吳亞琛， 沈忱， 孫曉樂(lè)， 焦清介， 劉海倫， 閆石

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 402760)

0 引言

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是目前已投入應(yīng)用的能量密度最高的單質(zhì)炸藥[1]，以CL-20為基的混合炸藥具有爆速高、爆壓高的特點(diǎn)和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，應(yīng)用前景極為廣泛。

然而，CL-20自身的感度高、安全性較差，并且存在加工性能差、在混合炸藥中成型效果不佳的缺點(diǎn)[2]。加入合適的功能助劑有利于改善成型藥劑的感度和加工性能，但需要盡量避免混合炸藥體系能量密度降低而導(dǎo)致的炸藥驅(qū)動(dòng)能力下降。目前國(guó)外已開展了多項(xiàng)CL-20混合炸藥的應(yīng)用研究，CL-20已廣泛應(yīng)用于多種壓裝混合炸藥中[3-4]，澆注炸藥中研究相對(duì)較少。 美國(guó)ATK公司研制的一種新型CL-20基澆注固化炸藥DLE-C038[5]，其配方為90%CL-20、10%端羥基聚丁二烯(HTPB)和PL1，密度1.82 g/cm3，實(shí)測(cè)爆速8 730 m/s，爆壓33 GPa；其感度良好，具有良好的力學(xué)性能和加工性能；美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的以CL-20為基的注塑炸藥RX-49-AE[6]，裝藥密度1.80 g/cm3，爆速7 880 m/s. 國(guó)內(nèi)已圍繞CL-20包覆降感、粒度配級(jí)及晶變控制等方面展開了大量工作，為CL-20基混合炸藥應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。張樸[7]采用HTPB粘合劑研究了兩種高能炸藥配方；張偉等[8]制備了CL-20/GAP/AP/Al四元組分混合炸藥并研究了其能量釋放規(guī)律；李小東等[9]制備了一種CL-20/FOX-7基PBX炸藥并進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明其具有較低的感度和較好的安全性；侯聰花等[10]制備了一種CL-20/TATB粘結(jié)炸藥，較不含三氨基三硝基苯(TATB)的CL-20/Estane炸藥感度有明顯降低。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)澆注CL-20基炸藥的金屬驅(qū)動(dòng)性能研究較少[11]。

本文制備了一種澆注CL-20試樣，簡(jiǎn)稱為GWL，按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A—97炸藥試驗(yàn)方法開展了50 mm圓筒試驗(yàn)，獲得了圓筒膨脹速度時(shí)程曲線，通過(guò)數(shù)值模擬得到了GWL炸藥試樣的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，并對(duì)比了部分同類型炸藥分析了GWL炸藥試樣的驅(qū)動(dòng)特性，為后續(xù)研究提供了參數(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法和方案

1.1 試驗(yàn)原料

原料：重結(jié)晶、球形化ε-CL-20，粒徑80～425 μm，遼寧慶陽(yáng)化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)；Al-Zn合金(Zn含量20%)，中位徑粒度為13 μm，唐山威豪鎂粉有限公司生產(chǎn)；HTPB，分子量3 000，羥值0.78 mmol/g，黎明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司生產(chǎn)；甲苯二異氰酸酯(TDI)，國(guó)藥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；PLAH(一種由酯類和烴類組成的復(fù)合增塑劑)，自制。

1.2 樣品制備

GWL炸藥的組成為HTPB粘合劑體系11%，CL-20含量為84%，Al-Zn合金粉體[12]為5%. 同時(shí)在相同的工藝條件下設(shè)計(jì)了無(wú)金屬粉試樣GC，組成為89%的CL-20和11%的粘合劑。兩種澆注炸藥均采用5 L捏合機(jī)工藝制備。所得試樣如圖1所示。

圖1 試樣形貌圖Fig.1 Sample morphology

1.3 機(jī)械感度測(cè)試

根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A—97炸藥試驗(yàn)方法中規(guī)定的方法，對(duì)GWL炸藥試樣及GC炸藥試樣進(jìn)行了包括撞擊感度和摩擦感度的機(jī)械感度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 GWL和GC炸藥試樣機(jī)械感度測(cè)試

試驗(yàn)結(jié)果表明，GWL炸藥試樣有著較GC炸藥試樣更低的機(jī)械感度，安全性較好。

1.4 爆轟性能測(cè)試

根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A—97炸藥試驗(yàn)方法中規(guī)定的方法，測(cè)試GWL及GC炸藥試樣的爆轟性能，結(jié)果如表2所示。

表2 GWL和GC炸藥試樣爆轟性能

1.5 易損性試驗(yàn)

參照國(guó)外不敏感彈藥有關(guān)試驗(yàn)方法，結(jié)合《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》對(duì)GWL試樣進(jìn)行快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊3項(xiàng)低易損性試驗(yàn)。試驗(yàn)所用彈體尺寸為φ120 mm×300 mm，殼體及端蓋壁厚均為3 mm，材質(zhì)45號(hào)鋼；每個(gè)被測(cè)裝藥進(jìn)行3發(fā)重復(fù)性試驗(yàn)；試驗(yàn)樣品裝藥無(wú)熱防護(hù)層。試驗(yàn)條件如下：

1)快速烤燃試驗(yàn)：將彈體架在燃燒槽中，向槽體內(nèi)先加入水，再加入航空煤油，并利用熱電偶記錄的溫度變化；

2)慢速烤燃試驗(yàn)：設(shè)定升溫速率為1.0 ℃/min，間隔1 min記錄一次溫度，直至試驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)；

3)槍彈撞擊試驗(yàn)：使用12.7 mm槍彈撞擊裝填混合炸藥的試驗(yàn)產(chǎn)品，試驗(yàn)產(chǎn)品距槍口的距離為80 m，子彈初速為832 m/s.

1.6 圓筒試驗(yàn)

按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A—97炸藥試驗(yàn)方法705.3對(duì)GWL炸藥試樣開展了50 mm圓筒試驗(yàn)，試驗(yàn)采用激光測(cè)速干涉儀(VISAR)記錄筒壁在距起爆端300 mm處的膨脹速度- 時(shí)間關(guān)系[13]，并在藥柱兩端貼有測(cè)試藥柱爆速的電探針。相比于使用傳統(tǒng)高速掃描攝影相機(jī)記錄圓筒筒壁的膨脹距離- 時(shí)間關(guān)系，使用VISAR不需要再架設(shè)相機(jī)及拍攝用爆炸光源，簡(jiǎn)化了圓筒試驗(yàn)所需試驗(yàn)裝置，可靠性較高；同時(shí)，對(duì)VISAR所記錄的膨脹速度- 時(shí)間關(guān)系進(jìn)行積分，同樣可以得到圓筒壁膨脹距離- 時(shí)間關(guān)系，不需要再對(duì)相機(jī)拍攝的筒壁膨脹跡線進(jìn)行判讀和擬合，故本試驗(yàn)不再設(shè)置高速掃描攝影相機(jī)。圖2為試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)布置及示意圖。

圖2 使用VISAR的圓筒試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置布置及裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram and field photo of cylinder test using VISAR device

2 試驗(yàn)結(jié)果處理及討論

2.1 不敏感試驗(yàn)結(jié)果

1)快速烤燃試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行了3次，試驗(yàn)后試樣完全反應(yīng)，烤燃彈一側(cè)端蓋脫落，燃料槽體整體完好，即試樣反應(yīng)等級(jí)為V類(燃燒反應(yīng))?？焖倏救荚囼?yàn)產(chǎn)品試驗(yàn)后產(chǎn)品狀態(tài)見圖3.

圖3 快烤試驗(yàn)后試樣狀態(tài)Fig.3 Sample morphology after fast cookoff test

2)慢速烤燃試驗(yàn)。試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)檢查試驗(yàn)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)產(chǎn)品端蓋被沖開，產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)完整，無(wú)撕裂、變形等現(xiàn)象發(fā)生，試樣反應(yīng)等級(jí)為V類(燃燒反應(yīng))。慢速烤燃試驗(yàn)產(chǎn)品試驗(yàn)后產(chǎn)品狀態(tài)見圖4.

圖4 慢烤試驗(yàn)后試樣狀態(tài)Fig.4 Sample morphology after slow cookoff test

3)槍彈撞擊試驗(yàn)。試驗(yàn)共進(jìn)行2發(fā)，試驗(yàn)后：試驗(yàn)彈體均被槍彈穿透，試樣未發(fā)生反應(yīng)，殼體未破裂，驗(yàn)證板完好，反應(yīng)等級(jí)為VI類(無(wú)反應(yīng))，反應(yīng)后試樣狀態(tài)見圖5.

圖5 彈頭撞擊試驗(yàn)后試樣狀態(tài)Fig.5 Sample morphology after bullet impaction test

試驗(yàn)結(jié)果表明，GWL炸藥試樣在快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊考核過(guò)程中均只發(fā)生燃燒反應(yīng)，表明試樣不敏感性能較好。

2.2 圓筒試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)GWL炸藥試樣進(jìn)行50 mm標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)，得到圓筒壁的膨脹速度- 時(shí)間(u-t)關(guān)系，并對(duì)u-t關(guān)系進(jìn)行數(shù)值積分，得到圓筒壁的膨脹距離- 時(shí)間((R-R0)-t)關(guān)系，如圖6所示。圖6中，R為t時(shí)刻圓筒的半徑，R0為初始狀態(tài)下的圓筒半徑。

圖6 GWL炸藥試樣圓筒壁膨脹速度和距離Fig.6 Expansion velocity and distance of cylinder wall driven by GWL

炸藥在爆炸后，CL-20分解產(chǎn)生的氣態(tài)爆轟產(chǎn)物迅速膨脹并驅(qū)動(dòng)圓筒壁加速，該過(guò)程極為迅速，可在10 μs左右完成。從圖6中可以看出：圓筒開始膨脹的前15 μs內(nèi)達(dá)到了終態(tài)速度的70%以上，并且在這之后保持了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的緩慢加速過(guò)程，此時(shí)炸藥內(nèi)的Al-Zn粉體開始參與反應(yīng)并放出大量的熱，支持爆轟產(chǎn)物進(jìn)一步膨脹[14]；起爆后65 μs時(shí)圓筒膨脹距離達(dá)到41 mm的特征點(diǎn)，圓筒壁開始沿環(huán)向破裂，爆轟產(chǎn)物由圓筒壁內(nèi)逸出，圓筒內(nèi)氣體壓力迅速下降，加速過(guò)程基本結(jié)束。此時(shí)，爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容V=7，圓筒壁膨脹速度達(dá)到1 730 m/s.

2.3 JWL狀態(tài)方程的確定

JWL狀態(tài)方程是基于標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)得到的用于描述爆轟產(chǎn)物狀態(tài)的物態(tài)方程。JWL方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為

(1)

式中：p為爆轟產(chǎn)物的壓力(Pa);A、B、R1、R2和ω為待定參數(shù)；E為炸藥比內(nèi)能(kJ)。

在等熵條件下，JWL狀態(tài)方程的等熵形式為

pe=AeR1V+BeR2V+CV-(ω+1)，

(2)

式中：C為待定系數(shù)。

相比標(biāo)準(zhǔn)形式，等熵形式的JWL狀態(tài)方程描述了等熵線上的爆轟產(chǎn)物p-V關(guān)系，增加了待定系數(shù)C.

(3)

(4)

(5)

式中：E0=ρ0Qc，ρ0為炸藥初始密度，Qc為炸藥爆熱。

將一組R1、R2和ω的值代入(3)式～(5)式中，就得到了一組對(duì)應(yīng)的A、B和C的值，即狀態(tài)方程中只有3個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的。確定炸藥JWL狀態(tài)方程的方法是：由以上約束關(guān)系確定一組參數(shù)的值，代入仿真軟件對(duì)圓筒試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，將計(jì)算得到的圓筒膨脹過(guò)程與圓筒試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若結(jié)果偏移較大則重新取一組R1、R2和ω的值進(jìn)行計(jì)算，直到圓筒膨脹距離- 時(shí)間的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差不大于1%為止[16-17]。

應(yīng)用有限元分析軟件Autodyn對(duì)圓筒試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，建立二維軸對(duì)稱模型如圖7所示。炸藥與圓筒均采用Lagrange計(jì)算方法，圓筒材料為TU1無(wú)氧銅，采用Grǜneisen狀態(tài)方程及Johnson-Cook強(qiáng)度模型[18]。定義圓筒與炸藥間的接觸為External Gap類型，在炸藥左端中心設(shè)置起爆區(qū)域，起爆方式為面起爆；在距離起爆端300 mm水平位置上的筒壁處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)2.

圖7 圓筒試驗(yàn)有限元建模及網(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element modeling and meshing of cylinder test

經(jīng)過(guò)對(duì)炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)的調(diào)整得到JWL狀態(tài)方程參數(shù)，其中A=1 226.9 GPa，B=41.3 GPa，R1=5.5，R2=1.8,ω=0.31. 圖8、圖9為使用JWL狀態(tài)方程參數(shù)計(jì)算得到的GWL炸藥試樣數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的u-t及(R-R0)-t關(guān)系，可見圖9中兩條(R-R0)-t曲線基本擬合。

圖8 圓筒壁膨脹速度對(duì)比Fig.8 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion velocities

圖9 圓筒壁膨脹距離對(duì)比Fig.9 Comparison of simulated and experimental cylinder expansion displacements

u-t曲線在特征膨脹距離(R-R0=12 mm,25 mm,38 mm,50 mm)上的特征點(diǎn)速度相對(duì)誤差如表3所示，其最大誤差不超過(guò)1%.

由表3可知，試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果符合良好，說(shuō)明得到的澆注CL-20基金屬加速炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)較為準(zhǔn)確，可以有效描述圓筒試驗(yàn)過(guò)程中爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程。

表3 特征點(diǎn)速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

2.4 金屬粉對(duì)炸藥驅(qū)動(dòng)圓筒能力的影響分析

通過(guò)相同的試驗(yàn)條件得到GC炸藥的圓筒試驗(yàn)筒壁膨脹速度時(shí)程曲線，其與GWL炸藥試樣的圓筒試驗(yàn)筒壁膨脹速度時(shí)程曲線對(duì)比如圖10所示。

圖10 GWL和GC炸藥圓筒試驗(yàn)筒壁膨脹速度時(shí)程曲線對(duì)比Fig.10 u-t curves of clinder wall driven by GWL and GC

從圖10中可以看出，GC炸藥曲線在膨脹初期驅(qū)動(dòng)速度略微高于GWL炸藥驅(qū)動(dòng)速度，而在低壓區(qū)GC炸藥驅(qū)動(dòng)速度略低于GWL炸藥，這符合含鋁炸藥的能量釋放規(guī)律：爆轟初期，含鋁炸藥中的金屬粉不參與初期反應(yīng)，使得炸藥能量密度被稀釋，驅(qū)動(dòng)能力偏低；而在膨脹后期，金屬粉發(fā)生二次反應(yīng)放熱，使得爆轟產(chǎn)物內(nèi)能下降趨勢(shì)減緩，支持爆轟產(chǎn)物的膨脹過(guò)程延長(zhǎng)。但總的來(lái)說(shuō)，GC炸藥驅(qū)動(dòng)破片能力與GWL炸藥非常接近，但其安全性與GWL炸藥試樣有顯著差別，說(shuō)明GWL炸藥試樣達(dá)到了提高混合炸藥安全性，同時(shí)達(dá)到了其高金屬驅(qū)動(dòng)力的要求，證明了GWL混合炸藥組分設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

2.5 GWL炸藥試樣驅(qū)動(dòng)性能分析

圓筒試驗(yàn)得到的結(jié)果是在特定工況下炸藥驅(qū)動(dòng)能力的強(qiáng)弱，具有相對(duì)性，為了評(píng)估GWL炸藥試樣驅(qū)動(dòng)特性，需提供比較性的參照。在得到GWL炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)不同裝藥下的圓筒試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，從而通過(guò)比較得到相對(duì)性的結(jié)論。選取的炸藥及其性能參數(shù)見表4，其中，LX-14炸藥配方為HMX∶Estane=95.8∶4.2，是美軍上一代HMX基炸藥，其加工性能好、安全性高，并且有著第二代炸藥中較為優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)能力，爆速與GWL炸藥試樣相近；C-1炸藥配方為CL-20∶粘結(jié)劑=95.5∶4.5，是CL-20基壓裝炸藥，是現(xiàn)階段我國(guó)爆轟性能最強(qiáng)的常規(guī)炸藥之一，其爆轟性能對(duì)比如表4所示。

表4 GWL、LX-14和C-1炸藥的爆轟性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)3種裝藥的圓筒試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，所用JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表5所示。得到GWL炸藥與3種裝藥驅(qū)動(dòng)圓筒的膨脹速度時(shí)程關(guān)系對(duì)比如圖11所示。由圖11可見，C-1炸藥由于密度及爆速較高，驅(qū)動(dòng)性能明顯優(yōu)于其他兩種炸藥，終態(tài)膨脹速度比LX-14炸藥高4.8%，比GWL炸藥高2.1%. 比較LX-14炸藥和GWL炸藥的驅(qū)動(dòng)圓筒加速過(guò)程發(fā)現(xiàn)，起爆后70 μs前LX-14炸藥驅(qū)動(dòng)圓筒膨脹速度高于GWL炸藥，這主要是因?yàn)镚WL炸藥中的金屬粉在爆轟初期不參與反應(yīng)，反而稀釋了爆轟產(chǎn)物能量密度，使得在高壓區(qū)內(nèi)GWL炸藥驅(qū)動(dòng)能力弱于LX-14炸藥；而在70 μs后，鋁粉在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的二次反應(yīng)放熱支持GWL炸藥爆轟產(chǎn)物進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)圓筒壁，而此時(shí)LX-14炸藥已基本反應(yīng)完全，故GWL炸藥最終驅(qū)動(dòng)速度比LX-14炸藥高2.6%.

表5 GWL、LX-14和C-1炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

圖11 GWL、LX-14和C-1炸藥筒壁膨脹速度對(duì)比Fig.11 u-t curves of clinder wall driven by GWL, LX-14 and C-1

對(duì)GWL炸藥驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行對(duì)比研究可知，GWL炸藥在膨脹初期驅(qū)動(dòng)性能略低于LX-14炸藥，而由于鋁粉的存在，使得其驅(qū)動(dòng)筒壁膨脹最終速度略高于LX-14炸藥；GWL炸藥驅(qū)動(dòng)效果明顯低于C-1炸藥，這是因?yàn)镚WL炸藥密度和CL-20含量都遠(yuǎn)低于C-1炸藥，同時(shí)GWL還有著更好的安全性。綜上所述，GWL炸藥是一種在保證良好安全性的前提下，驅(qū)動(dòng)性能較好的CL-20基澆注炸藥。

3 結(jié)論

1)制備了一種澆注CL-20基金屬加速炸藥試樣GWL，含有84%的CL-20、9%粘合劑體系和5%的Al-Zn合金粉體，其實(shí)測(cè)密度1.78 g/cm3以上，爆速為8 750 m/s，爆壓為33.21 GPa，體積能量密度11.28 kJ/mm3；其藥漿流動(dòng)性較好，較壓裝CL-20基混合炸藥有著更好的加工性能；在快速烤燃、慢速烤燃及子彈撞擊不敏感性試驗(yàn)中均無(wú)爆炸現(xiàn)象發(fā)生，不敏感性良好。

2)采用50 mm標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗(yàn)測(cè)試了GWL炸藥的驅(qū)動(dòng)性能，并通過(guò)數(shù)據(jù)模擬得到了澆注CL-20基金屬加速混合炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)；對(duì)比不含金屬粉的GC炸藥，GWL炸藥驅(qū)動(dòng)性能基本一致，表明添加Al-Zn合金粉對(duì)炸藥的驅(qū)動(dòng)能力影響較小。

3)通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)比分析了GWL炸藥與兩種性能接近的炸藥的驅(qū)動(dòng)性能，結(jié)果表明GWL炸藥驅(qū)動(dòng)金屬破片的終態(tài)速度比C-1炸藥低2.1%，比LX-14炸藥高2.6%，具有良好的驅(qū)動(dòng)性能。