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谢全民1，曹宏安1，谢俊磊1，马海洋2，石敬涛3，
（1. 武汉军械士官学校，武汉 430075；2. 73883部队，南平353000；3.解放军3606工厂，侯马043000）
摘 要：为了研究PBX炸药的摩擦感度及其在摩擦作用下的点火机理，对PBX炸药进行了摩擦感度试验，并从细观结构的角度对炸药在摩擦作用下的响应过程进行了数值模拟，分析了细观结构对炸药温度场的影响，以及压力、初速度等条件对炸药摩擦点火的影响。结果表明：摩擦作用下PBX炸药的点火点位于HMX颗粒与黏结剂交界处，点火的临界温度为1100K；向炸药施加的压力越大，其发火可靠性越高，点火时间越早；钢柱摩擦炸药的初速度增大，能够提高其发火可靠性以及点火时间。
关键词：PBX炸药；摩擦；点火；试验；数值模拟
1 引 言
研究炸药在冲击作用下的摩擦起爆机理具有重要的现实意义，理论上，侵彻体中的装药在侵彻过程中，装药壳体与炸药间存在相对运动，将产生摩擦，导致装药的点火起爆；大量的实验也表明：装药与壳体之间的摩擦是导致炸药点火的重要因素之一。J. G. Glenn[1]等用活塞装置在装有炸药的圆柱钢管内滑动，产生摩擦，通过改变活塞与钢管壁的压力，观察到了点火现象；AVI. Birk[2]等人用活塞在不同厚度的钢管中以不同的速率进行滑动加载，也观察到了炸药点火现象。
摩擦起爆感度实验中，通常将炸药置于两滑块之间，对其施加一定的压力（100-500MPa[3,4]，通过对炸药施加强烈又短暂的机械摩擦功，观测炸药是否发生点火爆炸，进而来确定炸药的摩擦感度。炸药的摩擦感度是炸药性能的重要参数之一，相关的实验研究较多，也取得了一些成果[5]，但对具体的理论研究还较少。
PBX炸药是由高能炸药、黏结剂和增塑剂等以不同比例混合压制而成，因其组分的多样性造成了炸药细观结构的非均匀性，刘群[6]等人从细观结构角度用数值模拟的方法研究了PBX炸药在冲击载荷下的点火机理，但它的着重点在撞击感度上，而实际上在侵彻过程中炸药与壳体间的摩擦作用不容忽视。因此，本文采用实验方法对PBX炸药的摩擦感度进行观测，并结合数值模拟法研究了PBX炸药的摩擦起爆机理。
2 PBX炸药与金属摩擦起爆试验
2.1 摩擦感度试验方法及装置
如图1所示，本试验以一种高HMX含量（88%左右）的PBX炸药为研究对象，试验时，将由HMX和粘结剂按比例浇注而成的炸药置于两钢柱之间，使用摆锤击打上钢柱，使其与炸药产生相对位移，导致钢柱与炸药摩擦。试验中，炸药呈扁平柱状，重100g；上下钢柱的直径为15cm，上钢柱重10kg，下钢柱与炸药接触点装压力传感器，可通过调节下钢柱下的螺丝松紧度来调节其对炸药压力的大小；摆锤重8kg，摆线长度可调，质量忽略不计，通过调节摆线长度来调整撞击后其赋予上钢柱的初速度。整套系统试验时用遮光布遮挡，用高速摄影机来记录摩擦反应过程，距试验系统约4.6m，如图2所示为试验用高速摄影机。
需要注意的是，试验时拧下钢柱的螺丝时不能太快，以防其对炸药压力过大或变化过快引起炸药爆炸，另外，高速摄影机也不能距试验装置太近，否则炸药发生反应时会损坏相机镜头。
2.2 试验结果与分析
本试验中共有两个变量，即摆锤击打上钢柱后钢柱的初速度v和下钢柱对炸药的压力p，采用控制变量法，分别做了多组试验来观察现象，部分试验参数及结果见表1。
从表中的试验结果看，当p=420MPa、v=4.5m/s，以及p=500MPa、v=4.0m/s时，炸药在摩擦作用下点火起爆，且能明显听到爆炸声；当p=420MPa、v=4.2m/s，及p=490MPa、v=4.0m/s时，可观察到炸药因摩擦点火，但爆炸声不明显，说明炸药反应未达到爆轰的剧烈程度。
查阅相关资料[3,7]，分析其可能原因为：摩擦前，炸药在压紧的状态下与钢柱间的摩擦系数较大，摩擦时，炸药迅速升温，由于炸药的熔点较低，温度很快接近熔点，导致炸药与钢板间的摩擦系数减小；另外，在摩擦过程中随着炸药温度的迅速升高，必然存在炸药与下钢柱间的热传导。因此，当炸药在摩擦作用下的热分解使其温升幅度足够大时，导致炸药爆炸；当炸药温升不足以引起热爆炸时，则产生快速燃烧现象，无明显爆炸声。
3 PBX炸药摩擦点火数值模拟
3.1 PBX炸药的细观结构模型
数值模拟中的PBX炸药的细观结构模型是通过对包有黏结剂的HMX炸药颗粒进行压制来获得的。假设HMX炸药颗粒在未压之前是圆形的，每个颗粒都均匀的包裹了黏结剂，且所有颗粒的大小相等。随着炸药成分的不同，HMX炸药颗粒与黏结剂的比例也不同，且HMX炸药颗粒分层排列在压制磨具中。如图3所示，模型中共有100个紧密接触的HMX炸药颗粒，炸药颗粒的直径为0.4～0.8mm，黏结剂为Estane，其厚度为0.01～0.02mm，黏结剂的质量分数在12%左右。图4为炸药颗粒与黏结剂的局部网格图。
 
采用非线性有限元法对HMX炸药颗粒的压制过程进行数值模拟，计算时炸药下部为加压面，其余三个方向为刚性约束。通过对下部施加一定的压力，使HMX炸药颗粒发生变形，从而得到PBX炸药细观结构模型。
图5是密度为2.0g/cm3的炸药细观结构模型。图中可见，炸药颗粒被压制的较密实，孔隙基本消失，原本为圆形的HMX颗粒在压制的过程中发生了变形和侧向位移，颗粒的尺寸发生了变化，且分布呈现不规则性，这些结构特征与图3中的炸药细观结构类似。因此，通过改变压力等计算条件，可以得到不同密度、HMX质量分数及颗粒尺寸的PBX炸药细观结构。
采用非线性有限元法对HMX炸药颗粒的压制过程进行数值模拟，计算时炸药下部为加压面，其余三个方向为刚性约束。通过对下部施加一定的压力，使HMX炸药颗粒发生变形，从而得到PBX炸药细观结构模型。
图5是密度为2.0g/cm3的炸药细观结构模型。图中可见，炸药颗粒被压制的较密实，孔隙基本消失，原本为圆形的HMX颗粒在压制的过程中发生了变形和侧向位移，颗粒的尺寸发生了变化，且分布呈现不规则性，这些结构特征与图3中的炸药细观结构类似。因此，通过改变压力等计算条件，可以得到不同密度、HMX质量分数及颗粒尺寸的PBX炸药细观结构。
3.2 计算模型及材料参数
计算模型由钢柱和PBX炸药组成，如图6所示。计算时，钢柱以一定的初速度向右滑动，在与炸药摩擦力的作用下逐渐减速至停止，观察相对运动过程中的炸药颗粒与黏结剂的动态响应。模型中，钢柱的直径为15mm，炸药厚度为6.5mm。
模型中，HMX颗粒和黏结剂均采用弹塑性流体力学材料模型和格林爱森状态方程描述，钢柱采用塑性动力学模型描述，采用各向同性热材料模型来描述HMX颗粒和黏结剂的温度变化。整个模型的初始温度设为298K，模型中其它的材料参数见表2。
注： ρo为密度， σo为屈服应力，Go 为剪切模量， λ为导热系数， c为声速， C为比热。
3.3 数值模拟结果及分析
3.3.1 细观结构对炸药温度场的影响
对条件为：p=420MPa、v=4.5m/s的情况进行了计算，该条件与摩擦感度试验相同。模拟结果显示，炸药发生了点火。如图7所示，在炸药的内部颗粒上取两个监测点，观察温度变化，图中1号测点位于黏结剂上，2号测点在HMX颗粒中心位置。各测点处温度随时间的变化曲线如图8所示，可以看出摩擦作用下，1号测点处的温度可达1200K，而2号测点的最高温度只有600K左右，即颗粒表面黏结剂的温度远高于颗粒内部的温度；图中还可看出，两测点的最高温都出现在3μs左右，且1号测点要比2号测点更早些。因此可以推断，在摩擦作用的瞬间，首先引起黏结剂局部温升，由于HMX会发生自热反应[8,9,10]，当HMX颗粒周围温度上升到一定值时，化学反应放出的热量将使HMX快速反应，从而引起颗粒外层某处温度突越升高，导致PBX炸药发生点火。图9为炸药摩擦时点火点处的温度变化曲线，图中可见，当HMX颗粒某处温度达到1100K时，PBX炸药发生点火。
3.3.2 压力P对PBX炸药摩擦点火的影响
对条件为p=500MPa、v=4.0m/s的情况进行数值模拟，结果显示，炸药发生了点火，与摩擦感度试验结果相符。结合上一节的模拟结果，图10给出了不同压力情况下炸药点火的时间，图中可见，当p=500MPa时，炸药约在3.3μs时发生点火，当p=420MPa时，炸药在3.8μs左右点火，即炸药在当压力越大，炸药点火的时间越早。当P从420MPa增大到500MPa时，从细观角度看，PBX炸药的密度增大了，HMX颗粒之间的黏结剂分布的更加均匀，颗粒之间的孔隙变得更小，总体上，炸药变得更加密实。这样，在摩擦作用下，黏结剂温度迅速升高，温度更加快速的传递给HMX颗粒，使炸药颗粒发生化学反应更加剧烈，增强了HMX颗粒某点处发生温度突越的力量，提高了其温度突越的几率，因此压力的增大可提高炸药的摩擦感度。
3.3.3 初速度v对PBX炸药摩擦点火的影响
为了研究初速度对PBX炸药摩擦点火的影响，再对条件为p=420MPa、v=3.5m/s及p=420MPa、v=5.0m/s的情况分别进行数值模拟，结果显示：当v=3.5m/s时，炸药不发生点火，v=5.0m/s时，发生点火。如图11所示，为不同初速度下HMX颗粒某处的温度变化，图中可见，只有当v=3.5m/s时，炸药颗粒的温度没有突越，其峰值温度为1000K左右；同为发火情况，初速度为5.0m/s时的发火时间约在3.4μs，初速度为4.5m/s时的发火时间在3.8μs，初速度为3.5m/s时的温度峰值约在4.6μs，因此，压力相同时，初速度越大，炸药越容易发火，发火的时间越早。当摩擦速度增大时，黏结剂容易形成更高的局部温升，使HMX颗粒发生快速自然反应，相应的导致其温度更早的达到突越，从而引起炸药点火更早。
4 结 论
（1）HMX质量分数为88%的PBX炸药在p=420MPa、v=4.5m/s，以及p=500MPa、v=4.0m/s，或更高压力、更大初速度条件下，能够可靠发火。
（2）数值模拟计算表明：PBX炸药的点火点位于HMX颗粒与黏结剂之间，本文研究的PBX炸药点火临界温度为1100K；随着压力的增大，摩擦时炸药点火的可靠性更大，且点火时间更早；初始速度增大，摩擦起爆的可靠性也增大，且点火时间更早。
（3）在数值模拟的过程中，有些约束条件是动态变化的，如随着温度的升高，炸药与钢柱之间的摩擦系数会不断变小，而这一动态变化的关系又很难确定，因此，在计算的过程中忽略了该约束条件的变化，下一步将对此开展专项研究。
参考文献
[1] Glenn J G, Foster J C, Gunger M, et al. A test method and to determine the thermal initiation properties of an energetic material in a low pressure long duration event [C]. 12th International Symposium on Detonation, San Diego, California, 2002.175-187.
[2] Birk A, Baker P, Kooker D E, et al. Non-detonative explosions and burning of composition-B explosive[C]. 12th international symposium on detonation, San Diego, California, 2002:389-398.
[3] 林文洲. 高能炸药摩擦感度的理论研究[D]. 北京：中国工程物理研究生部，2006.
[4] 林文洲，洪涛. 高能炸药摩擦感度理论初步研究[J]. 含能材料，2007，02（01）：12-15.
[5] 董海山，周芬芬. 高能炸药及相关物性能[M]. 北京：科学出版社，1989.
[6] 刘群，陈朗，伍俊英. PBX炸药细观结构冲击点火的二维数值模拟[J]. 火炸药学报，2011，12（06）：10-16.
[7] 高立龙，牛余雷，王浩. 典型炸药柱的400 kg落锤撞击感度特性分析[J]. 含能材料，2011，11（04）：428-431.
[8] 王沛. 高能炸药烤燃实验和数值模拟计算[D]. 北京：北京理工大学，2009．
[9] 刘群，陈朗，鲁建英. 炸药颗粒压制成型数值模拟[J]. 高压物理学报，2009，23（6）：421-426.
[10] 于继东，王文强，刘仓理. 炸药冲击响应的二维细观离散元模拟[J]. 爆炸与冲击，2008，28（6）：488-493.
原文网址：- http://www.cbsw.cn/news.do?newsId=92922
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发表于 2016-7-6 16:27:14
