2，4-二硝基苯甲醚基高爆速熔铸炸药爆轰性能表征

李东伟，姜振明，张向荣，周霖（.北京理工大学机电学院，北京0008；.国营第805厂，甘肃白银730900）



2，4-二硝基苯甲醚基高爆速熔铸炸药爆轰性能表征

李东伟1，姜振明2，张向荣1，周霖1
（1.北京理工大学机电学院，北京100081；2.国营第805厂，甘肃白银730900）

摘要：为了揭示2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔铸炸药的爆轰特性，加快DNAN基熔铸炸药的应用，采用Fortran BKW代码计算了Octol炸药和不同组分DNAN基熔铸炸药的爆轰参数（爆速、爆压）。采用电测法、爆炸概率法和激光干涉测速技术分别对DNAN基配方DNAN 20/奥克托今80和Octol炸药的爆速、爆压、机械感度以及金属板驱动能力进行了试验测试。试验结果表明:该DNAN基炸药的爆速为8 436 m/ s，爆压为31. 23 GPa，爆轰性能优于Octol炸药；撞击感度为33%，摩擦感度为57%，机械感度低于Octol炸药；驱动金属板速度达到3 045 m/ s，优于Octol炸药。该DNAN基高爆速熔铸炸药综合性能优于Octol炸药，可替代Octol炸药用于防空反导和大口径爆炸成型弹丸战斗部。

关键词：兵器科学与技术；2，4-二硝基苯甲醚；Fortran BKW；电测法；激光速度干涉仪

0 引言

熔铸型炸药是国内外广泛使用的混合炸药，其装备量占战斗部装药总量的80%左右。熔铸炸药适用于装填大口径、异形结构的防空反导和爆炸成型弹丸（EFP）战斗部。自20世纪80年代初，低易损性炸药相关研究受到世界各国的高度重视［1］。由于TNT存在异构物，以TNT为基的熔铸炸药存在渗油、长贮性差、感度高、力学性能差、凝固过程收缩大、装药易出现裂纹等缺点，因此，以TNT为载体的熔铸炸药难以满足当今高能钝感战斗部的技术要求［2 -3］。2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）的感度和粘度均显著低于TNT，而且DNAN不存在异构物，纯度达99. 8%. DNAN是一种替代TNT的高安全性载体炸药。DNAN基熔铸炸药不仅提高了战斗部的长期贮存性能和装药工艺性，而且其具有良好的安定性，提高了战斗部勤务处理过程安全性以及在战场上的生存能力［4］。美军研制出了一系列以DNAN为基的熔铸炸药［5］，已经应用于155 mm榴弹、120 mm迫弹等战斗部。我国“十二五”期间，开展了DNAN基高能熔铸炸药研制工作，结果表明该炸药通过了慢速烤燃、快速烤燃等7项易损性考核，结合大口径EFP战斗部和破片反导战斗部开展了集成验证，验证了该炸药具有良好的安全性和长期贮存性能。因此，进一步揭示DNAN基熔铸炸药的爆轰性能特点对加快其在战斗部中的应用具有重要意义。

本文采用Fortran BKW代码计算了3种DNAN基熔铸炸药的爆轰参数，运用LS-DYNA软件计算了DNAN基熔铸炸药爆炸驱动金属板的自由表面速度，并采用电测法、爆炸概率法和激光干涉测速技术分别对其中DNAN基熔铸炸药（DNAN 20/ HMX 80）的爆速、爆压、机械感度以及金属板驱动能力进行了试验测试。计算和测试结果表明，DNAN基高能熔铸炸药（DNAN 20/ HMX 80）综合性能良好，可替代Octol（TNT 30/ HMX 70）炸药装填大口径防空反导和EFP战斗部，以提高战斗部安全性、长贮性和毁伤威力。

1 计算部分

1. 1 爆轰参数计算

本文运用Mader编制的Fortran BKW代码［6］对表1中所列4种炸药的爆轰参数（爆速、爆压）进行计算。

表1 炸药原始参数Tab. 1 Original parameters of explosives

BKW状态方程表达式为

根据文献［7］理论，计算得到DNAN基配方炸药含碳量较低，采用适用于RDX的BKW状态方程参数［8］，如表2所示。

表2 BKW方程参数Tab. 2 BKW parameters

1. 2 驱动金属数值计算

本文采用非线性有限元程序LS-DYNA进行炸药驱动金属平板数值模拟计算。该试验装置为轴对称结构，为减少计算量，建立二维轴对称计算模型，如图1所示。

图1 炸药驱动金属平板计算模型Fig. 1 Model for drive potential measurement

起爆炸药、被测炸药均采用高能炸药材料模型和JWL状态方程。被测炸药（DNAN/ HMX炸药）的JWL状态方程通过BKW代码计算得到HOM状态方程，进而拟合得到，拟合方法参见文献［8］，本文不作详述。

JWL状态方程表达式为

钢材料模型采用弹塑性流体力学模型，铜板材料模型采用Steinberg模型，状态方程均采用的Gruneisen状态方程。套筒钢和铜板的Gruneisen状态方程参数如表3所示。

表3 Gruneisen状态方程参数Tab. 3 Parameters of Gruneisen equation of state

2 试验部分

炸药感度、爆速、爆压药柱的制备均采用熔铸工艺，即高能炸药固相颗粒（如HMX等）加入到熔融态炸药基质（DNAN、TNT等）中形成悬浮液，铸装到模具，冷却凝固成型。铸装过程中，采用震动、抽真空等措施消除炸药缺陷，控制炸药密度。

2. 1 感度测试试验

按照GJB772A—97《炸药试验方法》对DNAN基熔铸炸药和Octol炸药感度进行测试。撞击感度按照方法601. 1爆炸概率法测定。摩擦感度按照方法602. 1爆炸概率法测定。

2. 2 爆速测试试验

按照国家军用标准GJB772A—97《炸药试验方法》方法702. 1电测法对DNAN基熔铸炸药和Octol炸药的爆速进行测试。

2. 3 爆压测试试验

爆轰压力测试试验装置如图2所示。试验中，将3节相同尺寸的炸药药柱粘接在一起，在第2节和第3节炸药之间放置锰铜压阻传感器，测量炸药的爆轰压力。测试中，配方1炸药密度为1.798 g/ cm3，Octol炸药密度为1. 75 g/ cm3.每节被测炸药柱尺寸均为φ87 mm×86 mm.

图2 DNAN基熔铸炸药爆压测试试验装置Fig. 2 Detonation pressure measurement

2. 4 炸药驱动金属平板试验

DNAN基熔铸炸药驱动金属平板装药结构如图3所示。

图3 炸药驱动金属平板装药结构Fig. 3 Charge structure for drive potential measurement

试验前，将装药结构和测速装置安装好，如图4所示。试验开始，雷管起爆炸药透镜产生平面爆轰波起爆加载炸药，加载炸药爆炸产生强冲击波经金属圆筒封闭端面起爆圆筒内的试验炸药，试验炸药爆轰，驱动金属平板运动。采用SGD-150型全光纤激光干涉速度仪测量金属平板自由面的速度。激光束沿圆筒轴线照射于铜板中心，在炸药透镜和加载炸药之间安放一个电离探针，用于给出激光速度干涉仪起动信号。

炸药透镜尺寸为φ50 mm，8701炸药；加载炸药尺寸为φ50 mm×10 mm，TNT；金属圆筒尺寸为φ40 mm（内径）×54 mm；金属平板尺寸为φ40 mm× 1. 5 mm，铜板；被测炸药尺寸为φ40 mm×30 mm，配方1炸药密度为1. 798 g/ cm3，Octol炸药密度为1. 75 g/ cm3.

图4 炸药驱动金属平板试验装配照片Fig. 4 Assembly photograph of drive potential measurement

3 结果与讨论

3. 1 爆轰参数

本文表1中所列炸药的爆速、爆压计算结果及配方1（DNAN 20/ HMX 80炸药）和Octol炸药爆速、爆压试验测试结果如表4所示。

表4 炸药爆轰参数计算结果与试验值对比Tab. 4 Comparison of calculated and experimental results

由表4计算值可得到，DNAN基炸药固相物质（HMX）每增加1%，炸药爆速约增加21. 3 m/ s，爆压约增加0. 2 GPa.同时，由表4可见，配方1炸药的爆速较Octol炸药高124 m/ s，爆压较Octol炸药高0. 84 GPa.其原因为由于TNT粘度较大，固相物质含量较高时，炸药的安全性和工艺性均难满足要求。而DNAN粘度较低，较TNT低42. 8%［9］，相对而言，以DNAN为载体的熔铸炸药固相物质的含量可增大至80%，固含量越高，炸药爆速爆压越高。配方1炸药与Octol炸药相比，其固含量高，所以其爆速、爆压高于Octol炸药。

3. 2 感度

DNAN基配方1炸药与Octol炸药的机械感度测试结果如表5所示。

表5 炸药感度测试结果Tab. 5 Sensitivity comparison of some explosives

由于DNAN和TNT均含有1个苯环，结构相似，不同的是DNAN含有2个硝基，而TNT含有3个硝基，TNT活性指数较高，所以其机械感度高［10］。经试验测试，DNAN撞击感度和摩擦感度均为0，而TNT撞击感度和摩擦感度分别为8%和6%［11］，DNAN较TNT更为钝感。因此DNAN为基的配方1炸药的机械感度低于以TNT为基的Octol炸药。

3. 3 驱动金属

由HOM装药方程拟合配方1炸药的JWL状态方程参数结果如表6所示。

表6 配方1炸药爆轰产物JWL状态方程参数Tab. 6 JWL parameters of formula-1

由LS-DYNA计算得到了8. 239 6 μs压力分布如图5所示。

图5 8. 239 6 μs时压力分布Fig. 5 Pressure distribution at 8. 239 6 μs

计算和试验测量配方1炸药和Octol炸药爆炸驱动铜板的自由面速度曲线的对比如图6所示。

由图6配方1炸药的计算值和试验值比较可见，配方1炸药驱动铜板自由面速度曲线在10 μs后计算值和试验值重合，吻合比较好；曲线2和曲线3比较可以看到，在爆轰波驱动作用下，配方1炸药驱动铜板自由面最大速度为3 045 m/ s，Octol炸药驱动铜板的最大速度为2 823 m/ s左右。原因是配方1炸药爆速、爆压较Octol炸药高，做功能力较强，因此配方1炸药金属驱动能力优于Octol炸药。

4 结论

1）配方1炸药（DNAN 20/ HMX 80）的实测爆速8 436 m/ s，爆压31. 23 GPa，其爆轰性能优于Octol炸药。

2）配方1炸药（DNAN 20/ HMX 80）的实测机械感度均低于Octol炸药。

3）配方1炸药（DNAN 20/ HMX 80）和Octol炸药驱动铜板的最大速度分别为3045 m/ s和2823 m/ s.配方1炸药金属驱动能力优于Octol炸药。

综上所述，DNAN基配方炸药DNAN 20/ HMX 80爆轰性能、感度和金属加速能力等，综合性能优于Octol炸药，可替代Octol炸药装填大口径防空反导和EFP战斗部。研究结果可为DNAN基熔铸炸药的工程应用提供基础数据。

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Characterization of New 2，4-dinitroanisole-based Melt-cast High Detonation Velocity Explosives

LI Dong-wei1，JIANG Zhen-ming2，ZHANG Xiang-rong1，ZHOU Lin1
（1. School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2. No 805 Factory，Baiyin 730900，Gansu，China）

Abstract：In order to reveal the detonation properties of 2，4-dinitroanisole（DNAN）-based melt-cast explosives and promote the application of this kind of explosives，a computer code is used to calculate the detonation properties of three DNAN-based melt-cast explosives. A series of experiments are carried out to characterize the properties of the DNAN-based explosive（DNAN 20/ HMX 80）and Octol. Electrometric method is used to test the detonation velocities and pressures of the two explosives. Explosive probability method is used to test the mechanical sensitivities of the two explosives. Laser interferometer velocimetry（VISAR）is used to test the free surface of copper bar drived by the detonation products. The results show that the detonation properties（detonation velocity is 8 436 m/ s and pressure is 31. 23 GPa）of DNAN-based explosive（DNAN 20/ HMX 80）are better than those of Octol. The mechanical sensitivity of DNAN-based explosive（impact sensitivity is 33%and friction sensitivity is 57%）is lower than that ofOctol. The speed of the copper bar drived by the detonation products is 3 045 m/ s. The comprehensive performance of DNAN-based explosive（DNAN20/ HMX80）is better than that of Octol. The DNAN-based explosive could replace Octol for air defense warhead，antimissile warhead，and large-caliber EFP warhead.

Key words：ordnance science and technoogy；2，4-dinitroanisole；Fortran BKW；electrometric method；laser interferometer velocimetry

中图分类号：TJ55

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）04-0656-05

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 012

收稿日期：2015-09-04

基金项目：国防“086”专项项目（00401030181）

作者简介：张向荣（1975—），男，讲师。E-mail：zhangxr@ bit. edu. cn