TATB类炸药是以TATB炸药为基的钝感炸药, 近几十年来, TATB类炸药的性能尤其是其短脉冲冲击的起爆性能, 越来越受到关注。

J.Campos等^[1]设计了新型的雷管起爆装置, 首先采用微型雷管驱动二次飞片, 飞片撞击起爆钝感装药PBX-RU81(以RDX炸药为基), 该装置可用于直接起爆更钝感的主装药。实验中, 采用Fabry-Perot光学测量装置记录了飞片位移曲线, 并讨论了二次飞片厚度对RU81起爆性能的影响。W.C.Prinse等^[2]设计了含有冲击片雷管、二次飞片、传爆药和主装药的起爆序列, 实验证明采用不锈钢、聚酯薄膜和铝飞片可以起爆低密度TATB炸药(ρ=1.688g/cm³), 但采用二次飞片未能起爆高密度的TATB炸药(ρ=1.842g/cm³)。B.He等^[3]通过实验和数值模拟, 系统研究了飞片起爆亚微米(炸药颗粒平均粒径为0.578μm)低密度(ρ=1.75g/cm³)TATB炸药的性能, 得到了飞片直径、厚度与飞片可靠起爆TATB装药阈值速度的关系。

本文中, 采用钝感起爆序列分别驱动二次飞片和三次飞片撞击TATB装药, 利用全光纤激光干涉测速系统分别测得飞片可靠起爆和未起爆TATB炸药的速度, 并结合数值模拟获得飞片驱动、TATB炸药起爆过程, 在飞片尺寸一定的情况下, 初步确定飞片起爆高密度TATB炸药(ρ=1.895g/cm³)的速度阈值范围。

1.   飞片起爆钝感TATB炸药实验

为起爆钝感TATB炸药, 设计了三次飞片起爆序列, 飞片起爆钝感TATB炸药的实验装置如图 1所示。脉冲功率装置产生的脉冲能量使金属爆炸箔发生快速电爆炸, 爆炸形成的等离子体剪切并驱动聚酰亚胺飞片层产生飞片, 起爆初级装药HNS-IV, 初级装药爆轰驱动二次飞片冲击起爆二级炸药LLM-105, LLM-105炸药爆轰驱动三次飞片起爆钝感TATB装药。实验采用的初级装药为HNS-IV, 尺寸为∅4mm×4mm; 次级装药为分别为HNS-IV、RDX和LLM-105;二次飞片和三次飞片材料均为金属钛, 其中二次飞片尺寸为∅4mm×0.11mm, 三次飞片尺寸分别为∅4mm×0.11mm、∅6mm×0.11mm和∅10mm×0.11mm。

图  1  飞片起爆钝感TATB炸药实验示意图

Figure  1.  Experimental sketch of initiation of insensitive TATB explosive by flyer

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表 1为部分飞片起爆钝感TATB炸药实验的序列结构和起爆结果。实验1、2、3直接采用HNSIV, 增加HNS-IV装药量和采用RDX二级装药不能起爆钝感TATB炸药。实验4、5不含有二次飞片, 初级装药HNS-IV直接接触起爆二级装药LLM-105并驱动飞片, 高密度TATB装药未起爆。实验6、7中, 初级装药HNS-IV驱动二次飞片撞击二级装药LLM-105, LLM-105装药爆轰驱动三次飞片撞击TATB装药, TATB装药稳定爆轰。

表  1  飞片起爆钝感TATB炸药的实验及结果

Table  1.  Experiments and results of initiation of insensitive TATB explosive initiated by flyer

实验	初级装药				二次飞片			二级装药				三次飞片		结果
	材料	d/mm	h/mm		d/mm	h/mm		材料	d/mm	h/mm		d/mm	h/mm
1	HNS-IV	4	4		4	0.11		-	-	-		-	-	未起爆
2	HNS-IV	4	4		4	0.11		HNS-IV	6.3	5		4	0.11	未起爆
3	HNS-IV	4	4		4	0.11		RDX	7.0	5		4	0.11	未起爆
4	HNS-IV	4	4		-	-		LLM-105	6.3	5		4	0.11	未起爆
5	HNS-IV	4	4		-	-		LLM-105	6.3	5		6	0.11	未起爆
6	HNS-IV	4	4		4	0.11		LLM-105	10.0	10		6	0.11	起爆
7	HNS-IV	4	4		4	0.11		LLM-105	10.0	10		10	0.11	起爆

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2.   飞片速度测试和数值模拟

为初步获取∅6mm×0.11mm钛飞片起爆TATB装药的速度上下限, 采用全光纤激光位移干涉测速测速系统(AFDISAR)对实验2、3三次飞片速度进行测量, 分别获得飞片未起爆和可靠起爆TATB装药的飞片速度曲线。飞片速度测试如图 2所示。三次飞片在炸药驱动下运动, 将激光探头照射的光返回到耦合器, 经光电探测器记录得到飞片的速度。

图  2  三次飞片速度测试示意图

Figure  2.  Sketch map of measurement of the third flyer velocity

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对LLM-105炸药爆轰驱动钛飞片的过程和钛飞片冲击起爆主装药TATB炸药的过程进行数值模拟, 与实验结果进行比较。

简化实验模型, 建立∅6.3mm×5mm和∅10.0mm×10mm的LLM-105炸药爆轰驱动飞片的模型, 采用轴对称结构。在计算过程中, 钛飞片采用弹塑性流体动力学模型, LLM-105采用高能炸药燃烧模型, 采用JWL状态方程描述炸药的爆轰产物压力、体积和能量特性。JWL状态方程的形式为:

式中:p为压力, V为相对体积, E为内能, A、B、R₁、R₂和ω为常数。在实验中, LLM-105密度为1.82g/cm³, 参数分别为:A=852GPa, B=18GPa, R₁=4.6, R₂=1.3, ω=0.3, E₀=10.2GJ/m³。

飞片起爆TATB炸药属于高压短脉冲冲击起爆, 采用JWL方程描述未反应炸药和爆轰产物状态, 采用三项式点火增长模型反应速率方程描述TATB炸药的反应过程。点火增长模型反应速率方程为:

式中:I、G₁、G₂、a、b、c、d、e、g、x、y、z是12个可调参数。ρ₀为炸药初始密度, ρ₀=1.895g/cm³, 主要参数引自文献[4-5]。

3.   结果分析

图 3(a)为实验5的飞片速度曲线:在飞片速度上升阶段, 实验结果和数值模拟结果比较一致, 平滑段数值模拟结果大于实验结果, 主要因为在数值模拟中, 未考虑LLM-105炸药的爆轰稀疏波的影响, 飞片也不受空气阻力的作用。图 3(b)为实验6的飞片速度曲线, 实验结果整体小于数值模拟结果, 这是因为在数值模拟中, 没有考虑稀疏波和空气阻力的作用。图 3中, 为了更清晰的得出飞片的速度曲线, 对AFDISAR测速系统测得曲线的点进行了筛选。

图  3  钛飞片速度

Figure  3.  Experimental and simulational results of titanium flyer speed

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由表 1和图 3可知, 当∅6mm×0.11mm钛飞片以3.834km/s的速度撞击TATB装药时, TATB装药未起爆, 当∅6mm×0.11mm钛飞片以4.350km/s的速度撞击TATB装药时, TATB装药起爆。图 4(a)是钛飞片以3.834km/s的速度撞击炸药时, 炸药压力曲线的数值模拟结果。可以看出, 炸药界面处的压力峰值为38GPa, 受稀疏波的影响, 炸药内压力逐渐减小, 在8和9mm处压力不足20GPa, 结果炸药没有稳定爆轰。图 4(b)是钛飞片以4.350km/s的速度撞击炸药时, 炸药压力曲线的数值模拟结果。可以看出, 在炸药界面处的压力为约46GPa, 随着爆轰波的传播, 在2和4mm处的压力分别为38.38和35GPa, 受稀疏波的影响, 在8和9mm处压力分别降至29.19和29.5GPa。由炸药不同位置处的压力曲线可以判定, 炸药达到稳定爆轰。

图  4  炸药的压力曲线

Figure  4.  Pressure curves of explosives

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4.   结论

采用现有的冲击片雷管直接驱动二次飞片不能起爆高密度TATB装药, 通过飞片起爆序列实验设计, 得出飞片可靠起爆高密度TATB装药的起爆序列, 且序列中所用的装药满足钝感起爆序列许用装药要求。

采用AFDISAR系统, 测得钛飞片未起爆和起爆TATB炸药的速度分别为3.834和4.350km/s。通过DYNA2D程序对飞片速度和起爆TATB炸药过程进行数值模拟, 模拟结果与实验结果一致。初步确定了钛飞片起爆高密度TATB装药的阈值速度范围。