起爆高密度TATB炸药的飞片速度阈值*

2014-12-12 06:24吕军军曾庆轩李明愉周利存
爆炸与冲击 2014年1期
关键词:高密度装药炸药

吕军军,曾庆轩,李明愉,周利存

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)

TATB类炸药是以TATB炸药为基的钝感炸药,近几十年来,TATB类炸药的性能尤其是其短脉冲冲击的起爆性能,越来越受到关注。

J.Campos等[1]设计了新型的雷管起爆装置,首先采用微型雷管驱动二次飞片,飞片撞击起爆钝感装药PBX-RU81(以RDX炸药为基),该装置可用于直接起爆更钝感的主装药。实验中,采用Fabry-Perot光学测量装置记录了飞片位移曲线,并讨论了二次飞片厚度对RU81起爆性能的影响。W.C.Prinse等[2]设计了含有冲击片雷管、二次飞片、传爆药和主装药的起爆序列,实验证明采用不锈钢、聚酯薄膜和铝飞片可以起爆低密度TATB炸药(ρ=1.688g/cm3),但采用二次飞片未能起爆高密度的TATB炸药(ρ=1.842g/cm3)。B.He等[3]通过实验和数值模拟,系统研究了飞片起爆亚微米(炸药颗粒平均粒径为0.578μm)低密度(ρ=1.75g/cm3)TATB炸药的性能,得到了飞片直径、厚度与飞片可靠起爆TATB装药阈值速度的关系。

本文中,采用钝感起爆序列分别驱动二次飞片和三次飞片撞击TATB装药,利用全光纤激光干涉测速系统分别测得飞片可靠起爆和未起爆TATB炸药的速度,并结合数值模拟获得飞片驱动、TATB炸药起爆过程,在飞片尺寸一定的情况下,初步确定飞片起爆高密度TATB炸药(ρ=1.895g/cm3)的速度阈值范围。

图1 飞片起爆钝感TATB炸药实验示意图Fig.1 Experimental sketch of initiation of insensitive TATB explosive by flyer

1 飞片起爆钝感TATB炸药实验

为起爆钝感TATB炸药,设计了三次飞片起爆序列,飞片起爆钝感TATB炸药的实验装置如图1所示。脉冲功率装置产生的脉冲能量使金属爆炸箔发生快速电爆炸,爆炸形成的等离子体剪切并驱动聚酰亚胺飞片层产生飞片,起爆初级装药HNS-IV,初级装药爆轰驱动二次飞片冲击起爆二级炸药LLM-105,LLM-105炸药爆轰驱动三次飞片起爆钝感TATB装药。实验采用的初级装药为HNS-IV,尺寸为∅4mm×4mm;次级装药为分别为HNS-IV、RDX和LLM-105;二次飞片和三次飞片材料均为金属钛,其中二次飞片尺寸为∅4mm×0.11mm,三次飞片尺寸分别为∅4mm×0.11mm、∅6mm×0.11mm和∅10mm×0.11mm。

表1为部分飞片起爆钝感TATB炸药实验的序列结构和起爆结果。实验1、2、3直接采用HNSIV,增加HNS-IV装药量和采用RDX二级装药不能起爆钝感TATB炸药。实验4、5不含有二次飞片,初级装药HNS-IV直接接触起爆二级装药LLM-105并驱动飞片,高密度TATB装药未起爆。实验6、7中,初级装药HNS-IV驱动二次飞片撞击二级装药LLM-105,LLM-105装药爆轰驱动三次飞片撞击TATB装药,TATB装药稳定爆轰。

表1 飞片起爆钝感TATB炸药的实验及结果Table 1 Experiments and results of initiation of insensitive TATB explosive initiated by flyer

2 飞片速度测试和数值模拟

为初步获取∅6mm×0.11mm钛飞片起爆TATB装药的速度上下限,采用全光纤激光位移干涉测速测速系统(AFDISAR)对实验2、3三次飞片速度进行测量,分别获得飞片未起爆和可靠起爆TATB装药的飞片速度曲线。飞片速度测试如图2所示。三次飞片在炸药驱动下运动,将激光探头照射的光返回到耦合器,经光电探测器记录得到飞片的速度。

对LLM-105炸药爆轰驱动钛飞片的过程和钛飞片冲击起爆主装药TATB炸药的过程进行数值模拟,与实验结果进行比较。

图2 三次飞片速度测试示意图Fig.2 Sketch map of measurement of the third flyer velocity

简化实验模型,建立∅6.3mm×5mm和∅10.0mm×10mm的LLM-105炸药爆轰驱动飞片的模型,采用轴对称结构。在计算过程中,钛飞片采用弹塑性流体动力学模型,LLM-105采用高能炸药燃烧模型,采用JWL状态方程描述炸药的爆轰产物压力、体积和能量特性。JWL状态方程的形式为:

式中:p为压力,V 为相对体积,E 为内能,A、B、R1、R2和ω 为常数。在实验中,LLM-105密度为1.82g/cm3,参数分别为:A=852GPa,B=18GPa,R1=4.6,R2=1.3,ω=0.3,E0=10.2GJ/m3。

飞片起爆TATB炸药属于高压短脉冲冲击起爆,采用JWL方程描述未反应炸药和爆轰产物状态,采用三项式点火增长模型反应速率方程描述TATB炸药的反应过程。点火增长模型反应速率方程为:

式中:I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z是12个可调参数。ρ0为炸药初始密度,ρ0=1.895g/cm3,主要参数引自文献[4-5]。

3 结果分析

图3(a)为实验5的飞片速度曲线:在飞片速度上升阶段,实验结果和数值模拟结果比较一致,平滑段数值模拟结果大于实验结果,主要因为在数值模拟中,未考虑LLM-105炸药的爆轰稀疏波的影响,飞片也不受空气阻力的作用。图3(b)为实验6的飞片速度曲线,实验结果整体小于数值模拟结果,这是因为在数值模拟中,没有考虑稀疏波和空气阻力的作用。图3中,为了更清晰的得出飞片的速度曲线,对AFDISAR测速系统测得曲线的点进行了筛选。

图3 钛飞片速度Fig.3 Experimental and simulational results of titanium flyer speed

由表1和图3可知,当∅6mm×0.11mm钛飞片以3.834km/s的速度撞击TATB装药时,TATB装药未起爆,当∅6mm×0.11mm钛飞片以4.350km/s的速度撞击TATB装药时,TATB装药起爆。图4(a)是钛飞片以3.834km/s的速度撞击炸药时,炸药压力曲线的数值模拟结果。可以看出,炸药界面处的压力峰值为38GPa,受稀疏波的影响,炸药内压力逐渐减小,在8和9mm处压力不足20GPa,结果炸药没有稳定爆轰。图4(b)是钛飞片以4.350km/s的速度撞击炸药时,炸药压力曲线的数值模拟结果。可以看出,在炸药界面处的压力为约46GPa,随着爆轰波的传播,在2和4mm处的压力分别为38.38和35GPa,受稀疏波的影响,在8和9mm处压力分别降至29.19和29.5GPa。由炸药不同位置处的压力曲线可以判定,炸药达到稳定爆轰。

图4 炸药的压力曲线Fig.4 Pressure curves of explosives

4 结 论

采用现有的冲击片雷管直接驱动二次飞片不能起爆高密度TATB装药,通过飞片起爆序列实验设计,得出飞片可靠起爆高密度TATB装药的起爆序列,且序列中所用的装药满足钝感起爆序列许用装药要求。

采用AFDISAR系统,测得钛飞片未起爆和起爆TATB炸药的速度分别为3.834和4.350km/s。通过DYNA2D程序对飞片速度和起爆TATB炸药过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果一致。初步确定了钛飞片起爆高密度TATB装药的阈值速度范围。

[1]Campos J,Duncombe R,Erkol S,et al.Explosive initiation by micro-slapper[C]∥The 33th International Annual Conference of ICT.Karlsruhe:Fraunhofer-Institut fur Chemische Technologie,2002:1-10.

[2]Prinse W C,van’t Hof P G,Cheng L K,et al.High-speed velocity measurements on an EFI-system[C]∥The 27th International Congress on High-speed Photography and Photonics.Xi’an:International Society for Optics and Photonics,2007:62795E-62795E-10.

[3]He Bi,Long Xin-ping,Feng Chang-gen.Numerical simulation on shock-pulse initiation of submicron TATB[C]∥The 25th International Symposium on Ballistics.Beijing,2010:749-758.

[4]Tarver C M,McGuire E M.Reactive flow modeling of the interaction of TATB detonation waves with inert materials[C]∥The 12th International Detonation Symposium.San Diego,2002:641-649.

[5]Garcia M L,Tarver C M.Three-dimensional ignition and growth reactive flow modeling of prism failure tests on PBX 9502[C]∥The 13th International Detonation Symposium.Norfolk,United States:Department of Energy,2006.

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