装药直径和约束条件对小直径装药爆速影响研究*

赵海霞,胡双启,张少明,焦清介,徐新春

（1中北大学化工与环境学院,太原 030051;（2北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081）

0 引言

微型起爆系统、爆炸逻辑网络是传爆序列发展的新方向。但是其涉及到装药的爆轰临界尺寸、直径效应、约束效应等非理想爆轰现象以及小直径装药技术、小直径的爆轰参数测试技术等问题而极其复杂。小直径装药虽然能够实现稳定爆轰,但不能实现理想爆轰。爆速是衡量炸药爆炸性能的重要参量,也是爆轰波参数中当前能测量最为准确的一个参数。爆速的精确测量能为检验爆轰理论的正确性提供依据,并且在炸药应用研究上也具有重要的实际意义。因此文中对不同装药直径和约束条件下的某传爆药的小直径装药爆速进行实验研究。

1 实验装置与方法

1.1 实验方法

爆速的测量方法可分为两大类:一类是利用各种类型的测时仪器或装置测定爆轰波从一点到另一点所经历的时间间隔Δt,然后去除两点间的距离Δs,这样就可得到爆轰波在两点间的传播平均速度D pj,即:

这类方法称为测时法。

第二类为高速摄影方法。它是利用高速摄影机,借助于爆轰波面的发光现象将爆轰波沿装药传播过程的轨迹连续地拍照下来。因此这种方法可以测得爆轰波通过任一点的瞬时速度。

对于小直径装药,其爆轰波阵面是曲面,而不是平面,Eyring等人[1]根据凝聚炸药小直径药柱爆轰的实验结果,提出了弯曲波阵面理论。因此,严格的讲,小直径装药的爆轰至少是一个二维问题,但当装药有壳时,小直径装药爆轰通常满足小膨胀（准一维）假定[2],装药中心轴的爆轰可以认为是一维爆轰,而且也是定常的,因此文中对微尺度爆速的测量采用第一类方法,这样在一个确定的传播距离增量Δs上记录Δt,爆轰速度即可测得。

1.2 实验装置

组装好的实验装置见图1。

图1 爆速测试实验装置

1.3 实验测试系统

1）挑选相同约束的药柱25mm的1个,10mm的3个,要求药柱表面尽量平整。把挑好的药柱做好标记,并记录准确长度。

2）按照标记好的药柱和探针顺序,依次用薄的透明胶布把探针固定在药柱端面,要确保药柱之间的对中性。

3）最后把雷管固定在25mm药柱的上端,也要确保药柱和雷管之间的对中性。

根据图2进行测试系统连线。爆速测试过程:在图2所示的实验装置中,电雷管起爆传爆药柱,由传爆药柱产生的爆轰波作用在被测试样,试样爆轰产生的爆速直接作用于探针,由32通道时间间隔测定仪记录两探针之间的时间,并由打印机打印,传爆药药柱长度已知,根据v=s/t,即可测得试样爆速。

图2 爆速测试系统示意图

2 实验结果及分析

为了研究装药直径和约束条件对小直径装药爆速的影响,在密度一定条件下,文中分别对不同装药直径和约束条件进行了爆速测试实验。实验条件:炸药柱密度为90%TMD,探针直径为0.13mm,约束材料为45#钢约束和有机玻璃约束,装药直径0.9mm、1.5mm、2mm 、3mm 、4mm、5mm。爆速实验每种尺寸4发,取平均值。测试结果如表1所示。

2.1 装药直径对微尺度装药爆速的影响规律研究

根据非理想爆轰理论,当装药直径小于临界直径dc时,装药不能传递爆轰;当装药直径大于临界直径dc而又小于极限直径de时,炸药的爆速D将随着装药直径增大而增大;当装药直径大于极限直径de时,装药中能够形成稳定爆轰,且其爆速为一恒定值[3]。从表1也可以看出文中测试的爆速也符合这个规律。且在小直径装药条件下,不同直径对某传爆药爆速的影响,总的趋势是爆速随装药直径的增加而增大。其中装药直径1.5～2mm,爆速的变化最大,而装药直径2～5mm变化比较平缓,这说明装药直径越小对爆速影响越大,也就是说装药直径趋于临界直径时装药直径对爆速影响大,反之装药直径趋于极限直径时装药直径对爆速影响小。

2.2 约束条件与微尺度装药爆速之间的规律研究

约束条件是影响爆速大小的另一重要因素,文中对45#钢约束和有机玻璃约束的爆速变化规律进行了研究。从表1可以看出相同装药直径下45#钢约束下的爆速与有机玻璃约束下的爆速不同,这是由于约束条件的不同,其阻抗不同,45#钢的阻抗比有机玻璃的大,因此其对应的爆速大。且随着装药直径的增大,约束条件对小直径装药爆速的影响逐渐减小;反之随着装药直径的减小,约束条件对小直径装药爆速的影响逐渐增大。

2.3 约束条件和装药直径对小直径装药爆速的同步叠加作用

尽管讨论约束条件和装药直径对微尺度装药爆速的影响是分别进行的,但在具体条件下两者作用却是同步的。因此对二者综合作用下的数据用最小二乘法[4]进行拟合,得到图3和拟合函数表达式（2）和式（3）。

图3 不同约束下装药直径与爆速之间的规律变化图

从图3可以看出,微直线装药的爆速随着装药直径的减小而减小,且直径越小,减小的趋势越明显;约束材料对爆速也有一定影响,45#钢和PMMA两种不同约束,爆速随材料冲击阻抗的增大而增大。

分别对45#钢和PMMA约束条件下不同直径微直线装药爆速的实验值进行拟合,得到相应的实验规律数学表达式:

45#钢约束:

PMMA约束:

式中D45#钢是45#钢约束下微尺度装药的爆速（mm/μs）;D有机玻璃是有机玻璃约束下微直线装药的爆速（mm/μs）;d是装药直径（mm）。从式（2）和式（3）可以看出,在不同约束条件下装药直径与小直径装药的爆速满足负指数函数关系式。

同时从图3可以看出:整体来说爆速随着装药直径的增大而增大,同时也随着约束阻抗的增大而增大。装药直径1.5～3mm,约束条件和装药直径对微尺度装药爆速的影响较大;装药直径3～5mm,约束条件和装药直径对微尺度装药爆速的影响较小。也就是说随着装药直径增大,装药尺寸和约束条件对爆速的影响越来越小,反之越来越大（在产生稳定爆轰的前提下）。此规律可以为设计小型火工品提供理论依据和技术支持。

3 结论

1）在装药密度一定的前提下,某传爆药小直径装药爆速随装药直径的增加而增大。

2）在相同装药直径下,约束条件阻抗大的其对应某传爆药小直径装药爆速大。

3）得出了不同约束条件下某传爆药装药直径与小直径装药爆速的经验关系式,其满足负指数函数关系。

4）在装药密度一定时,可以通过调整约束条件和装药直径控制爆速,可以为微型传爆序列界面间的结构尺寸匹配给予理论支持和技术指导。

[1] Ey ring H,Powell R E,Du ffy H,et al.The stability o f detonation[J].Chem.Rev,1949,45（1）:69-181.

[2] 孙锦山,朱建士.理论爆轰物理[M].北京:国防工业出版社,1995.

[3] 张守中.爆炸基本原理[M].北京:国防工业出版社,1988.

[4] 蔡锁章.计算方法[M].北京:中国科学技术出版社,1993.