钝感炸药反应区较宽, 其爆轰波传播易受边界稀疏波及环境温度的影响。曲率效应实验(Front Curvature Rate Stick) 作为爆轰冲击动力学(DSD)^[1-2]研究爆轰波非理想传播行为的必需实验, 一直为国内外爆轰物理研究的热点之一。

LANL多名研究人员对钝感炸药PBX-9502(TATB/Kel-F800为95/5) 的曲率效应开展了详细的实验研究。Campbell A W^[3]对PBX-9502炸药在-55, 24 ℃及75 ℃下的直径效应进行了研究, 获取了不同温度下的失效直径及拟定态爆轰波波速随炸药直径的变化规律, 指出钝感炸药PBX-9502的拟定态波速随炸药直径的增大呈现加速增长趋势。Hill L G等^[4]对PBX-9502炸药在-55, 25 ℃及75 ℃下的曲率效应开展了实验研究, 获取了炸药末段拟定态爆轰波波速及波阵面形状。实验表明, 环境温度与炸药直径共同影响PBX-9502的爆轰波波阵面形状, 低温-55 ℃时, 爆轰波拟定态波速随炸药直径基本呈现线性变化, 而25 ℃及75 ℃时, 则呈现明显的抛物线特征。Hill L G等^[5-6]对PBX-9502炸药的曲率效应实验进行了汇总分析。指出炸药批次及材料性质对PBX-9502炸药的曲率效应有着明显的影响。Hill建立了爆轰波D_n(κ) 关系随炸药密度及温度变化的经验公式, 并在爆轰波长程绕射行为上得到了很好的应用。LANL的研究结果表明钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应受环境温度的影响很大。由于钝感炸药爆轰性能受炸药生产工艺的影响显著, 国外研究结果无法直接应用到国内钝感炸药的爆轰性能上。国内相关研究人员对采用国内生产工艺的钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应也开展了一定的研究。谭多望等^[7-9]对国产钝感炸药TATB基钝感的常温曲率效应进行了实验研究, 获取了拟定态爆轰波波阵面形状及波速。邹立勇等^[10]开展了TATB基钝感炸药在低温-30 ℃的曲率效应实验, 指出爆轰波低温拟定态波速高于常温结果, 波阵面形状也与常温结果差异较大。汪斌等^[11]开展了国产钝感炸药JBO-9021的常温曲率效应实验研究, 结果表明, 钝感炸药材料性质对爆轰波波阵面的形状及波速影响很大。目前国内钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应的研究主要集中在常温及低温环境, 高温环境对钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应的影响研究尚缺乏。

在实际武器工程中, 钝感炸药爆轰波非理想传播行为均处于一定的环境温度下, 对高温下钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应进行实验研究, 具有一定的工程研究意义。本研究采用高速扫描照相技术及电探针测速技术对TATB基钝感炸药在高温60 ℃下的爆轰波波阵面曲率效应开展实验研究。

曲率效应实验装置示意图见图 1。实验装置由雷管、传爆药柱(96%RDX)、主药柱(TATB基钝感炸药)、电探针阵列及光学扫描窗口等组成。爆轰波在主药柱中传播足够距离后(大于6倍药柱直径), 呈现拟定态传播状态, 在距主药柱末端一定长度上对称布置30路弹簧电探针(SideA+SideB) 以测量爆轰波达到各位置的时间。爆轰波到达主药柱末端端面时, 采用高速扫描相机通过光学窗口记录爆轰波波形。实验中主药柱直径d包括三种类型: 10，15 mm及30 mm, 药柱总长度分别为200，240 mm及300 mm。

图 1(Fig. 1)

图 1 曲率效应实验装置示意图 Fig.1 Schematic of curvature rate stick apparatus

实验布局示意图见图 2。曲率效应实验件放置于高温控制箱中, 箱体一侧预留K9玻璃光学窗口, 实验时, 高压氙灯释放脉冲光线照射主药柱末端面, 反射光线经透镜、反光镜进入高速扫描相机, 相机底片根据感光程度记录爆轰波出药柱端面的时间过程。高速扫描相机的扫描速度为12 mm·μs^-1。高温控制箱采用热阻丝加热、电风扇散热的方式, 促使温度箱内温度均匀。高温箱内的温度加载曲线见图 3所示。实验温度为60 ℃, 保温1 h。

图 2(Fig. 2)

图 2 曲率效应实验布局示意图 Fig.2 Schematic of curvature rate stick experiment set up

图 3(Fig. 3)

图 3 温度加载曲线 Fig.3 Temperature record

采用最小二乘法, 将双侧电探针阵列测到的爆轰波到达时间及各电探针间距进行处理见图 4所示。每发实验中电探针距离-时间测试结果一致性较好, 拟合过程中未有明显偏离拟合曲线的数据点。单侧电探针阵列距离-时间的拟合曲线斜率即为该侧爆轰波平均波速的测量值, 双侧测量结果的平均值作为该发实验中炸药的拟定态爆轰波波速, 与常温测试结果进行对比见图 5所示。在此次实验范围内, 高温60 ℃拟定态爆轰波波速随炸药直径的增大呈现线性增大趋势, 直径10，15 mm与30 mm的TATB基钝感炸药拟定态爆轰波波速在高温60 ℃时均低于常温24 ℃结果, 差异程度有所差别。当温度升高时, TATB基钝感炸药的密度会发生一定的减小, 同时边界稀疏波对炸药反应区的影响程度增强, 从而使得炸药的拟定态爆轰波波速降低, 但炸药密度随温度的变化量受炸药尺寸及炸药的非均质特性影响, 每种直径的炸药密度随温度的变化量不同, 故各直径炸药高温、常温波速测试结果的差异呈现非一致性。

图 4(Fig. 4)

图 4 电探针距离-时间测试结果 Fig.4 Distance-time results obtained by electric pins

图 5(Fig. 5)

图 5 TATB基钝感炸药高温与常温拟定态爆轰波波速对比 Fig.5 Comparisons of the steady-state detonation velocity of TATB based IHE at high and ambient temperature

采用高速扫描照相技术获取的Φ30药柱的典型爆轰波波阵面形状见图 6所示, 爆轰波波阵面界面清晰, 全波形记录完整, 在一定程度上, 波阵面对称性良好。

图 6(Fig. 6)

图 6 高速扫描照相技术获取的典型波阵面形状 Fig.6 Typical film record obtained by high speed streak camera

对波形底片进行高精度扫描, 并通过灰度梯度计算获取波阵面的界面形状数据。采用多项式^[4]级$z(r)=\text{ }\sum\limits_{i=1}^{n}{~{{a}_{n}}}\text{ }\!\!\{\!\!\text{ ln}[\text{cos}(\eta \frac{\pi }{2}\frac{r}{R})]\}{{~}^{i}} $对波阵面数据进行拟合, 其中, a_n及η为拟合参数, R为药柱半径。各直径炸药爆轰波波阵面形状曲线的拟合结果与实验数据对比见图 7所示。三种直径炸药的爆轰波波阵面形状拟合曲线与实验结果均吻合较好。随着炸药直径的增大, TATB基钝感炸药拟定态爆轰波波阵面形状更为平坦, 波阵面中心与边界点之间的时间差增大。分析其成因主要为:随着炸药直径的增大, 边界稀疏波对炸药内部区域的影响范围及影响度逐渐变小, 炸药内部相邻区域的爆轰波波速差异减小, 波阵面表现更为平坦; 同时炸药边界与中心区域的波速差异增大, 故波阵面中心点与边界点的时间差增大。

图 7(Fig. 7)

图 7 波阵面形状拟合曲线 Fig.7 The fitting curve of steady-state detonation front shape

TATB基钝感炸药60 ℃高温爆轰波波形与常温24 ℃结果对比见图 8所示。由图 8可见, 较常温结果, 三种直径TATB基钝感炸药高温下的波阵面形状均更为陡峭, 波阵面中心与边界点之间的时间差增大。其成因可能为:炸药在高温下发生膨胀, 宏观密度降低, 炸药边界处的稀疏波对炸药内部区域的影响增大, 相邻区域的爆轰波波速差增大, 波阵面中心点与边界点的波速差增大, 故高温下爆轰波波阵面更为陡峭, 波阵面中心与边界点的时间差提高。

图 8(Fig. 8)

图 8 TATB基钝感炸药高温及常温波阵面形状对比 Fig.8 The comparisons of detonation front shape at high and ambient temperature for TATB based IHE

D_n(κ) 关系参数是采用DSD模型对爆轰波传播过程进行计算的关键参数之一, 且目前只能通过实验标定获得。目前适应性较好的D_n(κ) 经验关系式为LANL的Bdzil^[12]于2006年提出, 其关系式如下:

式中, A、B、C₁~C₅及α均为拟合参数, D_n为波阵面法向速度, D_CJ为爆轰波CJ点速度, κ为波阵面当地曲率。采用遗传算法^[13]对三种直径TATB基钝感炸药的高温曲率效应实验结果进行多代计算, 获得适应度较好的D_n(κ) 关系参数见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 TATB基钝感炸药高温曲率效应Dn(κ) 关系参数 Tab. 1 The Dn(κ) parameters of TATB based IHE at 60 ℃ DCJ/ mm·μs-1 A B C1 C2 C3 C4 C5 α 8054 2.0097 9.5103 6.4850 14.972 4.6153 221.42 957.13 0.1667 Note: DCJ is the detonation velocity at the CJ point; A、B、α、C1-C5 are the Dn(κ) relation parameters.

表 1 TATB基钝感炸药高温曲率效应Dn(κ) 关系参数 Tab.1 The Dn(κ) parameters of TATB based IHE at 60 ℃

将表 1中的D_n(κ) 关系参数耦合入爆轰波传播DSD计算程序中, 设定爆轰波初始波形为平面波, 对三种直径炸药的爆轰波非理想传播过程进行计算。计算获得的拟定态爆轰波波阵面形状见图 9。可见, 除直径10 mm炸药的边界区域外( < 10%直径), 采用表 1中的D_n(κ) 关系参数计算的拟定态爆轰波形状与实验结果吻合较好。

图 9(Fig. 9)

图 9 TATB基钝感炸药DSD计算波形与实验结果对比 Fig.9 The comparisons of detonation front shape between experimental results and simulation results for TATB based IHE

三种直径炸药的中心点波速演变过程计算结果见图 10。可见, 中心点波速随爆轰波传播迅速下降并逐渐稳定。炸药直径越大, 边界稀疏波到达炸药中心点的时间越长, 中心点波速的稳定时间越长。采用DSD计算获得的三种直径炸药拟定态爆轰波波速与实验值对比见表 2, 可见, 采用表 1参数计算的爆轰波拟定态波速与实验结果吻合较好, 偏差均小于1%。

图 10(Fig. 10)

图 10 TATB基钝感炸药中心点波速计算结果 Fig.10 Calculated center point velocity of the charge for TATB based IHE

表 2(Tab. 2)

表 2 TATB基钝感炸药中心点波速计算结果与实验对比 Tab. 2 Calculated center point velocity compared with the experimental results of TATB based IHE diameter /mm experimental Velocity /mm·μs-1 calculated velocity /mm·μs-1 10 7.464 7.425 15 7.539 7.547 30 7.618 7.692

表 2 TATB基钝感炸药中心点波速计算结果与实验对比 Tab.2 Calculated center point velocity compared with the experimental results of TATB based IHE

三种直径炸药的爆轰波波形演变过程计算结果见图 11。受边界稀疏波的影响, 随着爆轰波的传播, 三种直径炸药的爆轰波波阵面由平面形状逐渐弯曲, 波阵面中心点与边界点之间的时间差逐渐增大。计算中三种直径炸药的爆轰波波阵面形状从平面初始形状发展至稳定的时间分别为4, 5 μs及14 μs。对比图12中爆轰波中心点波速的稳定时间, 可见, 波阵面形状与爆轰波中心点波速的稳定时间相一致。

图 11(Fig. 11)

图 11 TATB基钝感炸药波阵面演变过程计算结果 Fig.11 The Calculated detonation shape propagation of TATB based IHE

高温60 ℃环境下, TATB基钝感炸药的拟定态爆轰波波速随着直径的增大基本呈现线性增长趋势, 且三种直径炸药的波速结果均低于常温结果。随炸药直径的增大, 爆轰波波阵面形状更为平坦, 波阵面中心与边界点的时间差提高。三种直径炸药的波阵面形状高温结果较常温结果均更为陡峭, 高温下爆轰波波阵面中心与边界点的时间差较常温结果更高。采用遗传算法拟合了TATB基钝感炸药高温60 ℃的D_n(κ) 关系参数并对三种直径炸药的爆轰波非理想传播过程进行了数值计算, 计算获得的爆轰波拟定态波阵面形状及波速与实验结果吻合较好, 爆轰波的波阵面形状稳定时间与波阵面中心点波速的稳定时间相一致。