装药密度小幅变化对三氨基三硝基苯基聚合物粘结炸药短脉冲冲击起爆特性的影响

谭凯元， 韩勇， 曹落霞， 文尚刚， 王翔， 叶辉

(1.中国工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 绵阳 621999； 2.北京理工大学 机电学院， 北京 100081)

0　引言

炸药在不同刺激作用下会表现出不同的特性响应。冲击波作为一种常用的刺激方式，研究炸药在冲击加载刺激下的响应起爆特性，不论从安全性、可靠性方面还是从爆轰装药方面都具有重要意义。电炮是一种利用金属桥箔电爆炸产生等离子体来驱动绝缘薄膜飞片高速运动的冲击加载装置。利用电炮驱动高速飞片以冲击波形式撞击炸药的试验，是一种较常用的炸药短脉冲冲击起爆试验方法。

研究炸药的短脉冲冲击起爆特性涉及到冲击起爆判据问题。早在二十世纪六七十年代Walker等[1-2]就提出了利用“p2τ=n”(其中p为飞片撞击产生的冲击压力，τ为飞片厚度决定的冲击波持续时间，n为常数)的经验性能量判据来预测炸药一维短脉冲作用下的冲击起爆阈值；此后James[3]对该判据进行了改进。类似的经验判据在工程上取得了较广泛的应用，Schwarz[4]采用电爆炸驱动Kapton飞片来撞击炸药，研究了7种炸药的短脉冲冲击起爆特性，并对它们的冲击波感度(飞片感度)进行了排序。Weingart 等[5]利用上述方法研究了不同密度的太安(PETN)(密度1.25～1.77 g/cm3)、三氨基三硝基苯(TATB)(密度1.80 g/cm3)和聚合物粘结炸药(PBX)-9404(密度1.84 g/cm3)等炸药的飞片冲击起爆特性。Bowden[6]研究了不同粒径的起爆药PETN和六硝基茋(HNS)对其短脉冲冲击起爆特性的影响。在国内，只永发等[7]研究了不同造粒尺寸的TATB和B炸药混合炸药的短脉冲冲击起爆特性，发现小颗粒造粒样品有更低的起爆阈值。王桂吉等[8]利用电炮研究了以TATB/奥克托今(HMX)为基的PBX炸药短脉冲冲击起爆特性，并利用光纤探针/光电转换器/示波器接收技术研究了冲击起爆压力幅值和脉宽对该炸药到爆轰距离的影响，得到了相应的冲击起爆压力和到爆轰距离(Pop)关系。莫建军等[9-10]研究和比较了以常规粒径TATB为基的PBX炸药和以纳米TATB为基的PBX炸药的短脉冲冲击起爆阈值。这些研究都表明炸药的短脉冲冲击起爆特性不仅与炸药的种类有关，而且与炸药的密度、粒径等微细观结构有关。

炸药密度在其正常值附近有小幅差异的现象在实际应用中十分常见，这种密度的小幅差异对炸药冲击起爆特性的影响一直未得到充分关注，因此开展这方面研究将具有较强的现实意义。本文拟利用电炮驱动飞片加载方式研究一种TATB基PBX炸药的短脉冲冲击起爆特性，并重点研究炸药密度的小幅变化对其冲击起爆特性的影响程度和规律。

1　实验装置和原理

实验装置包括利用爆炸桥箔加载技术(电炮)测量样品短脉冲冲击起爆阈值电压的装置和利用电炮并结合激光干涉测速仪(DISAR)测量阈值电压下飞片速度的装置两部分，分别如图1和图2所示。其中前者主要由程控充电电源、电容器、爆炸开关、爆炸桥箔、聚酯薄膜飞片、加速腔、TATB基PBX炸药样品和见证板组成。后者与前者的主要区别是将样品和见证板替换为光纤探头和激光干涉测速系统。由于聚酯薄膜飞片是半透明高分子材料，为了增加激光干涉测速时信号的反射，在聚酯薄膜上表面镀了一层1 μm厚的铝薄膜用于增强测试信号，以获得良好的速度曲线。

实验的主要过程和基本原理如下：用程控充电电源将电容器充电到预设电压后，触发爆炸开关接通回路，电容器开始放电，瞬间的大电流通过爆炸桥箔桥区使之发生电爆炸，爆炸产物推动聚酯薄膜并由加速腔边缘剪切出飞片，飞片在加速腔内加速后以高速撞击被试炸药，在被试炸药内产生一个高压短脉冲对其进行刺激。利用炸药背面的金属见证板判断其是否起爆。若炸药发生稳定爆轰应同时符合下列情况：1)金属见证板上有明显的向下冲印记，留下的凹痕直径尺寸要大于样品直径尺寸，或金属见证板穿孔，留下的孔洞直径较大；2)金属见证板表面没有炸药粉末的痕迹。通过兰利法[11]获得不同轮次实验所需的电容器电压，当实验响应满足爆炸与不爆炸之间的转换次数至少达到5次时，即可停止对当前被测样品的实验，然后按照最大似然估计算法求出被测样品50%起爆的阈值电压[12]。阈值电压下的飞片速度通过DISAR进行测量。

2　实验条件

利用第1节的实验装置和原理，对不同密度的某TATB基PBX炸药开展短脉冲冲击起爆特性研究。在其正常密度附近用等静压方法以1.885 g/cm3、1.895 g/cm3和1.905 g/cm3共3种密度作为目标密度来压制较大的毛坯件(不同密度样品的粒径保持一致)，然后将毛坯机械加工成小药柱，并从中挑选出密度相隔0.010 g/cm3且千分位保持一致的3种密度样品进行实验，研究密度的小幅变化对炸药起爆阈值的影响程度和规律。相应的实验条件如表1所示。

表1　电炮研究炸药短脉冲冲击起爆特性实验条件Tab.1　Test conditions of short-duration shock initiation of samples on electric gun

为了保证实验结果的一致性，对实验条件严格控制如下：1)按照统一的精度要求对加速腔进行精密机械加工；2)采用同一批次的爆炸桥箔和聚酯薄膜，并保证密度和规格的一致性；3)实验室的环境温度和湿度保持稳定。

3　结果与分析

3.1　炸药短脉冲冲击起爆实验结果与分析

表2列出了1.885 g/cm3、1.895 g/cm3和1.905 g/cm3共3种密度的TATB基PBX炸药短脉冲起爆实验结果。

表2　不同密度TATB基PBX炸药短脉冲起爆实验结果Tab.2　Results of short-duration shock initiation tests

注：刺激量下限Vl为被测炸药完全不爆炸时的充电电压；刺激量上限Vu为被测炸药完全爆炸时的充电电压； Y表示发生爆炸反应；N表示未发生爆炸反应。

从表2的数据可知，随着TATB基PBX炸药密度从1.885 g/cm3增高到1.905 g/cm3，其短脉冲冲击起爆50%起爆阈值电压相应从(12.72±0.03)kV逐渐增高到(15.14±0.11)kV，说明初始密度的小幅变化对TATB基PBX炸药的短脉冲冲击起爆特性影响较为明显。

3.2　飞片测速实验结果与分析

采用DISAR分别对低、中、高3种密度样品在各自50%概率起爆阈值电压下的飞片速度历程进行测试，结果分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)的左图所示，右图则为对应的位移- 时间曲线。

从图3可以看出，DISAR较好地测得了飞片在加速腔内的整个加速过程。随着TATB基PBX炸药密度的升高，50%起爆阈值电压增大，飞片的速度- 时间曲线随之越陡，5 mm位移处(即飞片飞行经过加速腔长度5 mm后开始撞击炸药)的飞片速度也随之升高，即密度越高的炸药要受到更高速度飞片的撞击才能达到50%概率起爆状态，同时从图3中还可以发现，飞片飞行5 mm后已基本接近最大速度。

3.3　撞击阈值压力和脉宽的计算

根据撞击界面压力和质点速度连续的条件以及流体力学基本关系，有：

vf-uf=ut,

(1)

pi=pf=pt,

(2)

pi=ρDu,

(3)

D=C0+λu,

(4)

式中：vf为飞片的撞击速度(km/s)；uf和ut分别为飞片撞击样品时界面处飞片和靶(即样品)的质点速度(km/s);pi为撞击时界面压力(GPa)，pf和pt分别为撞击界面处飞片和样品的压力(GPa)；ρ为界面处介质密度(g/cm3)；D为界面处冲击波速度(km/s)；u为界面处质点速度(km/s)；C0和λ为与介质相关的冲击绝热关系常数。由(1)式～(4)式得到：

pt=ρt(C0t+λtut)ut,

(5)

pf=ρf(C0f+λtuf)uf,

(6)

ρt(C0t+λtut)ut=

ρf[C0f+λf(vf-ut)](vf-ut)，

(7)

式中：ρt为样品密度(g/cm3)；C0t和λt为样品的冲击绝热关系常数；ρf为飞片密度(g/cm3)；C0f和λf为飞片的冲击绝热关系常数。因此，给出阈值电压下的飞片撞击速度vf即可根据(7)式求出样品的质点速度ut，进而由(5)式求解出样品的撞击压力pt，该值也即起爆阈值压力p. 需要指出的是，本文在测量飞片速度时，为增加激光干涉测速时信号的反射，在0.2 mm(200 μm)厚飞片上表面镀了一层1 μm厚的铝薄膜，该铝膜对飞片速度的相对影响在0.5%左右，可以忽略其对压力计算的影响。

本文中，飞片材料聚酯薄膜的冲击绝热关系为D=2.43+1.58u，1.895 g/cm3TATB基PBX炸药的冲击绝热关系为D=1.43+3.10u，1.885 g/cm3和1.905 g/cm3TATB基PBX炸药的冲击绝热关系可基于1.895 g/cm3TATB基PBX炸药的冲击绝热关系，按照文献[13]中的方法分别计算得到：D=1.39+3.08u和D=1.46+3.12u.

样品中的压力脉冲宽度近似等于冲击波在飞片中传播一个来回的时间，即

τ=2H/Df,

(8)

式中：τ为压力脉宽(μs)；H为飞片厚度(mm)；Df为冲击波在飞片中的传播速度(km/s)，可认为其等于界面处冲击波速度D.

利用以上计算方法，结合前面的DISAR测飞片速度的实验数据，计算得到不同密度TATB基PBX炸药短脉冲冲击起爆50%起爆概率时飞片撞击阈值压力和持续时间，具体如表3所示。

表3　短脉冲冲击作用下不同密度TATB基PBX炸药的实验数据Tab.3　Short-duration shock initiation threshold data of TATB-based PBX samples with different densities

表3中数据表明，随着TATB基PBX炸药密度的增高，起爆阈值电压增高，飞片撞击速度增大，起爆阈值压力增高，如果将飞片冲击起爆看成理想的一维撞击状态，则起爆的能量阈值p2τ也增大。即密度越高，TATB基PBX炸药对短脉冲冲击越钝感。这是因为密度升高使得样品的孔隙率变小，内部热点含量降低，从而更难起爆。

同时，从表3中数据还可以看出，在其他初始条件保持一致的情况下，样品密度从1.885 g/cm3增高到1.905 g/cm3时，其起爆能量阈值p2τ相应从5.38 GPa2·μs增加到8.20 GPa2·μs，说明TATB基PBX炸药密度在正常值百分位上的小幅变化((1.895±0.010) g/cm3)会对其短脉冲冲击起爆特性产生较大影响。因此，在实际应用中保持炸药密度的一致性十分必要。

本文只考虑了一种厚度飞片撞击的结果，后续工作中将进一步考察更薄和更厚的飞片撞击下(即在更短和更长脉冲作用下)TATB基PBX炸药密度的小幅变化对其冲击起爆特性的影响。

4　结论

本文采用爆炸桥箔加载技术(电炮)产生的短脉冲对某TATB基PBX炸药进行加载，结合激光干涉测速技术，研究了炸药密度在其正常值附近小幅变动对该炸药短脉冲冲击起爆的影响程度和规律。结果表明，在其他条件保持不变的情况下，炸药密度在其正常值附近小幅变动(±0.01 g/cm3)使得其冲击起爆阈值发生了明显变化。炸药密度越高，使之达到50%概率起爆状态所需的电炮电容器电压增大，飞片速度变高，起爆阈值压力增大，临界能量特征值p2τ也增大，即TATB基PBX炸药对短脉冲冲击越钝感。这种结果表明TATB基PBX炸药密度的小幅变化会对其短脉冲冲击起爆结果造成不可忽略的影响，因此，在实际应用中有必要将炸药密度的一致性至少保持到百分位。

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