張 濤,谷 巖,趙繼波,劉雨生,伍 星

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所,四川 綿陽 621999;2.中國工程物理研究院總體工程研究所,四川 綿陽 621999)

JBO-9021炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度*

張 濤1,谷 巖1,趙繼波1,劉雨生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 621999;2.中國工程物理研究院總體工程研究所,四川 綿陽 621999)

采用激光干涉測試技術(shù)和楔形炸藥構(gòu)型,對新型鈍感高能炸藥JBO-9021的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度進(jìn)行了實驗研究。實驗中在楔形JBO-9021炸藥后加鍍膜LiF晶體作為測試窗口,測試受試炸藥與測試窗口界面的粒子速度剖面。將粒子速度剖面對時間進(jìn)行二階求導(dǎo),通過粒子速度剖面的二階求導(dǎo)曲線上等于零的時刻判讀CJ點的時刻,從而得到化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度。研究結(jié)果表明,新型鈍感高能炸藥JBO-9021的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時間為(238±13) ns,相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度為(1.52±0.09) mm。

JBO-9021；高能鈍感炸藥；激光干涉測速技術(shù)；反應(yīng)區(qū)寬度

炸藥穩(wěn)定爆轟時的反應(yīng)區(qū)寬度，是決定和表征炸藥爆轟性能的關(guān)鍵參數(shù)。反應(yīng)區(qū)寬度一般定義為從爆轟波波陣面到波后聲速點或者CJ點之間的距離或時間，在此期間炸藥會完成大部分化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)區(qū)不會受到爆轟產(chǎn)物的膨脹引起的Taylor稀疏波的作用，因為Taylor稀疏波以聲速進(jìn)行傳播，化學(xué)反應(yīng)區(qū)的寬度將會保持不變。這樣便可通過測量波后粒子速度剖面獲得穩(wěn)定爆轟波的反應(yīng)區(qū)寬度。炸藥的反應(yīng)區(qū)寬度對研究炸藥的沖擊起爆過程，確定化學(xué)反應(yīng)率函數(shù)、理解爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)具有重要意義[1-3]。三氨基三硝基苯(TATB)是常用的鈍感高能炸藥(IHE)，研究TATB及以TATB為基炸藥的化學(xué)反應(yīng)率參數(shù)、反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)受到很多學(xué)者的重視[4-7]。V.Bouyer等[8]采用激光干涉測試技術(shù)對多種TATB基和HMX基炸藥的爆轟波后粒子速度剖面進(jìn)行了實驗測量，從而較精確地獲得了不同尺寸下所研究炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)。同時，V.Bouyer等[9]采用2種激光干涉測速技術(shù)(photon Doppler velocimehy (PDV)和heterodyne velocimetry (HV))對三硝基甲烷與窗口材料PMMA界面的波后粒子速度剖面進(jìn)行測量，在獲得三硝基甲烷的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的同時，對2種激光干涉測試技術(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比。A.V.Utkin等[10]研究了裝藥顆粒直徑對壓裝RDX及HMX基炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)von Neumann峰值對炸藥的裝藥顆粒直徑非常敏感，隨著炸藥裝藥顆粒直徑的增大，von Neumann峰值增大，這一點也能從不同顆粒直徑炸藥穩(wěn)定爆轟時的能量釋放速率得到佐證。I.Plaksin等[11]研究了多種PBX炸藥在爆轟形成過程中的化學(xué)反應(yīng)區(qū)三維結(jié)構(gòu)。R.Engelke等[12]通過實驗和數(shù)值模擬研究了多種炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)長度。

炸藥反應(yīng)區(qū)寬度主要通過測試炸藥內(nèi)部或炸藥與物質(zhì)接觸面的粒子速度或壓力獲得，目前主要測試方法有電磁粒子速度計、錳銅壓力計、激光干涉測速法。炸藥反應(yīng)區(qū)寬度研究的難點是von Neumann峰和爆轟反應(yīng)區(qū)早期區(qū)域的短歷時性，所以，炸藥反應(yīng)區(qū)研究對測試系統(tǒng)的時間分辨率要求極高。以往的實驗研究受實驗方法、實驗條件的限制，實驗數(shù)據(jù)精度不高。其中激光干涉測速因為測試精度高、時間分辨率高、測試系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點近年來被廣泛應(yīng)用。

本文中，采用一種新型的、具有更高測試精度和時間分辨率的激光干涉測速技術(shù)對一種新型鈍感高能炸藥JBO-9021穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度剖面進(jìn)行測試，通過一種新的數(shù)據(jù)處理方法獲取CJ點，從而更精確地獲得這種新型鈍感高能炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)的持續(xù)時間和寬度。

1 實驗裝置及測試系統(tǒng)

實驗裝置及測試系統(tǒng)如圖1～2所示。測試系統(tǒng)主要包括起爆裝置、同步機(jī)、高壓脈沖發(fā)生器、光纖探針、光纖放大器、激光器、激光干涉儀、示波器、計算機(jī)控制系統(tǒng)。測試窗口LiF晶體靠近受試炸藥的一面鍍鋁膜作為粒子速度的載體。為了保證測試精度，膜層不宜過厚，采用的鋁膜厚度控制為1.0 μm。為了使輸入激光在LiF窗口上表面(靠近光纖探針側(cè))的反射光不影響測試信號光，LiF窗口上表面與下表面(靠近受試炸藥側(cè))存在5°的傾角。實驗中使用的激光干涉測速儀為波分時復(fù)用多點激光干涉測速系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于光學(xué)多普勒效應(yīng)，測速范圍為0～8 km/s，測速不確定度小于2%。

圖1 實驗裝置及測試系統(tǒng)圖Fig.1 Sketch of experimental facility and measuring system

圖2 實驗裝置Fig.2 Sketch of experimental facility for studying reaction zone of JBO-9021 explosive

實驗裝置各部分尺寸分別為：平面波透鏡，?100 mm×37°；傳爆藥，?100 mm×10 mm；主裝藥，?100 mm×30 mm；鎢合金，?100 mm×6.08 mm;楔形受試炸藥，70 mm×30°。其中平面波透鏡主裝藥為RHT-901，主要組成成分為RDX和TNT，其質(zhì)量之比w(RDX)∶w(TNT)=60∶40；傳爆藥JO-9159以HMX為基，主要組成成分為HMX和粘結(jié)劑，其質(zhì)量之比w(HMX)∶w(粘結(jié)劑)=95∶5；主裝藥和楔形受試炸藥JBO-9021以TATB為基，含有少量HMX；鎢合金為鎢鎳鐵合金。

圖2所示為本文中所采用的實驗裝置，為了獲得波后粒子速度在穩(wěn)定爆轟后不同爆轟波位置的變化情況，采用的受試炸藥為楔形，這樣可測量爆轟波運動不同距離后受試炸藥的粒子速度，避免因爆轟波在傳播過程中的變化引起的不確定性。楔形受試炸藥的三角形截面的斜面長度為70 mm，楔形角為30°，短邊長度即高度為35 mm，這樣可以獲得高度方向多點(本文中設(shè)置了4個測試點)的波后粒子速度。楔形受試炸藥寬度為50 mm，該尺寸設(shè)計可以避免邊側(cè)稀疏對爆轟波波陣面的影響。

實驗過程中，通過起爆裝置向同步機(jī)輸出起爆信號。同步機(jī)輸出2路同步信號：一路觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器起爆26號雷管；另一路觸發(fā)示波器。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繼而起爆主裝藥，主裝藥與鎢合金衰減層緊密接觸，通過衰減后，沖擊波進(jìn)入并起爆JBO-9021楔形受試炸藥，受試炸藥穩(wěn)定爆轟后的爆轟波驅(qū)動緊貼其表面的鋁膜運動；鋁膜的運動軌跡即楔形炸藥與窗口界面粒子速度剖面將通過激光干涉測速系統(tǒng)記錄，通過窗口界面粒子速度剖面可以計算得到JBO-9021炸藥的反應(yīng)區(qū)寬度。

2 實驗結(jié)果

圖3 受試炸藥與LiF窗口界面粒子速度隨時間的變化曲線Fig.3 Particle velocity-time curves at the interface between JBO-9021 explosive and LiF window

實驗得到的JBO-9021炸藥與LiF窗口不同位置的界面粒子速度隨時間的變化曲線如圖3所示。其中1#、2#、3#、4#光纖探針分別位于受試炸藥中距離鎢合金衰減層10、11、12、13 mm處。從圖3可以看出，當(dāng)沖擊波進(jìn)入受試炸藥10 mm時，1#光纖探針正對處的粒子速度接近2.5 km/s。根據(jù)粒子速度剖面的波形和幅值可以判斷，在此測試點，JBO-9021炸藥已經(jīng)達(dá)到爆轟。沖擊波在進(jìn)入炸藥11、12、13 mm時，粒子速度剖面的von Neumann峰有小幅震蕩。此震蕩可以通過von Neumann峰的短歷時性和高頻性超出測試系統(tǒng)的極限頻率得到解釋。從粒子速度剖面的幅值和波形可以判斷沖擊波在進(jìn)入炸藥10 mm后，JBO-9021炸藥已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定爆轟。

從圖2可以看出，本文中采用激光干涉測試技術(shù)獲取的是LiF窗口與JBO-9021炸藥界面的粒子速度。由于兩者阻抗并非完全匹配，測試得到的粒子速度并非受試炸藥中穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度，同時由于窗口材料在沖擊壓縮過程中折射率會發(fā)生變化，引起一定的測試誤差，所以需要對其進(jìn)行修正后得到JBO-9021炸藥穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度剖面。

B.J.Jensen等[13]提出在加窗光子多普勒測速中，因沖擊壓縮作用窗口折射率變化會引入附加多普勒頻移，即窗口折射率變化導(dǎo)致測得的界面速度變大，所以采用下式進(jìn)行修正：

(1)

式中:v*為激光干涉測速測量的表觀速度,也即未經(jīng)過折射率變化修正的速度；a(λ)為窗口修正系數(shù)，v(t)為實際樣品-窗口界面粒子速度；vs(t)為窗口材料的自由面粒子速度。

采用下式：

(2)

(3)

對式(1)進(jìn)行簡化[14]，即可得到樣品-窗口界面的實際粒子速度。

圖4 修正后的受試炸藥與LiF窗口界面粒子速度隨時間的變化曲線Fig.4 Amended particle velocity-time curves at the interface between JBO-9021 explosive and LiF window

JBO-9021炸藥是一種新型高能鈍感炸藥，當(dāng)前對其研究還不夠全面，所以其爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程目前還無法獲取。PBXC10和JBO-9021炸藥均以TATB為基，成分相似，可采用PBXC10的JWL狀態(tài)方程[15]與沖擊波陣面的RH關(guān)系：

圖5 平滑后的受試炸藥與LiF窗口界面粒子加速度斜率隨時間的變化曲線Fig.5 Smoothed derivative of acceleration to time-time curves at the interface between JBO-9021 explosive and LiF window

(4)

(5)

進(jìn)行聯(lián)立。式中：p為沖擊波(爆轟波)陣面壓力，ρ0為炸藥的初始密度，ρ為沖擊波(爆轟波)過后JBO-9021炸藥的密度，DJ為沖擊波(爆轟波)速度，up為波后粒子速度。

計算得到JBO-9021的 Hugoniot 關(guān)系為：

DJ=5.441+1.134up

(6)

式中：DJ和up的單位均為km/s。

單晶LiF窗口的 Hugoniot 關(guān)系[16]為 ：

DJ=5.148+1.358up

(7)

式中：DJ和up的單位均為km/s。

根據(jù)界面連續(xù)定理，即在接觸界面上，沖擊波過后的壓力和粒子速度不能出現(xiàn)間斷。同時將沖擊波陣面的動量守恒定理(式(4))代入，對受試炸藥與LiF窗口界面粒子速度曲線進(jìn)行二次修正。這樣就可以得到如圖4所示的受試炸藥JBO-9021中穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度。

炸藥反應(yīng)區(qū)寬度研究的難點是von Neumann峰和爆轟反應(yīng)區(qū)早期區(qū)域的短歷時性。從圖4可清楚地看到，雖然采用了時間分辨率達(dá)到2 ns的激光干涉測試技術(shù)，還是由于時間分辨率未及von Neumann峰的時間寬度而未能準(zhǔn)確獲取波后粒子速度von Neumann峰值，但測試結(jié)果獲取了爆轟波過后粒子速度起跳后約9 ns內(nèi)的von Neumann峰值平均值。實驗成功獲取了粒子速度起跳即von Neumann峰值出現(xiàn)的時刻，但化學(xué)反應(yīng)區(qū)終點即CJ點不甚明顯。為了驗證實驗結(jié)果是否正確反映JBO-9021炸藥的特征，本文中參考了其他學(xué)者對以TATB為主要成分的鈍感炸藥化學(xué)反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果。W.L.Seitz等[17]通過實驗和數(shù)值模擬獲得了PBX-9502在一維平面定常爆轟時的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)。C.M.Tarver等[18]研究了LX-9炸藥的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，從其測試結(jié)果均看不到明顯的化學(xué)反應(yīng)區(qū)終點和CJ點，說明以TATB為主要成分的鈍感炸藥沒有明顯的化學(xué)反應(yīng)區(qū)終點。

根據(jù)爆轟波的ZND模型，爆轟波后產(chǎn)物粒子速度在von Neumann峰后隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行快速下降，產(chǎn)物粒子速度曲線在化學(xué)反應(yīng)區(qū)表現(xiàn)出凹形；隨著化學(xué)反應(yīng)的結(jié)束，粒子速度會由于產(chǎn)物飛散造成的稀疏波進(jìn)一步降低，粒子速度曲線在產(chǎn)物飛散區(qū)接近直線。所以根據(jù)ZND模型，如果將爆轟波后產(chǎn)物粒子速度曲線對時間進(jìn)行二階微分，則在化學(xué)反應(yīng)區(qū)，該值不斷快速降低，但始終為正；在產(chǎn)物飛散區(qū)，該值約為零，但會由于沖擊波不穩(wěn)定性和粒子速度的相互碰撞影響而不斷震蕩。

對圖4所示的受試炸藥穩(wěn)定爆轟時的波后粒子剖面對時間求二階導(dǎo)數(shù)，得到如圖5所示受試炸藥不同位置處波后粒子的加速度斜率曲線。

從圖5可以看出，受試炸藥不同位置處粒子的加速度斜率曲線雖絕對值大小不一，但波形和趨勢較吻合。先導(dǎo)沖擊波過后，粒子速度出現(xiàn)突躍，但隨后化學(xué)反應(yīng)開始，粒子的加速度出現(xiàn)一個快速降低的突躍；隨著化學(xué)反應(yīng)完成份額的升高，后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)越來越少，致使化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的粒子加速度絕對值逐漸減小，表現(xiàn)在圖5中即為粒子加速度斜率快速下降；當(dāng)達(dá)到某一點后，化學(xué)反應(yīng)基本完成，表現(xiàn)在圖5中即為化學(xué)反應(yīng)造成加速度的斜率基本為零。后續(xù)粒子速度下降主要由產(chǎn)物飛散時的Taylor稀疏波引起。根據(jù)圖5中曲線和d2up/dt2=0的交點可以判斷圖4中曲線的拐點即化學(xué)反應(yīng)區(qū)終點或CJ點時刻。從圖4～5可以得到不同探針處的粒子速度最大值即von Neumann峰出現(xiàn)的時刻和其拐點即CJ點出現(xiàn)的時刻，獲得反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間。炸藥化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度可以根據(jù)下式確定：

(8)

式中：τ為炸藥反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間，a為反應(yīng)區(qū)寬度，DJ為炸藥的CJ爆速，up為在反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間τ內(nèi)炸藥反應(yīng)產(chǎn)物的粒子速度平均值。

JBO-9021的穩(wěn)定爆速為7.86 km/s。通過圖4和CJ拐點時刻通過積分求平均獲得化學(xué)反應(yīng)區(qū)平均粒子速度up，然后根據(jù)式(8)得到爆轟反應(yīng)區(qū)寬度、化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時間及化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度，見表1。

表1 不同探針處測得的JBO-9021炸藥化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度

3 討 論

炸藥反應(yīng)區(qū)寬度研究的難點是von Neumann峰和爆轟反應(yīng)區(qū)早期區(qū)域的短歷時性。本文中采用一種新型激光干涉測速技術(shù)對高能鈍感炸藥JBO-9021穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度剖面進(jìn)行了測試，通過一種新的數(shù)據(jù)處理方法將粒子速度剖面對時間進(jìn)行二階求導(dǎo)獲取CJ點，從而獲得所研究炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間和寬度。

從圖4可以看出，以TATB為基的新型鈍感高能炸藥JBO-9021穩(wěn)定爆轟時，粒子速度經(jīng)過前導(dǎo)沖擊波后突躍到von Neumann峰，之后隨著炸藥化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，波后粒子速度呈現(xiàn)較快速下降，該過程持續(xù)約238 ns,說明JBO-9021炸藥在von Neumann峰后238 ns內(nèi)完成主要化學(xué)反應(yīng)；主要化學(xué)反應(yīng)完成后由于產(chǎn)物飛散造成的稀疏波導(dǎo)致粒子速度進(jìn)一步緩慢降低。

JBO-9021屬于鈍感炸藥，化學(xué)反應(yīng)區(qū)較長且后期反應(yīng)緩慢,導(dǎo)致整個粒子速度剖面未能出現(xiàn)明顯的CJ點。通過對粒子速度波形進(jìn)行二階求導(dǎo),可以較清楚和準(zhǔn)確地確定JBO-9021爆轟波后粒子速度剖面的CJ點。

將本文研究結(jié)果同文獻(xiàn)報道的研究結(jié)果進(jìn)行比較。W.L.Seitz等[17]通過實驗和數(shù)值模擬得到PBX-9502在一維平面定常爆轟時反應(yīng)區(qū)寬度為2 mm。C.M.Tarver等[18]對LX-9炸藥(w(TATB)∶w(Kel-F)=92.5∶7.5)的反應(yīng)區(qū)寬度進(jìn)行了研究，得到其反應(yīng)區(qū)寬度為2 mm。S.A.Sheffield等[19]通過Hugoniot曲線相交的方法對PBX-9502進(jìn)行了研究，得到其反應(yīng)區(qū)寬度為2.1 mm。JBO-9021的反應(yīng)區(qū)寬度應(yīng)較PBX-9502、LX-9等的窄約25%。這是因為PBX-9502、LX-9均以TATB為主裝藥，JBO-9021是以TATB為主裝藥，摻加部分HMX，而HMX炸藥的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行較快，所以JBO-9021的反應(yīng)區(qū)寬度較PBX-9502、LX-9的窄。這與本文的實驗結(jié)果相符，說明本文中得到的JBO-9021炸藥在一維平面定常爆轟時的反應(yīng)區(qū)寬度是可信的。

4 結(jié) 論

采用一種高測試精度和時間分辨率的激光干涉測速技術(shù)對一種新型高能鈍感炸藥JBO-9021穩(wěn)定爆轟時的波后粒子速度剖面進(jìn)行了測試，通過新的數(shù)據(jù)處理方法將粒子速度剖面對時間進(jìn)行二階求導(dǎo)獲取CJ點，從而獲得所研究炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間和寬度,得到如下結(jié)論：

(1)激光干涉測速技術(shù)結(jié)合楔形炸藥是一種研究炸藥反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的有效方法，實驗裝置簡便，信號響應(yīng)快。

(2)JBO-9021炸藥有較明顯的化學(xué)反應(yīng)區(qū)存在，可以用ZND模型進(jìn)行描述。但由于在CJ點后仍有少量化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，所以化學(xué)反應(yīng)終點和CJ點不易判讀，說明利用ZND模型并不能很好地對這種TATB基炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行描述。

(3)采用將粒子速度剖面對時間進(jìn)行二階求導(dǎo)獲取CJ點的新的數(shù)據(jù)處理方法，可以較容易得到更準(zhǔn)確的CJ點，從而獲得所研究炸藥的化學(xué)反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間和寬度。

(4)對JBO-9021炸藥的波后粒子速度剖面進(jìn)行實驗測量，采用新的數(shù)據(jù)處理方法，得到這種新型高能鈍感炸藥的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時間為(238±13) ns，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度為(1.52±0.09) mm。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Chemical reaction zone length of JBO-9021

Zhang Tao1, Gu Yan1, Zhao Jibo1, Liu Yusheng1, Wu Xing2

(1.InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China;2.InstituteofSystemEngineering,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621999,Sichuan,China)

In this work we used the laser velocity interferometry for measuring particle velocities and the wedge-shaped test explosive to study the structure of the chemical reaction zone of JBO-9021, a new insensitive high explosive (80 weight% TATB explosive, 15 weight% HMX explosive, 5 weight% binder). We conducted an experiment to achieve the in-situ particle velocity histories of a thin aluminium film between the test explosive and the LiF window that were introduced to obtain the particle velocities at different positions in the wedge-shaped test explosive after detonation. The CJ point of the particle velocity histories for JBO-9021 were derived from a second time derivative of the velocity history of particles from which we successfully obtained the chemical reaction structure, including the chemical reaction duration and the chemical reaction zone length. The results show that the chemical reaction duration of JBO-9021 is (238±13) ns and the chemical reaction zone length of JBO-9021 is about (1.52±0.09) mm. Additionally, they also show that the CJ point obtained from a second time derivative of the particle velocity histories is effective.

JBO-9021; insensitive high explosive; laser velocity interferometry; chemical reaction zone length

10.11883/1001-1455(2017)03-0415-07

2015-09-17；

2015-10-21

張 濤(1988— )，男，碩士; 通信作者: 谷 巖，guyan@caep.cn。

O381 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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