不同炸药在激光辐射下响应特性

2021-08-11牛国涛赵生伟金大勇曹少庭

科学技术与工程 2021年20期

牛国涛，赵生伟，金大勇，曹少庭，牛磊

(1.西安近代化学研究所，西安 710065； 2.西北核技术研究所，西安 710024)

炸药的激光点火通常认为是一个光能转换为热能的过程，炸药吸收光能后，温度升高，当达到点火温度时，炸药发生燃烧或爆炸。激光的能量在其传播方向的横截面上呈高斯分布，在光斑中心处的能量流密度最大，所以利用激光对炸药进行辐射，不仅可以研究炸药的激光点火机理，而且对研究炸药的激光感度、激光作用下炸药的易损性、武器的激光防护等有重要的意义。激光烧蚀激发炸药反应的一系列实验涉及的炸药量在毫克量级，同时激光提供的能量和作用区可以精确控制，中外已用于炸药反应动力学研究，Roy等[1]观测了激光烧蚀含铝炸药后产生的冲击波传播，并测量了波后瞬态温度的空间分布；Gottfired等[2]对铝等多种金属基底的黑索金(RDX)粉末进行了激光烧蚀，提供了不同金属材料的激发效率和温度效果；伍俊英等[3-6]研究了在飞秒激光作用下RDX和奥克托今(HMX)烧蚀的微观机理，当激光能量较高时，炸药分子瞬时分解成高温高压等离子体，当激光能量较低时，炸药分子以完成气化扩散逃逸；对LX-17和LX-10炸药进行了激光烧蚀进行了数值计算，结果表明烧蚀产物等离子体和激光作用区外附近炸药的初始压力较高；并研究了飞秒激光加工炸药的安全性；刘嘉锡等[7]研究了单脉冲飞秒激光烧蚀梯恩梯(TNT)炸药过程的热效应，结果表明峰值温度高于TNT的点火温度，由于炸药内热效应区域小，高温持续时间短，没有发生点火现象；湛赞等[8]研究了半导体激光起爆炸药试验与仿真研究，结果表明半导体激光直接可以起爆掺杂1%炭黑的太安炸药；郭文灿等[9]对激光烧蚀下含铝炸药发射光谱分布和瞬态温度进行了测量；Collins[10]研究了含能材料激光诱导燃烧的特性。前人研究多为激光直接作用于炸药的燃烧、温度、压力及动力学，而以强激光辐照战斗部毁伤为背景的炸药响应研究较少。

为此，从试验出发，利用激光对装有不同类型炸药的约束装置进行辐射，研究激光对炸药的响应特性以及不同炸药之间响应差异，为炸药在激光作用下的易损性提供参考。

1 试验

1.1 材料和仪器

原材料：端羟基聚丁二烯(HTPB)体系的黏结剂(NJ)；梯恩梯(TNT)，湖北东方化工有限公司；黑索金(RDX)、奥克托今(HMX)，甘肃银光化学工业集团有限公司、铝粉(Al)，西北铝粉分公司、自制复合钝感剂(FHD-1)。

试验仪器：激光器型号为YLS-2000光纤激光器，最大功率2 000 W；镍铬镍硅热电偶测试温度最大可达到1 200 ℃。温度测试系统由镍铬镍硅热电偶、补偿导线、电压放大器、电缆、数据采集系统、计算机组成。

1.2 试样制备

试验采用3种配方，两种类型炸药，其中熔铸炸药为梯奥铝(TOL)和梯黑铝(THL)，高分子黏结炸药为PBXN-109，主要组分如表1所示。

表1 TOL、THL、PBXN-109主要组分

将混合好的3种炸药装填到如图1所示装置中，该装置炸药约束外径80 mm，内径40 mm，固定环外径140 mm，每种炸药装填3发试验弹，每发试验弹约装填炸药16 g。其中假药为水泥制成，装于炸药与封盖之间，用于绝热减少装药中热量散失。炸药和假药完全固化后，上好盖板，备用。共使用5支镍铬镍硅热电偶，一支在装药底部中心，其余4支环绕放置，距离中心10 mm分别焊接在装药底部，经过炸药、假药与引线孔与温度测试系统连接，热电偶布置如图1所示。

图1 激光辐射试验用炸药约束装置和热电偶布置

1.3 试验装置和布置

试验在空旷场地进行，炸药约束装置(壳体)放置在防护体内，通过热电偶与温度测试系统相连，激光器放置在防护体外与炸药保持在同一水平面上，激光通过防护体上的玻璃光窗辐射在装药壳体的中心位置，炸药热响应过程由温度测试系统记录。通过试验观察并记录炸药热响应状况，并回收装药约束装置及残药。具体试验布置如图2所示。

图2 激光辐射炸药装置布置图

2 结果与分析

试验采用功率640 W激光辐射3种不同炸药，并且改变激光的辐射直径，用以研究激光辐射直径对炸药响应延迟时间和点火温度的影响，以及在相同的激光辐射下，不同种炸药响应差异。不同激光辐射直径辐射不同炸药的试验结果如表2、表3所示。

表2 3种炸药在直径5 mm、总功率640 W激光辐照下的点火情况

表3 3种炸药在直径10 mm、总功率640 W激光辐照下的点火情况

2.1 相同功率不同激光辐射直径下炸药的响应特性

对比表2、表3可知，在相同功率下，激光辐射直径为5 mm和10 mm的情况下，3种炸药的响应特性变化趋势是一致的，即当辐射直径变大的时候，3种炸药响应的延滞时间都变长，点火温度都变小，而且差异较大，典型的不同直径对对THL炸药的延滞时间和点火温度影响如图3所示。

图3 THL炸药在功率640 W辐射直径为5、10 mm的温度曲线

图3(b)中，①为壳体中心热电偶的历史曲线，②～⑤为等距周围热电偶历史曲线，激光辐射在中心热电偶位置，所以中心温度上升较周边快。由两图对比发现在激光功率640 W的情况下，辐射直径对炸药的响应特性影响较大。激光辐射直径的变化对应着炸药温度上升速率的变化，在相同激光功率辐射下，辐射直径大炸药温度上升速率慢，即图3(b)的曲线斜率明显较图3(a)小，导致炸药响应的延迟时间延长，点火温度变低。

从炸药热响应结果上可知，在辐射直径为5 mm时，两种熔铸炸药均反应完全，PBXN-109剩余6 g炸药；在辐射直径为10 mm时，3种参试炸药均未反应完全，分别剩余13 g THL、14 g TOL、8 g PBXN-109，说明辐射直径小，能量流集中，热效应明显，有利于炸药反应。

2.2 同类型炸药之间的响应对比分析

THL炸药和TOL炸药均为TNT基的熔铸炸药，两者相比明显THL的延滞时间更长，需要的点火温度更高。虽然两者体系类似，但THL中TNT含量达到60%，Al粉含量为16%，比TOL炸药TNT含量30%，Al粉含量为5%要高，TNT熔化需要热量，铝粉含量高使得配方导热性能更好，况且RDX比HMX安全性更好，三者综合都说明THL炸药需要更长的延迟时间和更高的点火温度。从炸药的响应结果中可知，两种炸药类似，在激光辐射直径5 mm炸药反应完全，辐射直径10 mm时，炸药剩余量相当，且只有很少的量(2～3 g)反应。

2.3 不同类型炸药之间的相应对比分析

PBXN-109为高聚物黏结炸药，与TNT基熔铸炸药黏结体系不同。在激光辐射下，THL和TOL炸药有一个相变过程，即固相TNT熔化，需要吸收热量，而PBXN-109炸药的黏结体系为惰性体系且在成型过程中交联固化，物化性能比较稳定，这就导致了两者不同的热响应结果。两种熔铸炸药在激光辐射直径5 mm和10 mm下，延迟时间差了两倍以上，而PBXN-109炸药的延迟时间差相对要小；PBXN-109的点火温度明显比两种熔铸炸药高；而且两种类型炸药之间的毁伤模式也有较大差别，如图4所示。

图4 实验后炸药约束装置实物图

如图4所示，激光辐照炸药约束装置产生热作用，热通过壳体传导在炸药上，当到达一定温度时炸药发生反应，产生大量气体，导致壳体内压力急剧上升。当壳体内压强超过壳体的密封强度时，壳体被气压涨破，导致壳体破坏。两种熔铸炸药在激光作用下，炸药热响应后从后端口冲开，为破坏模式一；PBXN-109在激光作用下，炸药从前端即激光辐射反方向冲开，如图5所示，并且炸药都未反应完全，说明在激光作用下，炸药在自行设计的约束装置内，PBXN-109比两种熔铸炸药更钝感。