0 引言
传爆序列是武器弹药中不可或缺的关键部件,能够将雷管释放的较小能量逐级传递并且放大,并最终实现主装药的可靠起爆。随着兵器技术的发展,传爆序列装药尺寸小型化越来越受到科研人员的关注,传爆序列的小型化,不仅可以减小武器系统的装药量,并且也直接降低了传爆序列受到外界刺激的概率,进而提升了武器弹药的安全性[1]。与此同时,传爆序列的小型化也对主装弹药的可靠起爆提出了更高要求,该过程具有一定的复杂性,既与主发装药的自身起爆特性有关,也与起爆药与主发装药的匹配性有关[2]。因此,开展炸药的起爆传爆特性研究具有重要理论意义与应用价值,能够深刻揭示炸药的起爆传爆规律,科学指导武器系统的传爆序列设计。
临界直径是描述炸药爆轰传播动力学的精确参量之一。目前,测量炸药临界直径的方法主要有以下几种:① 将炸药加工成圆锥形状,从大端面起爆,通过见证板或电学方法记录爆轰熄爆位置,进而获取炸药的临界直径[3-5];② 将药柱加工成直径逐渐递减的台阶式药柱,在最大端面处起爆,爆轰相继传过不同直径的炸药段,直至熄灭,熄灭位置对应的药柱直径即为临界直径[6-7];③ 分别用许多不同直径但相差很小的药柱做实验,用升降法获取爆轰稳定传播的最小直径与不能稳定传播的最大直径,取二者平均值,得出炸药的临界直径[8-9]。作为传爆序列,要达到可靠起爆主发装药的目的,必须提供足够的起爆能量,影响起爆能量的主要因素包括起爆药种类、装药密度、装药尺寸、装药量等[10],因此,开展起爆药与主发装药的匹配性分析也是很有必要的。目前,研究传爆效应的主要方法包括板痕法[11]、脉冲X光照相技术[12-13]、高速扫描相机技术[2,14-15]等。
DNTF是一种新型高能量密度材料,具有低熔点、高能量密度、高爆速、高作功能力等特点,可以替代TNT作为熔铸炸药载体,大幅提升熔铸炸药的能量[16]。本文中通过试验和数值仿真开展了某DNTF基炸药的起爆传爆特性研究,获取了该炸药的临界直径及其与起爆药的匹配特性,希望为该炸药的传爆序列设计提供参考。
1 起爆特性研究
1.1 临界直径试验
1.1.1 样品状态
主装药为DNTF基D-1炸药(DNTF/HMX/Al/钝感剂:28/56/13/3),密度1.87 g/cm3,爆速8 435 m/s,形状为截锥形,一端直径40 mm,一端直径4 mm,长度300 mm,如图1所示;起爆药为Φ10 mm×10 mm带雷管孔的JH14C药柱,密度1.67 g/cm3,爆速8 410 m/s。上述样品均由西安近代化学研究所提供。
图1 主装药示意图
Fig.1 Schematic diagram of main charge
1.1.2 试验方法
通过板痕法开展D-1炸药的临界直径试验,现场布局图如图2所示。由主装药、起爆药、雷管座、雷管及见证板组成。主装药大直径端安装有雷管座,雷管座内有起爆药和军用8号电雷管;见证板为500 mm×150 mm×10 mm的2A12硬铝板,与主装药两端对齐位置处画有标记线。由大直径端面处起爆主装药,爆轰产物会在见证板上留下痕迹,通过该痕迹判断主装药的熄爆位置,进而得到爆轰熄灭处的药柱直径,即为主装药的临界直径。
图2 试验布局图
Fig.2 Layout of the experiment
1.1.3 试验结果
采用上述方法开展D-1炸药的临界直径试验,试验后的见证板如图3所示,经过测量,D-1炸药的熄爆位置距小直径端面的距离l1为8 mm,通过式(1)可得熄爆位置对应的炸药临界直径Rx为4.96 mm。
(1)
图3 试验后的见证板
Fig.3 Witness plate after experiment
1.2 数值仿真
1.2.1 仿真模型
1) 有限元模型。
采用非线性动力分析软件AUTODYN建立数值仿真模型,模型由空气、起爆药、主装药、见证板组成,整体采用Euler算法,空气模型设置流出边界,并在沿主装药轴向每隔10 mm设置一个高斯点,共计31个,以获取该位置的压力-时程及反应度曲线。有限元模型如图4所示。
图4 仿真模型
Fig.4 Simulation model
2) 材料模型。
空气材料为AIR,采用IDEAL AIR 状态方程,其表达式为
P=(γ-1)ρe-Pshift
(2)
式(2)中:P表示压力;γ表示绝热指数;ρ表示密度;e表示内能;Pshift表示一个较小的初始压力。具体参数如表1所示。
表1 AIR参数
Table 1 AIR parameter
γρ/(g·cm-3)e/JPshift/GPa1.40.001 2252.068×1050
见证板采用Johnson-Cook强度模型和Shock状态方程,强度模型表达式为
(3)
式(3)中: A、B、C、n、m为材料常数;T0为参考温度;Tm为熔点;εp和
分别为等效塑性应变和等效塑性应变率;
为参考应变率。见证板参数如表2所示。
起爆药采用JWL状态方程,其表达式为
(4)
式(4)中:P为爆轰产物压力;V为相对体积;A、B、R1、R2、ω为JWL状态方程参数;E0为单位体积内能。具体参数如表3所示。
表2 见证板参数
Table 2 Witness plate parameters
A/MPaB/MPaCnmT0/KTm/ε0/s-12654260.0150.341.02947751
表3 JH-14C炸药参数
Table 3 JH-14C parameter
DCJ/(km·s-1)PCJ/GPaA/GPaB/GPaR1R2ω8.4130.4618.46.94.30.870.38
主装药采用Lee-Tarver点火增长模型,其反应速率方程式为
G1(1-λ)cλdPy+G2(1-λ)eλgPz
(5)
式(5)中: λ为反应度;t为时间; ρ为密度; ρ0为初始密度;P为压力;I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z为12个可调系数。经过拉氏试验标定的D-1炸药的Lee-Tarver点火增长模型参数如表4所示。
表4 D-1炸药的Lee-Tarver参数
Table 4 Lee-Tarver parameter of D-1
爆轰产物JWL状态方程参数未反应炸药JWL状态方程参数反应速率方程参数A=815.9 GPaA=952 200 GPaI=7.43×1011G2=550B=16.64 GPaB=-5.944 GPaa=0e=0.333R1=4.80R1=14.1b=0.667g=1R2=1.27R2=1.41x=20z=2ω=0.31ω=0.886 7G1=163λigmax=0.3E0=11.8 kJ/cm3Cv=2.487×10-3 GPa/Kc=0.667λG1max=0.31d=0.333λG2min=0y=2
1.2.2 计算结果
通过计算得到各高斯点的压力、反应度曲线如图5、图6所示。爆炸初始阶段,由于炸药直径远高于其临界直径,因此爆轰波能够稳定传播;随着炸药直径逐渐减小,侧向稀疏波对爆轰波传播的影响越来越显著,导致越来越多的能量被稀疏波耗散掉;当反应进行至12.21 μs时,波阵面峰值压力开始逐渐下降;到第42.29 μs时,波阵面峰值压力仅为0.87 GPa,爆轰产物能量不能维持爆轰的稳定传播,炸药熄爆,此时爆轰波传播至第30个高斯点,该位置对应的药柱直径为5.2 mm,即为D-1炸药的临界直径,该值与试验值基本吻合,二者误差为4.84%。
2 与起爆药的匹配特性
2.1 试验研究
2.1.1 试验方法
试验现场布置图如图7所示。由雷管、雷管座、起爆药柱、被测试样和见证板组成;起爆药为JH-14C,尺寸分别为Φ5×5 mm(0.16 g)、Φ10×10 mm(1.31 g)、Φ15×15 mm(4.42 g);主发药尺寸为Φ60×60 mm;见证板为Φ100×30 mm 的Q235钢靶,通过观察见证板上的凹坑痕迹判断主发药是否完全起爆。通过本试验获取与主发药匹配的最小起爆药量。
图5 高斯点压力-时程曲线
Fig.5 Pressure-time curve of the Gauss point
图6 高斯点反应度曲线
Fig.6 Reactivity curve of the Gauss point
图7 试验现场布局
Fig.7 Layout of the experiment
2.1.2 试验结果
不同起爆药量起爆D-1炸药后的见证板及残骸如图8所示,由图8可以看出,当起爆药柱尺寸为Φ5×5 mm(0.16 g)时,见证板上未见凹坑,现场回收到了大量未反应残药,由此判断,D-1炸药未完全起爆;当起爆药柱尺寸分别为Φ10×10 mm(1.31 g)、Φ15×15 mm(4.42 g)时,见证板上均出现了凹坑,且现场未回收到任何未反应残药,由此判断,D-1炸药发生了完全爆轰。因此,当起爆药柱长径比为1时,D-1炸药的最小起爆药量在0.16～1.31 g之间。
图8 试验后的见证板及残骸
Fig.8 Witness plate and wreckage after the experiment
2.2 数值仿真
2.2.1 仿真模型
采用AUTODYN软件建立最小起爆药量的二维轴对称仿真模型,模型由空气、起爆药、主发药组成,主发药尺寸为Φ60×60 mm,并在其对称轴上平均设置10个高斯点,获取高斯点的压力-时程和反应度曲线;起爆药长径比为1∶1,通过调整起爆药尺寸,获取主发药的最小起爆药量。整体采用Euler算法,空气模型设置流出边界。空气、起爆药、主发装药材料模型与上节所述材料模型一致。仿真模型如图9所示。
图9 最小起爆药量仿真模型
Fig.9 Simulation model of minimum primary explosive
2.2.2 计算结果
当起爆药尺寸为Φ7×7 mm时,初始时刻,主发药前端被部分起爆,此时,波阵面峰值压力为2.09 GPa;随着反应的进行,由于爆轰产物能量无法维持爆轰的稳定传播,因此,波阵面峰值压力逐渐下降,到7.92 μs时,压力仅为0.39 GPa;此后,主发药内无法再形成稳定的冲击波,炸药熄爆。高斯点的压力-时程曲线如图10(a)所示,反应度曲线如图10(b)所示。上述结果证明D-1炸药未完全爆轰。
当起爆药尺寸为Φ8×8 mm时,高斯点的压力时程曲线如图11(a)所示,初始高斯点的冲击波压力峰值为18.37 GPa,此后,波阵面峰值压力逐渐升高,最终形成稳定爆轰;图11(b)反应度曲线也证明了所有高斯点处的炸药均发生了完全反应。因此,该条件下炸药发生了完全爆轰。
图10 计算结果(起爆药尺寸Φ7×7 mm)
Fig.10 Simulation results (primary explosive size Φ7×7 mm)
图11 计算结果(起爆药尺寸Φ8×8 mm)
Fig.11 Simulation results (primary explosive size Φ8×8 mm)
综上所述,当起爆药长径比为1时,D-1炸药能稳定爆轰的临界起爆药(JH-14C)尺寸为Φ8×8 mm,对应的最小起爆药量为0.67 g,与试验结果一致。
2.3 长径比对最小起爆药量的影响规律
为了分析起爆药长径比对D-1炸药最小起爆药量的影响规律,通过数值仿真分别开展了起爆药长径比为0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5时的最小起爆药量计算,得到了不同起爆药长径比下能完全起爆D-1炸药的最小起爆药量如表5所示,由表5可以看出,最小起爆药量随长径比的增加而逐渐增加。
表5 不同长径比下的最小起爆药量
Table 5 Minimum primary explosive under different length diameter ratio
长径比最小起爆药尺寸/mm最小起爆药量/g0.25Φ11×2.750.440.5Φ9×4.50.480.75Φ8×60.51Φ8×80.671.25Φ8×100.841.5Φ8×121
3 结论
1) 分别通过试验和数值仿真方法得到了D-1炸药的临界直径,试验值为4.96 mm,仿真值为5.2 mm,二者基本吻合。
2) 起爆药长径比分别为0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5时,JH-14C起爆药能完全起爆D-1炸药的最小起爆药量分别为0.44、0.48、0.5、0.67、0.84、1 g,最小起爆药量随起爆药长径比的增加而逐渐增加。
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