LLM-105基传爆药柱起爆能力实验与数值模拟

袁俊明，田秀琦，张峰峰，黄 娟

(中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

引信爆炸序列中一般采取具有特定性质的传爆药与雷管的结合. 现代弹药中极钝感主装药的出现，对引信爆炸序列提出了新要求，即爆炸序列必须要有足够的能量输出用于可靠引爆这些极钝感主装药. 整个战斗部系统对爆炸序列的要求则是： 第一，输出能量大； 第二，整个爆炸序列的钝感程度要与主装药匹配[1]. 如果传爆药的能量输出不足以引爆主装药达到稳定爆轰，则该主装药爆炸不完全，甚至不发生爆炸，这种传爆药就不能起到应有的传爆效应. 因此，传爆药被雷管起爆后能量输出必须足够大才能直接引爆钝感主装药[1-2]. 随着现代战场环境的变化对弹药稳定性和安全性要求的日益提高，爆炸序列的钝感化成为当今武器弹药的主要发展方向之一[3-5]. 目前，国内外常用传爆药有钝化黑索今、 PBXN-5、 CH-6、 LX-14等，但由于这些传爆药的枪击或飞片感度等问题，可能被枪弹、 飞片等意外刺激所引爆[1]. 因此，新型钝感传爆药的出现及其性能测试工作的开展至关重要.

LLM-105(1-氧-2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪)具有优良的物理性能，它的能量比TATB高25%，对火花、 摩擦以及冲击钝感，具有热稳定性和低易损性等优异的综合性能[6-7]. 这些优良性能使得LLM-105成为未来弹药领域中重要的不敏感传爆药. 目前，国内外针对LLM-105传爆药已开展了合成、 配方性能和应用等方面的研究工作[8-11]. 而在国内，LLM-105传爆药的冲击波感度、 机械感度、 热性能和爆速等性能测试也已有报道，为LLM-105传爆药的实际应用奠定了基础[7,11].

目前极为钝感炸药以TATB为典型代表，其对冲击波和机械撞击等外界作用极不敏感，具有极好的热稳定性和钝感性等性质[12-13]. 本文以TATB炸药为被发药柱，LLM-105基传爆药为主发药柱，对LLM-105基传爆药柱的起爆能力开展测试实验，并采用数值模拟方法，建立全尺寸LLM-105基传爆药柱起爆能力实验有限元模型，并在该装药条件下对TATB起爆的临界铝隔板厚度进行数值模拟计算. 根据临界铝隔板厚度计算结果进行验证实验，判定LLM-105基传爆药柱以及TATB钝感炸药材料参数的准确性. LLM-105基传爆药柱起爆能力实验与数值模拟工作的开展对引信爆炸序列钝感化研究具有重要的实际意义.

1 实验研究

1.1 实验内容及实验装置

LLM-105基传爆药起爆能力测试方法选用《航天火工装置通用规范》[14]中的最大传爆间隙方法进行实验. LLM-105不敏感传爆药作为主发药柱，被发药柱选用TATB炸药. 在主发药柱与被发药柱之间放置惰性隔板. 主发药柱起爆后，产生冲击波传向与其接触的惰性隔板，经隔板衰减后作用在被发药柱上. 通过鉴证板凹坑深度验证被发药柱是否发生起爆，并以此表征不敏感传爆药(主发药柱)的起爆能力. 实验装置结构如图1 所示.

1—雷管； 2—雷管座； 3—不敏感传爆药； 4—隔板；5—TATB炸药； 6—鉴证板； 7—砧板

1.2 实验材料及设备

本文实验以TATB炸药为被发药柱，LLM-105基传爆药为主发药柱，对LLM-105基传爆药柱的起爆能力开展测试实验. 同时，采用数值模拟方法，建立全尺寸LLM-105基传爆药柱起爆能力实验有限元模型，并在该装药条件下对TATB起爆的临界铝隔板厚度进行数值模拟计算. LLM-105基传爆药柱起爆能力实验与数值模拟工作的开展对引信爆炸序列钝感化研究具有重要的工程应用价值与意义.

主发药柱为LLM-105基传爆药柱(96.5% LLM-105，3.5% F2604)，压制成密度为1.72 g·cm-3的Φ10 mm×10 mm的药柱； 被发药柱为TATB炸药，压制成密度为1.80 g·cm-3的药柱，尺寸为Φ20 mm×20 mm； 隔板材料选用1 mm 厚的2A12铝合金，其直径大于LLM-105基传爆药柱以及TATB药柱，以防止施主药柱发生爆轰产生的热量以及冲击波在空气中的传导影响到受主药柱. 要求LLM-105基传爆药柱以及TATB药柱两端中心对齐. 将主发药柱、 隔板、 被发药柱、 鉴证板等按图1 装配，保证各部分轴心对称. 实验实物装配图如图2 所示.

图2 起爆能力实验装配图Fig.2 Initiation capacity test assembly diagram

1.3 实验结果

连续进行了3发实验，雷管均可直接起爆LLM-105传爆药，起爆后无残留，可知LLM-105传爆药发生完全起爆. A3钢鉴证板上均出现明显凹痕，经测量凹坑最大深度处约2.69 mm，且TATB药柱爆轰压力作用下钢鉴证板形成了较大的碎块. 由此可判定TATB药柱被起爆后达到完全爆轰状态，从而可知LLM-105基传爆药柱具备完全起爆TATB炸药的能力. A3钢鉴证板凹坑实验结果见图3.

图3 鉴证板凹坑图Fig.3 The depth of witness plate

2 数值模拟

2.1 有限元模型

由于起爆能力实验装置的对称性，为减少计算工作量，根据起爆能力实验装配尺寸建立二维轴对称模型，见图4. 铝隔板厚度设定为1 mm. 模型采用中心点起爆方式，省去雷管元件建模. 计算模型使用二维实体Lagrange单元进行划分，炸药和隔板、 鉴证板之间采用Lagrange/Lagrange单元之间的Self-interaction算法，单位制采用cm-g-μs.

图4 起爆能力实验模型图Fig.4 Model diagram of initiation capacity test

2.2 状态方程及参数

主发药柱LLM-105采用JWL状态方程[15]

(1)

式中：p为炸药压力；υ为炸药比体积；cV为比定容热容；T为炸药热力学温度；A、B、R1、R2和ω为待定参数. 传爆药柱的JWL状态方程参数见表1.

表1 LLM-105基传爆药柱的JWL状态方程参数

TATB钝感主装药的状态方程采用Lee-Tarver点火增长模型进行描述. 其中三项式点火增长反应速率方程为[16-18]

G1(1-F)cFdPy+G2(1-F)eFgPz,

(2)

式中：F为反应率；t为时间；ρ为炸药密度；ρ0为炸药初始密度；I，b，a，x，G1，c，d，y，G2，e，g和z是常数. 方程主要由三部分组成： 第一项是炸药受到冲击波压缩作用产生离散热点，发生点火； 第二项是炸药快速进行化学分解反应； 第三项是炸药分解反应逐渐变缓慢，爆轰压力趋于稳定. TATB的模型参数见表2. 2A12铝合金和A3钢材料采用Mie-Gruneisen状态方程进行描述.

表2 TATB炸药点火增长模型参数

2.3 模拟结果

图5 为起爆能力实验模型在不同时刻的爆轰反应压力云图. 主发炸药LLM-105被引爆发生爆炸后，在时刻t=0.64 μs时，爆轰反应前沿波已经到达主发药柱中部，爆轰波已逐渐趋于稳定爆轰阶段. 当爆轰波到达铝合金隔板表面时，压力值发生衰减. 并传递到TATB药柱上端，若压力值大于TATB临界起爆压力值，TATB药柱内部压力跃升，发生爆炸.

图5 起爆能力实验模型爆轰反应压力云图Fig.5 The pressure contour of initiation capacity test model

沿TATB药柱中心轴设置不同位置的观测点，观察冲击波在TATB药柱内部传播情况. 图6 为受主药柱TATB观测点对应的压力变化曲线. 当t=1.45 μs时，受主药柱TATB炸药受到经过铝合金隔板衰减作用后的主发药柱爆轰波发生爆轰，此时最大压力值为15.50 GPa.t=2.15 μs时，受主药柱爆轰波开始趋于稳定，随后受主药柱爆轰波压力稳定在27 GPa左右.

图6 受主炸药观测点及对应的压力-时间曲线图Fig.6 The observation points and pressure-time curve of TATB

受主药柱TATB炸药爆轰后产生的爆轰波进入A3钢鉴证板，并由于A3钢鉴证板的阻抗显著大于受主药柱TATB炸药的阻抗，因此产生反射冲击波，从而导致冲击波压力急剧增大，最终作用在钢鉴证板上而产生明显凹坑. 鉴证板凹坑情况如图7 和图8 所示.

图7 鉴证板的模拟结果变形图Fig.7 Simulation results of deformation diagram for witness plate

由图可知，经过约15 μs作用时间，钢鉴定块凹坑逐渐形成，并最终成稳定状态，从钢鉴定块中心设定的观测点计算结果可知，凹坑深度约为2.22 mm，与实测值2.69 mm比较吻合. 由于该起爆能力实验模拟计算主要观测鉴证板的凹坑深度值，因此A3钢材料模型没有考虑损伤失效参量，鉴证板在爆轰压力作用下的模拟计算结果没有出现类似实验结果的碎裂特征.

3 临界铝隔板厚度模拟预测

基于前述实验与模拟结果，计算模型保持材料参数不变，通过调整2A12铝合金隔板厚度，观察在不同厚度下TATB受主药柱的压力变化曲线，确定在该装药条件下的TATB发生冲击起爆的临界铝隔板厚度. 通过数值模拟计算，得到铝隔板厚度分别为1.2 mm，1.8 mm时Al隔板以及TATB受主药柱内部压力-时间曲线，如图9 所示.

(a) 隔板厚度1.2 mm

(b) 隔板厚度1.8 mm

从图9(a)可以看出，当铝隔板厚度为1.2 mm时，TATB受主药柱发生起爆，内部压力逐渐稳定在27 GPa左右，说明TATB药柱发生完全爆轰. 从图中可知，当冲击波到达受主药柱顶端，该处观测点的最大压力值为14.75 GPa. 而图9(b)中，当铝隔板厚度为1.8 mm，t=1.57 μs时，冲击波到达受主药柱顶端后，压力值未发生跃升，反而逐渐衰减下去，可知TATB药柱未发生爆轰，而受主药柱顶端处观测点的最大压力值为12.79 GPa. 由此可判定，在此装药条件下，预估TATB受主药柱起爆的临界铝隔板厚度在1.2～1.8 mm之间，TATB炸药的临界起爆压力值在12.79～14.75 GPa之间. 模拟得到的临界起爆压力预估值与文献中通过实验计算所得的临界起爆压力14 GPa较为符合[19].

4 临界铝隔板厚度验证实验

根据模拟预测结果，进行LLM-105基传爆药-TATB炸药临界铝隔板厚度验证实验. 选用直径为4 mm，厚度分别为1.3, 1.5, 3.0 mm 的铝隔板，且LLM-105基传爆药以及TATB药柱尺寸不变，进行临界铝隔板厚度验证实验. 得到LLM-105基传爆药-TATB炸药的临界铝隔板厚度约为1.3～1.5 mm之间，结果情况如图10 所示.

图10 不同铝隔板厚度下鉴定块凹坑图Fig.10 The depth of witness plate at different Al gap thicknesses

图11 铝隔板厚度1.5 mm实验后防爆箱内部图Fig.11 Internal view of explosion-proof box after 1.5 mm gap thickness test

如图10(a)所示，当铝隔板厚度为1.3 mm时，雷管点火后，产生巨大爆炸声响，且出现大量微黄色烟雾，鉴定块发生碎裂，测量凹坑深度约为2.60 mm. 可知当铝隔板厚度为1.3 mm时TATB炸药发生爆轰. 如图10(b)所示，当铝隔板厚度为1.5 mm时，施主药柱LLM-105传爆药被起爆，导致铝隔板中心出现较大的穿孔，而鉴定块未出现明显凹痕，且鉴定块上以及防爆箱内壁上出现土黄色粉末，见图11，可知当铝隔板厚度为1.5 mm时TATB炸药未被引爆.

5 结 论

1) 通过LLM-105基传爆药柱起爆能力实验，再对钢鉴证板凹坑实验结果分析判断，可知密度为1.72 g·cm-3的LLM-105基传爆药柱完全具备起爆TATB钝感炸药的能力.

2) 根据起爆能力实验装配尺寸建立了二维轴对称模型，模拟计算得到鉴证板凹坑深度约为2.22 mm，模拟结果与实验凹坑值较为相符.

3) 基于起爆能力实验计算模型预估在该装药条件下LLM-105基传爆药柱起爆TATB炸药的临界铝隔板厚度在1.2～1.8 mm之间. 同样装药条件下起爆能力验证实验的临界铝隔板厚度在1.3～1.5 mm之间，TATB炸药的临界起爆压力值在12.79～14.75 GPa之间. 模拟预测得到的临界铝隔板厚度与实验结果基本相符，也说明LLM-105基传爆药柱以及TATB钝感炸药的冲击起爆材料参数较为准确.