典型CL-20 和HMX 基压装炸药爆炸驱动特性对比

王树有，南宇翔，蒋建伟，韩 伟，谭 杰，陈东萍

（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. 中国北方工业有限公司，北京 100053；3. 中国人民解放军32381 部队，北京 100072；4. 山西江阳化工有限公司，山西 太原 030041）

1 引言

炸药作为武器系统中最主要的能量来源，其能量的大小直接决定了战斗部的爆炸毁伤威力。从19 世纪末的TNT 基炸药，到二战时期发展的RDX 基和HMX 基炸药，每一次更高能量密度炸药的应用都影响着战斗部毁伤威力的跨越式发展，也引领着武器装备的更新换代。CL-20 自1987 年合成以来［1］，已被广泛的研究和应用［2-3］，是目前世界上已应用含有最高能量密度的单质炸药，许多文献表明CL-20 基混合炸药具有高爆速、高爆压等特点，其爆炸威力高于现已应用的炸药 威 力［4-5］。国 内 自20 世 纪90 年 代CL-20 单质 炸药合成以来［6］，也先后研制了多个能量高、安全性良好的CL-20 基混合炸药［7-8］。目前，关于CL-20 炸药爆炸驱动特性开展了一些单项研究，如刘红梅等［9］开展了CL-20 炸药驱动金属飞片研究，得出了CL-20 炸药对金属飞片的驱动速度高于HMX 基JO-9159 炸药；王利侠等［10］开展了压装工艺对CL-20 基炸药性能及聚能破甲威力的影响研究，研究表明热压成型药柱的各项性能均优于常温成型药柱。

由于在CL-20 基炸药爆炸驱动能力方面仅开展了单项实验研究，未全面系统的开展对比研究，为此，本研究选取了典型的CL-20 基和HMX 基压装混合炸药，通过测试爆速、爆压及标准圆筒实验对比炸药基本爆轰性能；设计预制破片驱动装置进行静爆实验，利用脉冲X 光摄影仪及通靶测速系统测试驱动破片的初速；设计了两种锥角铜药型罩的聚能装药结构，装填不同炸药进行相同炸高下的静破甲实验对比，获得了对钢靶的侵彻能力，以期较全面地对比两种炸药的轴/径向驱动能力，为CL-20 基炸药应用提供参考。

2 样品与实验

2.1 样品

CL-20 基炸药主成分由六硝基六氮杂异伍兹烷（ε-CL-20，简称HNIW）和塑性粘结剂组成，应用水悬浮法［11］对ε-CL-20 进行钝化包覆，甘肃银光化学工业集团有限公司，CL-20 基炸药造型粉如图1。

图1 CL-20 基炸药造型粉Fig.1 CL-20-based explosive powder

采用热压成型工艺压制了不同直径的柱形及异形药柱，其中药柱直径为25 mm 的爆速、爆压实验，装药密 度 有 两 种，分 别 为1.93 g·cm-3、1.95 g·cm-3（98.1%TMD），用于圆筒实验的药柱直径为20 mm、25 mm，密度为1.93 g·cm-3，用于破片驱动实验的药柱直径为36 mm、106 mm，密度为1.93 g·cm-3，用于聚能破甲实验的药柱直径为82 mm，密度为1.93 g·cm-3，装药轴向、径向密度均匀性良好，药柱经过高低温变化后，无裂纹及不可逆增长、缩小。图2 为压制的CL-20基炸药压装成型的药柱。

HMX 基JO-8 炸药，甘肃银光化学工业集团有限公司，作为对比炸药，将其压制成与CL-20 基炸药相同的药柱，装药密度为1.83 g·cm-3。

图2 CL-20 基炸药压装成型的药柱Fig.2 Pressed CL-20-based explosive charges

2.2 实验

2.2.1 爆速、爆压实验

炸药的爆速D，爆压PCJ等基本爆轰参数可表征炸药的基本爆轰驱动特性。选取两种密度的CL-20 基炸药药柱及HMX 基JO-8 炸药药柱，按照GJB772A-1997《炸药试验方法》标准，用电测法测量炸药爆速，锰铜压力传感器法测试炸药爆压。图3 为爆速、爆压测试实验装置。

图3 炸药爆速爆压测试装置Fig.3 Testing devices for detonation velocity and detonation pressure

2.2.2 圆筒实验

格尼系数可用于表征炸药的爆轰驱动特性，为评价CL-20 基炸药的爆轰性能，按照GJB772A-1997《炸药试验方法》开展典型密度CL-20 基炸药（ρ0=1.93 g·cm-3）和JO-8 炸药（ρ0=1.83 g·cm-3）的圆筒对比实验，采用激光干涉测速仪和狭缝扫描高速摄影仪分别测量圆筒壁膨胀速度v、位移（r-r0）的历程曲线，分析两种炸药的基本爆轰性能差异。图4 为圆筒实验装置布局示意图，药柱直径为25 mm，圆筒外径为30 mm。

2.2.3 破片驱动实验

设计两种预制破片驱动装置如图5 所示，分别装填CL-20 基炸药和JO-8 炸药，开展静爆实验［12］对比两炸药驱动预制破片的速度。图5a 所示Φ36 mm 预制破片驱动装置，内装Φ4.9 mm×4.9 mm 钨柱，分别装填CL-20 基炸药、JO-8 炸药，端部起爆，采用脉冲X 光摄影仪测试破片初速。图5b 所示的Φ106 mm 预制破片驱动装置，内衬和壳体间装有Φ7 mm 钨球，装填CL-20 基炸药、JO-8 炸药，中心起爆，采用通靶测速系统距爆心5 m 处的破片平均速度。

图4 圆筒实验装置Fig.4 Schematic diagram and physical map of cylinder test

图5 两种破片驱动装置Fig.5 Two kinds of fragment devices

2.2.4 聚能破甲实验

聚能装药分为带隔板和不带隔板两种，带隔板的聚能装药长径比一般较大，隔板的加入可以改善爆轰波形，提高压垮速度和射流速度，从而提高破甲穿深［13］。为获得两种炸药较佳的聚能破甲威力，设计了带隔板单锥罩聚能装药（如图6 所示），其中装药直径Φ82 mm，药型罩为紫铜材料。考虑不同炸药对应的最佳锥角有所不同［14-15］，罩锥角取49°、55°两种，分别装填JO-8 与CL-20 基炸药。聚能装药静破甲实验实施方法如下：将圆柱形45#钢锭作为靶板放到水平地基上，在45#钢锭上放置5.5 CD 木质炸高筒，将聚能装药放置炸高筒上，上端采用8#电雷管起爆。

图6 聚能装药结构Fig.6 Diagram of shaped charge

3 实验结果及分析

3.1 爆速、爆压实验结果及分析

表1 给出了两种炸药的爆速、爆压测试结果。由表1 结果可知，对于两种密度的CL-20 基炸药，密度提高1.04%，爆速D 相应提高1.11%，爆压PCJ提高3.70%，CL-20 基炸药爆速较JO-8 最大提高4.8%，爆压最大提高16.7%。

3.2 圆筒实验结果及分析

图7 为JO-8 与CL-20 基炸药圆筒实验圆筒壁膨胀速度与时间v-t、位移与时间（r-r0）-t 对比曲线。由图7a曲线可知CL-20 基炸药爆炸驱动圆筒壁膨胀速度为1890 m·s-1，JO-8 炸药爆炸驱动圆筒壁膨胀速度为1783 m·s-1，表明CL-20 基炸药具有更高的驱动金属的能力。

表1 JO-8 和CL-20 基炸药的爆速爆压Table 1 Detonation velocity and detonation pressure for JO-8 and CL-20-based explosive

图7 JO-8 和CL-20 基炸药圆筒实验结果对比Fig.7 Comparison of cylinder test results between JO-8 and CL-20-based explosive

从图7 获得圆筒壁的膨胀速度，及试验对应炸药和圆筒质量，带入公式（1），得到JO-8 炸药的格尼系数为2903 m·s-1，CL-20 基炸药的格尼系数为3004 m·s-1，CL-20 基炸药的格尼系数较JO-8 提高3.5%。

3.3 破片实验结果及分析

图8 为Φ36 mm 预制破片驱动装置爆炸后脉冲X光拍摄典型时刻的照片。通过测量战斗部典型位置处的膨胀速度并取平均值。表2 列出了两种破片驱动装置静爆实验后获得的破片平均速度测试结果。

图8 Φ36 mm 破片驱动装置典型时刻X 光照片Fig.8 X-ray images of Φ36 mm fragment device at the typical moments

表2 破片驱动装置破片速度测试结果Table 2 Testing results of velocity of the two fragment devices

由表2 结果可知，CL-20 基炸药对破片驱动的速度较JO-8 炸药高5.1%～7.3%，在此基础上可以计算得出破片在CL-20 基炸药驱动下获得的动能，较JO-8炸药提高10.5%～15.1%。由式（1）格尼公式可知，破片速度由格尼系数和装填载荷系数共同决定，本研究设计的36 mm、106 mm 两种不同直径的破片驱动装置，其装填载荷系数不同，致使二者破片速度和动能提高幅度有略有差异。

3.4 破甲实验结果及分析

图9 为55°锥角罩聚能装药静破甲实验照片，表3为49°和55°锥角罩聚能装药静破甲实验结果。表3表明，5.5CD 炸高条件下，55°罩锥角聚能装药结构装填CL-20 基炸药较装填JO-8 炸药静破甲深度提高3.2%；49°罩锥角聚能装药结构装填CL-20 基炸药较装填JO-8 炸药静破甲深度提高12.6%。另外，从两种炸药装药、两种不同锥角结构的静破甲结果来看，装填JO-8 炸药的聚能装药随着罩锥角的减小，静破甲深度随之降低，而装填CL-20 基炸药的聚能装药随着罩锥角的减小，静破甲深度反之提高，可以得出高爆速炸药对应的最佳罩锥角小于低爆速炸药对应的最佳罩锥角。

图9 55°锥角罩聚能装药静破甲实验照片Fig.9 Photo of penetration results of shaped charge with 55°cone liner

表3 静破甲实验结果Table 3 Average penetration depth of shaped charge for JO-8 and CL-20-based explosive

4 结论

通过爆速爆压、圆筒、预制破片爆炸驱动及聚能静破甲实验研究了CL-20 基压装混合炸药爆炸驱动特性，结果表明：

（1）CL-20 基炸药较JO-8 具有更高的爆速、爆压及格尼系数，CL-20基炸药（密度为1.95 g·cm-3）的爆速、爆压和格尼系数较JO-8 炸药（密度为1.83 g·cm-3）分别提高4.8%、16.7%和3.5%。

（2）在Φ36 mm 驱动装置装填4.9×4.9 mm 钨柱结构下，CL-20 基炸药对破片驱动的速度、动能较JO-8炸药分别提高5.1%、10.5%；在Φ106 mm 驱动装置装填7 mm 钨球结构下，CL-20 基炸药对破片驱动的速度、动能较JO-8 炸药分别提高7.3%、15.1%。

（3）5.5CD 炸药条件下，55°罩锥角聚能装药结构装填CL-20 基炸药较JO-8 炸药静破甲深度提高3.2%；49°罩锥角聚能装药结构装填CL-20 基炸药较JO-8 炸药静破甲深度提高12.6%。高爆速炸药的最佳锥角比低爆速炸药的最佳锥角要小。