飞片冲击起爆高能钝感高聚物粘结炸药的实验研究

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。     

非理想高聚物粘结炸药冲击起爆反应流场拉格朗日分析

为对比奥克托今(HMX)基和三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘结(PBX)炸药冲击起爆反应流场的差异,研究非理想PBX炸药冲击起爆爆轰成长特性,采用拉格朗日分析方法,分别以PBXC03(以HMX为主)和PBXC10(以TATB为主)炸药拉氏实验获得的压力历史曲线作为输入量。构造径线,对守恒方程进行积分,求得冲击起爆反应流场中质点速度、相对比容以及比内能的变化。比较PBXC03和PBXC10炸药反应流场,结果显示PBXC10炸药在冲击波阵面后没有明显的质点速度增长过程,能量释放过程发生在冲击波阵面处。这表明HMX基和TATB基PBX炸药爆轰成长过程的物理机制存在较大差异。     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5～75 ℃)的冲击起爆压力成长过程.基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟.结果表明,随着温度升高(5～75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略.     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英文）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5~75℃)的冲击起爆压力成长过程。基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着温度升高(5~75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G_1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略。     

PBX炸药冲击起爆的改进细观反应速率模型

为了系统研究载荷和炸药细观结构对高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)冲击起爆爆轰成长的影响规律,考虑到炸药低压慢反应阶段的燃烧拓扑结构包含颗粒内部孔隙表面燃烧和颗粒外表面燃烧形式,以及装药密度的影响,引入燃耗因子和装药密度影响因子,改进了Duan-Zhang-Kim(DZK)细观反应速率模型。采用同一套反应速率模型参数,数值模拟各实验状态下HMX基PBXC03(87%HMX,7%TATB,6%Viton)的冲击起爆过程,数值模拟结果与实验测试结果均吻合较好,表明改进DZK反应速率模型可更好地描述和预测载荷和炸药细观结构对PBXC03冲击起爆爆轰成长过程的影响规律。在本研究装药和加载条件下,中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快;颗粒度越小,炸药越难点火,但一旦点火,爆轰成长最快。     

TATB基PBX的快速烤燃实验与数值模拟

根据TATB基高聚物黏结炸药(TATB基PBX)异常环境安全性特点(例如导弹发射失败),采用固体推进剂作为燃料开展了带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX快速烤燃小尺寸实验,模拟推进剂燃烧时具有一定约束炸药的响应情况,并且利用实验得到的炸药表面热流通量作为边界条件,采用高阶有限元法对炸药样品升温过程进行了数值模拟。实验中测量了炸药表面温度随时间变化情况,利用温度数据和Duhamel叠加原理计算得到炸药表面平均热流通量在其点火前为19.17 kW.m-2,在此平均热流通量条件下,带2 mm厚约束钢壳的TATB基PBX点火反应时间为95 s。研究结果表明,固体推进剂燃烧会在短时间内引起TATB基PBX点火燃烧反应,但不会发生猛烈的爆燃或爆轰现象。     

传爆药柱直径对主装药爆轰成长特性的影响

为了更好地研究传爆序列中主装药在传爆药作用下的爆轰成长特性,采用高速扫描相机,捕捉主装药柱中爆轰波沿侧面轴线的传播轨迹,结合数值模拟计算分析了起爆传爆过程。研究表明,与奥克托今（HMX）基理想炸药相对比,传爆药的尺寸变化对TATB基非理想炸药爆轰波的发展过程影响更明显,特别是当传爆药柱尺寸减小至Φ10 mm×5 mm时,TATB基炸药爆轰波的成长距离更长,爆轰波发展至40 mm位置处才趋于稳定爆轰。与一维冲击起爆过程不同的是,小尺寸传爆药柱冲击起爆作用下,主装药柱中爆轰成长过程表现为二维效应,因此沿轴向和径向化学反应速率的明显差异对爆轰传递的可靠性起重要作用。     

HMX基和TATB基PBX爆轰波的拐角性能

为了研究HMX基和TATB基高聚物粘结炸药(PBX)爆轰波的拐角性能,采用蘑菇(Mushroom)试验测试了HMX基炸药(含95%HMX的PBX-Ⅰ,含85%HMX和7%TATB的PBX-Ⅱ)和TATB基炸药(含95%TATB的PBX-Ⅲ)在起爆直径7mm和10mm条件下的出射角、熄爆角及延迟时间。结果表明,在起爆直径7mm的情况下,PBX-Ⅰ的出射角(75.5°)略大于PBX-Ⅱ的出射角(74.4°),PBX-Ⅰ和PBX-Ⅱ的熄爆角均为90°,都能够发展为类似球形,显示HMX基PBX均有较好的拐角性能。在起爆直径10mm的情况下,PBX-Ⅱ的出射角为78.6°,熄爆角为90°,PBX-Ⅲ的出射角为16.1°,熄爆角为60.4°。对于HMX基PBX,随着起爆直径的增大,出射角增大。在HMX基PBX中加入TATB,出射角减小。当HMX全部用TATB代替,出射角显著减小,三种炸药的拐角性能优劣顺序为:PBX-ⅠPBX-ⅡPBX-Ⅲ。     

2,4-二硝基苯甲醚基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性

为了探究钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性,建立化学爆炸加载一维拉格朗日锰铜压阻测试系统,获得了不同加载压力下一典型2,4?二硝基苯甲醚(DNAN)基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程压力成长历史。利用熔铸含铝Duan?Zhang?Kim(DZK)细观反应速率模型,确定了该钝感含铝炸药的反应速率模型参数,并对其冲击起爆过程进行了数值模拟研究。结果表明在钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程中,波阵面附近炸药的反应速率和反应程度均较低,而随着热点点火反应的进行以及化学反应的不断累积,炸药的波后化学反应速率不断增加,并在一段时间后到达峰值。当加载压力越高时,钝感熔铸含铝炸药内部的爆轰成长速率越快。同时,与粒子速度成长历史相比,压力成长历史包含更多的反应速率变化信息,更适用于反应速率模型的验证以及炸药反应流模型参数的确定。     

PBX炸药在滑道试验中的响应

介绍了钝感炸药滑道试验方法,对4种PBX炸药进行了滑道试验,利用高速相机观测炸药发生点火以及点火增长或熄灭的过程,利用超压传感器和加速度传感器测试了炸药反应超压和撞击加速度;试验结果表明PBX-1和PBX-2两种以TATB为基的炸药在落高为6.1 m、撞击角度14°的滑道试验中,表现比较钝感,符合钝感炸药的要求,而另外两种HMX基的PBX炸药则发生了点火,甚至发生了剧烈反应;在滑道试验中,热点的温度不仅与摩擦系数相关,而且与材料的力学性能和热物理性能有密切关系。     

凝聚相炸药拐角爆轰的数值模拟

基于多介质可压缩流体方程和炸药反应速率方程构建了三维凝聚相炸药爆轰的物理模型,建立了适用于多相爆轰混合反应区计算的热力学平衡迭代方法并开发了高效稳定的爆轰并行模拟软件,基于对比试验验证了物理模型、数值方法和软件模块的正确性。通过数值模拟不同拐角的爆轰过程,重点研究了凝聚相炸药拐角爆轰的波阵面结构、流场与化学反应的相互耦合和拐角处的二次起爆机理。结果表明,PBX9404炸药135°拐角比90°拐角衍射范围更大,波阵面结构受到当地流场波速的影响;爆轰波绕过拐角后由于流场涡流作用导致化学反应与前导激波解耦,形成临时"死区",随着拐角增大,拐角死区范围扩大;死区二次起爆的关键是混合反应区回爆波的作用时间大于拐角区域起爆的临界诱导时间。     

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m~(-1)提高到13.16 W·m~(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。     

奥克托今基和太安基两种炸药片静电放电响应特性研究

为研究成型炸药在静电放电作用下的响应特性,采用JGY-50静电火花感度仪,建立了可模拟击穿放电和表面放电两种放电情形的实验装置,对两种较为典型的奥克托今（HMX）基和太安（PETN）基炸药片进行了实验研究。研究发现：炸药片对静电的响应主要是热效应和冲击效应相互作用的结果。对于实验中偏脆性的HMX基炸药,静电的冲击作用效应较为明显。而对于实验中偏塑性的PETN基炸药,静电的热作用效应更为明显。在较高静电放电能量（3.43 J）作用下两种炸药片均未发生爆炸反应。分析认为这主要是由于成型炸药密度较高,且渗透性低,不利于静电放电能量的耦合以及反应后形成对流燃烧,致使反应无法自持而最终熄灭。     

HMX基PBX粒子速度测量的铝基组合电磁粒子速度计技术

为了精确测量奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆过程的Lagrange粒子速度随时间的变化,采用与炸药阻抗匹配的铝基组合电磁粒子速度计实验技术,测量了3.07,4.14,7.81,8.12 GPa入射压力下某HMX基PBX炸药样品中的Lagrange粒子速度随时间的变化。结果表明:铝基组合电磁粒子速度计时间响应快,感应单元冲击响应上升时间为20 ns。不同起爆压力下获得HMX基PBX炸药样品中1~8 mm深度处的Lagrange粒子速度随时间变化响应快、干扰小。     

24-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药圆筒试验及爆轰产物状态方程

为明确含铝炸药冲击起爆过程中爆轰产物状态方程参数的确定方法,采用2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸含铝炸药RA1（奥克托今(HMX)/DNAN/Al）和对应含氟化锂(LiF)炸药RF1（HMX/DNAN/LiF）开展50 mm标准圆筒试验。利用电探针测速法和光子多普勒速度测试技术获得RA1和RF1炸药的爆速和圆筒膨胀速度,并通过遗传算法和数值模拟技术分别确定两种炸药的爆轰产物状态方程参数。对比RA1与RF1炸药的圆筒速度变化曲线发现：在0~4.6 μs时间内,两曲线重合度较高;在4.6 μs以后,随着铝粉反应量的增加,两曲线出现明显分离。结果表明：铝粉在爆轰阶段反应量很少,反应主要发生在产物膨胀阶段,由此可得在含铝炸药冲击起爆过程中铝粉的反应量可近似忽略,冲击起爆数值模拟时含铝炸药爆轰产物的状态可由对应含LiF炸药的产物状态方程描述。     

高能不敏感PBX炸药非线性优化设计方法

为探索高能不敏感高聚物粘结炸药(PBX)配方设计理论和方法,基于PBX炸药构效关系研究,提出了高能不敏感PBX配方设计多目标非线性优化设计的一般数学模型。针对HMX/TATB//F2314/F2311体系,在实验研究获得感度-组成函数关系的基础上,建立了以圆筒比动能、特性落高、冲击波感度为多目标函数,以能量水平、感度水平以及组分含量范围为约束条件的具体数学模型,据此设计了8种能量水平的10个PBX配方,并给出了相应的能量和冲击波感度预估值。选择了其中4种配方进行实验验证,结果表明,设计模型给出的能量和冲击波感度预估值与实测值偏差分别在5%和6%以内,特性落高预估值与实测结果则在同一水平。     

固体炸药的反应速率方程与冲击波感度

研究了固体炸药反应速率方程中的系数与冲击波感度之间的关系。通过比较８种炸药的速率方程系数，发现点火因子Ｉ、燃烧生长因子Ｇ和耦合生成因子Ｘ能与冲击波起爆过程的各种特征相对应，从而用这三个因子的特定组合定义了３个冲击波感度参数，分别描述固体炸药的点火感度、爆轰感度和耦合强度。     

基于改进Hashin-Shtrikman方法预测PBX有效弹性模量

高聚物黏结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了80%以上,采用经典的细观力学模型Hashin-Shtrikman界限法获得的PBX有效弹性模量与实验测试值存在较大误差.引入含有炸药密度参数的"界面结合修正系数",得到了一个改进的Hashin-Shtrikman模型.设计了三种密度的以TATB为基的PBX,测定了相应的弹性模量值,并确定了模型的修正系数为0.813(ρ/ρ_0)~(8.64)和0.296(ρ/ρ_0)~(8.68).分别利用经典的和改进的Hashin-Shtrikman模型计算了该型PBX的有效体积模量和有效剪切模量,同时与实验值进行了对比.结果表明:以TATB为基的PBX其有效弹性模量随密度的减小呈指数形式衰减,且体积模量与剪切模量随密度的影响程度几乎一致,其指数约为8.6;改进的Hashin-Shtrikman模型的预测结果与实验值的误差在1%左右;改进后的模型合理,拟合精度高,适合于对双组分PBX有效弹性模量的预测.     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药冲击起爆特性

为钝感高能炸药安全性设计和应用提供理论依据和物理基础,深入开展钝感熔铸含铝炸药冲击起爆特性实验研究。建立蓝宝石飞片平面撞击加载炸药一维拉格朗日分析组合式电磁粒子速度计实验测试系统,测量2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程中不同拉格朗日位置的粒子速度-时间变化曲线,获得飞片撞击速度和固相炸药颗粒度等变化对其冲击起爆爆轰成长的影响规律,并确定了该熔铸含铝炸药的冲击Hugoniot关系（D=2.439+2.137u,D为冲击波传播速度,u为粒子速度）和未反应炸药状态方程参数。结果表明：DNAN基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程的典型粒子速度曲线呈驼峰状,冲击波阵面波后粒子速度明显上升并加速追赶前导波阵面,冲击起爆过程整体表现为加速反应特征;在该装药颗粒度级配范围和加载压力下,加载压力越高或固相炸药颗粒度越小,炸药冲击起爆爆轰成长越快,越早转为爆轰。