浇注六硝基六氮杂异伍兹烷基混合炸药驱动性能

吴亚琛， 沈忱， 孙晓乐， 焦清介， 刘海伦， 闫石

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 2.重庆红宇精密工业有限责任公司， 重庆 402760)

0 引言

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)是目前已投入应用的能量密度最高的单质炸药[1]，以CL-20为基的混合炸药具有爆速高、爆压高的特点和较强的驱动能力，应用前景极为广泛。

然而，CL-20自身的感度高、安全性较差，并且存在加工性能差、在混合炸药中成型效果不佳的缺点[2]。加入合适的功能助剂有利于改善成型药剂的感度和加工性能，但需要尽量避免混合炸药体系能量密度降低而导致的炸药驱动能力下降。目前国外已开展了多项CL-20混合炸药的应用研究，CL-20已广泛应用于多种压装混合炸药中[3-4]，浇注炸药中研究相对较少。 美国ATK公司研制的一种新型CL-20基浇注固化炸药DLE-C038[5]，其配方为90%CL-20、10%端羟基聚丁二烯(HTPB)和PL1，密度1.82 g/cm3，实测爆速8 730 m/s，爆压33 GPa；其感度良好，具有良好的力学性能和加工性能；美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制的以CL-20为基的注塑炸药RX-49-AE[6]，装药密度1.80 g/cm3，爆速7 880 m/s. 国内已围绕CL-20包覆降感、粒度配级及晶变控制等方面展开了大量工作，为CL-20基混合炸药应用研究奠定了基础。张朴[7]采用HTPB粘合剂研究了两种高能炸药配方；张伟等[8]制备了CL-20/GAP/AP/Al四元组分混合炸药并研究了其能量释放规律；李小东等[9]制备了一种CL-20/FOX-7基PBX炸药并进行了性能测试，结果表明其具有较低的感度和较好的安全性；侯聪花等[10]制备了一种CL-20/TATB粘结炸药，较不含三氨基三硝基苯(TATB)的CL-20/Estane炸药感度有明显降低。国内学者对浇注CL-20基炸药的金属驱动性能研究较少[11]。

本文制备了一种浇注CL-20试样，简称为GWL，按照国家军用标准GJB 772A—97炸药试验方法开展了50 mm圆筒试验，获得了圆筒膨胀速度时程曲线，通过数值模拟得到了GWL炸药试样的JWL状态方程参数，并对比了部分同类型炸药分析了GWL炸药试样的驱动特性，为后续研究提供了参数依据。

1 试验方法和方案

1.1 试验原料

原料：重结晶、球形化ε-CL-20，粒径80～425 μm，辽宁庆阳化学工业公司生产；Al-Zn合金(Zn含量20%)，中位径粒度为13 μm，唐山威豪镁粉有限公司生产；HTPB，分子量3 000，羟值0.78 mmol/g，黎明化工研究设计院有限公司生产；甲苯二异氰酸酯(TDI)，国药集团有限公司生产；PLAH(一种由酯类和烃类组成的复合增塑剂)，自制。

1.2 样品制备

GWL炸药的组成为HTPB粘合剂体系11%，CL-20含量为84%，Al-Zn合金粉体[12]为5%. 同时在相同的工艺条件下设计了无金属粉试样GC，组成为89%的CL-20和11%的粘合剂。两种浇注炸药均采用5 L捏合机工艺制备。所得试样如图1所示。

图1 试样形貌图Fig.1 Sample morphology

1.3 机械感度测试

根据国家军用标准GJB 772A—97炸药试验方法中规定的方法，对GWL炸药试样及GC炸药试样进行了包括撞击感度和摩擦感度的机械感度测试，测试结果如表1所示。

表1 GWL和GC炸药试样机械感度测试

试验结果表明，GWL炸药试样有着较GC炸药试样更低的机械感度，安全性较好。

1.4 爆轰性能测试

根据国家军用标准GJB 772A—97炸药试验方法中规定的方法，测试GWL及GC炸药试样的爆轰性能，结果如表2所示。

表2 GWL和GC炸药试样爆轰性能

1.5 易损性试验

参照国外不敏感弹药有关试验方法，结合《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》对GWL试样进行快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击3项低易损性试验。试验所用弹体尺寸为φ120 mm×300 mm，壳体及端盖壁厚均为3 mm，材质45号钢；每个被测装药进行3发重复性试验；试验样品装药无热防护层。试验条件如下：

1)快速烤燃试验：将弹体架在燃烧槽中，向槽体内先加入水，再加入航空煤油，并利用热电偶记录的温度变化；

2)慢速烤燃试验：设定升温速率为1.0 ℃/min，间隔1 min记录一次温度，直至试验产品发生反应；

3)枪弹撞击试验：使用12.7 mm枪弹撞击装填混合炸药的试验产品，试验产品距枪口的距离为80 m，子弹初速为832 m/s.

1.6 圆筒试验

按照国家军用标准GJB 772A—97炸药试验方法705.3对GWL炸药试样开展了50 mm圆筒试验，试验采用激光测速干涉仪(VISAR)记录筒壁在距起爆端300 mm处的膨胀速度- 时间关系[13]，并在药柱两端贴有测试药柱爆速的电探针。相比于使用传统高速扫描摄影相机记录圆筒筒壁的膨胀距离- 时间关系，使用VISAR不需要再架设相机及拍摄用爆炸光源，简化了圆筒试验所需试验装置，可靠性较高；同时，对VISAR所记录的膨胀速度- 时间关系进行积分，同样可以得到圆筒壁膨胀距离- 时间关系，不需要再对相机拍摄的筒壁膨胀迹线进行判读和拟合，故本试验不再设置高速扫描摄影相机。图2为试验装置现场布置及示意图。

图2 使用VISAR的圆筒试验现场装置布置及装置示意图Fig.2 Schematic diagram and field photo of cylinder test using VISAR device

2 试验结果处理及讨论

2.1 不敏感试验结果

1)快速烤燃试验。试验共进行了3次，试验后试样完全反应，烤燃弹一侧端盖脱落，燃料槽体整体完好，即试样反应等级为V类(燃烧反应)。快速烤燃试验产品试验后产品状态见图3.

图3 快烤试验后试样状态Fig.3 Sample morphology after fast cookoff test

2)慢速烤燃试验。试验后现场检查试验产品发现：试验产品端盖被冲开，产品整体结构完整，无撕裂、变形等现象发生，试样反应等级为V类(燃烧反应)。慢速烤燃试验产品试验后产品状态见图4.

图4 慢烤试验后试样状态Fig.4 Sample morphology after slow cookoff test

3)枪弹撞击试验。试验共进行2发，试验后：试验弹体均被枪弹穿透，试样未发生反应，壳体未破裂，验证板完好，反应等级为VI类(无反应)，反应后试样状态见图5.

图5 弹头撞击试验后试样状态Fig.5 Sample morphology after bullet impaction test

试验结果表明，GWL炸药试样在快速烤燃、慢速烤燃和子弹撞击考核过程中均只发生燃烧反应，表明试样不敏感性能较好。

2.2 圆筒试验结果

对GWL炸药试样进行50 mm标准圆筒试验，得到圆筒壁的膨胀速度- 时间(u-t)关系，并对u-t关系进行数值积分，得到圆筒壁的膨胀距离- 时间((R-R0)-t)关系，如图6所示。图6中，R为t时刻圆筒的半径，R0为初始状态下的圆筒半径。

图6 GWL炸药试样圆筒壁膨胀速度和距离Fig.6 Expansion velocity and distance of cylinder wall driven by GWL

炸药在爆炸后，CL-20分解产生的气态爆轰产物迅速膨胀并驱动圆筒壁加速，该过程极为迅速，可在10 μs左右完成。从图6中可以看出：圆筒开始膨胀的前15 μs内达到了终态速度的70%以上，并且在这之后保持了相当长时间的缓慢加速过程，此时炸药内的Al-Zn粉体开始参与反应并放出大量的热，支持爆轰产物进一步膨胀[14]；起爆后65 μs时圆筒膨胀距离达到41 mm的特征点，圆筒壁开始沿环向破裂，爆轰产物由圆筒壁内逸出，圆筒内气体压力迅速下降，加速过程基本结束。此时，爆轰产物相对比容V=7，圆筒壁膨胀速度达到1 730 m/s.

2.3 JWL状态方程的确定

JWL状态方程是基于标准圆筒试验得到的用于描述爆轰产物状态的物态方程。JWL方程的标准形式为

(1)

式中：p为爆轰产物的压力(Pa);A、B、R1、R2和ω为待定参数；E为炸药比内能(kJ)。

在等熵条件下，JWL状态方程的等熵形式为

pe=AeR1V+BeR2V+CV-(ω+1)，

(2)

式中：C为待定系数。

相比标准形式，等熵形式的JWL状态方程描述了等熵线上的爆轰产物p-V关系，增加了待定系数C.

(3)

(4)

(5)

式中：E0=ρ0Qc，ρ0为炸药初始密度，Qc为炸药爆热。

将一组R1、R2和ω的值代入(3)式～(5)式中，就得到了一组对应的A、B和C的值，即状态方程中只有3个参数是独立的。确定炸药JWL状态方程的方法是：由以上约束关系确定一组参数的值，代入仿真软件对圆筒试验过程进行数值模拟计算，将计算得到的圆筒膨胀过程与圆筒试验结果进行对比，若结果偏移较大则重新取一组R1、R2和ω的值进行计算，直到圆筒膨胀距离- 时间的数值模拟结果与试验结果误差不大于1%为止[16-17]。

应用有限元分析软件Autodyn对圆筒试验过程进行数值模拟计算，建立二维轴对称模型如图7所示。炸药与圆筒均采用Lagrange计算方法，圆筒材料为TU1无氧铜，采用Grǜneisen状态方程及Johnson-Cook强度模型[18]。定义圆筒与炸药间的接触为External Gap类型，在炸药左端中心设置起爆区域，起爆方式为面起爆；在距离起爆端300 mm水平位置上的筒壁处设置观测点1、观测点2.

图7 圆筒试验有限元建模及网格划分Fig.7 Finite element modeling and meshing of cylinder test

经过对炸药JWL状态方程参数的调整得到JWL状态方程参数，其中A=1 226.9 GPa，B=41.3 GPa，R1=5.5，R2=1.8,ω=0.31. 图8、图9为使用JWL状态方程参数计算得到的GWL炸药试样数值模拟结果和试验结果的u-t及(R-R0)-t关系，可见图9中两条(R-R0)-t曲线基本拟合。

图8 圆筒壁膨胀速度对比Fig.8 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion velocities

图9 圆筒壁膨胀距离对比Fig.9 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion displacements

u-t曲线在特征膨胀距离(R-R0=12 mm,25 mm,38 mm,50 mm)上的特征点速度相对误差如表3所示，其最大误差不超过1%.

由表3可知，试验结果与模拟计算结果符合良好，说明得到的浇注CL-20基金属加速炸药的JWL状态方程参数较为准确，可以有效描述圆筒试验过程中爆轰产物的膨胀过程。

表3 特征点速度的试验数据与数值模拟结果对比

2.4 金属粉对炸药驱动圆筒能力的影响分析

通过相同的试验条件得到GC炸药的圆筒试验筒壁膨胀速度时程曲线，其与GWL炸药试样的圆筒试验筒壁膨胀速度时程曲线对比如图10所示。

图10 GWL和GC炸药圆筒试验筒壁膨胀速度时程曲线对比Fig.10 u-t curves of clinder wall driven by GWL and GC

从图10中可以看出，GC炸药曲线在膨胀初期驱动速度略微高于GWL炸药驱动速度，而在低压区GC炸药驱动速度略低于GWL炸药，这符合含铝炸药的能量释放规律：爆轰初期，含铝炸药中的金属粉不参与初期反应，使得炸药能量密度被稀释，驱动能力偏低；而在膨胀后期，金属粉发生二次反应放热，使得爆轰产物内能下降趋势减缓，支持爆轰产物的膨胀过程延长。但总的来说，GC炸药驱动破片能力与GWL炸药非常接近，但其安全性与GWL炸药试样有显著差别，说明GWL炸药试样达到了提高混合炸药安全性，同时达到了其高金属驱动力的要求，证明了GWL混合炸药组分设计的科学性。

2.5 GWL炸药试样驱动性能分析

圆筒试验得到的结果是在特定工况下炸药驱动能力的强弱，具有相对性，为了评估GWL炸药试样驱动特性，需提供比较性的参照。在得到GWL炸药的JWL状态方程参数的基础上，通过数值模拟方法对不同装药下的圆筒试验过程进行计算，从而通过比较得到相对性的结论。选取的炸药及其性能参数见表4，其中，LX-14炸药配方为HMX∶Estane=95.8∶4.2，是美军上一代HMX基炸药，其加工性能好、安全性高，并且有着第二代炸药中较为优秀的驱动能力，爆速与GWL炸药试样相近；C-1炸药配方为CL-20∶粘结剂=95.5∶4.5，是CL-20基压装炸药，是现阶段我国爆轰性能最强的常规炸药之一，其爆轰性能对比如表4所示。

表4 GWL、LX-14和C-1炸药的爆轰性能对比

通过对3种装药的圆筒试验过程进行数值模拟，所用JWL状态方程参数如表5所示。得到GWL炸药与3种装药驱动圆筒的膨胀速度时程关系对比如图11所示。由图11可见，C-1炸药由于密度及爆速较高，驱动性能明显优于其他两种炸药，终态膨胀速度比LX-14炸药高4.8%，比GWL炸药高2.1%. 比较LX-14炸药和GWL炸药的驱动圆筒加速过程发现，起爆后70 μs前LX-14炸药驱动圆筒膨胀速度高于GWL炸药，这主要是因为GWL炸药中的金属粉在爆轰初期不参与反应，反而稀释了爆轰产物能量密度，使得在高压区内GWL炸药驱动能力弱于LX-14炸药；而在70 μs后，铝粉在反应区内的二次反应放热支持GWL炸药爆轰产物进一步驱动圆筒壁，而此时LX-14炸药已基本反应完全，故GWL炸药最终驱动速度比LX-14炸药高2.6%.

表5 GWL、LX-14和C-1炸药的JWL状态方程参数

图11 GWL、LX-14和C-1炸药筒壁膨胀速度对比Fig.11 u-t curves of clinder wall driven by GWL, LX-14 and C-1

对GWL炸药驱动能力进行对比研究可知，GWL炸药在膨胀初期驱动性能略低于LX-14炸药，而由于铝粉的存在，使得其驱动筒壁膨胀最终速度略高于LX-14炸药；GWL炸药驱动效果明显低于C-1炸药，这是因为GWL炸药密度和CL-20含量都远低于C-1炸药，同时GWL还有着更好的安全性。综上所述，GWL炸药是一种在保证良好安全性的前提下，驱动性能较好的CL-20基浇注炸药。

3 结论

1)制备了一种浇注CL-20基金属加速炸药试样GWL，含有84%的CL-20、9%粘合剂体系和5%的Al-Zn合金粉体，其实测密度1.78 g/cm3以上，爆速为8 750 m/s，爆压为33.21 GPa，体积能量密度11.28 kJ/mm3；其药浆流动性较好，较压装CL-20基混合炸药有着更好的加工性能；在快速烤燃、慢速烤燃及子弹撞击不敏感性试验中均无爆炸现象发生，不敏感性良好。

2)采用50 mm标准圆筒试验测试了GWL炸药的驱动性能，并通过数据模拟得到了浇注CL-20基金属加速混合炸药的JWL状态方程参数；对比不含金属粉的GC炸药，GWL炸药驱动性能基本一致，表明添加Al-Zn合金粉对炸药的驱动能力影响较小。

3)通过数值模拟手段对比分析了GWL炸药与两种性能接近的炸药的驱动性能，结果表明GWL炸药驱动金属破片的终态速度比C-1炸药低2.1%，比LX-14炸药高2.6%，具有良好的驱动性能。