典型同轴双元装药爆轰波传播特性试验研究

沈 飞，罗一鸣，余文力，王煊军

(1.火箭军工程大学，陕西 西安 710025；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引言

同轴双元装药是战斗部装药工程中常见的一种装药方式，早期主要采用不敏感炸药包裹高能炸药形成同轴式圆柱结构，以提升战斗部不敏感性能[1]。近年来，国内外一些研究人员尝试采用该装药结构调节战斗部整体装药的释能规律，以提升其爆炸威力或兼顾对不同目标的毁伤能力[2-6]，现已成为战斗部装药设计领域关注的热点之一。

工程中设计该类装药的常见思路是选用两种不同爆速的炸药进行组合，且爆速偏低的炸药为高爆热的含铝炸药。高爆热炸药可提升整体装药的总能量，同时，在高爆速炸药持续的强激发下，高爆热炸药可能会形成一定程度的强爆轰，从而有望提高能量的释放速率[4]。因此，高爆热炸药发生强爆轰的程度及分布区域便成为同轴双元装药结构设计时需考虑的关键问题之一。通过狭缝扫描法获取装药整体爆轰波形并据此分析其爆速分布特征是研究装药强爆轰区域分布的重要方法，一些研究人员也开展了相关的工作，如Manfred Held[7]设计了Octol炸药(C-J爆速8.3mm/μs)包裹TNT炸药的同轴双元装药，观测了装药端面的爆轰波阵面，发现内外层装药的爆轰波发生了耦合，形成整体聚心波形，TNT炸药沿装药轴向的滑移爆轰速度(以下简称“滑移爆速”)大幅提升；沈飞等[8]针对DNTF基熔铸炸药制备的同轴双元装药进行了类似的波形扫描试验，发现高爆速炸药的滑移爆速几乎不变，并受两种炸药爆速差的影响而逐渐改变低爆速炸药的爆轰波形，且在波形被改变的区域，其滑移爆速均显著提升；周涛等[9]采用电探针测速法测量了两种同轴装药内外层炸药沿轴向的滑移爆速，发现两种装药中，低爆速炸药的滑移爆速均有明显提升，尤其是高爆速炸药包裹低爆速炸药的工况中提升幅度更大。

然而，滑移爆速只是在装药轴向观测的爆轰波传播速度，其量值与观测的角度相关，高爆热炸药滑移爆速的提升可能并不意味着发生了强爆轰，还需要结合爆轰波沿波阵面法向的传播速度(以下简称“法向爆速”)进行分析。此外，Anderson等[10-11]在双元平板装药中的研究成果也对两种炸药的耦合激发过程带来了一些新的认识，他们发现，两种不同爆速的炸药平行传播时，虽然两种炸药的滑移爆速与高爆速炸药近乎一致，但在交界面处存在高爆速炸药已反应区域从垂直方向对低爆速炸药未反应区域形成横向起爆的现象，并在低爆速炸药交界面附近存在一个初始激发区域，该区域的法向爆速较低，爆轰释能速率也偏低[12]，而其他区域的法向爆速仍等于自身的C-J爆速，即属于稳态爆轰。对于同轴型双元装药而言，两种炸药交界面处应该也存在这样的初始区域，但是该区域的范围可能会发生改变；此外，与平板双元装药明显不同的是，位于同轴双元装药内层或外层的高爆热炸药被横向起爆后，其爆轰波的传播还受到结构曲率、爆轰波汇聚等方面的影响，导致其脱离初始区域后，不一定发展为稳态爆轰，可能还会出现强爆轰，这将会对整体装药的爆轰释能速率产生显著影响。为了进一步探讨该问题，本研究采用不同爆速的DNTF基炸药、DNAN基含铝炸药制备出高爆速炸药包裹低爆速炸药、低爆速炸药包裹高爆速炸药的两类典型同轴双元装药试样，获取其爆轰波形的演变过程、沿轴向的滑移爆速等，然后分析爆轰波阵面的偏转角、曲率及法向爆速等在装药横截面分布规律，判断不同区域的爆轰强度，以期能为同轴双元组合装药释能速率的深入研究及结构的优化设计提供技术支撑。

1 试 验

1.1 试验样品

试验样品制备时涉及两种熔铸类炸药，其中，高爆速炸药采用DNTF基含铝炸药DOL，其组分为DNTF/HMX/Al/钝感剂，铝粉质量分数为5%；低爆速炸药采用DNAN基含铝炸药DRLU，其组分为DNAN/RDX/AP/Al，铝粉质量分数为30%。两种炸药的性能参数列于表1。

表1 两种炸药的性能参数

试样分为A和B两类典型同轴双元装药结构，结构A为高爆速炸药包裹低爆速炸药，结构B为低爆速炸药包裹高爆速炸药。所有试样均为Φ50mm圆柱形，其中，内层装药为Φ35mm，内外层装药的质量比约为1，试样的结构组成及参数列于表2，图1为典型试样装配后的照片。鉴于很多杀爆战斗部装药的长径比近似为2，故试样长度选用100mm，而试样1和2的长度偏短，主要是用于研究试样3爆轰波形的演变过程。所有试样均粘接一个Φ50mm炸药平面透镜，以确保试样起爆时的爆轰波形具有较高的平面度。

表2 装药试样的结构类型及参数

图1 试样实物图

1.2 试验布局

试验前，在待测装药的测量端面粘贴1mm厚的有机玻璃光探板以提升爆轰波阵面图像的空间分辨率，然后按照图2对试验场地进行布局。待测装药固定于木制支架的“V”形槽内，以减小边界约束条件对爆轰波形的影响；SJZ-15型转镜式高速扫描相机的狭缝观测线与装药直径方向的光路重合，以记录装药尾部端面的爆轰波形，相机转速设定为1.2×105r/min，其对应的扫描速度为6mm/μs。此外，将两根断通式电探针分别置于装药两端的高爆速炸药对应区域，两根电探针导通的时间差即为爆轰波到达端面的最短时间，也可据此计算出高爆速炸药在该装药结构中沿轴向的滑移爆速。

图2 实验装置示意图

2 结果及讨论

2.1 药柱端面爆轰波形及数据处理方法

图3为不同试样的爆轰波形扫描试验所获图像，图像左侧为爆轰波阵面的前端面，采用高精度比长仪对图像左侧的黑白分界线进行数字化判读，并结合相机的扫描速度及底片的放大比，便可得到爆轰波到达装药端面不同位置处的相对时间差。

图3 不同试样的爆轰波形扫描照片

为便于后续分析，可选择爆轰波最早到达装药端面的时刻(该位置处于高爆速炸药区域)作为零时刻，选择装药轴线对应的位置作为纵坐标的零点，则可获得装药端面不同半径R与爆轰波延迟到达时间Δt之间的关系曲线，即R—Δt数据曲线。再结合高爆速炸药两端的电探针导通时间差t0，则可获得该装药不同半径处沿轴向的滑移爆速Da值，即：

(1)

而对于研究波形演变过程的试样(结构相同、长度不同)，如计算试样2和3的Da值时，可采用式(2)：

(2)

式中：j表示试样的编号。若试样2和3与端面波形相近，则不同半径处的Da值已基本稳定。

为构建爆轰波阵面的几何曲线，令x=Da·Δt，则可将R—Δt数据曲线转换为R—x数据曲线，便于后续进行拟合、微分等数据处理。由于同轴多元装药的爆轰波阵面形状受结构因素影响较大，与单一炸药药柱的拟定态波形有显著差异，目前还没有明确的波阵面曲线拟合公式，因此，可采用常用的正交多项式函数进行拟合，确保R—x曲线的拟合精度。

爆轰波阵面的各物理量存在图4所示的几何关系。图中DF为高爆速炸药沿装药轴向的滑移爆速，由于高爆速炸药主要为平面波，因此，DF也等于其法向爆速；θ为爆轰波阵面的偏转角，即波阵面法向与装药轴向的夹角；Da、Dn分别为低爆速炸药的滑移爆速、法向爆速。

图4 爆轰波阵面参数关系图

根据图4中的物理量关系，可获得如下关系式[13]：

θ=arctan(dx/dR)

(3)

(4)

完成R—x曲线的拟合处理后，可根据式(3)和式(4)计算出相应的物理量分布情况。对于爆轰波阵面上当地平均曲率κ的变化，可采用式(5)计算：

(5)

2.2 聚心波形的演变过程及基本特性

针对高爆速炸药包裹低爆速炸药的同轴双元装药(结构A)所产生的聚心波形，为了研究其演变过程，选择3种不同长度的试样分别进行试验，其中，试样1和试样2的长度分别约为试样3的1/3及2/3。根据高爆速炸药区域两端的电探针导通时间差t0计算出该类试样中，DOL炸药沿轴向的滑移爆速约为8.52mm/μs，略低于该炸药的C-J爆速(8.65mm/μs)，这可能是由于外层DOL炸药的厚度(仅为7.5mm)较小，受侧向稀疏波干扰所致。图5(a)为这3种试样的爆轰波形R—Δt数据曲线，再结合式(1)或式(2)，可计算出不同半径处的滑移爆速，如图5(b)所示。从图5(b)可以看出，该类同轴双元装药中，内层炸药的滑移爆速随着传播距离的增加存在显著的增长并稳定的过程，最终整个波阵面的轴向速度与外层炸药的爆速几乎相同。结合Da—R曲线及R—Δt曲线，可获得爆轰波阵面的几何曲线，如图5(c)所示。从图5(c)可以看出，试样2和试样3的波形几乎重合，说明该类同轴双元装药的爆轰波传播至长径比为0.66～1.3之间的某个位置时，整体波形便已达到稳定状态；在两种炸药的交界面附近区域，试样1与试样3的波形也较为吻合，说明整个波形并不是随着传播距离的增加而实现所有区域同时到达稳定状态，而是局部稳定，然后逐渐扩大稳定区域，试样1的长径比虽然仅为0.66，但内层炸药的稳定区域已覆盖交界面至R=13mm的范围，该区域的炸药质量占内层炸药的55%。

建立波形的R—x曲线后，可根据式(3)和式(4)计算出波阵面的偏转角、法向爆速等参量。图5(d)为偏转角θ的分布曲线，可以看出，在两种炸药的交界面处(R=17.5mm)，波阵面的偏转角接近50°，这显然是DOL炸药对DRLU炸药的横向起爆所致，然后偏转角迅速下降，至轴线附近时，其数值接近0；试样1与试样3的波形偏转角在内层DRLU炸药的中部区域差异显著，这主要是由于轴线附近的爆轰波会发生碰撞及汇聚，从而形成强爆轰，其较高的爆速又反向影响其外侧区域，这使得试样3波形的偏转角在中间区域会产生一个明显的拐点。从图5(c)也可以看出这一趋势，7.5mm

图5(e)为法向爆速Dn的分布曲线，对比图中试样1和试样3的曲线可以看出，8mm

图5 聚心爆轰波传播时的参量分布曲线

2.3 散心波形的基本特性

对于低爆速炸药包裹高爆速炸药的同轴双元装药(结构B)所产生的散心波形，本研究中主要基于试样4的波形参量进行分析。根据高爆速炸药区域两端的电探针导通时间差t0，计算出该试样中DOL炸药的滑移爆速约为8.61mm/μs，近似其C-J爆速。对于长径比为2的装药，其端面的波形已基本稳定，整体装药的滑移爆速与DOL相同，则根据试验获得的R—Δt曲线可获得爆轰波阵面的几何曲线，如图6(a)所示。从图6(a)可以看出，内层DOL炸药的爆轰波阵面主要仍为平面波形，仅在两种炸药的交界面附近有一定弯曲；外层DRLU炸药的波阵面长度与图5(c)所示的试样3相近，约为9mm。

图6 散心爆轰波的参量分布曲线

根据式(3)和式(4)可计算出外层DRLU炸药的波阵面偏转角θ及法向爆速Dn的分布曲线，如图6(b)所示。从图6(b)可以看出，在交界面处(R=17.5mm)的偏转角约为55°，然后随着半径R的增大而逐渐降低至30°，其下降速率低于试样3，说明其波阵面较试样3的内层DRLU炸药更为平坦。法向爆速Dn从5.0mm/μs逐渐增至7.4mm/μs，根据其分布情况，可将外层DRLU炸药划分为两个区域，17.5mm

2.4 两种装药爆轰波的Dn(κ)关系对比

通过对图5(e)及图6(b)的分析，对两种典型同轴双元装药试样的爆轰区域进行了划分，虽然当两种炸药的C-J爆速差、药量比、装药尺寸等发生变化时，各区域的范围会发生一定的变化，但从定性的角度看，当同轴双元装药的整体爆轰波达到稳定状态后，其爆轰区域的划分规律仍是适用的，其组成示意图如图7所示。

图7 典型同轴双元装药不同爆轰区域示意图

图中主要关注低爆速炸药中发生强爆轰的区域，结构A中的强爆轰区域面积及强度均大于结构B，原因不仅包括其受到外层高爆速炸药和轴线处汇聚波同时作用，还包括其所处位置的曲率较大，这能够促使爆轰波的相互作用，提升其爆轰强度。

为了更直观地对比两种装药中的低爆速炸药爆轰强度与波阵面曲率κ的关系，可采用式(5)对试样3和4的数据进行分析，同时采用Dn/Ds反映爆轰波的强度，其中，Ds表示低速炸药的C-J爆速，计算结果如图8所示。

图8 两种同轴双元装药试样的Dn(κ)关系曲线

从图8可以看出，DRLU炸药的法向爆速随着波阵面曲率的增大而逐渐增至高爆速炸药的C-J爆速，即波阵面陡峭处的爆轰强度较高，波阵面平坦处的爆轰强度偏低；对于发生强爆轰(Dn/Ds>1)的区域，试样3的曲率范围较大，其最大曲率接近0.5，远远大于试样4，结合图5(e)可判读大曲率范围处于轴线附近。可以预测，当装药尺寸增大时，对于结构A式的同轴双元装药，其波阵面陡峭处可能仍局限在装药轴线附近，而其余大部分区域的波阵面则可能受装药半径的影响而变得更为平坦，从而降低其爆轰强度；而对于结构B式的同轴双元装药，爆轰强度的下降可能会使初始激发层以外的区域进入稳态爆轰状态。当然，这是否会使装药的释能速率产生显著的尺寸效应，还有待进一步的研究。

3 结 论

(1)爆轰波传播过程中，爆轰波形的演变主要发生在低爆速炸药中，且在两种炸药的交界面附近区域最先达到稳定状态，然后逐渐扩大稳定范围；波形稳定后，低爆速炸药的轴向速度等于高爆速炸药。

(2)两种炸药的交界面附近，低爆速炸药由于受高爆速炸药的横向激发，出现一定厚度的初始区域，该区域的法向爆速低于其C-J爆速，且结构A中初始区域的药量约占低爆速炸药的36%，而结构B中，该比例提升至77%。

(3)从两种炸药的交界面向内，可将结构A中的低爆速炸药依次划分为初始区域、强爆轰区域和汇聚区域，其波形曲率逐渐增大，法向爆速提高，其中，汇聚区域的药量仅占低爆速炸药药量的5%，但其爆轰强度高，其法向爆速与高爆速炸药相同，可与高爆速炸药联合提高其他区域的反应速率；从两种炸药的交界面向外，可将结构B中的低爆速炸药依次划分为初始区域、强爆轰区域，但该强爆轰区域的爆轰强度明显低于结构A。