一种CL-20基压装混合炸药JWL状态方程参数研究

南宇翔, 蒋建伟, 王树有, 陈东萍, 孙占峰, 刘 欣

(1. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081; 2. 山西江阳化工有限公司, 山西 太原 030041; 3. 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国防科技重点实验室, 四川 绵阳 621999)

1 引 言

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是目前世界上已应用含有最高能量密度的单质炸药,以CL-20为主体的混合炸药具有高爆速、高爆压等特性,具有良好的应用前景[1]。CL-20单质炸药自1987年合成以来[2],国外相继研制出多种浇注固化型和压装型混合炸药(如LX-19、PAX-11、PAX-12、PAX-29、PBXC-19、PBXW-16等),部分已经应用于多种战斗部[3-4],同时还获得了包括LX-19[5]、PBXC-19[6]等炸药的JWL状态方程参数,用于炸药爆轰及驱动能力的数值模拟研究。国内自20世纪90年代合成出CL-20单质炸药以来[7],也先后研制了多个具有高能、高安全性的CL-20基混合炸药[8-9],但尚缺少可供数值模拟计算的炸药爆轰产物JWL状态方程参数,只能借助国外公布的相近炸药的JWL状态方程参数,这可能导致结果部分失真。随着近年来我国对CL-20基炸药应用的深入研究,借助数值模拟研究其爆轰驱动能力的需求越来越迫切,因此开展我国自主的CL-20基炸药爆轰产物JWL状态方程参数的研究十分必要。

炸药爆轰产物JWL状态方程作为描述其爆轰产物做功能力的常见形式,由LLNL的Kury[10]等人首先提出与应用的圆筒试验是确定炸药JWL状态方程参数的标准化试验。对于JWL状态方程参数的确定方法,国外除借助圆筒试验结果外,还需其他试验及CHEETCH、CHEQ等专用处理软件[11],但是软件方法未见公开。国内现公布的炸药爆轰产物JWL状态方程参数主要是在圆筒试验基础上通过“试错法”靠经验获得,拟合过程复杂,不考虑与炸药爆轰参数的封闭[12-13]。

基于以上原因,本研究针对国内研制的一种高密度CL-20基压装混合炸药(代号为C-1,组分质量比CL-20/钝感粘结剂=94.5/5.5),采用高速扫描照相和激光速度干涉仪(VISAR)联合测试的改进标准圆筒试验技术[14],开展了直径25 mm的标准圆筒试验,获得了圆筒壁膨胀的速度、位移与时间关系; 采用考虑与爆轰参数封闭的炸药JWL状态方程参数数据处理方法得到了该炸药的JWL状态方程参数; 同时对国外同类炸药的圆筒驱动过程进行了数值模拟,对比了驱动金属的做功能力。本研究首次获得了我国CL-20基压装混合炸药JWL状态方程参数,可为用数值模拟方法开展C-1炸药在爆轰或爆炸驱动应用研究提供参数依据。

2 圆筒试验与测试结果

2.1 圆筒试验

参照国军标(GJB772A-1997)进行直径25 mm的标准圆筒试验。其中压装C-1炸药密度ρ0=1.932 g·cm-3,药柱总尺寸Φ25 mm×300 mm(实测药柱直径24.96～24.97 mm); 无氧铜圆筒实测平均内外径分别为25.02 mm和30.03 mm。图1为药柱、圆筒试验装置及试验现场布置图。采用SJZ-15型狭缝高速摄影记录距圆筒起爆端200 mm处圆筒壁位移-时间关系,采用JSG-1型VISAR同时测取距起爆端200 mm处(VISAR光路与狭缝扫描光路以及圆筒轴线垂直)圆筒壁速度-时间关系,在药柱首尾放置电探针监测炸药爆速。试验在中国工程物理研究院流体物理研究所进行。

a. charge column

b. schematic diagram c. site layout

图1 圆筒试验装置及现场布置

1—雷管, 2—传爆药柱, 3—过渡药柱, 4,9—探针, 5—无氧铜, 6—主装药, 7—光学扫描位置, 8—VISAR探头, 10—底座

Fig.1 Diagrams of cylinder test

1—detonator, 2—booster, 3—transition grain, 4,9—electric pin, 5—oxygen free copper, 6—main charge, 7—scanning position of camera, 8—VISAR pin, 10—pedestal

2.2 测试结果及数据处理

对C-1炸药进行圆筒试验。实测炸药的爆速D=9061 m·s-1(ρ0=1.932 g·cm-3)。图2为狭缝摄影相机记录的圆筒试验扫描底片及处理后的扫描迹线。

采用文献[10]的数据处理方法: 根据实验图像获取圆筒外壁驱动速度-时间(v-t)、位移-时间(R-R0)-t曲线; 按式(1)[10]进行非线性最小平方拟合,计算出圆筒质量中心面处的径向位移-时间rm-rm0表达式, 表1为参数拟合结果。

a. negative

b. expansion track

图2 圆筒膨胀过程扫描结果

Fig.2 Scanning results of cylinder expansion

(1)

式中，aj、bj为待定系数,单位分别为mm、μs-1;ti=t+t0,μs;n=2;rm-rm0为ti时刻圆筒质量中心面位移,mm。

表1 圆筒膨胀曲线拟合参数

Table 1 Curve-fitting parameters of the cylinder expansion

a1/mma2/mmb1/μs-1b2/μs-1t0/μs3.5170.0350.38715.7720.452

3 JWL状态方程参数的确定

3.1 输入参数的确定

式(2)[15]为常见压力形式的JWL状态方程。

(2)

JWL状态方程参数确定需炸药ρ0、D、爆热Q、等熵指数γ等作初始输入值,其中Q、γ采用计算值代替。

采用盖斯定理[16]结合炸药组分计算Q,C-1炸药各组分质量比为CL-20/钝感粘结剂=94.5/5.5。式(3)为CL-20化学反应方程式,其计算爆热QCL-20=6166 kJ·kg-1,再依据C-1炸药组分得Qc=5952 kJ·kg-1。

C6H6N12O12→3H2O+6N2+3CO2+3CO

(3)

(4)

式中,p为压力，GPa;a为待定系数，GPa。

(5)

3.2 JWL状态方程参数的确定

式(6)[11]为JWL状态方程中的E0计算方法,可得C-1炸药的E0=11.5 J·mm-3。

E0=ρ0Qc

(6)

设定初始计算值ω=0.3,R1=4.5,R2=1.5。在已知ρ0、D、γ、R1、R2、ω、E0条件下,由爆轰产物CJ状态守恒方程组式(7)[11]计算出A、B、C值,JWL状态方程的六个参数与炸药爆轰参数间可实现严格封闭。

(7)

应用LS-DYNA[17]软件根据圆筒试验实际测量尺寸建立二维圆筒模型(图4)。待测炸药及圆筒均采用Lagrange计算方法[17],待测炸药采用上述计算获得的JWL状态方程初始参数,圆筒采用弹塑性模型,参数见文献[12]。对爆炸驱动过程进行数值模拟,获得与试验相同观测位置处(观测点1)圆筒壁的v-t和(R-R0)-t曲线。

图4 圆筒模型及测量点位置

Fig.4 The cylinder model and location of observation point

表2 C-1炸药JWL状态方程参数

Table 2 Parameters of JWL equation of state for C-1 explosive

ρ0/g·cm-3A/GPaB/GPaR1R2ωE0/J·mm-31.9321827.661.355.881.80.311.5

应用表2参数,采用MATLAB[18]软件求解方程组(7)即可反推得到计算爆速Dcal=9061 m·s-1,计算爆压pcal=39 GPa,计算爆热Qcal=5952 kJ·kg-1,γcal=3.066。Dcal与实测爆速D一致,验证了C-1炸药的JWL状态方程参数与爆轰参数具有封闭性。

图5为数值模拟与试验的圆筒壁v-t、(R-R0)-t曲线对比,表3为关键点数值模拟结果与试验误差分析。圆筒壁比动能Ecu计算公式如式(8)[11]。

(8)

式中,vr,圆筒壁速度,mm·μs-1;Ecu,圆筒壁比动能,MJ·kg-1。

分析表3数据,数值模拟观测点处圆筒壁位移(R-R0)=6,12.5,19,25 mm时的Ecu与试验结果相对误差均小于2%,v-t曲线首跳峰值(Jump-off velocity,圆筒膨胀不稳定期)与试验误差小于15%,图5b(R-R0)-t数值模拟曲线和实验曲线基本重合,最大误差不超过1%,表明表3的C-1炸药爆轰产物JWL状态方程参数合理可靠。

a.v-tb. (R-R0)-t

图5 圆筒试验与数值模拟曲线对比

Fig.5 Comparison between simulation and experiment for cylinder test

表3 圆筒数值模拟与试验误差分析

Table 3 Error analysis of cylinder simulation and experiment

(R-R0)/mmV—vr/m·s-1experimentsimulationrelativeerror/%Ecu/MJ·kg-1experimentsimulationrelativeerror/%Jump-off107496810.950.5770.46923.0362.217331762-1.651.5021.552-3.2212.54.1180818070.061.6341.6330.06196.518511858-0.381.7131.726-0.75259.0189018860.211.7861.7780.45

Note:vr,velocity of cylinder wall;Ecu,specific kinetic energy of cylinder wall.

4 同类炸药驱动能力的仿真对比

选取与C-1炸药爆炸性能相近的国外LX-19(密度选取1.920 g·cm-3)、PBXC-19炸药,其JWL状态方程参数见表4,分别进行直径25 mm标准圆筒驱动过程的数值模拟,对比同类CL-20基炸药的JWL状态方程参数影响驱动能力的差异。

图6为C-1、LX-19和PBXC-19三种炸药驱动圆筒壁的v-t历程曲线。表5为三种炸药爆轰参数及驱动性能的对比。

对比表5数据可知,三种炸药均具有较高的爆轰性能及做功能力,其中PBXC-19炸药在较低爆速、低爆压条件下做功能力最强,格尼速度比C-1高2.20%,这与使用的粘结剂及其他组分有关系。LX-19中CL-20含量最高,因此爆速、爆压及做功能力均较强,格尼速度较C-1提高2.02%。C-1炸药爆炸驱动做功能力略小于LX-19和PBXC-19,其原因除CL-20含量较低外,与选择的压药密度也有关系。由此可见,国内外CL-20基炸药驱动做功能力有一定的差异,本研究所获得的C-1炸药爆轰产物JWL状态方程参数可以较准确地描述其做功能力。

图6 不同炸药圆筒模拟速度-时间曲线

Fig.6 Velocity-time curves of cylinder test with different explosives

表4 国外公布的CL-20基炸药JWL状态方程参数[5-6]

Table 4 Parameters of JWL equation of state for foreign reported CL-20-based explosive[5-6]

explosiveρ0/g·cm-3D/m·s-1A/GPaB/GPaR1R2ωE0/J·mm-3PBXC-191.89690832644.4026.7936.131.50.5011.50LX-191.92091041596.65177.4106.502.70.5511.33

表5 不同CL-20基炸药驱动能力数值模拟对比

Table 5 Performance comparison of different CL-20-based explosive

explosiveCL-20content/%ρ0/g·cm-3D/m·s-1pCJ/GPavr/m·s-12Egresult/m·s-1increment/%C-194.51.931906139.0188630060PBXC-1995.01.896908334.519133072+2.20LX-1995.81.920910441.519213069+2.02

5 结 论

(1)采用直径25 mm标准圆筒试验方法对压装CL-20基C-1炸药进行了圆筒试验,获得了圆筒壁速度、位移与时间的关系。

(2) 采用考虑与爆轰参数封闭的炸药JWL状态方程参数数据处理方法确定了C-1炸药爆轰产物JWL状态方程参数,应用获得的JWL状态方程参数进行圆筒试验数值模拟,与试验对比,速度结果相对误差低于2%,位移相对误差低于1%。

(3) 对比了国内外相类似的CL-20基炸药驱动做功能力,LX-19和PBXC-19的格尼速度比C-1炸药分别高2.02%和2.20%,确认了本研究获得的JWL状态方程参数适用于C-1炸药。

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