常温下JBO－9021高能钝感炸药直径效应实验＊

汪 斌，谭多望，赵继波，文尚刚

（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621900）

以TATB为基的钝感炸药具有良好的安全性，受到武器系统研究人员的重视。但是，由于钝感炸药反应区比较宽，直径效应明显。特别在研究钝感炸药爆轰波绕射、拐角效应、爆轰波与介质相互作用等方面，采用严格的二维反应流动理论分析和数值计算都十分困难。通过精细实验标定待测炸药的Dn（κ）关系，采用爆轰冲击动力学（DSD）方法，就可以把爆轰反应流动方程组分解为爆轰冲击波阵面发展方程和一维拟定态反应区动力学的常微分方程组，对复杂的二维反应流动理论进行解耦处理，这是目前计算爆轰波非理想传播研究的热点［1］。L.G.Hill等［2］、J.B.Bdzil等［3］、T.D.Aslam 等［4］测量了不同温度、不同直径下PBX－9502炸药的爆速和波形，并用这些波形标定了DSD参数，得到了Dn（κ）关系和反应速率。研究得到的Dn（κ）关系表明：当κ较小时，法向爆速Dn只与当地曲率κ有关，当κ较大时，法向爆速Dn不仅与当地曲率κ有关，而且还与药柱直径有关。C.D.Hutchinson等［5］测量了EDC235炸药在不同温度、不同约束条件下的爆速和波形曲线，B.D.Lambourn等［6］利用实验得到的爆轰波形状，用 Whitham冲击动力学方法拟合了线性Dn（κ）关系。谭多望等［7］、邹立勇等［8］开展了常温和低温环境下JB－9014炸药的直径效应研究工作，赵继波等［9］测量了黄铜、铝、有机玻璃等边界条件下柱形JB－9014炸药中爆轰波的演化过程。

对新型高能钝感炸药JBO－9021（w（TATB）＝80%，w（HMX）＝15%，w（粘结剂）＝5%），采用精细的工艺处理技术，可以使它的安全性与JB－9014炸药相当，但做功能力可以提升17%左右。本文中，采用光电联合测试方法，测量常温下直径分别为10、15、30mm的圆柱形JBO－9021钝感炸药定态爆速和波形，根据拟合的爆轰波形，分析波阵面法向速度Dn与当地曲率κ之间的关系，并与JB－9014炸药（w（TATB）＝95%，w（粘结剂）＝5%）、PBX－9051炸药（w（HMX）＝95%，w（粘结剂）＝5%）的Dn（κ）关系进行对比。

1 实 验

JBO－9021炸药直径效应研究的实验装置如图1所示。雷管起爆泰安导爆药柱后，再起爆无约束的柱形JBO－9021钝感主装药。主装药的前端用于爆轰波的演化，演化段长度不少于主炸药直径的6倍，以保证在测速段之前形成拟定态爆轰波。炸药爆速由两组对称布置的探针测量，探针采用半球头形状的弹簧探针，以保证探针与炸药表面之间点接触，典型的实验装置照片如图2所示。

图1 实验装置示意图Fig.1 Rate stick design

采用氙灯外光源和药柱表面贴反射膜的方法，由高速扫描相机测量药柱中的爆轰波阵面形状，实验布局见图3。由于药柱直径较小，在药柱与反光镜之间放置一个透镜放大成像尺寸。药柱端面贴一层非常薄的反射膜，将氙灯光反射至相机，使胶片爆光。当爆轰波到达药柱端面，反射膜被破坏，氙灯光不再反射至相机，之后产物光出现，胶片再度爆光。氙灯光被截止的形状即为爆轰波阵面形状。为使波形前沿和边界清晰，药柱端面平整光滑，反射膜与药柱紧贴，氙灯照明角度尽可能小，以不影响测量为原则，相机扫描速度为12km／s。

图2 典型的实验装置照片Fig.2 Picture of experimental apparatus

图3 实验布局Fig.3 Schematic diagram of experiment

2 结果及分析

2.1 爆轰波速度

在炸药两边轴对称地各放置一组探针，第一组接入探针1～15，第二组接入探针16～30，采用最小二乘法拟合探针距离－时间数据，得到图4所示的拟合曲线。三种直径条件下得到的实验数据点都在拟合线上，说明爆速已经达到定态，爆速为拟合曲线的斜率。

图4 探针的距离－时间关系Fig.4 Distances of electrical pins with time

表1给出了实验时三种直径药柱相应的尺寸、密度、定态爆速、实验温度等实验数据。可以看出，随着炸药直径的增加，JBO－9021炸药的爆速迅速增大，当炸药直径为29.9mm时，爆速为8.015km／s。

表1 定态爆速测量结果Table1 Steady－state detonation velocity

2.2 定态波阵面

图5 典型的测量波形Fig.5 Typical film record of streak camera

实验得到的典型爆轰波阵面波形如图5所示，从图中可看出，波形前沿和边界比较清晰，说明采用氙灯外光源和药柱表面贴反射膜的方法是可行的。测量底片数字化后读取波形数据，根据相机扫描速度，得到爆轰波到达药柱端面的时间，再乘以定态爆速得到波阵面曲线。实验得到的波阵面有轻微的不对称，可能是炸药密度不均匀、相机光路存在的系统误差或数字化底片时由于分辨率不够导致读数的偏差等引起的。目前比较好的处理办法是，将药柱中轴两侧的截面圆半径数据平均，作为最后的波形数据。

2.3 波阵面拟合曲线

将爆轰波波形底片扫描到计算机中，根据相机转速、放大比、爆轰波到达时刻和定态爆速，用图像处理软件可以得到相机扫描时间t和截面圆半径r的数据。将处理的数据进行拟合，得到爆速曲率关系曲线。对于非线性的爆速－曲率关系，目前拟合波阵面曲线的最佳形式是ln［cos（r）］级数，它适用于长径比较大的扁条炸药和圆柱形炸药，具体表达式为［2］

式中：z（r）为波阵面曲线，R为药柱半径，r为波阵面上截面圆的半径，ai和η为拟合参数。对于钝感炸药，取前三项即可很好地模拟波阵面曲线。

本次实验的拟合参数见表2，拟合波阵面结果见图6。图7给出了谭多望等［7］得到的常温下JB－9014炸药的爆轰波波阵面的实验结果。可以看到，相同直径条件下，JBO－9021炸药的波形比JB－9014炸药的波形更为平坦。造成这种现象的原因主要在于JBO－9021炸药含有部分高能HMX炸药，因此直径效应对波阵面的影响相对较小。

图6 JBO－9021炸药波阵面拟合结果Fig.6 Fits of wavefront data of JBO－9021

图7 JB－9014和JBO－9021炸药波阵面对比Fig.7 Fits of wavefront data of JB－9014and JBO－9021

表2 波阵面曲线拟合参数Table2 Fitting parameters of wave front

2.4 爆速曲率关系

最早，Dn（κ）关系是根据理论和实验研究结果得到的线性关系［10］

式中：a是曲率系数。对大多数凝聚态炸药，当爆轰波比较平滑、变化缓慢时，线性Dn（κ）关系近似成立。随着研究的深入，发现线性关系在小曲率情况下不再适用，并发现Dn（κ）关系同反应速率密切相关。一般反应速率形式下Dn（κ）关系的理论分析非常困难，通常采用经验关系，有较好效果的有［11－12］

图8 不同炸药Dn（κ）关系Fig.8 Dn（κ）curves with different explosive

式中：A、B、C1～C5、α是拟合参数。由不同尺寸JBO－9021炸药实验数据拟合得到的Dn（κ）曲线见图8，拟合参数为：DCJ＝8.070 2km／s，A＝1.485 4，B＝5.676 4，C1＝7.103 8mm－1，C2＝3.939 9 mm－1，C3＝3.562 6mm－2，C4＝211.055 7mm－1，C5＝205.171 1mm－2，α＝0.050 19。图8中同时给出了JB－9014［7］和 PBX－9501［11］炸药的爆速曲率关系，可以看出，以HMX为主的PBX－9501炸药和以TATB为主的JB－9014炸药相比，JBO－9021炸药的曲率关系位于两者之间，说明含HMX对JBO－9021炸药的直径效应有一定影响，炸药爆轰波传播过程中受曲率效应的影响比PBX－9502小。

3 结 论

JBO－9021钝感炸药的定态爆速随直径的增大而增大，在TATB中加入一定量的HMX炸药以后，炸药爆轰波的非理想传播行为得到了一定的改进，JBO－9021炸药波阵面比JB－9014炸药平坦，JBO－9021炸药的爆速随曲率的变化比JB－9014炸药慢。

由于药柱边界处爆轰波形变化非常快，精确测量需提高波形和边界清晰度外，还需提高相机扫描速度和胶片数字化精度。机械式扫描相机受机械组件的安装精度和设计公差的影响，相机记录的波形存在一定的不对称性，需要采用扫描速度更高、成像更稳定的数字式高速扫描相机，以得到更精确的炸药爆轰波实验结果。

［1］孙承纬.应用爆轰物理［M］.北京：国防工业出版社，2002.

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