CL-20基含铝炸药爆轰波阵面法向速度与曲率的关系

沈　飞，王　辉，袁建飞，任新联

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



CL-20基含铝炸药爆轰波阵面法向速度与曲率的关系

沈飞，王辉，袁建飞，任新联

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：采用高速扫描相机及电探针测速法测量了具有相同铝含量的CL-20基和RDX基含铝炸药的拟定态爆轰波形及爆速，分析了炸药波阵面法向速度Dn与曲率κ之间的函数关系。结果表明，CL-20基含铝炸药的爆轰波阵面较RDX基含铝炸药的平坦，其法向爆速受曲率效应的影响也较RDX基含铝炸药的小。当κ>0.005mm-1时，其法向爆速的下降速率明显小于RDX基含铝炸药；当κ<0.005mm-1时，其法向爆速的下降速率略高于RDX基含铝炸药。

关键词：爆炸力学；含铝炸药；非理想爆轰；Dspan(κ)关系；CL-20；高速扫描；拟定态波形

引言

含铝炸药是一类高密度、高爆热和高威力的混合炸药，由于其爆轰反应区较宽，爆轰波的传播过程中具有明显的非理想特性，使得在研究爆轰波绕射、爆轰波与介质相互作用、拐角效应等方面遇到了较多困难[1]。对于这类问题，目前主要采用爆轰冲击动力学(DSD)法进行研究。DSD法可以对爆轰反应流动方程组进行解耦处理，即将其分解为爆轰冲击波阵面的发展方程和一维拟定态反应区动力学的常微分方程组[2-3]。在该方法的分析过程中需要了解爆轰波阵面曲率κ对法向爆速Dn的影响规律，即Dn(κ)关系式，由于该关系式只与炸药的本构性质有关，所以一般需要通过曲面爆轰波传播实验进行标定。然而，这方面目前已有的成果主要是针对PBX-9502[4-6]、JB-9014[7]、JBO-9021[8]、RDX/TNT[9]、HMX/TNT[9]，对于含铝炸药Dn(κ)关系的研究还较少。

本研究采用高速扫描相机及电探针测速系统分别测量拟定态条件下CL-20基含铝炸药的爆轰波形及爆速，根据实验结果分析了爆轰波阵面法向速度Dn与曲率κ之间的函数关系，并与常用的RDX基含铝炸药进行对比，以期为该炸药爆轰特性的深入研究提供参考。

1实验

1.1样品制备

CL-20基及RDX基含铝炸药配方见表1。采用压装工艺将两种含铝炸药压制成Φ50mm×50mm的药柱，药柱密度分别为1.96、1.75g/cm3。

表1　两种含铝炸药配方

待测样品由6节药柱粘接而成，用JH-14作传爆药，药柱尺寸为Φ25mm×25mm，密度为1.67g/cm3，实验前将传爆药柱粘接在主装药一端的中心位置处。

1.2实验装置

采用SJZ-15型转镜式高速扫描相机扫描主装药柱端面的拟定态爆轰波形，实验装置如图1所示。其中，主装药柱固定于V形槽内，以减小边界约束条件对爆轰波形的影响；扫描相机的光学狭缝通过反射镜对准主装药柱端面的直径，并通过一组电探针测定炸药的爆速。为了保证底片中波形的分辨率，相机的扫描速度设定为6mm/μs。

图1　实验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of the test apparatus

2结果与分析

2.1拟定态波形

高速相机记录的爆轰波形如图2所示，横向表示装药直径，纵向表示扫描时间，从图2可以清晰地看出波形的前沿。由于主装药的长径比较大，可以使爆轰波演化为拟定态波形，此外，第一根电探针距离起爆端较远，此时爆速已基本稳定，探针所测得的爆速可认为是拟定态爆速。

通过对底片进行数字化判读，并结合相机的扫描速度及底片的放大比，可得到爆轰波到达药柱端面的时间，再将获得的时间点与探针测量的拟定态爆速相乘，即可获得波阵面曲线。目前，对于波阵面曲线拟合的函数一般选择拟合精度较高的ln[cos(r)]级数，同时该函数也具有较高的数值计算效率，其具体表达式为[10]：

(1)

式中：r为波阵面上截面圆的半径，mm；R为主装药的半径，mm；z(r)为波阵面曲线，mm；ai及b均为拟合参数。

图2　爆轰波形照片Fig.2　Photographs of detonation wave shape

在拟合过程中，正常n=2时可很好地模拟波阵面曲线。两种炸药爆轰波阵面曲线的拟合效果如图3所示。

图3　爆轰波波阵面拟合曲线Fig.3　Fitting curves of wave front

由图3可以看出，CA-1炸药拟定态爆轰波形的弯曲程度明显小于RA-1炸药，在装药边界处，CA-1炸药波阵面的z值约为0.8mm，而RA-1炸药波阵面的z值接近1.2mm。所得拟合参数值及探针测得的拟定态爆速值(D0)均列于表2。

表2　波形拟合参数

2.2爆速与曲率的关系

当爆轰波达到拟定态波形时，炸药爆轰波法向传播速度Dn与拟定态爆速D0之间的关系如图4所示。

图4　波阵面Dn与D0关系图Fig.4　Relation of Dnand D0at wave front

根据图4中的几何关系，可得出：

(2)

式中：θ为波阵面法向与药柱轴线方向的夹角。爆轰波阵面上的曲率κ用公式(3)计算：

(3)

当r=0时，公式右端的两项相等。由公式(1)~(3)可计算出爆轰波阵面的Dn(κ)关系曲线，结果如图5所示。

图5　两种含铝炸药的Dn(κ)关系曲线Fig.5　Relation curves of Dn(κ) for the two explosives

由图5可以看出，曲率κ从药柱轴线至边界两侧逐渐增大，且法向爆速Dn逐渐减小，CA-1炸药波阵面的κ从0.004mm-1增加至0.01mm-1时，Dn从8.47mm/μs降至8.45mm/μs左右，κ继续增大时，Dn的下降速度明显提高；RA-1炸药波阵面的κ从0.006mm-1增加至0.018mm-1时，Dn从7.91mm/μs降至7.86mm/μs左右，κ继续增大时，Dn的下降速度明显提高。此外，CA-1炸药波阵面的最大曲率约为0.012mm-1，对应的Dn较D0约降低0.03mm/μs，而RA-1炸药波阵面的最大曲率约为0.023mm-1，对应的Dn较D0约降低了0.07mm/μs。这是因为爆轰波阵面的弯曲程度反映了反应区能量的损耗，从Dn的下降幅度可以看出爆轰传播过程中沿着波阵面从轴线向两侧流动的能量大小[2,11]，因此，图5中的数据表明，CA-1炸药在爆轰传播过程中沿波阵面从轴线向两侧流动的能量明显小于RA-1炸药。

由于难以通过理论分析获得一般反应速率形式下的Dn(κ)关系，通常采用经验公式对实验数据进行拟合，而简单的线性函数又明显不适用于描述图5中的曲线，本研究采用一种效果较好的非线性函数形式，其具体形式为[5,10]：

(4)

式中：DCJ为炸药的CJ爆速；C1、C2、C3、f、α、β、γ均为拟合参数。通过对图5中的数据点进行拟合，得到两种炸药Dn(κ)关系的拟合参数计算值，结果见表3。

表3　两种含铝炸药Dn(κ)关系拟合参数计算值

为了进一步比较Dn相对于DCJ的衰减状况，设η=(DCJ-Dn)/DCJ，则公式(4)可变为：

(5)

结合表3中参数，可得到η-κ关系曲线，如图6所示。图6可看出，当κ小于0.005mm-1时，CA-1的η值略高于RA-1；当κ大于0.005mm-1时，CA-1的η值明显低于RA-1，且在κ达到最大值时，RA-1的η值接近1.2%，而此时CA-1的η值小于0.5%，这说明CA-1炸药爆轰波在传播过程中受曲率效应的影响比RA-1小，这可能是由于CL-20的爆速和爆压较高，使得含铝炸药爆轰波传播过程中的非理想程度得以降低，但具体的影响规律还需要进一步研究。

图6　两种含铝炸药的η-κ关系曲线Fig.6　Relation curves of η-κ for the two explosives

3结论

(1)与RDX基含铝炸药相比，CL-20基含铝炸药的爆轰波阵面明显平坦，其波阵面的最大曲率约为0.012mm-1，RDX基含铝炸药波阵面的最大曲率约为0.023mm-1。

(2)CL-20基含铝炸药波阵面的法向爆速受到曲率效应的影响较RDX基含铝炸药小，其法向爆速的最低值较拟定态爆速降低约0.03mm/μs，而RDX基含铝炸药法向爆速的最低值较拟定态爆速降低约0.07mm/μs。

(3)κ<0.005mm时，CL-20基含铝炸药法向爆速的衰减系数大于RDX基含铝炸药；而κ>0.005mm时，CL-20基含铝炸药法向爆速的衰减系数则小于RDX基含铝炸药。

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Relationship Between Normal Velocity and Curvature of Detonation Wave

Front for CL-20-based Aluminized Explosive

SHEN Fei, WANG Hui, YUAN Jian-fei, REN Xin-lian

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:The steady state wave shapes and detonation velocities of CL-20-based and RDX-based aluminized explosives with same Al content were measured by a high speed scanning camera and electrical probe measuring velocity method. The function relationship between the normal velocity (Dn) and curvature (κ) of the detonation wave front of explosives was analyzed. Results show that the detonation wave front of CL-20-based aluminized explosive is flat than that of RDX-based aluminized explosive. The effect of curvature effect on normal detonation velocity of CL-20-based aluminized explosive is smaller than that of RDX-based aluminized explosive. Whenκ>0.005mm-1, the reduced rate ofDnof CL-20-based aluminized explosive is obviously less than that of RDX-based aluminized explosive. Whenκ<0.005mm-1, the reduced rate ofDnof CL-20-based aluminized explosive is slightly higher than that of RDX-based aluminized explosive.

Keywords:explosion mechanics; aluminized explosive; non-ideal detonation;Dn(κ) relation; CL-20; high speed scanning; steady wave shape

作者简介:沈飞(1983-)，男，工程师，从事炸药爆轰性能试验与理论研究。

收稿日期:2014-07-06；修回日期:2014-08-17

中图分类号：TJ55；O389

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0008-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.002