張 濤,谷 巖,趙繼波,賀紅亮,劉高旻,伍 星
(1. 中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽621900; 2. 中國工程物理研究院
總體工程研究所,四川綿陽621900)
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新型高能鈍感炸藥JBO-9X在較高沖擊壓力下沖擊起爆過程的實(shí)驗(yàn)研究
張濤1,谷巖1,趙繼波1,賀紅亮1,劉高旻1,伍星2
(1. 中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽621900; 2. 中國工程物理研究院
總體工程研究所,四川綿陽621900)
摘要:采用高速掃描相機(jī)和楔形炸藥構(gòu)型,對新型高能鈍感炸藥JBO-9X的沖擊起爆過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;采用LS-DYNA軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明,在6.9GPa的入射沖擊壓力下,JBO-9X炸藥的沖擊轉(zhuǎn)爆轟時(shí)間為1.5μs,沖擊到爆轟的距離為7.9mm;當(dāng)沖擊波剛進(jìn)入炸藥時(shí),炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的比例(λ)為0.2,隨著沖擊波進(jìn)入炸藥的距離增加,受試炸藥中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的比例逐步增加。在實(shí)驗(yàn)條件下,入射沖擊波壓力為6.85GPa時(shí),JBO-9X炸藥的沖擊到爆轟距離為8.0mm?;瘜W(xué)反應(yīng)比例隨沖擊波進(jìn)入炸藥距離的增長曲線與實(shí)驗(yàn)基本相同。
關(guān)鍵詞:爆炸力學(xué);JBO-9X;高能鈍感炸藥;沖擊起爆;高速掃描相機(jī);沖擊波;LS-DYNA軟件
引言
鈍感高能炸藥在較高沖擊壓力下的沖擊起爆性能和表征方法已成為反導(dǎo)戰(zhàn)斗部破片和炸藥安定性研究的重要內(nèi)容,研究炸藥的沖擊起爆過程對深入了解炸藥的起爆機(jī)理及提高化爆安全性有非常重要的意義。三氨基三硝基苯(TATB)是常用的高能鈍感炸藥,研究TATB及以TATB為基炸藥的爆轟性能,特別是沖擊起爆性能受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1-4]。R. L. Gustavsen等[5]利用組合式電磁粒子速度計(jì)對不同初始沖擊壓力下的TATB基炸藥LX-17和PBX9502的波后粒子速度和沖擊波/爆轟波速度剖面進(jìn)行了測量,得到表征兩種炸藥沖擊起爆性能的壓力-沖擊到爆轟距離的關(guān)系,并采用三項(xiàng)式點(diǎn)火增長模型對兩種炸藥的化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Viviane Bouyer等[6]采用化爆和激光干涉測速技術(shù)研究了TATB基炸藥T2和TATB-HMX混合基炸藥TX1與LiF窗口的界面粒子速度剖面,從而根據(jù)爆轟波波后粒子速度剖面研究了兩種炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)。夏先貴等[7]采用一級輕氣炮作為加載手段,采用錳銅計(jì)對TATB基炸藥JB-9014與碰撞界面的壓力剖面進(jìn)行了測量,利用瑞利線和產(chǎn)物的雨貢紐曲線相切的辦法,確定了JB-9014炸藥的SDDT曲線和不同壓力下的沖擊起爆閾值。Kevin S Vandersall等[8]研究了TATB基炸藥RX-03-GO在7~11GPa沖擊壓力下的沖擊到爆轟距離,通過數(shù)值模擬對其化學(xué)反應(yīng)率方程的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。
國內(nèi)外在鈍感炸藥沖擊起爆方面的研究還局限于化學(xué)反應(yīng)率模型及不同初始沖擊段壓力-沖擊到爆轟距離的研究,對于鈍感炸藥在沖擊作用下的化學(xué)安定性和表征方法的研究較少。
本研究以一種以TATB為主裝藥的新型高能鈍感炸藥JBO-9X為對象,采用高速掃描相機(jī)對JBO-9X炸藥在較高入射壓力下的沖擊起爆行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。獲得了入射沖擊壓力為6.9 GPa時(shí)JBO-9X炸藥中的化學(xué)反應(yīng)比例隨沖擊波位置的關(guān)系,通過數(shù)值模擬對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,提出以化學(xué)反應(yīng)比例作為沖擊作用下炸藥安定性的表征指標(biāo),為研究炸藥在沖擊作用下的安定性提供參考。
1實(shí)驗(yàn)
1.1樣品
平面波透鏡的主裝藥為RHT-901,主要成分為RDX/TNT(質(zhì)量比為60∶40);傳爆藥JO-9159以HMX為基, HMX與黏結(jié)劑的質(zhì)量比為95∶5;主裝藥和受試炸藥JBO-9X以TATB為基,含有少量高品質(zhì)HMX;鎢合金為鎢鎳鐵合金。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法
實(shí)驗(yàn)裝置及測試系統(tǒng)如圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置由雷管、平面波透鏡、傳爆藥、主裝藥、金屬衰減層、楔形受試炸藥和觀察窗口組成。測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制程序、相機(jī)控制單元、電磁快門控制器及高速掃描相機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)裝置各部分具體參數(shù)如表1所示。
高速掃描相機(jī)轉(zhuǎn)速為1.2×105r /min,掃描速度為6mm/μs,時(shí)間分辨率為8.3ns,狹縫寬度設(shè)置為0.05mm,總記錄時(shí)間為12μs。
實(shí)驗(yàn)過程中,相機(jī)控制單元向高壓脈沖發(fā)生器輸出起爆信號,起爆26號雷管,同時(shí)向電磁快門控制器輸出一路啟動(dòng)信號,并向高速掃描相機(jī)輸出轉(zhuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)信號啟動(dòng)相機(jī)。26號雷管起爆平面波透鏡產(chǎn)生平面沖擊波,平面沖擊波起爆傳爆藥并起爆JBO-9X主裝藥,主裝藥與鎢合金衰減層緊密接觸,通過衰減后,沖擊波進(jìn)入JBO-9X楔形受試炸藥,楔形受試炸藥與觀察窗口之間的預(yù)留空氣隙在沖擊波/爆轟波作用下發(fā)光,高速掃描相機(jī)記錄沖擊波/爆轟波傳播距離與傳播時(shí)間的跡線,通過跡線分析可以得到?jīng)_擊轉(zhuǎn)爆轟時(shí)間、沖擊起爆沖擊段沖擊波和穩(wěn)定爆轟段爆轟波的傳播速度等信息。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch of experiment set and measuring system
部件材料尺寸/mm密度/(g·mm-3)平面波透鏡RHT-901Φ100傳爆藥JO-9159Φ100×101.840主炸藥JBO-9XΦ100×301.905鎢合金W-Ni-Fe合金Φ100×6.0819.20受試炸藥JBO-9X30°×35×501.905
2結(jié)果及分析
2.1沖擊波進(jìn)入受試炸藥的運(yùn)動(dòng)特性
高速掃描相機(jī)的測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,當(dāng)入射沖擊波進(jìn)入受試楔形炸藥后,空氣隙開始發(fā)光,跡線線寬較窄,經(jīng)過一段較為明顯的加速段(圖中跡線顏色較淺,寬度較窄),沖擊波轉(zhuǎn)化為爆轟波,因?yàn)橛斜Z產(chǎn)物持續(xù)發(fā)光,所以跡線加粗,爆轟段的跡線斜率保持不變,即爆轟波傳播速度保持恒定。對圖2所示的測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化分析可以得到?jīng)_擊段的平均波速(Ds)為5.810mm/μs,爆轟段爆轟波的速度(Dd)為8.019mm/μs。沖擊轉(zhuǎn)爆轟的時(shí)間為1.5μs,從沖擊波進(jìn)入受試楔形炸藥到炸藥爆轟,沖擊波在傳播方向運(yùn)動(dòng)的距離為7.9mm。
圖2 高速掃描相機(jī)測試結(jié)果Fig.2 Test result of high speed scanning camera
2.2沖擊波進(jìn)入受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)比例分析
將高速掃描相機(jī)得到的沖擊波/爆轟波傳播距離隨時(shí)間的變化曲線對時(shí)間進(jìn)行微分,得到?jīng)_擊波/爆轟波速度隨時(shí)間的變化曲線,如圖3所示。
圖3 受試炸藥中沖擊波/爆轟波波速與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3 The velocity-time curve of shock/detonationwave in the tested explosive
從圖3可以看出,進(jìn)入楔形炸藥的沖擊波波速為4.15mm/μs,隨著時(shí)間的增加,沖擊波傳播速度不斷增加,是由于沖擊波在楔形炸藥中的傳播過程中,會(huì)有部分受試炸藥發(fā)生化學(xué)分解釋放能量,從而使沖擊波強(qiáng)度增大,速度加快,沖擊波強(qiáng)度增加又會(huì)造成受試炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的比例進(jìn)一步增多,從而在0~1.5μs出現(xiàn)沖擊波加速段,直至1.5μs時(shí)受試炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟。
當(dāng)進(jìn)入受試炸藥的沖擊波波速(Ds)為4.15mm/μs時(shí),根據(jù)受試炸藥的未反應(yīng)炸藥雨貢紐曲線(見式(1))、初始密度及沖擊波動(dòng)量守恒定理(式(2)),計(jì)算得到入射沖擊壓力為6.9GPa。
Ds=1.43+3.10Us
(1)
(2)
式中:Ds為進(jìn)入受試炸藥的沖擊波波速,mm/μs;Us為沖擊波波后粒子速度,mm/μs;p為進(jìn)入受試炸藥的沖擊波壓力,GPa;ρ0為受試炸藥的初始密度,g/cm3。
化學(xué)反應(yīng)比例(λ)定義為:炸藥在沖擊過程中釋放能量與穩(wěn)定爆轟時(shí)釋放能量的比值。當(dāng)沖擊波進(jìn)入受試炸藥后,受試炸藥發(fā)生化學(xué)分解釋放能量,其與波后粒子速度(Us)所含動(dòng)能的關(guān)系如式(3)所示[9],將沖擊過程中炸藥釋放的能量(Qs)和穩(wěn)定爆轟時(shí)炸藥釋放的能量(QD)分別用波后粒子速度Us和UD表示,得到Qs與QD的關(guān)系,既化學(xué)反應(yīng)比例(λ)的表達(dá)式,見式(4):
(3)
(4)
式中:Us為炸藥發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng)的波后粒子速度,mm/μs;UD為穩(wěn)定爆轟時(shí)的波后粒子速度,mm/μs;Qs為單位質(zhì)量炸藥發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng)釋放的能量,MJ/g;QD為單位質(zhì)量炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟時(shí)釋放的能量,MJ/g;k為炸藥化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的比熱比。
根據(jù)炸藥的分子結(jié)構(gòu)式,炸藥發(fā)生部分化學(xué)反應(yīng)或完全爆轟后的產(chǎn)物主要包括H2O、CO2、CO、N2、C、O2,而這些產(chǎn)物的等熵指數(shù)分別為1.9、4.5、2.85、3.7、3.55、2.45,不同反應(yīng)比例下各組分質(zhì)量比有所不同,因此其等熵指數(shù)變化較小。部分炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與理想爆轟狀態(tài)下二者的(k+1)/(k-1)差異一般小于10%,在炸藥的爆轟或爆炸研究中可以認(rèn)為近似相等。
將式(1)所示受試炸藥的未反應(yīng)炸藥雨貢紐曲線代入式(4),即可得到化學(xué)反應(yīng)比例與沖擊波速度的關(guān)系式(5),其中根據(jù)圖2所示的測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化分析得到JBO-9X的穩(wěn)定爆轟波波速(DD)為8.019mm/μs。
(5)
根據(jù)式(4)和式(5)即可計(jì)算得到受試炸藥中化學(xué)反應(yīng)比例(λ)與沖擊波進(jìn)入受試炸藥距離(x)的關(guān)系曲線,如圖4所示。由圖4可以看出,當(dāng)入射沖擊波壓力進(jìn)入炸藥時(shí),λ為0.24,表明JBO-9X炸藥在入射沖擊波壓力下已有部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。沖擊波進(jìn)入炸藥的初始階段(x<5mm),λ從0.24增至0.45,增長較緩;當(dāng)x>5mm后,λ值快速增加,在x從5mm增至7.9mm的過程中,λ從0.45增至1,x為7.9mm時(shí)發(fā)生穩(wěn)定爆轟。
圖4 受試炸藥中化學(xué)反應(yīng)比例與沖擊波位置的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between the chemical reactionratio and the shock wave position in the tested explosive
3數(shù)值模擬
3.1計(jì)算模型
應(yīng)用三維有限元流體動(dòng)力學(xué)程序ANSYS/LS-DYNA對與本實(shí)驗(yàn)相同狀態(tài)下JBO-9X炸藥的沖擊起爆過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。
二維簡化模型如圖5所示。其中裝置周圍采用自由邊界。起爆藥JO-9159藥柱尺寸為Φ100mm×10mm,反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用式(6)所示的JWL狀態(tài)方程[10];主裝藥和受試炸藥JBO-9X尺寸分別為Φ100mm×30mm和Φ100mm×35mm,化學(xué)反應(yīng)率方程采用式(7)所示的Ignition and growth模型[10],未反應(yīng)炸藥和產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用式(6)所示的JWL狀態(tài)方程;衰減層鎢合金尺寸為Φ100mm×6mm,采用式(8)所示的GRUNEISEN狀態(tài)方程[10]。在受試炸藥與鎢合金衰減層界面0、4、6、8、10、12、14、16、18mm處分別對應(yīng)設(shè)置1~9號虛擬測試點(diǎn),探測波后粒子的速度剖面。
圖5 JBO-9X炸藥沖擊起爆過程的計(jì)算模型Fig.5 The calculation model of the shock initiation process of JBO-9X explosive
JWL狀態(tài)方程如下
(6)
式中:A、B、C、R1、R2、ω為常數(shù);v為相對體積,v=v1/v0=ρ0/ρ1。
Ignition and growth模型如下
dF/dt=I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+
G1(1-F)cFdpy+G2(1-F)eFfpz
(7)
式中:a為臨界壓縮度,用于限制點(diǎn)火界限,當(dāng)壓縮度大于a,即當(dāng)沖擊波的強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí),炸藥達(dá)到一定的壓縮度時(shí)才會(huì)發(fā)生點(diǎn)火;通常情況下,燃燒項(xiàng)指數(shù)y=1,代表爆燃過程,點(diǎn)火和燃燒項(xiàng)的燃燒階數(shù)b=c=2/3,表示向內(nèi)球形顆粒的燃燒;參數(shù)I和x控制點(diǎn)火熱點(diǎn)的數(shù)量,點(diǎn)火項(xiàng)是沖擊波強(qiáng)度和壓力持續(xù)時(shí)間的函數(shù);G1和d控制了點(diǎn)火后熱點(diǎn)早期的反應(yīng)增長;G2和z確定了高壓下的反應(yīng)速率。
GRUNEISEN狀態(tài)方程(壓縮材料)如下
(8)
式中:μ為壓縮程度,μ=v/v0;C為物質(zhì)中的聲速;S1、S2、S3為us-up曲線斜率的系數(shù);γ0為GRUNEISEN系數(shù);a為對γ0的一階修正;P為壓力,ρ0為初始密度;E為產(chǎn)物內(nèi)能。
根據(jù)計(jì)算模型中不同部分材料的性質(zhì)和尺寸選取不同的狀態(tài)方程后,即可根據(jù)各部分成分組成尋找相同或相似材料的狀態(tài)方程參數(shù)。
JO-9159炸藥與LX-10炸藥的成分相同,其爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程的各個(gè)參數(shù)值見表2[7];JBO-9X炸藥的Ignition and growth模型的各個(gè)參數(shù)參照PBX9501[11]和PBX9502[12]炸藥,以PBX9502炸藥作為基本參數(shù),參照PBX9501進(jìn)行修正,并與激光干涉測速技術(shù)獲取的波后粒子速度剖面進(jìn)行對比,見表3;鎢合金的GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù)見表4[13]。
表2 JBO-9X未反應(yīng)炸藥及JBO-9X和JO-9159炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程參數(shù)
表3 JBO-9X的點(diǎn)火增長模型參數(shù)
表4 鎢合金的狀態(tài)方程參數(shù)
3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析
將表2~表4的狀態(tài)方程參數(shù)和化學(xué)反應(yīng)率參數(shù)帶入模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖6所示。
圖6 受試炸藥中不同位置波后粒子速度Fig.6 The particle velocity after shock wavein the tested explosive
由圖6可以看出,當(dāng)以JBO-9X作為主炸藥產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過6mm鎢合金衰減后作為受試JBO-9X炸藥的入射沖擊波時(shí),受試JBO-9X炸藥在初始入射沖擊波后的粒子速度為0.86mm/μs,根據(jù)式(1)和式(2)可得入射壓力為6.85GPa,沖擊轉(zhuǎn)爆轟發(fā)生在略大于4號虛擬測試點(diǎn)處,所以沖擊到爆轟的距離約為8mm,由于在沖擊轉(zhuǎn)爆轟點(diǎn)的波后粒子速度有一定幅度的震蕩,所以通過波后粒子速度剖面確定沖擊轉(zhuǎn)爆轟點(diǎn),從而獲得精確的沖擊轉(zhuǎn)爆轟距離較為困難。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比
受試炸藥中的沖擊波速度剖面及化學(xué)反應(yīng)比例實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對比曲線見圖7。由圖7(a)可看出,進(jìn)入受試炸藥的沖擊波波速為4.22mm/μs,沖擊波在受試炸藥中傳播時(shí),會(huì)有部分炸藥發(fā)生化學(xué)分解釋放能量,使沖擊波強(qiáng)度增大,沖擊波速度加快,沖擊波強(qiáng)度增加又會(huì)造成受試炸藥化學(xué)反應(yīng)比例進(jìn)一步增多,從而形成圖7(a)所示9.0~10.5μs沖擊波加速段和圖7(b)所示0~8mm化學(xué)反應(yīng)比例增加段,直至受試炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟,此時(shí)爆轟波速度和化學(xué)反應(yīng)比例趨于穩(wěn)定。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然存在一定誤差,但總體趨勢相同,說明模擬結(jié)果可以正確反映受試炸藥沖擊波傳播的實(shí)際物理過程。
圖7 受試炸藥中沖擊波速度剖面實(shí)驗(yàn)結(jié)果和化學(xué)反應(yīng)比例實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對比曲線Fig.7 Comparison curves of the experimental results and the simulated ones of shock wave velocity profileand chemical reaction ratio in the tested explosive
3結(jié)論
(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受試JBO-9X炸藥在6.9GPa的入射沖擊波壓力下,沖擊到爆轟的距離為7.9mm;沖擊波進(jìn)入受試炸藥后,炸藥的化學(xué)反應(yīng)比例不斷增加,尤其是沖擊波進(jìn)入炸藥5mm后,隨著沖擊波在炸藥中運(yùn)動(dòng)距離的增加,炸藥的化學(xué)反應(yīng)比例快速增加,直至7.9mm處炸藥完全爆轟。
(2)模擬結(jié)果表明,進(jìn)入受試JBO-9X炸藥的入射沖擊波壓力為6.85GPa,沖擊到爆轟的距離為8.0mm左右;沖擊波進(jìn)入受試炸藥后,炸藥的化學(xué)反應(yīng)比例不斷增加,在沖擊波進(jìn)入炸藥約4.5mm后,受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)比例快速增加,直至8.0mm處,炸藥發(fā)生完全爆轟,化學(xué)反應(yīng)比例為100%。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對比說明,通過將高速掃描相機(jī)獲得的沖擊波跡線對時(shí)間進(jìn)行微分得到的沖擊波速度-時(shí)間曲線,與根據(jù)波后粒子速度和雨貢紐曲線擬合得到的沖擊波速度-時(shí)間曲線吻合較好,沖擊波進(jìn)入受試炸藥后的化學(xué)反應(yīng)比例隨沖擊波位置的變化曲線也吻合較好。
(4)化學(xué)反應(yīng)比例可以作為炸藥沖擊起爆研究中炸藥安定性的指標(biāo),該指標(biāo)可以通過沖擊波速度或波后粒子速度經(jīng)過轉(zhuǎn)化獲得。
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Experimental Study on Shock Initiation Process of a New Insensitive High Explosive JBO-9X under High Impact Pressure
ZHANG Tao1, GU Yan1, ZHAO Ji-bo1, HE Hong-liang1, LIU Gao-min1, WU Xing2
(1. Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China;2. Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)
Abstract:A high-speed scanning camera and wedge-shaped explosive configuration were used to study the shock initiation process of a new insensitive high explosive JBO-9X. The experimental results were numerically simulated and verified by LS-DYNA software. Results show that under the incident shock pressure of 6.9GPa, the time of shock to detonation of JBO-9X is 1.5 μs and the distance of shock to detonation is 7.9mm. When the shock wave just goes into the explosive, the ratio of occurred chemical reaction (λ) is 0.2.With increasing the distance of shock wave entering the explosive, the ratio of the chemical reaction occurred in the tested explosive increases gradually. Under the experimental conditions, when the incident shock pressure is 6.85GPa, the distance of shock to detonation of JBO-9X is 8.0 mm. The growth curve of chemical reaction ratio with the distance of the shock wave entering the explosive is basically the same as the experiment.
Keywords:explosion mechanics; JBO-9X;insensitive high explosive; shock initiation; high-speed scanning camera; chock wave; LS-DYNA software
中圖分類號:TJ55;TD235.1+2
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1007-7812(2016)01-0028-06
作者簡介:張濤(1988-),男,碩士研究生,研究實(shí)習(xí)員,從事爆轟物理研究。E-mail:zhangtao102@caep.cn通訊作者:谷巖(1963-),男,研究員,從事爆轟物理研究。E-mail: guyan@caep.cn
基金項(xiàng)目:國家安全學(xué)術(shù)基金(U1230116)
收稿日期:2015-10-13;修回日期:2015-11-12
DOI:10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.004