热刺激约束DNAN基不敏感熔铸炸药装药点火后反应演化调控模型

针对热刺激下熔铸炸药点火时基体炸药已处于熔融液化状态，反应产生的高温气体以气泡云形式在液态炸药中扩展和反应的物理特性，考虑燃烧气泡云尺度分布和激活发展机制，建立了熔铸炸药点火后燃烧气泡云反应演化调控模型，可较好地反映炸药本征燃烧速率、壳体约束强度、装药结构尺寸、预留空气隙体积、泄压孔面积等对装药反应演化过程和终态反应度的影响规律，并通过与实验结果对比验证了模型的适应性。结果表明：随着壳体约束强度和装药尺寸增加，装药自增强燃烧速度增长越快，装药反应烈度增大；通过泄压孔结构冲开阈值和泄压孔面积的匹配设计，实现装药反应烈度控制，在本研究装药条件下，泄压孔面积占壳体总面积达8.6‰时可控制装药反应烈度为燃烧，为装药热安全性设计和烈度评估提供理论依据。     

约束HMX基PBX炸药裂缝中燃烧演化实验

为了研究约束装药裂缝中的燃烧演化规律,获取典型尺寸裂缝中的对流燃烧特性,加深对意外事故条件下武器装药发生点火后转变为高烈度反应过程的机理性认识,采用热点火方式结合高速摄影、压力测量等测试技术,对约束条件下某奥克托今（HMX）基高聚物粘结炸药（PBX）（HMX质量分数为95%）不同宽度预置裂缝（50,100,200 μm）中燃烧演化过程开展了实验研究。结果表明,约束装药内部50 μm宽裂缝中的对流燃烧能够产生超过250 MPa的压力,燃烧波阵面传播速度超过400 m·s^-1;裂缝越宽,对流燃烧产生的峰值压力越低,燃烧波阵面传播速度越快;炸药裂缝中的对流燃烧演化主要包含4个阶段：较低压力梯度下点火药燃烧产物的早期对流传播（炸药表面未反应）;产物气体的稳定对流传播伴随炸药表面燃烧导致的裂缝增压过程;炸药大量燃烧导致急速增压伴随约束壳体变形和炸药破裂;极端高压下约束壳体的解体泄压过程。     

不同机械约束下压装PBX炸药反应演化行为

为研究机械约束下炸药反应演化行为,加深对武器装药意外点火后反应烈度演化影响因素及机制的认识,对压装PBX炸药反应演化过程进行实验研究。设计一种机械约束装药点火实验装置,采用激光干涉仪和压力传感器分别测量壳体膨胀速度和内部压力,分析不同约束下两种HMX基压装PBX炸药装药的反应演化行为;结合空气冲击波超压测试结果和装置、炸药残骸回收分析,表征装药的反应烈度。研究结果表明：2 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药反应最高压力不超过200 MPa,壳体膨胀速度在70 m/s左右,装药反应烈度为爆燃;50 MPa机械约束下,PBX-1和PBX-2装药在百微秒甚至几十微秒内压力超过1 GPa,壳体膨胀速度达到500 m/s,装药发生爆炸反应;不同炸药的力学性能会造成装药反应演化过程存在一定差异,但机械约束影响更明显,新装置2 MPa和50 MPa机械约束装药反应压力和约束壳体速度相差接近1个数量级。     

炸药装药爆炸反应演化过程和约束影响的数值模拟

为分析弱刺激条件下炸药装药反应演化问题和约束条件对炸药爆炸反应的影响,构建了炸药爆炸反应速率增长的唯像模型,采用多介质任意拉式欧拉和流固耦合算法,实现了约束装药局部点火后缓慢燃烧反应到剧烈爆炸反应增长及其与壳体相互作用的数值模拟.基于强约束球形装药中心点火实验,数值模拟分析了约束条件对压装PBX-2炸药爆炸反应压力增长过程的影响,结果表明壳体强度或厚度增加,装药内反应压力的峰值也增大;随着钢壳厚度从5 mm增加到20 mm,压力峰值从163 MPa增大到1357 MPa,而且压力增长过程存在很大的差异,但随着壳体破裂解体,抑制了爆炸向爆轰反应的转变.     

初始自由空腔体积对PBX-3炸药慢烤反应烈度的影响

为了认识初始自由空腔对约束奥克托今（HMX）基PBX-3炸药慢烤反应烈度的影响，以圣地亚热点火（SITI）实验装置为参考，设计了初始自由空腔体积率分别为1.0%和7.4%的弱约束慢烤实验装置。在相同的温升速率下开展了约束HMX基PBX-3炸药慢烤实验，通过小尺寸K型热电偶测量炸药中心平面不同位置以及壳体表面的温度变化历程，采用耐高温光子多普勒测速探头测量炸药热爆炸后壳体的运动速度，并在慢烤箱中回收实验装置残骸。结果表明：在相同的壳体约束强度和加温条件下，2种不同初始自由空腔体积率的约束PBX-3炸药均在中心区域首先发生点火反应；初始自由空腔体积率为1.0%时，热爆炸时刻壳体表面的温度更高，炸药整体温度更高，炸药点火反应后壳体加速更快、速度更高，实验装置残骸碎片更小，反应烈度更高。分析认为：初始自由空腔体积率为1.0%时，热爆炸前炸药受到的应力更大，炸药损伤更严重；炸药中心点火反应后，更大的热应力使得炸药点火反应产生的气体在中心聚集形成更高的压力，炸药燃烧速率更大，燃烧产生的高温气体更容易进入微裂纹，形成更强的对流燃烧，导致压力增长速率更快，炸药反应更剧烈。     

炸药燃烧产物驱动裂纹动态扩展耦合特性

为了研究炸药燃烧产物驱动基体中裂纹动态扩展的耦合特性,加深对武器装药意外点火后反应进入裂纹形成对流燃烧引发高烈度反应的机理性认识,采用热点火方式对某奥克托今(HMX)基(质量分数为95%)高聚物粘结炸药PBX预置缺口点火,采用数字高速摄影技术对炸药燃烧产物驱动裂纹动态扩展过程开展了实验研究。结果表明,由于高聚物粘结炸药(PBX)存在较强的细观非均匀性,同一种炸药的不同样品细观结构也不完全相同,导致其裂纹扩展路径存在差异(可能沿直线传播,也可能会发生偏转),但是在相同的约束条件和预应力下其扩展速度基本一致,本研究实验条件下,该PBX炸药裂纹扩展平均速度为146.7 m·s~(-1)。     

炸药裂缝中的对流燃烧现象实验研究

为研究高能炸药裂缝中燃烧演化规律,加深对武器装药意外点火后发生高烈度反应复杂力学-热学-化学耦合过程的机理性认识,采用热点火方式结合高速摄影、压力测量等测试技术,对奥克托今基JO-9159粘结炸药预置裂缝中燃烧演化过程开展实验观测。结合气动壅塞理论分析了裂缝宽度对燃烧演化的影响。结果表明：在较强约束条件下,炸药内部亚毫米宽度的裂缝燃烧能够产生超过200 MPa的压力,火焰传播速度超过600 m/s;裂缝宽度越大,装置解体前燃烧产生的峰值压力越低,对流燃烧传播速度越快。     

基于有限元-离散元结合方法的Steven实验三维数值模拟

针对有限元方法描述断裂与摩擦时存在算法困难，而离散元方法难以描述炸药结构响应的问题，建立了有限元-离散元相结合的三维数值模拟方法与Fortran计算程序。通过有限元模拟炸药外金属壳体变形，离散元模拟炸药内部的裂纹扩展与摩擦升温，采用Arrhenius方程描述炸药热分解反应放热，实现了装药低速撞击非冲击点火的三维模拟。以Steven实验作为算例，开展了脆性炸药PBX-2在钝头弹与平头弹两种撞击条件下装药破坏与点火的模拟，考察了炸药非均匀性的影响，获得了装药受载应力历史、裂纹分布、温升曲线、点火时间与位置、撞击点火速度阈值等，分析了钝头弹与平头弹撞击点火的分布特性。以炸药裂纹摩擦以及自反应放热为点火机制的模拟结果与文献报道的实验结果符合较好。     

自由装填药柱点火冲击载荷数值仿真研究

采用数值仿真技术针对自由装填固体火箭发动机装药在点火燃气冲击作用下的药柱载荷特性进行了分析研究。研究结果表明,点火压强越大、点火具喷口直径越大、点火具出口端面与药柱端面距离越大,点火初期冲击载荷作用越剧烈。这一研究结果为装药结构完整性分析研究和该类发动机点火具设计提供依据。     

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。     

爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型

为分析黑索今（RDX）基含铝炸药中铝粉的颗粒尺寸对炸药冲击点火的影响,以及建立该含铝炸药冲击点火的细观反应速率模型,开展了含铝炸药冲击起爆的实验和数值模拟研究。设计5 μm、 16 μm、40 μm和100 μm不同铝粉粒径,具有相同组分配比和RDX颗粒尺寸的4种炸药配方,对4种RDX基含铝炸药进行了冲击点火起爆实验;通过合理假设,提出RDX基含铝炸药的细观点火模型,并在考虑点火增长的基础上,完善细观反应速率模型,利用细观反应速率模型和含铝炸药的I&G模型对上述实验进行了数值模拟。实验和数值模拟结果表明：对于100 μm、 40 μm、 16 μm和 5 μm粒径铝粉含铝炸药,铝粉在CJ面前的反应度分别为0.80%、2.45%、3.20%和4.15%;随着RDX基含铝炸药中的铝粉尺寸减小,铝粉在CJ面前的反应速率增快,炸药中的前导冲击波传播速度变快且压力峰值增高,压力峰值的出现时间与前导冲击波到达时间的间隔减短,炸药的冲击感度提高;与I&G模型相比,细观反应速率模型计算的压力历史与实验结果更为吻合;细观模型能较好地模拟较大尺寸颗粒铝粉（铝粉尺寸大于炸药颗粒尺寸的1/10）的反应特征,对于100 μm和40 μm铝粉粒径含铝炸药,模拟计算每个拉格朗日位置的前导冲击波到达时间、压力峰值时间和压力峰值等参量与实验结果相差不超过10%。     

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。     

凝聚炸药直径效应和熄爆直径的理论研究

在关于二维定常爆轰边侧条件的理论分析中引入无量纲参数Г来描述约束效应。基于阵面形状控制方程，给出了从理论上获取直径效应关系和熄爆直径的方法。通过拟合关于阵面形状的实验数据，确定了凝聚炸药ＰＢＸＷ－１１５的本构参数。直径效应和熄爆直径的理论计算结果与实验相吻合。     

DNTF基炸药燃烧转爆轰影响因素实验研究

为了研究二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)基混合炸药燃烧到爆轰转变(DDT)过程的有效调控技术,采用同轴电离探针测量技术研究了点火药量、DDT管壁厚约束、成型方式等对DNTF基混合炸药DDT性能的影响,从DDT管破裂状态、DDT过程不同位置处波阵面速度、诱导爆轰距离等变化对实验结果进行了分析。结果表明,DDT管壁厚约束对DNTF基混合炸药DDT的诱导爆轰距离没有明显影响,都在375 mm左右,但壁厚减小会使爆燃阶段持续时间增加,达到爆轰的初始速度减小到5515 m·s~(-1);点火药量增加对DNTF基混合炸药DDT反应剧烈性没有明显影响,但会减小初始燃烧持续时间和诱导爆轰距离;压制成型试样DDT的初始燃烧持续时间、爆燃持续时间及诱导爆轰距离均大于熔铸成型试样,但反应剧烈性没有差别。     

带壳炸药穿而不爆数值模拟与分析

基于采用低密度射流侵彻带壳炸药,使其穿而不爆,从而为后级主射流侵彻主目标清除障碍的设想,提出了用低密度材料作为成型装药药型罩材料.利用有限元AUTODYN-2D程序对该药型罩形成聚能射流进行了数值模拟,并对射流侵彻不同面板、背板以及夹层炸药厚度的带壳炸药时,夹层炸药是否起爆进行了对比分析,得到了不同面板、背板以及夹层炸药厚度下夹层炸药的峰值压力曲线和反应度曲线.结果表明:该低密度药型罩能够形成聚能射流,对于特定的带壳炸药,当面板、背板厚度小于2mm,夹层炸药厚度小于3.5mm时,射流侵彻带壳炸药能够实现穿而不爆;夹层炸药穿而不爆的压力阈值为7.09GPa,冲击起爆的压力阈值为8.02GPa;炸药压力对时间的积累效应以及炸药受压缩程度将会影响夹层炸药是否被射流冲击起爆.     

壳体厚度对TNT炸药快速烤燃响应的影响

采用自行设计的快速烤燃试验方法,测试厚度为2,4,6 mm梯恩梯(TNT)装药壳体的响应状态,结合TNT的高压差示扫描量热(PDSC)分解特性,研究了厚度对炸药装药响应的影响.结果表明:在快速烤燃试验条件下,壳体厚度由2-6 mm变化时,TNT炸药均为爆炸反应等级;壳体厚度变化对TNT炸药响应等级没有显著影响,但炸药装...     

高聚物粘结炸药冲击起爆统计热点反应速率模型

为深入探索非均质固体炸药冲击起爆热点机制,重点关注炸药孔洞尺寸分布及热点点火临界条件,建立高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆统计热点反应速率模型,描述热点形成、形核或消亡、点火后燃烧反应演化直至快速转为爆轰的全过程。奥克托今（HMX）基PBX9501和三氨基三硝基甲苯（TATB）基LX-17炸药冲击起爆过程的数值模拟结果显示,反应流场中波到达时间的计算值与实验值偏差小于3.7%,初步验证了统计热点反应速率模型的合理性,且相比文献［21-24］的统计模型适应性更强。研究结果表明：孔洞尺寸分布对非均质固体炸药冲击起爆感度影响显著;HMX基PBX炸药冲击起爆爆轰成长过程呈加速反应特性,而TATB基PBX炸药表现为稳定反应特性,进一步提高了对HMX/TATB混合基钝感高能炸药冲击起爆机理的认识。     

可浇注固化PBX类含铝炸药低易损性研究

采用真空振动浇注-固化技术，制得了几种以聚合物弹性体端羟基聚丁二烯(HTPB)为粘结剂，以黑索金(RDX)为主体炸药的含铝炸药。结果表明：用硝基胍(NQ)或3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮(NTO)代替部分RDX，炸药的撞击感度明显降低，其枪击、苏珊实验反应等级较低。这种低易损性的PBX类含铝炸药适用于一些高性能武器战斗部装药。     

304不锈钢/Q235钢的多面约束装药爆炸焊接

为了提高爆炸焊接中炸药的能量利用率,使用了蜂窝铝结构乳化炸药和在蜂窝铝结构乳化炸药上端布置覆盖板的多面约束装药方式。蜂窝结构及覆盖板的多面约束减弱了空气中稀疏波对炸药爆轰的影响,降低了炸药爆轰的临界直径,提高了炸药对复板的做功能力。以304不锈钢板和Q235钢板分别作为复板和基板,进行了多面约束装药和普通乳化炸药裸露装药的对比爆炸焊接试验,并采用格尼模型对爆炸焊接窗口和覆盖板对复板碰撞速度的影响进行了理论分析。结果表明,与传统爆炸复合技术相比,结合质量明显提高,并且炸药使用量减小了50%,炸药能量利用率显著提高。而复板碰撞速度随着覆盖板质量的增加而增加,但增加率降低。此外,得到了爆炸焊接窗口并对焊接质量进行了预测,实验和预测结果吻合良好。