge}}}} - \Delta {R_{{\rm{gauge}}}})}}{{Bl{R_{{\rm{scope}}}}}} $

      在火炮加载平台上,采用铝基组合式电磁粒子速度计技术开展TATB基钝感炸药JB-9014的一维平面冲击实验,实验装置如图1所示。用环氧树脂把铝基组合式电磁粒子速度计以30° 倾角镶入两块楔形JB-9014炸药样品之间,粘合成$\varnothing$42 mm×30 mm的组合药柱,并置于0.14 T的均匀磁场中。实验所用铝基组合式电磁粒子速度计如图2所示,它由8个电磁粒子速度单计和3个冲击波跟踪器组成。在冲击波传播方向,相邻两个粒子速度单计间隔1 mm,相邻两个冲击波跟踪器间隔0.5 mm。另外,在炸药样品前表面还贴有3个单点速度计,用于记录蓝宝石飞片撞击炸药时刻的界面粒子速度。

      图  1  实验装置图

      Figure 1.  Illustration of the experimental set-up

      图  2  铝基组合式电磁粒子速度计

      Figure 2.  Aluminum-based multiple electromagnetic particle velocity gauge

    • 为了获得不同冲击起爆压力下JB-9014炸药的冲击反应增长规律,在火炮平台上开展了6发JB-9014炸药的一维平面冲击实验。分析蓝宝石飞片撞击炸药的过程,用下标f表示蓝宝石飞片的各个物理量,用下标e表示炸药样品的物理量,由动量守恒可知[7]

      $ \quad\quad\;\; {p_{{\rm{0,f}}}} = {\rho _{{\rm{0,f}}}}{u_{{\rm{s,f}}}}({u_{\rm I}} - {u_{\rm{p}}}) \quad\quad\quad\;\quad\quad(4)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad $

      $ {p_{{\rm{0,e}}}} = {\rho _{{\rm{0,e}}}}{u_{{\rm{s,e}}}}{u_{\rm{p}}}\quad\quad\quad\quad\quad\quad(5)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad $

      式中:${p_0}$为初始入射冲击压力,${\rho _0}$为初始密度,us为入射冲击波速度,${u_{\rm{p}}}$为波后粒子速度,uI为蓝宝石飞片的撞击速度。

      利用蓝宝石和JB-9014炸药的Hugoniot关系,式(4)和(5)可以改写为:

      $ {p_{{\rm{0,f}}}} = {\rho _{{\rm{0,f}}}}[{c_{{\rm{0,f}}}} + {\lambda _{\rm{e}}}({u_{\rm{I}}} - {u_{\rm{p}}})]({u_{\rm{I}}} - {u_{\rm{p}}}) $

      ${p_{{\rm{0,e}}}} = {\rho _{{\rm{0,e}}}}({c_{{\rm{0,e}}}} + {\lambda _{\rm{e}}}{u_{\rm{p}}}){u_{\rm{p}}} $

      式中:c0λ为常数,对于飞片,${c_{0,{\rm{f}}}}$=11.19 km/s,${\lambda _{\rm{f}}} = 1.0$${\rho _{0,{\rm{f}}}}$=3.985 g/cm3。由界面连续性可知:${p_{0,{\rm{f}}}} = {p_{0,{\rm{e}}}}$,联立式(6)和(7)计算出未反应炸药的波后粒子速度${u_{\rm{p}}}$,进一步得到每发实验的初始入射冲击压力${p_0}$,结果如表1所示。

      实验 ρ0/(g·cm−3) uI/(km·s−1) p0/GPa 实验 ρ0/(g·cm−3) uI/(km·s−1) p0/GPa
      上端 下端 上端 下端
      A 1.897 1.896 1.517 11.472 D 1.9 1.902 1.553 12.830
      B 1.897 1.894 1.686 14.175 E 1.895 1.489 13.645
      C 1.898 1.893 1.651 13.667 F 1.9 1.893 1.529 11.334
       注:Shot E炸药样品的密度数据缺失,故炸药样品初始密度用平均密度1.895 g/cm3替代。

      表 1  JB-9014炸药平面冲击实验参数

      Table 1.  Parameters of plane impact experiments on JB-9014 explosive

    • 根据实验数据,按式(3)计算出表1中6发实验的波后粒子速度,得到其粒子速度-时间波剖面图,如图3所示;并计算出炸药内部不同深度处的冲击波压力,如图4所示。

      图  3  6发实验粒子速度曲线

      Figure 3.  Particle velocities of six shots on PBX-9014

      图  4  JB-9014炸药内部不同深度的压力

      Figure 4.  Impact pressure at different depths of JB-9014 explosive

      图34显示:随着冲击波的传播,炸药内部不同深度处波阵面上的粒子速度及冲击压力均逐渐增大。波后粒子速度呈三阶段发展:“炸药反应诱发阶段—反应冲击波追赶惰性前驱波阶段[8]—冲击转爆轰”。前沿冲击波波后粒子速度和冲击波压力不断增强的原因:炸药在冲击波作用下不断发生化学反应释放能量,使得冲击波强度逐渐增加;增强后的冲击波会使当地粒子速度、压强、温度等物理量增大;温度越高、压强越大将进一步加速化学反应,从而在相同的反应时间里将释放更多的能量来支持冲击波的传播,随着冲击波到达炸药内部越深,炸药反应速率越快,最终达到稳定爆轰(图中三角波形出现就表示已达到稳定爆轰)。

    • 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的最终状态的集合,它反映了冲击波后炸药热力学量之间的关系。实际应用中使用最多的炸药Hugoniot关系是入射冲击波速度us与波后粒子速度up之间的近似线性关系[9],即:

      $ {u_{\rm{s}}} = {c_0} + \lambda {u_{\rm{p}}} $

      式中:$ {c_0}$$\lambda $需要实验标定。根据粒子速度曲线,由未反应炸药前表面的3个粒子速度单计可测得撞击界面处的波后粒子速度;由冲击波到达炸药样品0、3、4 mm处的时刻,可推算出入射冲击波平均速度。

      表2汇总了近年来标定JB-9014炸药冲击Hugoniot关系的实验参数和结果:实验1~12是张旭等[5]采用锰铜计测量JB-9014炸药的us-up实验数据;实验13~16是裴红波等采用反向碰撞法测量4.4~8.2 GPa压力范围内的数据;实验17~20是刘俊明等用PDV测量3.1~9.7 GPa压力范围内的数据;实验21~24是刘俊明等利用PVDF获得的数据;实验A~F是本次实验的数据。根据表2中所列实验数据绘制出us-up关系图,如图5所示,由于锰铜法、电磁法、PDV方法的测量误差不同,而且锰铜法并不是直接测量粒子速度,属于间接测量,因此,不同方法测量的实验结果存在一定差异,但是实验结果总体上趋于一致,呈线性关系。

      实验 ρ0/(g·cm−3) up/(km·s−1) us/(km·s−1) 实验 ρ0/(g·cm−3) up/(km·s−1) us/(km·s−1)
      1 1.887 0.508 3.32 16 1.891 0.963 4.501
      2 1.889 0.510 3.34 17 1.894 0.574 3.347
      3 1.887 0.523 3.37 18 1.893 0.735 3.990
      4 1.885 0.546 3.47 19 1.893 0.913 4.369
      5 1.891 0.582 3.43 20 1.898 1.084 4.727
      6 1.885 0.592 3.37 21 1.898 0.481 3.408
      7 1.891 0.772 3.60 22 1.898 0.604 3.776
      8 1.887 1.017 4.11 23 1.893 0.639 4.000
      9 1.885 1.074 4.12 24 1.889 0.813 4.136
      10 1.889 1.445 4.32 A 表1 1.282 4.718
      11 1.884 1.425 4.63 B 表1 1.428 5.236
      12 1.885 1.447 4.65 C 表1 1.431 5.040
      13 1.893 0.480 3.433 D 表1 1.373 4.918
      14 1.889 0.618 3.788 E 表1 1.330 4.997
      15 1.893 0.779 4.028 F 表1 1.286 4.647

      表 2  JB-9014炸药的实验数据

      Table 2.  Particle velocity vs shock velocity data for JB-9014

      图  5  Hugoniot关系(us-up曲线)

      Figure 5.  Particle velocity (up) vs. shock velocity (us)

      对比各组实验数据,JB-9014炸药的us-up关系利用正交回归直线拟合的结果为:

      $ {u_{\rm{s}}} = \left( {2.42 \pm 0.006} \right) + \left( {2.14 \pm 0.007} \right){u_{\rm{p}}}\ \ \ ( 0.5 \text{≤}{u_{\rm{p}}} \text{≤} {1.43}) $

      式中:usup的单位为km/s。

    • 冲击波跟踪器呈“梯形”,它记录冲击波到达JB-9014炸药样品内部指定位置的时刻。由于冲击波跟踪器中的电流流向改变引起电压符号的改变,因此,根据炸药内部不同深度处冲击波跟踪器信号正负的改变就可以判断冲击波所到位置与所到时刻,即能较精确地记录冲击波的传播轨迹,进一步获得JB-9014炸药冲击起爆的时间-位置曲线(如图6所示,实验所用冲击波跟踪器在冲击波传播方向每步间距0.5 mm,每发实验均埋入3组),拟合出其Pop关系(即转爆轰压力pD和转爆轰距离xD的关系,如图7所示)。已知冲击转爆轰点为时间-位置曲线上曲率最大的点(即拐点)[10],因此结合粒子速度-时间波剖面图可以从时间-位置曲线获得xD(即到爆轰距离)和tD(即到爆轰时间),6发实验的xDtD数据如表3所示。

      图  6  冲击波时间-位置曲线

      Figure 6.  Time-distance curve of shock waves

      图  7  Pop关系

      Figure 7.  Pop-plot for JB-9014 explosives

      实验 ρ0/(g·cm−3) ρ0/(g·cm−3) tD/μs xD/mm 实验 ρ0/(g·cm−3) p0/GPa tD/μs xD/mm
      上端 下端 上端 下端
      A 1.897 1.896 11.472 26.48 13.97 D 1.900 1.902 12.830 23.04 8.54
      B 1.897 1.894 14.175 53.01 8.35 E 1.895 13.645 41.38 9.05
      C 1.898 1.893 13.667 21.57 7.38 F 1.900 1.893 11.334 24.09 9.59

      表 3  JB-9014炸药的数据

      Table 3.  data for JB-9014 explosives

    • 在火炮加载平台上采用铝基组合式电磁粒子速度计技术开展了JB-9014炸药的冲击起爆研究。铝基组合式电磁粒子速度计所测得的粒子速度-时间波剖面图较好地记录了JB-9014炸药的冲击转爆轰过程,冲击波跟踪器所测波形较精确地记录了冲击波/爆轰波的传播轨迹。表征JB-9014炸药冲击起爆性能的“压力-冲击到爆轰距离”关系说明:随着入射冲击压力的增大,JB-9014炸药到爆轰距离减小。本文获得的不同冲击起爆压力下的JB-9014炸药反应增长规律对于标定反应速率函数具有重要支撑作用。研究成果对冲击力的大小影响起爆深度的判定具有重要意义,是实验爆轰物理的有益探索,也是凝聚炸药起爆特性研究的难点、热点之一。

参考文献 (10)

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