• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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基于PDV的JOB-9003炸药爆轰反应区测量

覃锦程 裴红波 黄文斌 张旭 郑贤旭 赵锋

引用本文:
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基于PDV的JOB-9003炸药爆轰反应区测量

    作者简介: 覃锦程(1993- ),男,硕士研究生,jc_qin@163.com;
    通讯作者: 裴红波, hongbo2751@sina.com
  • 中图分类号: O381

Measuring the detonation reaction zone structure ofJOB-9003 explosive using PDV

    Corresponding author: PEI Hongbo, hongbo2751@sina.com ;
  • CLC number: O381

  • 摘要: 炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义,为了得到JOB-9003炸药的反应区信息,采用光子多普勒测速仪(PDV)对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药,在炸药后表面安装镀膜氟化锂(LiF)窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度,测试过程的时间分辨率小于1 ns,测速相对不确定度小于2%。通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ点,根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ压力。研究结果表明,JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点,JOB-9003炸药的化学反应时间为(11±2)ns,对应的化学反应区宽度为(0.075±0.014)mm,JOB-9003炸药的CJ爆压为(35.6±0.9)GPa,冯诺依曼(Von Neumann)峰处的压力为(47.9±1.2)GPa。
  • 图 1  爆轰反应区结构示意图

    Figure 1.  Schematic representation of the detonation reaction zone profile

    图 2  测试系统组成图

    Figure 2.  Experimental set-up

    图 3  条纹法计算速度示意图

    Figure 3.  Schematic of velocity calculation with fringe method

    图 4  窗口傅里叶变换得到的速度谱图(探头:shot 1-P1)

    Figure 4.  Velocity spectrogram calculated with Fourier transformation (probe: shot 1-P1)

    图 5  界面粒子速度历程图

    Figure 5.  Particle velocity histories at LiF window interface

    表 1  实验测得的JOB-9003爆轰反应区参数

    Table 1.  Reaction zone parameter of JOB-9003 measured from experiments

    探头 uVN/(m·s−1) uCJ/(m·s−1) PVN/GPa PCJ/GPa τ/ns
    shot 1-P1 2 519 1 943 48.8 35.6 11
    shot 1-P2 2 495 1 934 48.2 35.4 11
    shot 1-P3 1 940 35.5 11
    shot 2-P1 2 477 1 948 47.8 35.7 11
    shot 2-P2 2 513 1 945 48.7 35.7 11
    shot 2-P3 2 402 1 932 46.0 35.4 11
    平均 2 481±50 1 940±39 47.9±1.2 35.6±0.9 11±2
     注:(1)shot 1-P1表示第1发实验中的第1个探头。(2)平均值中不确定度主要来自于界面粒子速度测试。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-28
  • 录用日期:  2018-06-22
  • 网络出版日期:  2019-04-25
  • 刊出日期:  2019-04-01

基于PDV的JOB-9003炸药爆轰反应区测量

    作者简介:覃锦程(1993- ),男,硕士研究生,jc_qin@163.com
    通讯作者: 裴红波, hongbo2751@sina.com
  • 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川 绵阳 621999

摘要: 炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义,为了得到JOB-9003炸药的反应区信息,采用光子多普勒测速仪(PDV)对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药,在炸药后表面安装镀膜氟化锂(LiF)窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度,测试过程的时间分辨率小于1 ns,测速相对不确定度小于2%。通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ点,根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ压力。研究结果表明,JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点,JOB-9003炸药的化学反应时间为(11±2)ns,对应的化学反应区宽度为(0.075±0.014)mm,JOB-9003炸药的CJ爆压为(35.6±0.9)GPa,冯诺依曼(Von Neumann)峰处的压力为(47.9±1.2)GPa。

English Abstract

  • 炸药的爆轰反应区一般由ZND(Zeldovich-Von Neumann-Doring)模型进行描述,在ZND模型中,冲击波作用下炸药的化学反应要历经一定的时间和空间,这一区间被称为反应区,反应区由无反应的先导冲击波和紧随其后的化学反应区构成,在化学反应区的末端是Chapman-Jouguet(CJ)点,CJ点连接了反应区和Taylor波稀疏区,如图1所示。测量炸药的爆轰反应区结构,一般包含测量CJ点处的压力(爆压),Von Neumann(下文称VN)峰压力,反应时间等,这些信息对理解炸药的爆轰反应过程、爆轰数值模拟等具有重要价值。针对反应区的测量,各国研究者提出了基于不同物理机制的方法,包括自由面速度法[1]、电磁粒子速度计法[2]、电导率法[3-4]、光电法[5-6]、激光干涉测速法[7-14]等。在以上方法中,激光干涉法的物理机制最为明确,且时间分辨率最高,利用激光干涉法测量反应区时,粒子速度曲线的时移曲线和反应区中的压力分布对应,因此,在测量得到界面粒子速度曲线后,通过读取曲线上的折点,可得到反应区末端对应的CJ点,同时得到反应时间和反应区宽度。

    图  1  爆轰反应区结构示意图

    Figure 1.  Schematic representation of the detonation reaction zone profile

    以奥克托金(HMX)为主要成分的塑性黏结炸药,由于其良好的爆轰性能,在军事上获得了广泛的应用,已有的测试结果表明,对于HMX炸药,由于其反应区较窄,受测试仪器时间分辨率、测试精度、炸药非均匀性等因素的影响,不同研究者给出的HMX炸药反应持续时间在15~40 ns之间[9-11],测试结果分散性较大,尚缺乏较为准确的HMX基炸药反应区数据。JOB-9003是以HMX为主要成分的塑性黏结炸药,其组分(质量分数)包含87%的HMX、8.7%的TATB、4.3%的塑性黏结剂,典型装药密度为1.845 g/cm3,对应的爆速为8 712 m/s[15]。由于钝感组分TATB的加入,相比于纯HMX基炸药,其安全性更好,同时又具有较高的做功能力。

    本文中采用高时间分辨率的PDV对JOB-9003炸药反应区进行测量,获得较为准确的炸药反应时间、反应区宽度、爆压、VN峰压力等信息,并与已有的数据进行对比、分析,研究结果可为炸药爆轰数值模拟提供实验数据。

    • 实验装置如图2所示,由火炮、蓝宝石飞片、待测JOB-9003炸药样品、LiF光学窗口以及光纤测速探头等构成,记录装置包含光子多普勒测速仪和示波器。蓝宝石的尺寸为$ \varnothing$55 mm×12 mm,LiF窗口尺寸为$ \varnothing$20 mm×11 mm,在窗口的一端镀有0.7 μm厚的铝膜,用于反射射向炸药和窗口界面的光信号。装配时在炸药和窗口间涂抹硅油,再按压在一起以排除两者间的空气隙,铝膜和硅油的厚度均在微米级别,至少比反应区宽度小一个数量级,在爆轰波通过瞬间即达到平衡,因此对反应区的影响较小。三个光纤探头P1、P2、P3直径为3.2 mm,P1正对炸药后表面中心,各探头输出激光的焦斑直径小于0.3 mm,实验时探头距反射铝膜的距离为35 mm,实验中其余各仪器的具体安装过程以及PDV的介绍可参考文献[16]。

      图  2  测试系统组成图

      Figure 2.  Experimental set-up

    • 要获得界面粒子速度历程,需要对PDV测试获得的原始频域干涉信号进行处理,变换为时域信号。常见的数据处理方法有条纹法、窗口傅里叶变换法、小波变换方法等[17-19]。本文中针对反应区的不同阶段采用不同的数据处理方法。在炸药开始反应的20 ns内,粒子速度下降较快,而且由于波阵面非均匀性等原因,信号对比度一般不好,因此我们采用条纹法处理数据,通过读取干涉信号的周期来计算速度,为了减小不确定度,每次选取3~4个正弦周期,其对应的时间分辨率优于1 ns,测速的不确定度小于2%,如图3所示(图中775为激光半波长,单位nm,T为干涉信号周期,单位ns,1.267 8为窗口折射率修正系数)。炸药反应约20 ns之后,界面粒子速度变化较为缓慢,这一阶段采用窗口傅里叶变换法进行数据处理,选取的窗口宽度为2 ns,速度测试的不确定度小于1%。

      图  3  条纹法计算速度示意图

      Figure 3.  Schematic of velocity calculation with fringe method

      加窗激光干涉测试中,测试窗口的折射率在冲击波的作用下会发生变化,测得的干涉频域信号中会附加多普勒频率[20-21],因此需要对实验测得的速度进行修正,本文采用文献[20]提供的系数进行折射率修正。具体的折射率修正和反应区内的压力计算方法可参考文献[16]。

    • 共进行了2发重复实验,实验所用圆柱炸药尺寸为$\varnothing $50 mm×15 mm,密度为(1.845±0.005)g/cm3。实验测得的蓝宝石飞片速度为(1 378±30)m/s,根据蓝宝石和JOB-9003炸药冲击绝热线计算可知,飞片对炸药的加载压力约为10.8 GPa,该压力下JOB-9003炸药的到爆轰距离约为1 mm[15],因此炸药稳定爆轰传播的距离约为14 mm。图4为经过傅里叶窗口变换后获得的典型速度谱图,粒子速度上升到VN峰的时间在1 ns以内。

      图  4  窗口傅里叶变换得到的速度谱图(探头:shot 1-P1)

      Figure 4.  Velocity spectrogram calculated with Fourier transformation (probe: shot 1-P1)

      图5为经过数据处理提取获得的界面粒子速度历程图,从图中可以看出初期界面粒子速度下降得较快,后期下降较为缓慢,界面粒子速度曲线上存在着较为明显的的拐点,读取界面粒子速度的拐点为CJ点,实验测得的VN、CJ点速度、压力和反应时间等数据如表1所示。从图5(a)中可以看出,第1发实验CJ点之后0.3 μs的时间内,不同测点的粒子速度曲线出现了分离,这表明爆轰波并非理想一维结构,而是在空间上存在一定差异,0.3 μs后界面粒子速度又趋于一致,这表明随着时间的推移,产物开始接近于平衡状态,第2发实验也出现了类似的情况,但是差异要小于第1发实验。从细观上来看,本文所使用的塑性黏结炸药包含不同颗粒大小的炸药单晶和黏结剂,是一种非均匀的物质,不同位置探头测试结果的差异正是炸药本身非均匀性的体现。第1发实验P3探头测得的VN点速度要显著小于其他探头的值,通过对原始数据分析发现P3探头反应区内信号对比度较差,因此在计算VN点速度和压力时我们排除掉P3探头的结果。

      图  5  界面粒子速度历程图

      Figure 5.  Particle velocity histories at LiF window interface

      探头 uVN/(m·s−1) uCJ/(m·s−1) PVN/GPa PCJ/GPa τ/ns
      shot 1-P1 2 519 1 943 48.8 35.6 11
      shot 1-P2 2 495 1 934 48.2 35.4 11
      shot 1-P3 1 940 35.5 11
      shot 2-P1 2 477 1 948 47.8 35.7 11
      shot 2-P2 2 513 1 945 48.7 35.7 11
      shot 2-P3 2 402 1 932 46.0 35.4 11
      平均 2 481±50 1 940±39 47.9±1.2 35.6±0.9 11±2
       注:(1)shot 1-P1表示第1发实验中的第1个探头。(2)平均值中不确定度主要来自于界面粒子速度测试。

      表 1  实验测得的JOB-9003爆轰反应区参数

      Table 1.  Reaction zone parameter of JOB-9003 measured from experiments

      炸药的化学反应区宽度由下式计算[6]

      $ a = \int_0^\tau {\left( {{D_{{\rm{CJ}}}} - u} \right){\rm{d}}t} $

      式中:τ为化学反应的持续时间,u为经过修正后的真实界面粒子速度,a为反应区宽度。经过计算得到JOB-9003的反应区宽度为(0.075±0.014)mm。

    • 两发实验多个测点给出JOB-9003炸药平均CJ压力为(35.6±0.9)GPa。传统炸药爆压测试方法——自由表面速度法、锰铜压阻计法和水箱法主要根据的是CJ模型,没有考虑炸药的反应区结构,受测试仪器响应时间的限制,这些方法实际测得的只是CJ点附近的压力,只能算是近似压力。Fritz等[22]通过测量炸药超压爆轰产物拉格朗日声速与冲击绝热线的交点确定炸药的CJ点,给出PBX-9501(95 HMX/5Binder)炸药的CJ压力为(34.8±0.3)GPa,作者在文中同时引用了美国其他研究人员对HMX基炸药PBX-9404 (94HMX/3NC/3CEF)、LX-14 (95.5HMX/4.5Estane)爆压的测试结果,不同研究者给出的HMX基炸药爆压在(34.5~37.5)GPa之间。Mader等[23]采用BKW状态方程对PBX-9501和LX-14炸药的爆压进行了计算,给出的PBX-9501和LX-14炸药爆压分别为36.3和34.8 GPa。Menikoff[24]在进行PBX-9501炸药爆轰数值模拟时,采用的PBX-9501炸药爆压为35 GPa,数值模拟计算得到的界面粒子速度剖面与实验结果较为吻合。Loboiko等[6]采用光电法给出的HMX基炸药CJ点处粒子速度为2.2 km/s,对应的CJ压力为35.5 GPa。董海山等[15]采用高速摄影测量了JOB-9003炸药与不同厚度铝板作用下铝板的自由表面速度,并将其外推到铝板厚度为零的情况,利用迭代法求解炸药-铝板处的界面方程,得到JOB-9003炸药的爆压为(35.2±0.2)GPa。综上可以看出,大部分研究者给出的HMX基高能炸药爆压在(34.5~36.5)GPa之间,考虑到测试的不确定度,本文的实验结果与以上结果具有较好的一致性。

    • Gustavsen等[9-10]采用VISAR对PBX-9501界面粒子速度进行了测量,测试时间分辨率为2~3 ns,由于CJ点处粒子速度下降较为缓慢,使得CJ点难以确定,作者给出的PBX-9501炸药反应时间在15~35 ns之间,分散性较大。Tarver[25]结合实验和数值模拟认为HMX炸药的快反应为20 ns时,数值模拟给出爆速随装药半径的变化关系与实验结果吻合较好。Loboiko等[6]采用光电法对HMX炸药爆轰反应区进行了测量,测试仪器的分辨率约为5 ns,通过对界面粒子速度求导,给出的反应时间为(40±10)ns,炸药反应区宽度为(0.25±0.04)mm。Menikoff等[24]对PBX-9501炸药的反应区进行了理论研究,基于阿伦尼乌斯反应速率给出的PBX-9501炸药反应时间为10 ns,反应区宽度为0.06 mm。相比于已有的实验结果,本文中所用的实验方法具有更高的时间分辨率,而且多个探头给出的实验结果具有较好的一致性。

    • 由于HMX炸药在较高的冲击压力下会迅速发生反应,因此如何准确测量VN点的压力一直是一个难题。Gustavsen等[10]采用VISAR对PBX-9501界面粒子速度进行了测量,由于VN点处粒子速度下降较快,受仪器时间分辨率的原因,作者给出的PVN在38.7~53.4 GPa之间。Loboiko等[6]采用光电法给出的HMX基炸药VN点界面粒子速度约为3 km/s,对应的PVN=48.6 GPa。Sheffield等[26]、Dick等[27]对PBX-9501炸药20 GPa以下压力的冲击绝热线进行了测量,将其外推到高压端,得到VN点压力约为44 GPa。Menikoff[24]结合低压下PBX-9501炸药冲击压缩数据和30 GPa压力附近的单晶HMX冲击压缩数据[28],对PBX-9501炸药冲击绝热线进行了拟合,给出的VN点处粒子速度在2.8~3.9 km/s之间,对应VN点压力在45~63 GPa之间,不确定度较大。Baer等[29]在Z脉冲功率装置上针对PBX-9501炸药进行了准等熵压缩实验,根据实验获得的界面粒子速度反演得到包含二次项的PBX-9501冲击绝热线,实验过程准等熵加载的最大压力超过30 GPa,根据其给出的冲击波速度与粒子速度(D-u)关系,当D=8.8 km/s时,u=3.3 km/s,计算得到PBX-9501炸药VN点的压力为53.2 GPa。根据文献[30]中给出的PBX-9404冲击绝热线关系,将D-u关系外推到D=DCJ处,得到VN点压力PVN=48.4 GPa。池家春[31]用“压力对比法”测量了20 GPa以下压力JOB-9003炸药的冲击绝热线,将D-u直线外推到D=DCJ,得到VN点压力PVN=45.2 GPa。根据以上分析可以看出,大部分研究者给出的HMX基塑性黏结炸药VN点压力在44~54 GPa之间,相比以往的测试方法,本文的测量精度更高,基本能够分辨VN峰的压力大小,测得PVN=(47.9±1.2) GPa在这一范围内。

    • 通过飞片冲击起爆JOB-9003炸药到达稳定爆轰状态,利用PDV对JOB-9003炸药的加窗波后界面粒子速度进行测量,测试过程时间分辨率为2 ns,不确定度小于2%,初步得到如下结论:

      (1)JOB-9003炸药界面粒子速度存在着较为明显的拐点,可以通过读取炸药界面粒子速度的拐点确定炸药的CJ点,进而计算炸药爆压;受炸药本身非均匀性的影响,爆轰波速度剖面在空间上存在着一定的差异,因此在测试中有必要布设多个传感器以减小这种非均匀性对测试结果的影响。

      (2)JOB-9003炸药的爆轰反应时间为(11±2)ns,对应的化学反应区宽度为(0.075±0.014)mm,JOB-9003炸药的爆压为(35.6±0.9)GPa,VN峰处的压力为(47.9±1.2)GPa,研究结果为炸药性能评估及爆轰数值模拟提供了数据。

参考文献 (31)

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