用电磁粒子速度计实验研究一种TATB基钝感炸药的冲击响应

李金河，傅 华，赵继波，龚晏青，孙永强

(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621900)

用电磁粒子速度计实验研究一种TATB基钝感炸药的冲击响应

李金河，傅 华，赵继波，龚晏青，孙永强

(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621900)

针对一种新的TATB基钝感炸药(Tx)，应用组合式电磁粒子速度计(EMV)测试技术，测量了炸药直接加载、增加有机玻璃隔板以及炸药驱动飞片3种加载状态下炸药内部的粒子速度历程和冲击波轨迹。根据测试结果，分析了不同加载压力下炸药的冲击响应过程。结果表明，炸药直接加载时，加载压力最高，Tx钝感炸药很快达到爆轰状态，到爆轰距离约为1.5mm;在增加有机玻璃隔板、加载压力为14.2GPa时，与直接加载时炸药粒子速度一致，Tx钝感炸药的到爆轰距离明显增加，约为5mm;在炸药驱动飞片、加载压力为9.5GPa时，Tx钝感炸药的粒子速度逐渐降低，存在一定钝化现象，到爆轰距离达到20mm以上。

爆炸力学；电磁粒子速度计；TATB基钝感炸药；冲击响应；到爆轰距离

引 言

随着现代武器对弹药安全性要求越来越高，钝感炸药成为近年来武器弹药发展的热点[1-2]。钝感炸药与其他凝聚炸药相比，化学反应区较长，化学反应较慢，爆轰发展过程复杂。研究钝感炸药的冲击起爆性能及爆轰特性对武器战斗部的设计有重要意义。近年来，国内外研究者开展了大量钝感炸药相关的试验和数值模拟研究[3-5]。

内嵌式拉格朗日量计测试技术是研究炸药冲击起爆响应的重要手段，主要有电磁粒子速度计[6-8]和锰铜压力计[9-10]两种测试方法。电磁粒子速度计可以直接测量炸药内部粒子速度，具有测试原理简单、响应较灵敏、无需标定、绝缘要求不高、有效记录时间长等优点。特别是根据组合式电磁粒子速度计的测试数据可以获得大量数据信息，包括粒子速度、POP关系、未反应炸药的冲击绝热线、爆速等[7]。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)已经将该测试技术发展为一项标准的诊断技术[11]。国内于20世纪70年代开始发展电磁粒子速度计测试技术，但是在应用组合式电磁粒子速度计开展炸药冲击起爆及相关研究方面还很少，主要因为组合式电磁粒子速度计试验技术还不成熟，测试信号质量较差[12-13]。

本研究针对新研制的一种TATB基钝感炸药(Tx)，应用组合式电磁粒子速度计测量炸药内部的粒子速度，较好地获得了3种加载状态下的粒子速度历程和冲击波轨迹，并分析了Tx钝感炸药的冲击响应情况，以期为认识该TATB基钝感炸药的冲击响应特性提供参考。

1 实 验

1.1 实验原理

(1)

V=LuB

(2)

由式(2)可知，在已知导体长度(L)和磁场强度(B)的情况下，通过测量与炸药中产物一起运动的导体切割磁力线产生的电压(V)，即可得到产物运动的粒子速度up，见式(3)

(3)

1.2 组合式电磁粒子速度计的设计

本研究设计的组合式电磁粒子速度计与Sheffield[5]设计的组合式电磁粒子速度计相似，包含了8个电磁粒子速度计和1个冲击波示踪器，如图1所示。冲击波示踪器为“梳状”，可以监测炸药中冲击波或爆轰波的传播轨迹。电磁粒子速度计采用9μm厚铜箔刻蚀而成，速度计敏感段宽度为0.1mm，长度为5～12mm，相邻速度计敏感段的距离为1mm。速度计两侧为20μm厚的聚酰亚胺绝缘材料。整个速度计的厚度约为50μm。

图1 组合式电磁粒子速度计示意图Fig.1 Schematic diagram of combined electromagnetic particle velocity gauge

1.3 磁场装置

电磁粒子速度计必须工作在均匀、稳定的磁场中。试验所需的磁场由亥姆霍兹线圈或永磁铁提供。当炸药量较大时，一般采用亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈可以根据试验装置进行设计。但为了获得均匀性更好的磁场，应尽量使线圈环的半径和间距相等。在均匀磁场区域，亥姆霍兹线圈产生的磁场可用公式 (4)计算[8]

(4)

1.4 实验方法

采用炸药加载方式研究新型钝感炸药的冲击响应，试验状态示意图如图2所示。

图2 试验状态示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental status

由图2可以看出，试验共有3种状态，分别获得不同的冲击压力。第1种是JO-9159炸药直接加载；第2种是在JO-9159加载炸药和Tx钝感炸药之间放置厚17.5mm的有机玻璃隔板，降低钝感炸药表面的冲击波压力；第3种是JO-9159炸药驱动4mm有机玻璃飞片撞击炸药，进一步降低钝感炸药表面的冲击波压力。钝感炸药密度为1.902g/cm3，炸药样品为69mm×50mm×40mm的长方体，由两块30°楔形块拼合而成。组合式电磁粒子速度计安装在两块楔形样品之间，其中第1个速度计与炸药表面的距离为0.5mm。为了监测钝感炸药表面的加载冲击波，在炸药样品上表面还安装一个电磁粒子速度计。试验用亥姆霍兹线圈的直径为320mm，由Φ2mm的漆包线绕制而成。试验中，亥姆霍兹线圈产生的磁感应强度约为1.5T。

2 结果与讨论

2.1 不同加载状态下的粒子速度

电磁粒子速度计的测试结果如图3所示。

图3 不同加载压力状态Tx钝感炸药的粒子速度曲线Fig.3 Particle velocities of insensitive esplosive Tx under different loading pressures

由图3可以看出，第1种加载状态下，加载压力最高，炸药很快达到爆轰状态，到爆轰距离约为1.5mm，根据相邻粒子速度计之间的距离和爆轰波到达的时间可知炸药的爆速约为7500m/s。第2种状态下，炸药的加载压力相对较低，图3 (b)中第1个信号为单计的测试结果。显然，在增加了隔板之后，炸药的到爆轰距离明显增加，在4mm处炸药仍然没有发生爆轰。由于最后一个计的粒子速度与第1种状态0.5mm处粒子速度比较一致，同时根据第1种状态的到爆轰距离，估计炸药的到爆轰距离约为5mm，与PBX-9502炸药的结果接近[7]。第3种状态下，炸药的加载压力最低，由图3(c)可知，在距离炸药表面2.5mm之前，炸药的粒子速度逐渐降低，表明炸药可能出现了钝化现象。在1.5mm之后，炸药已经开始有一定的反应，但2.5mm之后，粒子速度才开始逐渐增加，随着炸药反应的增强，可能会发生爆轰转变。

2.2 不同加载状态时冲击波的传播

本研究加载冲击波的平面性较差，无法用于准确计算冲击波或爆轰波速度，在第2种状态时也没有观察到爆轰转变位置。第3种状态下冲击波示踪器测试结果和冲击波的时间-位置曲线如图4所示。

图4 第3种状态下冲击波示踪器测试结果和冲击波时间-位置曲线Fig.4 Testing results of shock wave tracker and curves of shock wave under state 3

(5)

对式(5)进行微分，可得式(6)

(6)

由式(6)可知，冲击波的速度先从约4220m/s减小到2143m/s，又逐渐增大到约4660m/s。考虑到冲击波或爆轰波在传播过程中的发散性，估算炸药发生爆轰转变的距离达到20mm以上，与PBX-9502炸药接近[7]。

2.3 加载压力估算

由于Tx钝感炸药为新型钝感炸药，目前尚没有关于该炸药的未反应炸药冲击绝热线关系。但是，根据本试验粒子速度测量结果以及冲击波轨迹分析结果可以估算炸药的冲击波加载压力，见式(7)

p=ρ0usup

(7)

式中：p为加载压力，GPa；ρ0为炸药密度，g/cm3；us为冲击波速度，km/s；up为粒子速度，km/s。

对于试验状态2，表面粒子速度为1490m/s，冲击波速度为5000m/s，可得炸药表面的加载压力为14.2GPa。对于试验状态3，表面粒子速度为1280m/s，冲击波速度为3980m/s，可得炸药表面的加载压力为9.5GPa。 由于试验状态1没有获得炸药表面的粒子速度，无法进行计算。

2.4 炸药的钝化

根据粒子速度的测量结果可知，加载压力为9.5GPa时，炸药发生了钝化现象，粒子速度和冲击波速度都出现了比较明显的下降。分析认为，部分原因可能是由于炸药出现了压实，并产生钝化现象。Mulford等[14]发现在低于10.5GPa下，PBX-9502表现为惰性(几μs以内)，通过双冲击试验发现炸药存在钝化现象。目前，国内外还未见如图3(c)所示的在冲击波作用下炸药内部产生明显的粒子速度下降，然后再逐渐反应增长的报道。因此，在粒子速度增长之前，可能还存在一些未知的影响机制，有待进一步的分析探讨。

3 结 论

(1)应用组合式电磁粒子速度计开展了钝感炸药冲击响应过程研究，获得了不同加载压力情况下炸药的粒子速度曲线。

(2)不同加载压力状态下钝感炸药的冲击响应有明显的差异。在炸药直接加载时，Tx钝感炸药的到爆轰距离约为1.5mm，在加载压力为14.2GPa时，炸药可以发生爆轰转变，到爆轰距离比较长，约为5mm；在加载压力为9.5GPa时，炸药发生了钝化现象，粒子速度先减小后增大，到爆轰距离大于20mm。

(3)由于试验加载冲击波的平面性不高，在计算冲击波速度或爆速方面准确性还不高，特别是无法直接准确地得到炸药的到爆轰距离或到爆轰时间，有待在以后的试验中应用火药炮驱动飞片的加载方式进行改善。

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Experimental Study on the Shock Response of a TATB-based Insensitive Explosive with Electromagnetic Particle Velocity Gauge

LI Jin-he，FU Hua，ZHAO Ji-bo，GONG Yan-qing，SUN Yong-qiang

(National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，CAEP， Mianyang Sichuan 621900，China)

Aiming at a new TATB based insensitive explosive(Tx), the particle velocity history and shock wave trajectory in explosive under three kinds of loading states, including explosive loading directly, increase of organic glass partition and explosive driven flyer, were measured by a combined electromagnetic particle velocity(EMV) gauge testing technology. According to the test results, the impact response process of explosive under different loading pressure was analyzed.The results show that when the explosive is loaded directly, the loading pressure is the highest. Tx insensitive explosive soon reach the state of detonation, the distance to detonation is about 1.5mm. After adding organic glass partition,when the loading pressure is 14.2GPa, the velocity of explosive particles is more consistent with the direct loading, the distance to detonation of Tx insensitive explosive is significantly increased to about 5mm. In the explosive driven flyer, when the loading pressure is 9.5GPa, the particle velocity of Tx explosive is gradually decreased,and exist a certain passivation phenomenon, the distance to detonation is more than 20mm.

explosion mechanics；electromagnetic particle velocity gauge；TATB based insensitive explosive；shock response;the distance to detonation

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.010

2016-08-11；

2016-10-12

中物院科学技术发展基金资助(No.2013B0101001)

李金河(1979-)，男，助理研究员，从事炸药爆轰及安全性研究。E-mail：leejinhe103@163.com

TJ55;O38

A

1007-7812(2016)06-0058-05