BNCP驱动飞片实验测试及数值模拟

覃文志，龙新平，何 碧，蒋小华

（1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900；2.中国工程物理研究院，四川 绵阳，621900）

BNCP（高氯酸[四氨·双(5-硝基四唑)]合钴(Ⅲ)）以其较低的感度和优异的爆轰性能受到广泛关注，在激光起爆器、半导体桥雷管等多种火工品中得到应用[1]，但其爆轰性能方面的研究还不够丰富。本文尝试对BNCP驱动飞片速度进行研究。

光纤位移干涉仪[2](Displacement Interferometer System for Any Reflector, DISAR) 是一种新的位移和速度测量技术，国外 Jaroszewicz[3]和 Strand等人[4-5]对DISAR进行了研究。国内王德田等人[6]采用DISAR对爆炸加载尺寸为Ф60mm×2mm的飞片速度进行了测试，获得信噪比很好的速度曲线。本文采用DISAR对BNCP驱动飞片进行测试，同时采用VLW状态方程程序计算获取JWL状态方程参数[7-8]，并对其驱动飞片进行数值模拟，与实验结果进行对比分析。

1 飞片速度实验测试

1.1 实验装置

实验装置如图1所示。在装药环中装填的BNCP药柱尺寸为 Ф3mm×8mm，炮孔尺寸为 Ф2.5mm×1.5mm，飞片材料为钛，厚度 0.1mm。测试前在飞片表面镀了一层约 3μm 厚的铝膜，以增强其反光性能。

图1 DISAR测飞片速度装置Fig.1 Experimental device for flyer velocity

实验所用的DISAR系统采用的光纤激光器基于半导体激光器的MOPA（Mail Oscillation Power Amplifying，主振荡功率放大）技术，具有窄线宽、高输出功率、优秀的波长长期稳定性等优点，能够为干涉器测速系统提供一定相干长度的稳定激光源。测试所采用的光纤探头采用光纤微透镜结构，尺寸为M5×10mm，并具有长达35mm的测量景深。

测试时首先将光纤探头与炮孔中心对准，以便使光线能够反射回探头。探头与飞片的距离约为25mm。

1.2 测试结果及分析

分别对 BNCP 装药密度为 1.645g/cm3和 1.623 g/cm3下的2发装置进行了测试，获得的原始干涉信号如图2所示（仅以第1发为例）：

图2 DISAR干涉信号Fig.2 Interference signal of the DISAR

图3所示曲线为经过数据处理后的2发装置的飞片速度曲线。

从图3中可以看出，在初始阶段两种装药密度下驱动飞片的速度增长几乎一致，在1.5μs后1.645g/cm3BNCP的装置驱动的飞片仍有明显的速度增长，而1.623 g/cm3BNCP的装置的飞片速度增长则变得缓慢，在约2.1μs时2发装置的飞片速度均达到最大值，分别为3 417m/s和3 318m/s。

图3 飞片速度曲线Fig.3 The measured flyer velocity curves

2 JWL状态方程参数的理论计算

JWL状态方程是典型的动力学状态方程，能够比较精确地反映炸药爆轰产物的膨胀驱动做功过程。其形式为[9]：

式（1）中：P为爆轰产物的压力；V为爆轰产物的相对比容；E为炸药的能量密度；A、B、R1、R2、ω为参数，通常通过圆筒试验测定金属外壳在炸药爆轰产物驱动情况下的膨胀过程，结合数值模拟来确定。但对于较为敏感的起爆药，采用圆筒实验标定JWL状态方程参数会存在一定的安全隐患。因此，本文采用VLW程序计算了BNCP的爆轰产物等熵膨胀数据，该数据能够反映出炸药在高速膨胀过程中的压力和比容的关系。拟合出的等熵膨胀曲线可作为爆轰产物的JWL状态方程的P——V关系曲线，从而拟合出JWL状态方程参数。等熵膨胀曲线如图4所示。

图4 BNCP爆轰产物的等熵膨胀曲线Fig.4 The isentropic expansion curves of detonation products of BNCP

图4显示，由于密度十分接近，因此计算的等熵膨胀曲线几乎重合。在不同密度下，由于等熵膨胀的数据会有所差别，因此拟合出的炸药JWL方程参数是不同的。根据实验中采用的装药密度，拟合出BNCP在两种密度下的爆轰产物JWL状态方程参数，如表1所示。

表1 JWL状态方程参数Tab.1 The coefficients of JWL EOS

3 BNCP驱动飞片数值模拟

根据VLW程序计算得到的JWL状态方程参数，利用LS-DYNA程序模拟了BNCP驱动飞片的过程。模型的各项参数均与实验装置保持一致，将模拟所得飞片速度曲线与实验结果做出对比，如图5所示。

图5 数值模拟与实验结果对比曲线Fig.5 Comparison of the simulation and experimental results

从图5中可以看出，数值模拟的飞片最大速度分别为3 656m/s和3 616m/s，数值模拟的结果比实验值基本高出200m/s左右，误差约为6%，速度曲线的增长趋势基本一致。由于实验的装药尺寸较小，因此飞片速度不免受到爆轰时侧向稀疏波影响而低于理想状态，数值模拟结果基本能够令人满意。

4 结论

本文通过实验和数值模拟的方式研究了 BNCP驱动飞片速度，获得以下结论：

（1）DISAR的测试结果表明BNCP驱动0.1mm厚的钛飞片速度能够达到3 300m/s左右，可指导其在火工品中的运用；

（2）通过VLW程序计算拟合得到BNCP爆轰产物的JWL状态方程参数，用于数值模拟中与实验结果基本吻合，说明通过VLW程序计算获得的JWL状态方程参数能够可靠运用于数值模拟中，给较敏感炸药的JWL状态方程参数的获取提供了研究途径。

[1]盛涤伦,马凤娥,孙飞龙,等. BNCP起爆药的合成及其主要性能[J].含能材料,2000,8(3):100-103.

[2]Strand O T, Goosman D R, Martinez C, et al. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques[J]. Review of Scientific Instruments,2006,77(8):83-108.

[3]Jaroszewicz L R, Krajewski Z. Optical fiber interometeic system for doppler effect measurement [J]. Opto Electronics Review,2002, 10 (3) :185-191.

[4]Strand O T, Berzins L V, Goosman D R, et al. Velocimet ry using heterodyne techniques[R].UCRL-CONF2206034,2004.

[5]Mercier P, Benier J, Azzolina A, et al. Photonic Doppler velocimetry in shock physics experiments[J].Journal de Physique IV, 2006, 134(1): 805-812.

[6]王德田,李泽仁,吴建荣,等. 光纤位移干涉仪在爆轰加载飞片速度测量中的应用[J].爆炸与冲击,2009,29(1):105- 108.

[7]龙新平.VLW 爆轰产物状态方程及纳米级铝粉含铝炸药爆轰特性研究[D].北京:北京理工大学,1999.

[8]蒋小华. 有氧化剂含铝炸药爆轰特性研究[D]. 北京：北京理工大学,2003.

[9]Lee E., Finger M., Collins W. JWL equation of state coefficient for high explosives[R]. UCID-16189, 1973.