薛樂星, 王曉峰, 馮曉軍, 徐洪濤, 馮 博, 田 軒

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

高能不敏感化一直是炸藥的發(fā)展趨勢,隨之而來也表現(xiàn)出難起爆、能量釋放不完全等問題。為了解決這些問題,等離子體起爆作為一種高能不敏感的起爆方式發(fā)展起來。等離子體起爆利用在金屬絲中加載脈沖大電流,在焦耳熱作用下金屬絲快速熔化、汽化、電離,產(chǎn)生高溫高壓的等離子體,作用于炸藥從而實現(xiàn)起爆。

早在20世紀(jì)80年代初,潘邦金[1]以金絲作為等離子體源,起爆了多種炸藥。其中雙(2,2,2-三硝基乙基)硝胺(HOX炸藥)和太安(PETN)易被電爆炸等離子體起爆,而奧克托今(HMX)和黑索今(RDX)則難以起爆。這是因為其研究中所用的爆炸絲尺寸較小,儲能電容器中的能量不足3J,因此爆炸絲所激發(fā)的等離子體能量和密度較小,導(dǎo)致等離子體對高能炸藥的起爆可靠性較低。此外HOX炸藥顆粒越大爆轟增長所需時間越長,徑向爆速也越小。

雖然炸藥的等離子體起爆研究較早,但是重點主要集中在太安等高感度藥在等離子體起爆下的應(yīng)用研究。日本熊本大學(xué)[2-5]利用爆炸絲等離子體技術(shù)起爆粉狀太安從而得到了平面、會聚和發(fā)散三種類型的爆轟波。Hiroe等[6]利用三股銅爆炸絲作為等離子體源起爆太安,研究了起爆位置對圓筒實驗的影響,發(fā)現(xiàn)沿圓筒中軸放置的爆炸絲比偏心放置和中軸中心放置起爆效果好,得到的圓筒膨脹速率最大。湯鐵鋼等[7]和張振濤等[8]利用太安在等離子體起爆下軸向同步性高的特點設(shè)計了爆炸膨脹環(huán)裝置,用以研究材料在高應(yīng)變率拉伸加載時的動態(tài)性能。馬鵬等[9]通過對比最小全發(fā)火電壓得到起爆藥的等離子體感度順序為苦味酸鉛>疊氮化鉛>斯蒂芬酸鉛>硝酸肼鎳。

盡管等離子體起爆技術(shù)作為一種安全可靠的起爆方法,在太安、起爆藥等高感度炸藥領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用,但是,一方面受限于等離子體發(fā)生裝置中儲能電容器的大小,電爆炸激發(fā)的等離子體雖然功率很大,但是總能量較低; 另一方面電爆絲與炸藥之間采用傳統(tǒng)的端面裝配方法,使得等離子體與炸藥的能量交換區(qū)較小。這兩方面原因?qū)е碌入x子體起爆單質(zhì)高能炸藥的可靠性較差。等離子體直接起爆高能炸藥作為一種新興的無起爆藥起爆技術(shù),對于不敏感武器系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

為此,本課題組搭建了理論儲能可達3.6 kJ的脈沖等離子體發(fā)生裝置,采用金屬絲貫穿炸藥的裝配方式以增大等離子體與炸藥的能量交換區(qū),以鎳-鉻絲(Ni-Cr)和鎢絲(W)電爆炸作為等離子體產(chǎn)生源,以典型二代炸藥奧克托今(HMX),常見不敏感炸藥2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105),1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7),N-脒基脲二硝酰胺鹽(FOX-12),三氨基三硝基苯(TATB)和常用含能載體2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)為對象,研究了裝藥密度、粒度和金屬絲材質(zhì)對等離子體起爆HMX的影響規(guī)律,得到了單質(zhì)炸藥的等離子體感度順序,對等離子體起爆低密度炸藥的機理作了合理推斷。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

起爆實驗裝置如圖1所示,等離子體由脈沖功率源經(jīng)同軸電纜對金屬絲放電產(chǎn)生。脈沖功率源起爆電壓10～35 kV可調(diào),其中儲能電容器電容6 μF,示波器采用Tektronix DPO 7104C。

2.2 實驗樣品及方法

HMX: 由805廠生產(chǎn),粒度為140 μm和21 μm; TATB: 575廠生產(chǎn); LLM-105,FOX-7和FOX-12由西安近代化學(xué)研究所合成; DNAN: 湖北東方化工有限公司生產(chǎn)。TATB、LLM-105、FOX-7、FOX-12和DNAN的粒度為100～120目(可通過100目篩,但不能通過120目篩)。

金屬絲材質(zhì)為Ni-Cr絲(80∶20)和鎢絲,直徑0.3 mm,長120 mm。裝藥管材質(zhì)為有機玻璃管,外徑10 mm,內(nèi)徑6 mm,長50 mm。見證板材質(zhì)為鋁,尺寸150 mm150 mm2 mm。

圖1 起爆實驗裝置圖

1—脈沖功率源, 2—同軸電纜, 3—金屬絲, 4—有機玻璃管, 5—炸藥, 6—見證板, 7—信號線, 8—示波器

Fig.1 The initiationexperiment setup

1—pulse power supply, 2—coaxial cable, 3—metal wire, 4—organic glass tube, 5—explosive, 6—witness plate, 7—signal line, 8—oscilloscope

實驗時,將散裝炸藥裝填到有機玻璃管中,金屬絲沿有機玻璃管中軸穿過炸藥,有機玻璃管兩端用膠帶密封。金屬絲與脈沖功率源的同軸電纜相連,保持試樣管水平,距離見證板中心30 mm。裝配完成后,對脈沖功率源設(shè)定所需的起爆電壓,按下放電開關(guān)實現(xiàn)起爆。起爆過程中利用羅氏線圈和電容分壓器測定流過金屬絲的電流和金屬絲兩端的電壓。實驗后以見證板表面凹痕判定炸藥是否爆轟。

3 結(jié)果與討論

3.1 電爆炸等離子體表征

等離子體強度對炸藥起爆響應(yīng)至關(guān)重要,Φ0.3 mm×120 mm的Ni-Cr絲電爆炸時的電壓電流曲線如圖2所示,其電流曲線中均出現(xiàn)了二次峰,這一現(xiàn)象與文獻[7]中所述相符。電流曲線中的二次峰可作為等離子體產(chǎn)生的充分條件,二次峰起始位置為等離子體產(chǎn)生的時刻。

a. 15 kV

b. 20 kV

c. 30 kV

圖2 不同起爆電壓下Ni-Cr絲電壓/電流-時間曲線

Fig.2 Curves of Ni-Cr wire voltage/current vs time for different initiation voltage

裸金屬絲在起爆電壓大于等于15 kV的實驗中均捕捉到了電流二次峰現(xiàn)象,因此可以斷定在此電壓范圍內(nèi)的電爆炸均產(chǎn)生了等離子體。對比圖2a、圖2b、圖2c不同起爆電壓下金屬絲電爆炸時的電壓、電流曲線,可以發(fā)現(xiàn)隨著起爆電壓由15 kV上升至30 kV,放電周期幾乎不變,峰值電流逐漸上升,分別是-6.5,-11.5 kA和-13.2 kA,而二次峰位置逐漸提前,產(chǎn)生等離子體的時刻分別是6.7,5.0 μs和4.5 μs。由圖2可見,隨著起爆電壓的升高,產(chǎn)生等離子體所需的時間逐漸縮短,相應(yīng)的等離子體存在的時間延長,注入到等離子體中的能量逐漸升高。

3.2 結(jié)果與討論3.2.1 等離子體起爆炸藥的影響因素研究

為了研究炸藥裝藥密度、粒度和金屬絲材質(zhì)對炸藥等離子體起爆響應(yīng)的影響,設(shè)定脈沖功率源起爆電壓20 kV,采用Φ0.3 mm×120 mm的Ni-Cr絲和鎢絲作為等離子體源,以粒度140 μm和21 μm的HMX為起爆對象,進行起爆實驗,實驗詳細(xì)配置參數(shù)和金屬絲中電流數(shù)據(jù)見表1。

表1 HMX等離子體起爆實驗參數(shù)和電流數(shù)據(jù)

Table 1 Experiment parameters and current data of HMX plasma initiation

sampleparticlesize/μmdensity/g·cm-3metalwireIm/kATP/μs1#1401.0944Ni-Cr-6.993.832#1400.9840Ni-Cr-7.233.803#210.7120Ni-Cr-7.323.834#210.7182W-4.382.11

Note:Imis the crest current value;TPis the time of first crest.

3.2.1.1 炸藥狀態(tài)對等離子體的影響

等離子體起爆HMX過程中金屬絲上的電流曲線如圖3所示,與圖2相比可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)存在炸藥介質(zhì)時,電爆炸等離子體的電流信號有如下特點: (1)電流曲線均沒有振蕩,一個波峰之后電流曲線即歸零; (2)圖3中試樣1#、試樣2#和試樣3#均沒有明顯的二次峰現(xiàn)象。

裸金屬絲電爆炸時之所以會出現(xiàn)電流曲線振蕩,是因為等離子體中的能量需多次振蕩后才能釋放完全。而有炸藥時,金屬絲激發(fā)等離子體后,由于其有很高的反應(yīng)活性會迅速被周圍的炸藥顆粒捕獲,導(dǎo)致等離子體能量快速消耗而不會出現(xiàn)電流振蕩。通常以電流曲線中的二次峰作為形成等離子體的標(biāo)志,圖3中試樣1#、試樣2#和試樣3#均沒有二次峰,但是在一次峰之后有一個明顯的拐點(圖3紅圈標(biāo)記處),此時金屬蒸汽電離產(chǎn)生等離子體后回路電阻增大速率變慢,電流下降速度會有明顯減緩。因此圖3中試樣1#、試樣2#和試樣3#電流曲線下降沿的拐點即為等離子體產(chǎn)生的時刻。

炸藥對金屬絲電爆炸過程有著明顯的影響。圖2b中裸金屬絲電爆炸時的峰值電流為-11.5 kA,對應(yīng)的峰值時刻為5.0 μs,圖3中試樣1#、試樣2#和試樣3#的峰值電流分別為-6.99,-7.23 kA和-7.32 kA,對應(yīng)的峰值時刻分別為3.83,3.80 μs和3.83 μs?？梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)有炸藥存在時,金屬絲電爆炸時的峰值電流明顯小于裸金屬絲,但是峰位置明顯提前,這是因為等離子體與炸藥反應(yīng)導(dǎo)致回路電阻增大所致。

圖3 HMX起爆實驗電流曲線

Fig.3 Current curves of HMX initiation experiments

Note: The red circle mark is the moment when plasma is generated

雖然炸藥對放電過程有顯著影響,但是炸藥狀態(tài)對金屬絲放電的影響較小。由圖3中試樣1#、試樣2#和試樣3#可見,對于同一規(guī)格的Ni-Cr絲,炸藥不同裝藥密度(圖3中試樣1#、試樣2#)和粒度(圖3中試樣1#、試樣3#)下對應(yīng)的放電曲線基本相同,表1中三者的峰值電流強度和一次峰時刻也基本相同。

金屬絲材質(zhì)對等離子體的產(chǎn)生有明顯影響。鎢絲作等離子體源時的電流曲線如圖3中試樣4#所示,與Ni-Cr絲相比,鎢絲的電流曲線有明顯的二次峰,且二次峰強度大于一次峰,但是鎢絲的峰值電流明顯較小,約為Ni-Cr絲峰值電流的60%。分析原因可能是鎢絲的汽化溫度較高,在這個溫度下鎢原子已經(jīng)開始離子化,所以在一次峰之后電流迅速重新增大形成二次峰,而Ni-Cr絲汽化溫度較低,仍需一定的能量注入才能電離。

3.2.1.2 密度、粒度和金屬絲材質(zhì)對炸藥等離子體起爆響應(yīng)的影響

等離子體起爆HMX的見證板照片如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn),圖4b見證板有少量凹痕較深,而圖4a見證板的凹痕較淺,深凹痕的數(shù)量也少于圖4b見證板。根據(jù)炸藥爆轟理論,爆轟性能與裝藥密度緊密相關(guān),裝藥密度越低,爆轟增長的時間和反應(yīng)區(qū)寬度越大,而裝藥密度越大則爆轟性能如爆速、爆壓等越大。樣品1#裝藥密度比樣品2#大10%,但其見證板痕跡較小,即爆壓較小,這與炸藥爆轟理論不符,說明在此實驗條件下見證板更多的反映了炸藥的等離子體起爆過程,而非炸藥本身的爆轟反應(yīng)。對比樣品1#和樣品2#,發(fā)現(xiàn)相同的等離子體起爆下,低密度裝藥的炸藥對等離子體起爆的響應(yīng)更為劇烈,爆轟效果也更好。

a. sample 1#b. sample 2#

c. sample 3#d. sample 4#

圖4 HMX起爆實驗見證板

Fig.4 Witness plates of HMX initiating experiments

樣品3#采用21 μm HMX為起爆對象,圖4c見證板中凹痕的面積和深度均明顯大于見證板a和b,凹痕也更為密集的存在于見證板中心,同時見證板整體有較為明顯的變形。對比樣品2#比樣品3#可以發(fā)現(xiàn)粒度對HMX的等離子體起爆響應(yīng)影響很大,顆粒尺寸小的HMX更易起爆。

由圖4c和圖4d可見,見證板c中的凹痕分布密度和深度均明顯大于見證板d,表明在相同炸藥和起爆條件下Ni-Cr絲的起爆能力明顯強于鎢絲,說明金屬絲材質(zhì)對炸藥等離子體起爆響應(yīng)有顯著影響。對比圖4a、圖4c與圖4d可以發(fā)現(xiàn),見證板d的毀傷程度介于見證板a和見證板c之間,表明炸藥粒度的影響比金屬絲材質(zhì)更為顯著,粒度越細(xì)起爆響應(yīng)越劇烈。

3.2.2 五種炸藥等離子體起爆實驗

選擇單質(zhì)不敏感炸藥LLM-105,FOX-7,FOX-12,TATB和含能載體DNAN為起爆對象,裝藥密度為50%理論密度,Ni-Cr絲起爆。進行炸藥在等離子體起爆下的響應(yīng)實驗,實驗結(jié)果見表2,見證板照片如圖5所示。

表2 炸藥在等離子體起爆下的響應(yīng)實驗

Table 2 Respone experiments of explosives initiated by plasma

explosivevoltage/kV101520FOX-7×√-FOX-12×√-LLM-105×√-DNAN△△√TATB××√

Note: ×: no detonation; △:ablation; √:detonation; -: no experiment.

由圖5可見,起爆電壓10 kV時所有炸藥均不能實現(xiàn)爆轟,只能將有機玻璃管中的炸藥炸散,DNAN發(fā)生了一定程度的燒蝕,在見證板上留下了黑色粘結(jié)物; 起爆電壓15 kV時,FOX-7、FOX-12和LLM-105起爆后見證板上有明顯凹痕,即三者均實現(xiàn)了爆轟,而DNAN、TATB仍然只能將散裝炸藥打散,見證板上也沒有明顯凹痕。DNAN的燒蝕程度相比10kV更為顯著,見證板上殘留大量黑色粘結(jié)物; 起爆電壓20 kV時,DNAN、TATB也實現(xiàn)了爆轟,在見證板上留下了顯著的凹痕。

在上述實驗的基礎(chǔ)上以最小全發(fā)火電壓確定不敏感炸藥的等離子體感度,實驗條件與上文相同,實驗結(jié)果見表3。大量的裸金屬絲實驗表明,起爆電壓小于等于10kV時電爆炸不會產(chǎn)生等離子體,因此DNAN雖然在10kV時可以全發(fā)火,但是并非等離子體的作用,可以認(rèn)為是電爆炸的熱作用點燃。綜合可得低密度裝藥時炸藥的Ni-Cr等離子體感度順序為HMX>LLM-105≈FOX7>FOX-12>TATB。

a. FOX-7 10 kV b. DNAN 10 kV

c. LLM-105 10 kV d. DNAN 15 kV

e. FOX-7 15 kV f. LLM-105 15 kV

g. DNAN 20 kV h. TATB 20 kV

圖5 炸藥起爆實驗見證板

Fig.5 Witness plates of explosives initiating experiments

表3 炸藥的等離子體感度數(shù)據(jù)

Table 3 Plasma sensitivitydata of explosives

explosive100%ignitionvoltage/kVFOX-715FOX-1216LLM-10515DNAN10TATB21HMX14

3.3 起爆機理探究

目前對電爆炸等離子體起爆太安的機理研究較多,普遍認(rèn)為屬于沖擊起爆機理。Lee[10]認(rèn)為電爆炸產(chǎn)生等離子體時會激發(fā)高達1.5 GPa的沖擊波,而同等條件下太安爆轟增長距離只需10 μm。潘邦金[1]基于沖擊起爆機理中的顆粒燃燒理論,定量研究了HOX炸藥顆粒尺寸與反應(yīng)時間的關(guān)系。

表4列出了HMX、LLM-105、FOX-7、FOX-12和TATB的等離子體感度、熱感度和機械感度[11-17]。由表4可見,與熱起爆、機械起爆和沖擊起爆不同,等離子體起爆表現(xiàn)出優(yōu)秀的起爆能力,分析原因可能是金屬絲電爆炸產(chǎn)生的等離子體溫度可達數(shù)千攝氏度[1],等離子體的膨脹速度達到數(shù)千米每秒[10],并伴隨產(chǎn)生可達數(shù)十兆帕的沖擊波壓力[18],這些都會作用到炸藥上,因此推斷電爆炸等離子體起爆低密度炸藥是沖擊波和熱共同作用的結(jié)果,應(yīng)屬于混合起爆機理。

傳統(tǒng)沖擊起爆機理和顆粒燃燒理論認(rèn)為等離子體起爆過程中,炸藥顆粒主要受到?jīng)_擊波作用而發(fā)生燃燒形成熱點,忽略了等離子體顆粒的作用。從電爆炸過程來看,電爆炸本身會產(chǎn)生納米級[19]的等離子體顆粒,對于空隙率大于等于50%的小尺寸裝藥,等離子體顆?？梢源┻^表層炸藥顆粒,其與炸藥顆粒的相互作用不可忽略。

表4 炸藥的活化能和感度[11-17]

Table 4 Activation energy and sensitivity of some explosives[11-17]

explosiveactivationenergy/kJ·mol-1explosiontemperature/℃impactsensitivity/cmshockwavesensitivity/mmplasmasensitivity/kVHMX278.833532-(2)14LLM-105257.553671173.65(4)15FOX-7249.892151266.22(-)15FOX-12258.25192>159-16TATB221384170-(5.5)21

Note: “-” represents no available data. The values in brackets are shock wave sensitivity in GPa.

綜合以上信息提出基于等離子體顆粒碰撞的顆粒燃燒模型,如圖5所示。金屬絲電爆炸時首先會激發(fā)沖擊波作用于炸藥分子,隨后電爆炸產(chǎn)生的等離子體射流也會轟擊到炸藥顆粒上,由于等離子體顆粒溫度高、富含活性粒子,有很高的反應(yīng)活性,可迅速引燃炸藥顆粒。電爆炸等離子體具有很高的軸向同步性,因此軸向炸藥可實現(xiàn)同步引燃并向深層炸藥傳播。與此同時,高達50%的空隙率導(dǎo)致一部分等離子體經(jīng)過炸藥顆粒間的空隙直接進入炸藥深處,碰撞并引燃深層炸藥,近軸線炸藥和深層炸藥燃燒釋放能量后迅速使炸藥由燃燒增長為爆轟。

圖6 炸藥等離子體起爆模型

Fig.6 Plasma initiating modle of explosives

這一模型可以較好的解釋前文的實驗結(jié)果。在HMX起爆實驗中可以發(fā)現(xiàn),炸藥裝藥密度和炸藥粒度對炸藥起爆響應(yīng)有影響,裝藥密度決定著炸藥裝藥的空隙率,空隙率決定了炸藥中可用于等離子體穿梭的空隙多少,而粒度表征了炸藥顆粒的大小,決定著炸藥與等離子體相互作用的面積。當(dāng)裝藥密度較小時,炸藥顆粒間空隙較多,這樣等離子體可以擴展到距離軸線更遠(yuǎn)的炸藥顆粒中,實現(xiàn)更大范圍的炸藥引燃,從而縮短炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟所需的時間和距離,炸藥更易被等離子體起爆,爆轟效果也更好。炸藥粒度較小時,炸藥顆粒的比表面積更大,這樣可以更充分的與等離子體發(fā)生反應(yīng),引燃單顆炸藥顆粒所需的等離子體數(shù)量也更少,這樣等離子體中的能量就可以更高效的輸入到炸藥中,炸藥也就更易被起爆。這也解釋了HMX與不敏感炸藥LLM-105、FOX-7、FOX-12的等離子體感度相近的現(xiàn)象。而TATB感度低可能是因為苯基炸藥性質(zhì)穩(wěn)定,與等離子體顆粒的反應(yīng)活性低所致。

4 結(jié) 論

針對等離子體起爆高能炸藥可靠性差的問題,搭建了高能脈沖等離子體發(fā)生裝置,基于Ni-Cr絲和W絲電爆炸產(chǎn)生的等離子體,采用金屬絲貫穿的裝配方法,研究了炸藥在等離子體起爆下的響應(yīng),拓寬了高能不敏感炸藥的可靠起爆途徑,得到如下結(jié)論:

(1) 金屬絲電爆炸產(chǎn)生等離子體時受起爆電壓的影響,起爆電壓由15 kV上升至30 kV時,峰值電流由6.5 kA上升至13.2 kA,產(chǎn)生等離子體所需的時間由6.7 μs縮短至4.5 μs。電爆炸周圍的介質(zhì)對峰值電流有顯著影響,峰值電流由裸金屬絲的11.5 kA降至炸藥存在時的6.99 kA;

(2) 單質(zhì)炸藥的等離子體起爆響應(yīng)受裝藥密度、炸藥粒度和金屬絲材質(zhì)的影響。裝藥密度1.0 g·cm-3時HMX起爆響應(yīng)優(yōu)于1.1 g·cm-3、粒度21 μm優(yōu)于140 μm。相同起爆電壓和炸藥裝藥狀態(tài)下,Ni-Cr絲等離子體對HMX的起爆能力明顯優(yōu)于鎢絲等離子體;

(3) 相同等離子體源和炸藥狀態(tài)下,單質(zhì)炸藥的等離子體感度隨炸藥種類的不同而變化。50%理論密度裝藥下的Ni-Cr絲等離子體感度順序為HMX>LLM-105≈FOX-7>FOX-12>TATB,DNAN由電爆炸的熱作用引燃。

(4) 推斷等離子體起爆低密度炸藥屬于混合起爆機理,基于電爆炸過程提出了等離子體顆粒碰撞炸藥顆粒的顆粒燃燒模型。

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