孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究

为了研究孔隙度(装药密度)对PBX炸药冲击起爆爆轰成长的影响，采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统，测量了不同孔隙度的PBXC03炸药(HMX的质量分数为87%，TATB的质量分数为7%，黏结剂的质量分数为6%)冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史。结果显示:在本文装药范围和加载条件下，孔隙度对PBX炸药冲击起爆爆轰过程的影响不单调，中等密度的炸药冲击起爆和爆轰成长最快，这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。     

退役单基药的冲击起爆特性

为了研究退役单基药的冲击起爆特性,参照GJB772A-97中卡片式隔板法实验方法,分别开展了退役单基药的连续爆速实验、冲击波感度实验及锰铜压力计实验,观测了其冲击起爆的爆轰建立过程,得到了临界隔板值以及临界起爆压力。在连续爆速实验中,隔板厚度为50 mm时,观察到了退役单基药反应冲击波不断增长的过程,并在90mm处转变为爆轰; 在冲击波感度以及锰铜压力计实验中,测得其临界隔板厚度为50~52 mm,临界起爆压力为1.35~1.49 GPa。对退役单基药的冲击起爆过程进行了数值模拟,结合三种实验的实验结果,标定了其点火增长模型反应速率方程参数。     

复合推进剂的冲击波起爆和爆轰过程研究

本文应用拉氏量计和拉氏分析技术研究了,两种常用的复合推进剂(聚硫和丁羟复合推进剂)的冲击波起爆和爆轰过程。在冲击波起爆过程中,压力等参量出现双峰现象,化学反应由三个阶段完成。在爆轰过程中,反应区宽度5mm以上,属于非理想爆轰过程。最后基于组分实验结果,进一步分析了复合推进剂,在冲击波作用下的化学反应过程,结果表明,双峰现象和多反应阶段的出现是由于高氯酸铵和粘合剂之间的相互作用的结果。     

低冲击下固体推进剂延迟起爆现象

为了研究固体推进剂在低强度冲击作用下的延迟爆轰现象（XDT）,设计了2次冲击波加载的双隔板实验。用X光摄像技术观测了推进剂在低强度冲击作用下的延迟起爆现象。建立了推进剂双隔板实验计算模型,运用非线性动力学有限元方法对推进剂的双隔板实验进行了数值模拟,得到推进剂在2次独立冲击波加载作用下的压力历史,分析了推进剂发生延迟爆轰的受力过程。结果表明,在强度较低的冲击波作用下,该推进剂会发生XDT现象,对推进剂重复冲击加载作用和推进剂在加载作用下的敏化程度是控制XDT现象发生的主要因素。     

CL-20基混合炸药的冲击起爆特征

为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征,深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律,采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法,对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验,通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器,获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数,其中,利用反应速率方程中的两个增长项,分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程,得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明:三种CL-20基混合炸药中,CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值,而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离;此外,利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法,可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算     

爆轰波碰撞的聚能效应

利用两高爆速导爆索对称布置于药卷两侧,起爆后炸药爆轰波在对称线处汇聚碰撞,当碰撞角度达到一定值时,发生马赫反射,使爆轰压力成倍增加,形成高压、高能量密度区域的聚能效应。本文在爆轰波传播碰撞理论的基础上,通过炸药做功能力和猛度试验验证爆轰波碰撞的聚能效果。做功能力试验结果表明爆轰波碰撞能够增加炸药能量利用率;猛度试验结果表明采用对称起爆技术下的爆轰波碰撞能够改变爆轰波在特定方向上的扩散作用。试验结果与爆轰波入射角的几何关系表明,当高爆速起爆药条与主装药爆速比例在1.15倍以上时,爆轰波碰撞能够达到一定的聚能效果。     

一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离

利用光纤探针/光电转换器/示波器技术和楔形炸药块方法,采取电炮驱动薄飞片冲击加载产生高压短脉冲激励的装置,测量了一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离,研究了到爆轰距离与初始冲击波压力幅值和脉宽的关系,给出了该炸药的POP曲线和表达式。实验结果有助于了解压力脉宽对钝感炸药的冲击起爆和爆轰成长的影响。对于短脉冲冲击加载,入射压力脉宽对炸药的到爆轰距离影响明显,相同实验条件下,压力脉宽越长,炸药的到爆轰距离越短;相同压力脉宽下,加载压力越高,炸药的到爆轰距离越短。     

液体燃料云雾爆轰参数实验

为深入了解液体燃料云雾爆轰机理,借助自行设计和建造的立式爆轰管,并采用升降法和烟迹技 术,对环氧丙烷等液体燃料云雾爆轰参数(爆速、爆压、临界起爆能和爆轰胞格尺寸)与当量比的关系进行了实 验研究。结果表明,环氧丙烷的爆速和爆压随当量比的增加先增大后平缓减小;碳氢液体燃料云雾爆轰的临 界起爆能与当量比呈U型关系,最佳值点偏向富燃料一侧;临界起爆能的大小与燃料的分子结构和挥发性 有密切关系,IPN和PO 临界起爆能相当,而烷烃类临界起爆能均较大。环氧丙烷在25和50 ℃时的爆轰胞 格宽度与当量比皆呈U型关系,最小值点偏向富燃料一侧;气相爆轰胞格宽度比云雾爆轰略小。常温下环 氧丙烷云雾爆轰主要由气相反应所控制。     

低温下小尺度钝感炸药非理想爆轰实验研究

钝感炸药爆轰波法向速度Dn与当地曲率密切相关,为研究这种非理想行为,测量了－30 ℃下直径为10、12.5、15、30 mm的钝感炸药的定态爆轰速度和爆轰波形,并与24 ℃下的实验结果进行了比较。研究表明,低温下爆速随药柱直径的增加而增加;直径相同时,温度越高,爆轰波形越平坦;温度相同时,直径越大,爆轰波形越平坦;直径较小时,低温下的爆速小于常温下的爆速,相应的法向爆速与当地曲率的关系曲线Dn()位于常温下曲线的下方;直径较大时,低温下的爆速大于常温下的爆速,相应的Dn()关系曲线位于常温下曲线的上方。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

在球面散心冲击波作用下JB-9014炸药冲击引爆过程实验研究

采用双灵敏度VISAR对JB-9014炸药在20 GPa的球面散心冲击波作用下冲击引爆过程开展了实验研究。测得的不同厚度JB-9014炸药/窗口界面的粒子速度历程表明,到爆轰距离为2~3 mm,在3~5mm处反应冲击波已发展为稳定爆轰波。开展了相应的初步数值计算工作,计算结果与实验基本吻合。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

基于多普勒测速技术的JB-9014炸药反应区结构研究

为了解TATB基JB-9014炸药的爆轰过程,利用火炮驱动飞片加载,采用光子多普勒测速技术,对JB-9014炸药的爆轰反应区结构进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药,在炸药后表面安装镀膜氟化锂（LiF）窗口测量炸药爆轰时的界面粒子速度,测试过程的时间分辨率小于2 ns。将粒子速度剖面对时间进行一阶求导,通过一阶导数的拐点来确定炸药反应区宽度、反应时间。研究结果表明,钝感炸药JB-9014的反应时间为（0.26±0.02）μs,对应的化学反应区宽度为（1.5±0.2）mm,反应结束点处的压力为27.3 GPa,von Neumann峰处压力为40.3 GPa。     

装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度，较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化，进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算，定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明，方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关，与正压作用时间成负相关；方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关，与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后，分析了冲击波峰值超压数据，建立了动爆冲击波超压的计算模型，该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。     

用组合式电磁粒子速度计研究JOB-9003炸药的冲击起爆过程

用组合式电磁粒子速度计研究了JOB-9003炸药在不同冲击压力下的起爆过程。粒子速度计所测波形较好地反映出了炸药中冲击波向爆轰波的转变过程。对冲击波跟踪器所测波形的分析表明,冲击压力为4.9 GPa时,JOB-9003炸药冲击转爆轰的距离和时间分别为xD=6.06 mm和tD=1.13 s,当冲击压力增加到 5.8 GPa时,转爆轰的距离和时间减小为xD=5.66 mm和tD=1.01 s。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应，开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验，使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程，并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟，通过调整流固耦合的网格大小，避免了耦合泄漏。实验结果表明，火箭发动机受到射流冲击后，会发生剧烈爆炸，推进剂完全反应，破片速度达4 700 m/s以上，距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa，爆炸中心温度达到3 000 ℃以上，该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示，射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后，射流头部的尖端被严重烧蚀，且速度降至约5 600 m/s；推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后，发生剧烈反应；爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播，并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂，发生装药的二次冲击起爆，同时伴有回爆现象，在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰；距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa，与实验结果吻合较好。     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。