HMX颗粒炸药低速撞击点火实验研究

改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了 HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松 散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越 短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越 松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。     

炸药落锤试验点火机理的数值分析

炸药在低速撞击条件下发生点火爆炸,给炸药爆炸装置带来了安全管理上的隐患。若确定可能发生炸药点火的条件,可以采取一些预防措施,避免事故的发生。一种低速撞击行为发生在炸药落锤感度试验中,撞击速度一般小于20 m/s。利用Lagrange数值程序LEX2D,对落锤试验装置中所造成的炸药点火爆炸进行了初步分析,得到了炸药样品中应力和速度的变化历史,计算了炸药内部由于摩擦做功生热所引起炸药颗粒的分解过程。在一定程度上,可以预报落锤试验中炸药发生点火爆炸的可能性。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法，构建了新的细观反应速率模型，系列数值模拟结果与实验结果均一致，表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用:HMX占主导成分的PBXC03炸药，起爆压力低，冲击起爆过程受热点点火影响较明显，热点点火后的燃烧反应速度较快，表现为加速反应特性；TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药，起爆压力高，冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制，且点火后燃烧反应速度较慢，表现为稳定反应特性。     

粒度对HMX撞击感度的影响

采用12型工具法对炸药粒度与HMX(Cyclotetramethylenetetranitramine,奥克托今)撞击感度的关系进行了研究,并对撞击起爆机理进行了分析和探讨。结果表明:HMX炸药粒度对撞击感度有显著影响,且随着炸药粒度的增大,其撞击感度呈增大趋势。点火阶段对撞击起爆过程起决定性作用,影响点火阶段的因素就是决定其撞击感度高低的关键因素。晶体内部的活性中心是炸药受撞击时的起爆点,而且大晶粒炸药中更易形成优先点火的活性中心。     

不同点火方式下HMX基PBX炸药反应演化过程的特征分析

在长管强约束条件下对HMX基PBX炸药点火实验进行了数值模拟,分析了点火方式对炸药反应演化规律的影响,获得了弱冲击点火条件下炸药反应演化过程的特征图像。针对黑火药和雷管2种点火方式,分别构建了PBX炸药黑火药点燃和冲击起爆2类实验的唯象模型和数值模拟方法,通过数值模拟获得了钢管内炸药柱反应演化进程的特征图像,柱壳膨胀历程与实验结果符合较好。研究表明,不同点火方式下炸药反应演化进程存在较大差异。如果使用雷管点火,PBX炸药会在几微秒内发生爆轰反应;而使用黑火药点火,PBX炸药会在数毫秒内从缓慢燃烧转化为剧烈爆炸,但随着壳体破裂解体,管内压力骤降,抑制了反应演化向爆轰转变。黑火药点燃条件下整个反应演化过程可以分为4个主要阶段,其中管壁附近炸药柱表面燃烧传播优先于炸药柱中心基体反应,是弱冲击点火反应演化过程的重要特征之一。     

大药片落锤撞击感度研究

设计建立了一种炸药大药片撞击感度试验方法,落锤质量为20 kg、落高度为0~15 m,对规格20 mm5 mm、重约2.8 g的大药片进行撞击感度测试。试验测试了两种典型炸药Tetryl和JOB-9003炸药的落锤撞击感度,落锤撞击Tetryl炸药和JOB-9003炸药的爆炸阈值落高分别约3.5 m和6.5 m。对落锤撞击JOB-9003炸药样品的过程进行了数值计算,计算结果与试验值相符。试验结果表明,该试验方法可以测量炸药的落锤撞击感度。     

几种常用炸药的爆压与爆轰反应区精密测量

为了获得几种常用炸药的爆压和反应区宽度数据,采用激光干涉测试技术对TNT、PETN、RDX、HMX、TATB和CL-20炸药的稳态爆轰波界面粒子速度进行了测试,获得了高精度的界面粒子速度时程曲线,利用阻抗匹配公式计算得到了炸药的爆压。结果表明:PETN、RDX、HMX和CL-20等理想炸药的界面粒子速度曲线存在较明显的拐点,爆轰反应区较窄,反应时间为7~15 ns。TNT和TATB炸药由于存在碳凝聚慢反应过程,界面粒子速度曲线没有明显的拐点,爆轰反应时间分别为（100±15） ns和（255±20） ns。初步的不确定度分析表明,激光干涉法测试爆压的相对扩展不确定度为4.4%（包含因子k=2）。     

强约束球形装药反应裂纹传播和反应烈度表征实验

炸药燃烧的高温高压气体产物可以进入基体裂纹中引发炸药表面热传导燃烧，形成所谓的对流燃烧。在一定约束条件下，不断上升的气体压力反过来又使炸药基体产生更多的裂纹，为对流燃烧提供更多的通道和燃烧表面积，快速生成大量产物气体导致高烈度反应现象的产生。本文中设计了一种新型强约束球形装药中心点火实验，针对一种HMX为基的PBX炸药，对高烈度反应条件下燃烧裂纹传播和反应增长过程进行了观测，实验中采用测得的反应压力和壳体速度历程对反应烈度进行了量化表征。在带窗口结构中，早期炸药中的燃烧裂纹不可见；中期燃烧裂纹扩展到药球表面时，先形成4条沿经线方向近似对称的主裂纹，随后环向贯通并扩展到整个药球表面；最后的剧烈反应造成强烈发光。上述反应演化经历低压增长阶段约为100 μs，之后伴随着壳体变形膨胀产生剧烈的反应，此时产物压力在约10 μs时间内超过1 GPa，并形成约20%相对于裸炸药爆轰的超压输出。在全钢结构中，20 mm厚的壳体膨胀速度最大可达到500 m/s，此时壳体完全破裂。     

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

多组分PBX炸药细观结构冲击点火数值模拟

建立了炸药颗粒自由堆积三维计算模型,考虑了炸药颗粒尺寸和位置的随机分布、粘结剂对炸药颗粒的包覆和不同组分炸药颗粒间的级配;采用非线性有限元方法,对炸药颗粒由自由堆积到密实装药的压药过程进行模拟,构建了PBX炸药细观结构模型;对多元PBX炸药（HMX+TATB+Estane）细观结构冲击点火过程进行了计算,考虑冲击作用下炸药内部热力耦合作用和自热反应,计算不同组分比例混合炸药的冲击点火性能,分析了炸药组分对冲击点火的影响。研究表明TATB含量增加,混合炸药冲击感度降低。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象，研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台，由实验装置（加热装置、约束钢管、炸药）、压力测试系统、光纤测速系统组成；加热装置加热15 mm厚45钢钢板，峰值温度大于1 100 ℃，温升速率为85～95 ℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验，由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药，炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定；实测阵面压力约1 GPa，传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹，通过特征线方法获得冲击形成点，半定量给出冲击形成距离大于850 mm；并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值，实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较，可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰，其化学反应状态为爆燃。另外，采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型，都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力，为实验设计提供依据，但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

Experimental investigations of mechanical and reaction responses for drop-weight impacted energetic particles

Low-velocity drop-weight impact experiments on individual and multiple Cyclotetramethylene tetranitramine (HMX) energetic particles were performed using a modified drop-weight machine equipped with high-speed photogra-phy components. Multiple particles experienced more severe burning reactions than an individual particle. Comparisons between impacted salt and HMX particle show that jetting in HMX is mainly due to the motion of fragmented parti-cles driven by gaseous reaction products. Velocity of jetting, flame propagation, and area expansion were measured via image processing, making it possible to quantify the chemi-cal reaction or mechanical deformation violence at different stages.     

烤燃条件下HMX/TATB基混合炸药多步热分解反应计算

采用多步热分解反应动力学模型,描述单质炸药热分解反应,提出了多组分网格单元计算方法,对以HMX/TATB为基的多元混合炸药在烤燃条件下的热反应过程进行了计算。通过炸药烤燃实验测量了炸药内部温度,获得了炸药点火时间,验证了计算的准确性。分析了混合炸药组成比例的变化对炸药热反应性能的影响。在HMX/TATB混合炸药热反应阶段,主要是HMX发生分解反应释放热量,TATB的反应量很少,随着混合炸药中TATB含量的增多,炸药的点火时间逐渐增长,点火温度逐渐增高,炸药热安全性增强。     

RDX基含铝炸药爆轰波结构实验研究

为了获得含铝炸药爆轰反应区附近铝粉的反应情况,对两种RDX/Al炸药和一种RDX/LiF炸药的爆轰波结构进行了测量。实验过程中,利用火炮加载产生一维平面波,通过光子多普勒测速仪测量炸药/LiF窗口的界面粒子速度。结果表明:含铝炸药爆轰波的结构与理想炸药的差异较大,其界面粒子速度曲线没有明显的拐点;反应初期,由于气相产物与添加物之间温度的非平衡性,RDX/Al界面的粒子速度低于RDX/LiF炸药的;随后,由于铝粉反应放能,RDX/Al界面的粒子速度高于RDX/LiF炸药的;微米尺度铝粉在CJ面前几乎不发生反应;2、10 μm等两种粒度铝粉的反应延滞时间小于0.8 μs;在本文中,两种粒度铝粉的反应度为16%~31%。     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

低冲击加载下JOB-9003炸药的反应阈值

发展了一种研究炸药反应阈值的实验方法和分析技术:采用火药炮发射飞片的加载技术产生低冲击加载压力,应用电磁粒子速度计测量JOB-9003炸药后界面与PMMA之间界面粒子速度。通过分析界面粒子速度曲线,得到了低冲击加载下炸药与PMMA之间的界面粒子速度历史,获得了入射压力与未反应和反应后的界面粒子速度之间的u_p-p关系。JOB-9003炸药在低冲击加载下的化学反应阈值和点火阈值分别为1.42、2.62 GPa。     

以RDX为基的含铝炸药中铝粉粒度和氧化剂形态对加速金属能力的影响

利用激光速度干涉仪研究了含微米铝粉和纳米铝粉复合炸药加速金属平板的能力,结果表明纳米铝粉的引入能够获得更大的金属平板自由面速度,其反应时间比微米复合含铝炸药缩短35.1%。研究了氧化剂的形态对含铝炸药性能的影响,用物理化学手段获得的RDX/AP复合粒子复合粒子制作的含铝炸药加速金属平板的能力优于机械混合RDX/AP的含铝炸药,前者的反应时间也比后者短。此外,还研究了以富氧炸药取代RDX获得的含铝炸药的性能,结果表明其加速金属平板的速度比RDX/Al复合炸药提高10%。