起爆高密度TATB炸药的飞片速度阈值＊

吕军军，曾庆轩，李明愉，周利存

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

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。

图1 飞片起爆钝感TATB炸药实验示意图Fig.1 Experimental sketch of initiation of insensitive TATB explosive by flyer

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。

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

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。

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。

图2 三次飞片速度测试示意图Fig.2 Sketch map of measurement of the third flyer velocity

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Fig.3 Experimental and simulational results of titanium flyer speed

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Fig.4 Pressure curves of explosives

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。

［1］Campos J，Duncombe R，Erkol S，et al.Explosive initiation by micro－slapper［C］∥The 33th International Annual Conference of ICT.Karlsruhe：Fraunhofer－Institut fur Chemische Technologie，2002：1－10.

［2］Prinse W C，van’t Hof P G，Cheng L K，et al.High－speed velocity measurements on an EFI－system［C］∥The 27th International Congress on High－speed Photography and Photonics.Xi’an：International Society for Optics and Photonics，2007：62795E－62795E－10.

［3］He Bi，Long Xin－ping，Feng Chang－gen.Numerical simulation on shock－pulse initiation of submicron TATB［C］∥The 25th International Symposium on Ballistics.Beijing，2010：749－758.

［4］Tarver C M，McGuire E M.Reactive flow modeling of the interaction of TATB detonation waves with inert materials［C］∥The 12th International Detonation Symposium.San Diego，2002：641－649.

［5］Garcia M L，Tarver C M.Three－dimensional ignition and growth reactive flow modeling of prism failure tests on PBX 9502［C］∥The 13th International Detonation Symposium.Norfolk，United States：Department of Energy，2006.