不同加载压力下HMX 基含铝炸药的冲击起爆特性❋

赵 娟 冯 博 薛乐星 冯晓军

西安近代化学研究所(陕西西安，710065)

引言

作为武器系统的能量来源，炸药的爆轰可靠性、反应完全性及能量释放特性始终是人们关注的重点问题。这就需要深入了解炸药的冲击起爆特性，掌握起爆机制和爆轰成长规律，从而正确指导爆轰序列的设计及能量输出结构调整，确保炸药的高效安全可靠应用[1-6]。李志鹏等[7]用组合式电磁粒子速度计确定了JOB-9003炸药在两种压力下的冲击转爆轰距离和时间；陈朗等[8]测量了5种温度下飞片起爆PBXC10炸药内部的压力变化，标定了不同温度下的模型参数及POP 关系(加载压力对到爆轰距离的影响)。 温丽晶等[9]进行了3 种加载压力下两种颗粒度PBXC03 炸药的冲击起爆试验，通过数值模拟得到两种不同粒度的POP 关系。 李硕等[10]根据JH-14C 炸药的小隔板试验得到了点火增长模型参数，模拟其冲击起爆试验得到了临界钢隔板厚度。张涛等[11]研究了JBO-9X 炸药在较高冲击压力下的冲击起爆过程及化学反应比例，提出以化学反应比例作为炸药冲击起爆研究中炸药安定性的指标。 白志玲等[12]对比分析了PBXC03 炸药和PBXCl0 炸药爆轰建立过程的压力变化。 李金河等[13]用组合式电磁粒子速度计测量了TATB 基钝感炸药在不同加载状态下的到爆轰距离。 目前，国内已有较多关于炸药到爆轰距离测量或反应速率方程参数标定的研究，但是参数的确定大都依赖于一组试验数据，对拟合所得反应速率方程参数在不同加载压力下的适用性及规律性研究较少。

锰铜压阻传感测压技术及电磁粒子速度计测速技术是研究炸药冲击起爆和爆轰成长过程的有效手段。 锰铜压阻传感器所测量的压力历程更便于进行数值模拟，确定反应速率方程参数。 对于目前广泛采用的含铝炸药，Lee-Tarver 点火增长模型考虑了铝粉与爆轰产物的二次反应，可以更为准确地描述其冲击起爆过程[14]。 反应速率方程的确定需要结合JWL 状态方程，而JWL 状态方程则需要拟合圆筒试验数据得到。

针对一种HMX 基含铝炸药(HMX、Al 与黏结剂的质量比为57∶35∶8)开展了冲击起爆试验，对比了其在两种加载压力下的压力历程，分析其冲击起爆特性；根据两组压力变化数据，确定并验证了点火增长模型反应速率方程参数，计算结果与试验测量结果一致；建立计算模型并分析了加载压力对HMX 基含铝炸药冲击起爆特性的影响，以期为其应用研究提供基础数据及技术参考。

1 试验部分

1.1 圆筒试验

对HMX 基含铝炸药进行50 mm 标准圆筒试验(GJB 8381—2015)，试样的平均密度为1. 865 g/cm3。 试验装置如图1 所示。

1.2 冲击起爆试验

冲击起爆试验装置如图2所示。试验系统由雷管、传爆药、触发探针、主发装药、隔板、锰铜压阻传感器、受试装药、试验支架、脉冲恒流源及示波器等组成。 主发装药为∅40 mm×50 mm 的JH-14 药柱；传爆药为∅20 mm ×20 mm 的JH-14 药柱；隔板为∅40 mm 铝板，厚度可调；受试装药为多个∅40 mm的圆柱形药片叠加而成，每两个药片之间放置一个锰铜压阻传感器。

图1 圆筒试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of cylinder test

图2 冲击起爆试验装置图Fig.2 Diagrams of shock initiation experiment device

2 结果与讨论

2.1 圆筒试验结果

对HMX 基含铝炸药的圆筒试验结果进行处理，拟合时间-膨胀距离变化曲线，结果如图3 所示；得到HMX 基含铝炸药爆轰产物的JWL 状态方程参数如表1 所示。

2.2 冲击起爆过程

对HMX 基含铝炸药进行了两种加载压力下的冲击起爆试验，所用铝隔板厚度分别为27. 85、26.00 mm。 由文献资料[15]得到相同加载条件下冲击波在铝隔板中的衰减规律如图4 所示。 冲击波压力随铝隔板厚度的变化方程为lnp ＝3.550 -0.031x。 由此可知，27.85、26.00 mm 厚铝隔板对应的压力分别为14.68、15.55 GPa。

图5 给出了14.68 GPa 和15.55 GPa 加载压力下测得HMX 基含铝炸药内部不同位置处的波形曲线，经计算得到不同位置处的压力峰值如表2 所示。

从表2 可以看出，对于HMX 基含铝炸药，在不同的加载压力下，其压力峰值都呈现出递增趋势，最后稳定在25 GPa 左右，均达到稳定爆轰。 加载压力为14.68 GPa 时，炸药在15.38 mm 处压力峰值趋于稳定，到爆轰距离为12.04 mm 至15.38 mm 之间。加载压力为15.55 GPa 时，炸药在12.01 mm 处已经达到稳定爆轰，到爆轰距离为10.23 mm 至12.01 mm 之间。 可见，加载压力增大后，爆轰波成长速度增大，炸药的到爆轰距离明显减小。

图3 时间-膨胀距离曲线Fig.3 t-(R-R0) curves

表1 HMX 基含铝炸药爆轰产物的JWL状态方程参数Tab.1 Parameters of JWL equation of state of HMX based aluminized explosive

图4 冲击波压力与铝隔板厚度关系的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of relationship between shock wave pressure and aluminum gap thickness

图5 不同加载压力下测得的波形曲线Fig.5 Waveform curves measured under different initiation pressures

表2 不同位置处的测试压力峰值Tab.2 Tested pressure peak at different locations

3 数值计算

采用非线性有限元计算软件AUTODYN 对HMX 基含铝炸药的冲击起爆过程进行模拟，根据简化的冲击起爆试验装置建立二维轴对称计算模型。HMX 基含铝炸药采用点火增长模型反应速率方程和JWL 状态方程进行描述，主发装药JH-14 采用JWL 状态方程进行描述，参数由文献[10]得到。 铝隔板材料参数取自AUTODYN 程序自带的材料库。

点火增长模型反应速率方程为

式中:λ为反应度；t为时间；ρ为密度；ρ0为初始密度；p为压力；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z均为模型参数。

根据14.68 GPa 加载压力下的测量结果，调整模型参数，使得计算结果与试验结果基本一致，拟合得到HMX 基含铝炸药的点火增长模型反应速率方程参数见表3 所示，计算结果见图6(a)。 为了进一步验证确定的反应速率方程参数的适用性，对加载压力为15.55 GPa 的冲击起爆过程进行了数值模拟，计算结果见图6(b)。 计算压力与试验压力对比如图7 所示。

表3 HMX 基含铝炸药点火增长模型反应速率方程参数Tab.3 Parameters of reaction rate equation for ignition and growth model of HMX based aluminized explosive

图6 不同加载压力下炸药内部压力-时间曲线计算结果Fig.6 Calculated pressure-time curves under two different initiation pressures

图7 压力峰值试验值与计算值对比Fig.7 Comparison between experimental and calculated pressure peak value

通过图7 可以看出，在14.68 GPa 和15.55 GPa的加载压力下，计算压力与试验测量压力均吻合得较好，表明这组参数可以比较准确地描述该HMX基含铝炸药在不同加载压力下的冲击起爆过程。 为了进一步研究HMX 基含铝炸药在不同加载压力下的冲击起爆特性，采用这组参数计算炸药在不同加载压力下前导冲击波阵面压力历程及前导冲击波时程曲线，如图8 和图9 所示。

图8 不同加载压力下前导冲击波阵面压力历程Fig.8 Pressure history of front shock wave under different initiation pressures

图8 可以看出，加载压力为14.68 GPa 时，1.5 μs 前压力增长较为缓慢，1.5 ～2.0 μs 压力迅速增大，在2.5 μs 时炸药达到稳定爆轰，对应的到爆轰距离为13.7 mm；加载压力为15.55 GPa 时，1.2 ～1.8 μs 压力增长迅速，到爆轰时间为1.9 μs，对应的到爆轰距离为10.6 mm。 可见，加载压力增大后，前导冲击波阵面压力增速明显变快，炸药的到爆轰时间变短。

图9可以看出，起爆后前导冲击波的速度不断增大，直至达到稳定，且15.55 GPa 加载压力下前导冲击波速度增长明显比14.68 GPa 时的速度增长快，可知，前导冲击波速度增长随着加载压力的增大而变快。

前导冲击波的压力增长在早期较为缓慢，此时热点数量较少；随后，炸药反应所产生的压缩波推动压力持续增长，直至稳定爆轰。 增大加载压力后，前导冲击波压力增大的同时，冲击波速度增长也变快。这是由于不同加载压力下产生的热点数量和尺寸不同，前导冲击波过后反应程度不同，热点密度影响了压力变化过程。

对图8 中前导冲击波阵面压力增长阶段进行求导处理，得到不同加载压力下前导冲击波阵面压力随时间的变化率，如图10 所示。

图9 不同加载压力下前导冲击波时程曲线Fig.9 Time history curve of front shock wave under different initiation pressures

图10 不同加载压力下前导冲击波阵面压力变化率与时间的关系Fig.10 Relationship between pressure change rate of front shock wave and time under different initiation pressures

通过图10 可以看出，在冲击起爆前期的爆轰成长阶段，不同加载压力下的前导冲击波阵面压力增长速率均在不断增大，同一时刻下15.55 GPa 加载压力下的波阵面压力增长速率始终大于14.68 GPa时的增长速率。 加载压力为14.68 GPa 时，爆轰成长初期波阵面压力仅略有增大，从0.9 μs 后开始迅速增大；而15.55 GPa 加载压力下波阵面压力从0.5 μs 便开始迅速增长。

在冲击载荷作用下，会发生HMX 晶粒的破碎以及晶粒与黏结剂基体材料的脱粘等形式的损伤，冲击波能量沉积在缺陷处形成热点；随着加载压力的增大，冲击波能量增强，炸药内部损伤更为明显；热点数量增加，能量释放加快，波阵面的反应更加迅速，爆轰的建立也相应加快。

4 结论

1)对HMX 基含铝炸药进行了不同加载压力下的冲击起爆试验，测量其不同位置处的压力历程。结果表明，加载压力为14.68 GPa 时，到爆轰距离为12.04 ～15.38 mm；加载压力为15.55 GPa，到爆轰距离为10.23 ～12.01 mm；稳定爆轰后的爆轰压力约为25 GPa。

2)根据圆筒试验确定HMX 基含铝炸药的JWL状态方程参数；结合冲击起爆试验结果，标定并验证了其点火增长模型反应速率方程参数；对两种加载压力下的冲击起爆试验进行了数值模拟，计算结果与试验结果能较好地吻合。 得到14.68 GPa 加载压力下HMX 基含铝炸药的到爆轰时间为2.5 μs，到爆轰距离为13.70 mm；15.55 GPa 加载压力下的到爆轰时间为1.9 μs，到爆轰距离为10.60 mm。

3)通过数值模拟得到不同加载压力下HMX 基含铝炸药冲击起爆特性规律:加载压力增大，前导冲击波速度增长变快，波阵面压力增长变快，炸药的到爆轰时间与到爆轰距离减小，爆轰成长阶段同一时刻下的波阵面压力增长速率也随之增大。