白志玲，段卓平，景莉，刘益儒，欧卓成，黄风雷

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.北京空间机电研究所，北京100094；3.北京应用物理与计算数学研究所，北京100088）

飞片冲击起爆高能钝感高聚物粘结炸药的实验研究

白志玲1，段卓平1，景莉2，刘益儒3，欧卓成1，黄风雷1

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.北京空间机电研究所，北京100094；3.北京应用物理与计算数学研究所，北京100088）

为了对比奥克托今（HMX）基和三氨基三硝基苯（TATB）基高聚物粘结（PBX）炸药冲击起爆爆轰建立过程的差异，研究高能钝感炸药的爆轰成长特性，采用火炮驱动铝飞片实现平面冲击加载，建立一维拉格朗日锰铜压阻实验测试系统，得到高能PBXC03（以HMX为主）和高能钝感PBXC10（以TATB为主）炸药冲击起爆爆轰成长过程的不同拉格朗日位置处压力变化历史和前导冲击波时程曲线。结果表明：高能钝感PBXC10炸药的爆轰建立过程与高能PBXC03炸药明显不同，HMX基和TATB基PBX炸药冲击起爆和爆轰成长的物理机制存在较大差异。基于所得数据可标定高能钝感PBX炸药的反应速率方程。

兵器科学与技术；爆轰；高聚物粘结炸药；冲击起爆；飞片；拉格朗日实验

0 引言

奥克托今（HMX）炸药能量密度高，但临界起爆压力低，较敏感；而三氨基三硝基苯（TATB）炸药的临界起爆压力高，非常钝感，但其能量较低［1］。为了解决炸药能量与感度的矛盾，HMX/TATB混合基高能钝感高聚物粘结（PBX）炸药得到了广泛关注。平面加载下一维拉格朗日量计测试技术是研究炸药冲击起爆性能最直观有效的手段，包括电磁粒子速度计测速技术［2-3］和锰铜压阻传感器测压技术［4-5］，可详细记录反应冲击波后流场变化的相关宏观信息，反映出炸药冲击起爆和爆轰成长过程的特性。

近年来，Wen等［6］和温丽晶等［7-8］采用炸药平面透镜爆轰加载及空气与隔板综合衰减技术，建立基于锰铜压阻传感器的一维拉格朗日实验分析系统，对PBXC03（以HMX为主，含有少量TATB）和PBXC10（以TATB为主，含有部分HMX）两种炸药的爆轰建立过程进行了研究。在研究过程中发现，如果模拟上述炸药透镜爆轰加载实验状态下炸药的冲击起爆爆轰建立过程，炸药起爆的加载压力边界条件必须采用上述实验测得的炸药表面0mm位置处的压力变化历史，这样显然耦合了0mm位置炸药后期的化学反应，带来的后果是，后期化学反应产生的气体产物会形成压缩波，不断追赶和加强前导冲击波，从而影响后续拉格朗日位置处的压力历史。刘益儒等［9］也指出了利用上述方法得到的数据来数值模拟冲击起爆过程，确定反应速率方程参数会带来较大误差。

本文采用火炮驱动铝飞片实现平面冲击加载，建立一维拉格朗日锰铜压阻实验测试系统，得到PBXC03炸药和PBXC10炸药冲击起爆爆轰建立过程中不同拉格朗日位置的压力变化历史，并比较这两种炸药的爆轰成长过程的差异。利用该数据进行数值模拟时可采用飞片速度为加载条件，边界条件与后续反应无关，实验数据可为进一步分析反应速率模型提供较客观的依据。

1 实验设计

铝飞片冲击起爆一维拉格朗日锰铜压阻测试系统如图1所示。实验原理是利用火炮驱动铝飞片在炮膛内加速，当弹托飞离炮口时，飞片速度达到稳定并以一定的速度撞击铝隔板，在铝隔板中产生一个平面冲击波，传入待测试的PBX炸药中，实现对炸药的平面冲击加载。其中，炮口处的光纤激光测速系统测得飞片速度，同时炮口处的快响应光纤激光触发系统触发高速同步脉冲恒流源，给埋在炸药中4个不同拉格朗日位置h（h1、h2、h3、h4，即炸药受飞片冲击表面到传感器的距离）的锰铜压阻传感器供电，通过示波器记录电压信号，继而获得当地压力信息。

图1　铝飞片冲击起爆一维拉格朗日实验分析测试系统Fig.1 One-dimensional Lagrangian experimental test system for aluminum flyer impact initiation

铝飞片的尺寸为φ50mm×12mm，待测PBX炸药样品直径为φ50mm，3块薄片炸药与一块25mm厚的炸药相叠，嵌入4个锰铜压阻传感器，通过改变薄片炸药的厚度来调整所需测试的拉格朗日位置。图2为实验用的一组PBX炸药样品。实验时使用H型锰铜压阻传感器（电阻R0≈0.2Ω），压阻关系［10］为

式中:ΔR/R0=ΔU/U0，U0是冲击波未到达传感器时示波器记录的恒流源基线电压值，ΔU为冲击波达到传感器时压阻效应产生的电压变化值。为了保持爆轰压力测量时间，传感器用聚四氟乙烯薄膜包覆，第一个位置传感器使用的薄膜厚度为0.2mm，剩余3个位置传感器使用的薄膜厚度均为0.1mm，并使用真空硅脂封装。最后，将组装好的炸药固定在炮口，如图3所示。

图2　PBX炸药样品Fig.2 A set of PBX sample used in experiment

图3　实验装置实物图Fig.3 A typical flyer impact initiation experimental setup with laser velocimeter

2 实验结果分析与讨论

两种炸药各自的具体组分配比及细观参数见表1所示。每一发实验均需测4个拉格朗日位置的压力变化历程。图4为示波器记录到的一组典型实验信号，每条曲线代表一个拉格朗日位置的压力变化历程，根据（1）式即可将示波器记录的电压值转化为压力值。

表1　PBXC03和PBXC10炸药组分和配比Tab.1 Components and particle sizes of PBXC03 and PBXC10

图4　典型实验信号Fig.4 A typical set of test signal recorded by oscilloscope

图5　不同飞片速度下PBXC03爆轰建立过程不同拉格朗日位置的压力历程Fig.5 Measured pressure histories at different Lagrangian positions of PBXC 03 at two kinds of flyer velocities

图5为两种飞片速度下PBXC03炸药冲击起爆的爆轰建立过程中不同拉格朗日位置的压力变化历位置锰铜压阻传感器记录到的压力历程的平台值，图5中每条曲线右下角的数字表示拉格朗日位置。当飞片速度为709m/s时，加载压力低，0mm位置前导冲击波过后短时间内压力几乎没有变化，这是由于在低压力加载下前导冲击波过后炸药反应程度较小，随着反应的进行，压力才逐渐升高；3mm、6mm和9mm位置的前导冲击波阵面压力没有明显增长，但波后压力增长速率依次变快，压缩波峰值压力的到达时间与阵面到达时间逐渐拉近，但9mm位置炸药未能转为爆轰。当飞片速度为1050m/s时，加载压力值增高，随着拉格朗日位置深度增加，波后压力增长明显变快，压力高峰不断向前追赶导冲击波阵面，最终在6mm位置附近转变为爆轰。对比PBXC03炸药在不同飞片速度下的爆轰建立过程中不同拉格朗日位置的压力历程，可以看出:首先，反应冲击波在早期发展过程中，前导冲击波阵面压力没有明显增长，但波后压力逐渐增大，压力高峰不断向前追赶前导冲击波阵面，最终转为爆轰，说明PBXC03炸药中波阵面处形成的热点点火不起主要作用，推动压力增长的主要动力是波后流场中的反应所产生的压缩波；其次，飞片速度变大，加载压力增大，前导冲击波阵面压力增大，波过后压力增长明显变快，说明PBXC03炸药在不同加载压力下产生的热点数量和尺寸不同，导致前导冲击波过后反应程度不同，所以压力增长快慢不同，本文的实验现象也非常好地证实了Grebenkin［11］基于热点概念对HMX基PBX炸药冲击起爆物理机制的解释:HMX基PBX炸药的宏观化学反应动力学受热点密度控制。

图6为两种飞片速度下PBXC10炸药冲击起爆的爆轰建立过程中不同拉格朗日位置的压力变化历程。当飞片速度为1323m/s时，在0mm、4mm和8mm位置前导冲击波过后压力没有明显的增长趋势，这是由于PBXC10炸药爆炸产物温度较低，热点形成后尺寸增长缓慢，导致宏观的化学反应速率较低，这也与Grebenkin［11］对TATB基PBX炸药冲击起爆物理机制的分析一致:TATB基PBX炸药的宏观化学反应动力学受微观热点燃烧波传播速度控制。随着拉格朗日位置深度增加，前导冲击波阵面压力不断增大，这是因为未反应PBXC10炸药在冲击波作用下的压缩度增大，产生的热点数量增多，说明在较高冲击压力作用下，冲击波阵面附近的反应对PBXC10炸药转爆轰的贡献较大，随后炸药的化学反应形成燃烧波，不断加强前导冲击波，最后在12mm位置发展成稳定爆轰。当飞片速度稍增大到1344m/s时，PBXC10炸药爆轰建立过程中压力变化历程与上述过程一致。总之，PBXC10炸药起爆压力高，随着拉格朗日位置深度增加，前导冲击波阵面压力增大，但波后压力没有明显增长趋势，这是与PBXC03炸药冲击起爆的爆轰建立过程最显著的区别。

不同飞片速度下PBXC03和PBXC10炸药前导冲击波的时程曲线如图7（a）、图7（b）所示。从图7可以看出:飞片速度增加，PBXC03炸药中前导冲击波速度增长变快，到爆轰时间变短，炸药感度高；而PBXC10炸药中前导冲击波速度增长缓慢，到爆轰时间长，炸药钝感。此外，可以看出本文的锰铜压阻实验测试系统精度较高，如图7（b）所示，两发试验飞片速度相差非常小，实验系统能够精确测量记录到一致的信号。

图6　不同飞片速度下PBXC10爆轰建立过程不同拉格朗日位置的压力历史Fig.6 Measured pressure histories at different Lagrangian positions of PBXC 10 at two kinds of flyer velocities

3 结论

1）相比炸药透镜爆轰加载实验系统，火炮驱动铝飞片实验系统也可实现平面冲击加载，建立炸药冲击起爆一维拉格朗日锰铜压阻实验分析测试系统，利用该数据进行数值模拟时可采用飞片速度为加载条件，边界条件与后续反应无关，实验数据可为进一步分析反应速率模型提供较客观的依据。

2）PBX03炸药前导冲击波过后有明显的压力增长过程，而PBXC10炸药波后没有明显的压力增长过程。结果表明:HMX基PBX炸药在不同加载压力下产生的热点数量和尺寸不同，所以前导冲击波过后反应程度不同，压力增长快慢不同；而TATB基PBXC炸药临界起爆压力高，起爆时压缩度大，热点数量接近饱和，但爆炸产物温度较低，热点形成后尺寸增长缓慢，导致宏观的化学反应速率较低。通过以上对TATB基高能钝感PBX炸药冲击起爆热点机制的进一步认识，为后续建立高能钝感PBX炸药冲击起爆反应速率方程提供理论依据和实验数据。

致谢 中国工程物理研究院流体物理研究所张旭研究员、黄文斌副研究员为实验提供了大力支持。

图7　不同飞片速度下PBXC03和PBXC10炸药的前导冲击波时程曲线Fig.7 Time-distance curves of shock fronts of PBXC03 and PBXC10 at various flyer velocities

（References）

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Experimental Research on Initiation of Insensitive High Energy Plastic Bonded Explosives by Flyer Impact

BAI Zhi-ling1，DUAN Zhuo-ping1，JING Li2，LIU Yi-ru3，OU Zhuo-cheng1，HUANG Feng-lei1
（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China；3.Institute of Applied Physics and Computational Mathematics，Beijing 100088，China）

In order to study the difference between detonation processes of HMX-based and TATB-based plastic bonded explosives and know more about the detonation growth characteristics of insensitive high energy explosives，an one-dimensional Lagrangian experimental test system is built based on manganin piezoresistive pressure gauge measurement technique，in which the aluminum flyers are used for planar impact loading.The impact initiation experiments are performed for PBXC03（mainly HMX）and PBXC10（mainly TATB）explosives.The pressure histories at different Lagrangian locations and the time-distance curve of shock front are obtained through experiment.The results show that the detonation growth progress of PBXC10 explosives distinctly distinguishes from that of PBXC03 explosives.This indicates that the physical mechanism of the shock initiation and detonation growth of HMX-based plastic bonded explosives is different from that of TATB-based plastic bonded explosives.The experimental data can be used to calibrate the reaction rate equation of insensitive high energy explosives.

ordnance science and technology；detonation；plastic bonded explosive；shock initiation；flyer；Lagrangian experiment

O381

A

1000-1093（2016）08-1464-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.018

2016-04-06

国家自然科学基金重点项目（10832003、11076032）

白志玲（1989—），女，博士研究生。E-mail:zhilingbai@yeah.net；段卓平（1965—），男，研究员，博士生导师。E-mail:duanzp@bit.edu.cn