JBO-9021炸药初始密度对爆轰波阵面曲率效应的影响

郭刘伟，汪 斌，郑贤旭，张光昇，杨林俊，李 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 621999)

JBO-9021炸药初始密度对爆轰波阵面曲率效应的影响

郭刘伟，汪 斌，郑贤旭，张光昇，杨林俊，李 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 621999)

采用高速扫描相机及电探针，在室温环境下对不同初始密度(1.894 ～1.901g/cm3)、不同半径(5.0、7.5、15.0mm)的钝感炸药JBO-9021药柱开展了曲率效应实验，获取了拟定态爆轰波阵面形状及波速，分析了其随炸药柱密度及半径的变化。结果表明，随着炸药JBO-9021的初始密度由1.894g/cm3增至1.901g/cm3，3种不同半径JBO-9021药柱的爆轰波拟定态波速均增大，拟定态波阵面形状变得更为平坦，波阵面中心点与边界点之间的波到达时间差降低；在小曲率范围内(κ<0.2mm-1)，JBO-9021药柱爆轰波波阵面法向波速Dn与当地曲率κ的关系(Dn(κ)关系)不受药柱半径及密度的影响，当曲率κ> 0.2mm-1时，Dn(k)关系随药柱半径及炸药密度呈现离散趋势，药柱半径及初始密度共同影响爆轰波波阵面大曲率的Dn(κ)关系。

爆炸力学；钝感炸药；JBO-9021炸药；曲率效应；拟定态爆轰波形；拟定态爆轰波速；初始密度；Dn(κ)关系

引 言

炸药初始密度是钝感炸药的一个重要参数，对爆轰波非理想传播行为具有显著影响[1]。通过曲率效应实验获取的拟定态波速及Dn(κ)关系参数是采用爆轰冲击动力学(DSD)[2-3]研究爆轰波非理想传播行为的重要参数，其受钝感炸药初始密度的影响。L.G. Hill等[4-6]对PBX-9502炸药的曲率效应实验进行了分析，指出炸药批次及材料性质对PBX-9502炸药的曲率效应具有明显的影响；还建立了爆轰波Dn(κ)关系及反应区宽度随炸药密度及温度变化的经验公式，结果表明，钝感炸药反应区宽度随炸药密度增大而增大，在小曲率范围内，Dn(κ)关系受炸药密度的影响较小，但随着曲率的增大，不同初始密度炸药的Dn(κ)关系逐渐离散，且高密度炸药的Dn(κ)关系位于低密度之下。O.Bozier[7]在文献[6]的基础上，对初始密度1.67 ～1.86 g/cm3的TATB基钝感炸药开展了曲率效应实验研究，获取了爆轰波拟定态波速及波阵面形状随炸药初始密度的变化规律。结果表明，爆轰波拟定态波速随炸药密度的增大而提高，且在一定的密度范围内基本呈线性关系，反应区宽度随炸药密度的增大呈加速增大的趋势。

炸药生产工艺对爆轰波的非理想传播行为有着重要的影响，国内外钝感炸药的生产工艺均无公开报道，因此，国外钝感炸药的规律性研究无法直接用于国内钝感炸药的性能评估。谭多望等[8-11]对国内生产的JB-9014及JBO-9021钝感炸药的曲率效应进行了实验研究，获取了拟定态爆轰波波阵面形状及波速，拟合了爆轰冲击动力学计算用Dn(κ)关系参数。沈飞等[12]对CL-20基含铝炸药开展了曲率效应实验研究，获取了爆轰波阵面形状及拟定态波速，分析了CL-20基含铝炸药爆轰波阵面法向速度与曲率的关系，并与RDX基炸药结果进行了对比。但目前国内有关炸药初始密度对钝感炸药爆轰波曲率效应影响的研究较少。

本实验采用高速扫描照相技术及电探针阵列测速技术，在室温环境下对JBO-9021钝感炸药柱爆轰波波阵面曲率效应受炸药初始密度的影响进行了研究。

1 实 验

曲率效应实验装置由雷管、传爆药(质量分数96%RDX)、主炸药(JBO-9021)、电探针阵列及光学扫描窗口等组成(见图1)。雷管起爆后引爆传爆药柱，传爆药柱将起爆能量放大传递并可靠引爆主药柱，爆轰波在主药柱中传播足够远距离后(大于6倍药柱直径)，呈现拟定态传播状态，在主药柱末端一定长度上双侧对称布置球头弹簧电探针阵列(相邻电探针间隔8mm)以测量爆轰波到达各位置的时间。实验中共布置30路电探针，其中1#～15#电探针位于炸药一侧，16#～30#电探针位于炸药另一侧。爆轰波到达主药柱末端端面时，采用高速扫描相机通过光学窗口记录爆轰波波形。

曲率效应实验布局示意图见图2。将实验件置于室温下，实验时，高压氙灯照射主药柱末端面，反射光线经透镜、反光镜进入高速扫描相机。爆轰波到达炸药端面时，端面反射光线强度发生变化，相机底片根据感光程度记录爆轰波出药柱端面的时间序列。高速扫描相机的扫描速度为12mm/μs。共开展6发曲率效应实验，被测主药柱的参数见表1。

样品序号R/mmρ/(g·cm-3)15.01.90125.01.89437.51.90047.51.896515.01.900615.01.898

2 结果与讨论

2.1 拟定态波速

采用最小二乘法，将双侧电探针阵列测到的爆轰波到达时间及各电探针间距进行处理以获取该侧爆轰波的平均波速，双侧测量结果的平均值作为该发实验中炸药的拟定态爆轰波波速(ú)，结果如图3所示。

由图3可看出，JBO-9021炸药拟定态爆轰波波速随药柱半径的增大而增大。3种半径炸药的拟定态爆轰波波速随炸药初始密度的增大均有所提高。

2.2 拟定态波阵面形状

采用高速扫描相机获取的典型爆轰波波阵面形状如图4所示。

由图4可看出，爆轰波波阵面界面清晰，全波形记录完整，在一定程度上波阵面对称性良好。

不同初始密度、3种半径JBO-9021药柱的拟定态爆轰波波阵面形状对比见图6。

由图6可看出，随着药柱半径增大，爆轰波拟定态波阵面形状更为平坦，波阵面中心点与边界点之间的时间差变大。在此次实验范围内，随着炸药初始密度的增大，相同半径JBO-9021药柱拟定态爆轰波波阵面形状变得更为平坦，波阵面中心点与边界点之间的时间差变得更小。分析其原因可能为：炸药初始密度增大，爆轰波反应区宽度增大，炸药边界稀疏波更易在较大范围的反应区内产生影响，反应区在药柱半径路线上受稀疏波影响的差异性减小，故在爆轰波发展至稳定的过程中，药柱边界与中心点的速度差减小，波阵面形状更为平坦。此规律与郭刘伟[13]开展的高温环境下JB-9014钝感炸药药柱爆轰波波阵面曲率效应的实验结果相一致(高温环境下，钝感炸药的密度降低，爆轰波波阵面形状更为陡峭[13])。

2.3 Dn(κ)关系

Dn(κ)关系是采用DSD模型对爆轰波传播过程进行计算的关键参数之一，目前只能通过实验标定获得。对实验中测量的爆轰波拟定态波速D0及波阵面形状z(r)按照公式(1)～(2)[4]进行计算，获取各实验状态的爆轰波波阵面Dn(κ)关系如图7所示。

(1)

(2)

由图7可看出，JBO-9021药柱爆轰波波阵面Dn(κ)曲线在小曲率时(κ<0.2mm-1)受药柱半径及初始密度的影响不大，各实验状态的Dn(κ)曲线一致性较好。随着当地曲率的增大，Dn(κ)曲线随药柱半径及初始密度发生离散。此实验中，对于半径5.0mm及7.5mm的JBO-9021药柱，低密度炸药爆轰波波阵面Dn(κ)曲线在小曲率时位于高密度结果之下，随着曲率的增大而交叉翻转，超过一定曲率后，低密度Dn(κ)曲线位于高密度结果之上。对于半径15.0mm的JBO-9021药柱，低密度炸药爆轰波波阵面Dn(κ)曲线始终位于高密度结果之下。

3 结 论

(1)对不同初始密度、半径分别为5.0、7.5及15.0mm的JBO-9021药柱在常温环境下的曲率效应开展了实验研究，获取了JBO-9021药柱的拟定态爆轰波波速及波阵面形状。在目前的实验范围内，随着炸药密度的增大，3种半径JBO-9021药柱的拟定态爆轰波波速增大，拟定态波阵面形状变得更为平坦，波阵面中心点与边界点之间的时间差降低。

(2)在小曲率范围内(κ<0.2)，JBO-9021药柱爆轰波波阵面的Dn(κ)曲线受药柱半径及初始密度的影响不大，各实验状态的Dn(κ)曲线一致性较好，但随着当地曲率的增大，Dn(κ)关系随药柱半径及炸药密度呈现离散趋势，药柱半径及初始密度共同影响JBO-9021药柱爆轰波波阵面大曲率的Dn(κ)关系。

[1] 孙承纬，卫玉章，周之奎. 应用爆轰物理[M]. 北京：国防工业出版社，2000:479-506.

[2] Bdzil J B, Stewart D S. The dynamics of detonation in explosive system DSD [J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2007, 39:263-292.

[3] Bdzil J B, Stewart D S. Modeling two-dimensional detonation with detonation shock dynamics [J]. Physics of Fluids A, 1989, 1(7):1261-1267.

[4] Hill L G, Bdzil J B, Aslam T D. Front curvature rate stick measurements and detonation shock dynamics calibration for PBX 9502 over a wide temperature range[C]∥Proceedings of 11th International Detonation Symposium. Colorado: Office of Naval Research, 1998:1029-1037.

[5] Hill L G, Aslam T D. PBX 9502 front curvature rate stick data: repeatability and the effects of temperature and material variation [C]∥Proceedings of 13th International Detonation Symposium. Virginia: Office of Naval Research, 2006:311-341.

[6] Hill L G, Aslam T D. Detonation shock dynamics calibration for PBX 9502 with temperature, density, and material lot variations[C]∥Proceedings of 14th International Detonation Symposium. Idaho: Office of Naval Research,2010:779-788.

[7] Bozier O, Desbiens N, Dubios V, et al. Detonation velocity of a TATB-based high-explosive as a function of density, temperature and curvature [C]∥Proceedings of 15th International Detonation Symposium. California: Office of Naval Research, 2014:477-484.

[8] 谭多望，方青. 常温下钝感炸药爆轰波传播的曲率效应研究[J].含能材料，2005，13(1)：13-16.

TAN Duo-wang, FANG Qing. Curvature effect for insensitive explosive at normal atmospheric temperature [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2005, 13(1):13-16.

[9] 谭多望，方青，张光升，等. 常温下JB-9014钝感炸药DSD参数研究[J].高压物理学报，2009，23(3)：161-166.

TAN Duo-wang, FANG Qing, ZHANG Guang-sheng, et al. Detonation shock dynamics calibration of JB-9014 explosive at ambient temperature [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009, 23(3):161-166.

[10] 邹立勇，谭多望，文尚刚，等. 低温下小尺度钝感炸药非理想爆轰实验研究[J]. 爆炸与冲击，2007, 27(4)：325-330.

ZOU Li-yong, TAN Duo-wang, WEN Shang-gang, etc. Experimental study on the nonideal detonation for JB-9014 rate sticks at -30℃[J]. Explosion and Shock Waves, 2007, 27(4):325-330.

[11] 汪斌，谭多望，赵继波，等. 常温下JBO-9021高温钝感炸药半径效应实验[J]. 爆炸与冲击，2012,32(5)：490-494.

WANG Bin, TAN Duo-wang, ZHAO Ji-bo, et al. Diameter effect of JBO-9021 rate sticks at room temperature [J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(5):490-494.

[12] 沈飞，王辉，袁建飞，等. CL-20基含铝炸药爆轰波阵面法向速度与曲率的关系[J]. 火炸药学报，2015,38(1)：8-11.

SHEN Fei, WANG Hui, YUAN Jian-fei, et al. Relationship between normal velocity and curvature of detonation wave front for CL-20-based aluminized explosive [J]. Chinese Journal of Explosives Propellants, 2015, 38(1):8-11.

[13] 郭刘伟，刘宇思，汪斌，等. 高温下TATB基钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应实验研究[J]. 含能材料, 2017, 25(2)：138-143.

GUO Liu-wei, LIU Yu-si, WANG Bin, et al. Front curvature rate stick experiment of TATB based insensitive high explosives at high temperature [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2017, 25(2):138-143.

EffectofInitialDensityontheCurvatureEffectofDetonationFrontforJBO-9021Explosive

GUO Liu-wei，WANG Bin，ZHENG Xian-xu，ZHANG Guang-sheng, YANG Lin-jun，LI Qiang

(National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621999, China )

The curvature effect experiments were carried out for the insensitive JBO-9021 explosive grain with different radius (5.0,7.5 and 15mm) and different initial densities (1.894g/cm3-1.901g/cm3) at ambient temperature by using the high-speed streak camera and electric probes, and the steady-state detonation front shape and wave velocity were obtained and the change with density and radius of explosive grain was analyzed. Results show that, with increasing the initial density of JBO-9021 explosive from 1.894g/cm3to 1.901g/cm3, the steady-state wave velocities of detonation wave for three kinds of JBO-9021 explosive grains with different radius increase, the steady-state front shape becomes flatter and the difference of the wave arriving time between the center point and edge point of front becomes smaller. In the range of small curvature (κ<0.2mm-1), the relationship between the normal wave velocityDnand the local curvature, (Dn(κ)),for detonation wave front of JBO-9021 explosive is not affected by the radius and density of the explosive grain. For larger curvature ofκ>0.2mm-1, theDn(κ) relationship reveals a discrete trend with the radius and density of the explosive grain. The initial density and radius of JBO-9021 explosive grain affect theDn(κ) relationship of great curvature for detonation wave front of explosive together.

explosion mechanics; insensitive explosive; JBO-9021 explosive; curvature effect; steady-state detonation front wave shape；steady-state detonation wave velocity; initial density;Dn(κ) relationship

TJ55；O358

A

1007-7812(2017)05-0051-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.009

2017-04-18；

2017-06-22

郭刘伟(1983-)，男，副研究员，从事爆轰物理研究。E-mail: guoliuwei1@163.com