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      不同炸藥在激光輻射下響應特性

      2021-08-11 06:46:34牛國濤趙生偉金大勇曹少庭
      科學技術與工程 2021年20期
      關鍵詞:延遲時間熱電偶殼體

      牛國濤, 趙生偉, 金大勇, 曹少庭, 牛 磊

      (1.西安近代化學研究所, 西安 710065; 2.西北核技術研究所, 西安 710024)

      炸藥的激光點火通常認為是一個光能轉換為熱能的過程,炸藥吸收光能后,溫度升高,當達到點火溫度時,炸藥發(fā)生燃燒或爆炸。激光的能量在其傳播方向的橫截面上呈高斯分布,在光斑中心處的能量流密度最大,所以利用激光對炸藥進行輻射,不僅可以研究炸藥的激光點火機理,而且對研究炸藥的激光感度、激光作用下炸藥的易損性、武器的激光防護等有重要的意義。激光燒蝕激發(fā)炸藥反應的一系列實驗涉及的炸藥量在毫克量級,同時激光提供的能量和作用區(qū)可以精確控制,中外已用于炸藥反應動力學研究,Roy等[1]觀測了激光燒蝕含鋁炸藥后產生的沖擊波傳播,并測量了波后瞬態(tài)溫度的空間分布;Gottfired等[2]對鋁等多種金屬基底的黑索金(RDX)粉末進行了激光燒蝕,提供了不同金屬材料的激發(fā)效率和溫度效果;伍俊英等[3-6]研究了在飛秒激光作用下RDX和奧克托今(HMX)燒蝕的微觀機理,當激光能量較高時,炸藥分子瞬時分解成高溫高壓等離子體,當激光能量較低時,炸藥分子以完成氣化擴散逃逸;對LX-17和LX-10炸藥進行了激光燒蝕進行了數(shù)值計算,結果表明燒蝕產物等離子體和激光作用區(qū)外附近炸藥的初始壓力較高;并研究了飛秒激光加工炸藥的安全性;劉嘉錫等[7]研究了單脈沖飛秒激光燒蝕梯恩梯(TNT)炸藥過程的熱效應,結果表明峰值溫度高于TNT的點火溫度,由于炸藥內熱效應區(qū)域小,高溫持續(xù)時間短,沒有發(fā)生點火現(xiàn)象;湛贊等[8]研究了半導體激光起爆炸藥試驗與仿真研究,結果表明半導體激光直接可以起爆摻雜1%炭黑的太安炸藥;郭文燦等[9]對激光燒蝕下含鋁炸藥發(fā)射光譜分布和瞬態(tài)溫度進行了測量;Collins[10]研究了含能材料激光誘導燃燒的特性。前人研究多為激光直接作用于炸藥的燃燒、溫度、壓力及動力學,而以強激光輻照戰(zhàn)斗部毀傷為背景的炸藥響應研究較少。

      為此,從試驗出發(fā),利用激光對裝有不同類型炸藥的約束裝置進行輻射,研究激光對炸藥的響應特性以及不同炸藥之間響應差異,為炸藥在激光作用下的易損性提供參考。

      1 試驗

      1.1 材料和儀器

      原材料:端羥基聚丁二烯(HTPB)體系的黏結劑(NJ);梯恩梯(TNT),湖北東方化工有限公司;黑索金(RDX)、奧克托今(HMX),甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司、鋁粉(Al),西北鋁粉分公司、自制復合鈍感劑(FHD-1)。

      試驗儀器:激光器型號為YLS-2000光纖激光器,最大功率2 000 W;鎳鉻鎳硅熱電偶測試溫度最大可達到1 200 ℃。溫度測試系統(tǒng)由鎳鉻鎳硅熱電偶、補償導線、電壓放大器、電纜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機組成。

      1.2 試樣制備

      試驗采用3種配方,兩種類型炸藥,其中熔鑄炸藥為梯奧鋁(TOL)和梯黑鋁(THL),高分子黏結炸藥為PBXN-109,主要組分如表1所示。

      表1 TOL、THL、PBXN-109主要組分

      將混合好的3種炸藥裝填到如圖1所示裝置中,該裝置炸藥約束外徑80 mm,內徑40 mm,固定環(huán)外徑140 mm,每種炸藥裝填3發(fā)試驗彈,每發(fā)試驗彈約裝填炸藥16 g。其中假藥為水泥制成,裝于炸藥與封蓋之間,用于絕熱減少裝藥中熱量散失。炸藥和假藥完全固化后,上好蓋板,備用。共使用5支鎳鉻鎳硅熱電偶,一支在裝藥底部中心,其余4支環(huán)繞放置,距離中心10 mm分別焊接在裝藥底部,經過炸藥、假藥與引線孔與溫度測試系統(tǒng)連接,熱電偶布置如圖1所示。

      圖1 激光輻射試驗用炸藥約束裝置和熱電偶布置

      1.3 試驗裝置和布置

      試驗在空曠場地進行,炸藥約束裝置(殼體)放置在防護體內,通過熱電偶與溫度測試系統(tǒng)相連,激光器放置在防護體外與炸藥保持在同一水平面上,激光通過防護體上的玻璃光窗輻射在裝藥殼體的中心位置,炸藥熱響應過程由溫度測試系統(tǒng)記錄。通過試驗觀察并記錄炸藥熱響應狀況,并回收裝藥約束裝置及殘藥。具體試驗布置如圖2所示。

      圖2 激光輻射炸藥裝置布置圖

      2 結果與分析

      試驗采用功率640 W激光輻射3種不同炸藥,并且改變激光的輻射直徑,用以研究激光輻射直徑對炸藥響應延遲時間和點火溫度的影響,以及在相同的激光輻射下,不同種炸藥響應差異。不同激光輻射直徑輻射不同炸藥的試驗結果如表2、表3所示。

      表2 3種炸藥在直徑5 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

      表3 3種炸藥在直徑10 mm、總功率640 W激光輻照下的點火情況

      2.1 相同功率不同激光輻射直徑下炸藥的響應特性

      對比表2、表3可知,在相同功率下,激光輻射直徑為5 mm和10 mm的情況下,3種炸藥的響應特性變化趨勢是一致的,即當輻射直徑變大的時候,3種炸藥響應的延滯時間都變長,點火溫度都變小,而且差異較大,典型的不同直徑對對THL炸藥的延滯時間和點火溫度影響如圖3所示。

      圖3 THL炸藥在功率640 W輻射直徑為5、10 mm的溫度曲線

      圖3(b)中,①為殼體中心熱電偶的歷史曲線,②~⑤為等距周圍熱電偶歷史曲線,激光輻射在中心熱電偶位置,所以中心溫度上升較周邊快。由兩圖對比發(fā)現(xiàn)在激光功率640 W的情況下,輻射直徑對炸藥的響應特性影響較大。激光輻射直徑的變化對應著炸藥溫度上升速率的變化,在相同激光功率輻射下,輻射直徑大炸藥溫度上升速率慢,即圖3(b)的曲線斜率明顯較圖3(a)小,導致炸藥響應的延遲時間延長,點火溫度變低。

      從炸藥熱響應結果上可知,在輻射直徑為5 mm時,兩種熔鑄炸藥均反應完全,PBXN-109剩余6 g炸藥;在輻射直徑為10 mm時,3種參試炸藥均未反應完全,分別剩余13 g THL、14 g TOL、8 g PBXN-109,說明輻射直徑小,能量流集中,熱效應明顯,有利于炸藥反應。

      2.2 同類型炸藥之間的響應對比分析

      THL炸藥和TOL炸藥均為TNT基的熔鑄炸藥,兩者相比明顯THL的延滯時間更長,需要的點火溫度更高。雖然兩者體系類似,但THL中TNT含量達到60%,Al粉含量為16%,比TOL炸藥TNT含量30%,Al粉含量為5%要高,TNT熔化需要熱量,鋁粉含量高使得配方導熱性能更好,況且RDX比HMX安全性更好,三者綜合都說明THL炸藥需要更長的延遲時間和更高的點火溫度。從炸藥的響應結果中可知,兩種炸藥類似,在激光輻射直徑5 mm炸藥反應完全,輻射直徑10 mm時,炸藥剩余量相當,且只有很少的量(2~3 g)反應。

      2.3 不同類型炸藥之間的相應對比分析

      PBXN-109為高聚物黏結炸藥,與TNT基熔鑄炸藥黏結體系不同。在激光輻射下,THL和TOL炸藥有一個相變過程,即固相TNT熔化,需要吸收熱量,而PBXN-109炸藥的黏結體系為惰性體系且在成型過程中交聯(lián)固化,物化性能比較穩(wěn)定,這就導致了兩者不同的熱響應結果。兩種熔鑄炸藥在激光輻射直徑5 mm和10 mm下,延遲時間差了兩倍以上,而PBXN-109炸藥的延遲時間差相對要??;PBXN-109的點火溫度明顯比兩種熔鑄炸藥高;而且兩種類型炸藥之間的毀傷模式也有較大差別,如圖4所示。

      圖4 實驗后炸藥約束裝置實物圖

      如圖4所示,激光輻照炸藥約束裝置產生熱作用,熱通過殼體傳導在炸藥上,當?shù)竭_一定溫度時炸藥發(fā)生反應,產生大量氣體,導致殼體內壓力急劇上升。當殼體內壓強超過殼體的密封強度時,殼體被氣壓漲破,導致殼體破壞。兩種熔鑄炸藥在激光作用下,炸藥熱響應后從后端口沖開,為破壞模式一;PBXN-109在激光作用下,炸藥從前端即激光輻射反方向沖開,如圖5所示,并且炸藥都未反應完全,說明在激光作用下,炸藥在自行設計的約束裝置內,PBXN-109比兩種熔鑄炸藥更鈍感。

      圖5 炸藥在激光輻照下的金屬殼體及殘藥

      9次試驗均表現(xiàn)為如上情景,從熔鑄炸藥與PBXN-109在激光下的延遲時間、點火溫度、炸藥對約束的毀傷模式及反應的現(xiàn)象說明兩種類型炸藥的響應機理是不同的。

      3 結論

      通過激光輻射自行設計的裝藥約束裝置,得到以下結論。

      (1)相同功率下,激光輻射直徑小,溫度升高速率快,THL、TOL、PBXN-109延遲時間更短,點火溫度更高,炸藥反應完全性更充分。

      (2)兩種熔鑄炸藥激光反應特性相比,TNT和鋁粉含量相對高的THL需要更長的延遲時間和更高的點火溫度,但兩種炸藥反應現(xiàn)象類似。

      (3)從不從類型炸藥之間的激光輻射對比可知,PBXN-109炸藥比兩種熔鑄炸藥更鈍感,且延遲時間差異更小,毀傷模式完全不同。綜上可以說明兩種類型的炸藥在激光的熱作用下響應機理是不同的。兩種類型的炸藥在激光作用下的作用機理還需要進一步研究。

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