固体炸药的磁驱动准等熵加载实验技术及动力学行为研究

发布时间：2020-07-11 23:54

【摘要】：未反应固体炸药及组份的物理、力学性质是爆轰物理和流体动力学计算的基础性数据,动载荷下未反应炸药的动力学响应特性是研究炸药起爆机理和安全性的基础和前提。本文发展了较宽压力范围内未反应固体炸药动力学行为研究的实验和理论研究方法,构建了未反应固体炸药在磁驱动准等熵加载下的动力学实验—数据分析处理—模拟计算—物态方程研究的研究框架。拓宽了未反应固体炸药及组分动力学响应研究的压力范围,改善了未反应固体炸药特别是国内配方药高压段实验数据缺乏的情况,为精密爆轰物理和炸药安全性研究提供了新的研究手段。论文的主要研究内容包括固体炸药的磁驱动准等熵加载实验技术,准等熵压缩下固体炸药及其组分的动力学特性及物态方程研究三个方面,主要研究进展及创新性结果如下:1.建立和发展了较宽压力范围内固体炸药动力学行为研究的磁驱动准等熵加载实验技术和数据处理方法,将未反应固体炸药动力学行为研究的压力范围从数GPa拓展至近 20GPa。根据未反应固体颗粒炸药材料的波传播规律特性,建立了固体混合炸药的准等熵加载实验技术,发展了动态阻抗失配修正的迭代Lagrange数据处理方法,实现了准等熵压缩加载下高精度加载压力历史边界的获取,解决了炸药样品与窗口阻抗失配情况下数据难以解读的问题。实现了磁驱动准等熵压缩加载前炸药样品初始环境温度的调控、软回收,为炸药动态响应研究提供了动载压力和温度两个维度的调控手段和样品的回收分析能力。具备了冲击-斜波可控热力学路径加载实验能力,为研究不同热力学路径下炸药动力学响应的差异提供了技术手段。2.获得了磁驱动准等熵加载下较宽压力范围内典型固体炸药及其组分的状态方程、粘弹性本构关系、相变和相变动力学等动力学响应特性,基于相应的流体动力学数值模拟确定了相关物理模型参数。为深入开展精密爆轰物理模拟研究和安全性研究提供了相对于冲击加载更宽压力区间的实验数据及参数。开展了国内三种典型固体炸药的动力学响应实验研究,分别考虑了不同加载压力峰值、部分样品形成前驱冲击波、样品初始密度差异三种情况下炸药样品的响应特性。获得了炸药的准等熵压缩实验数据,数据分析处理获得了实验样品的p-v关系及状态方程参数,发现炸药的初始密度对炸药的宏观响应具有明显影响。实现了斜波压缩下固体炸药的化学反应增长实验技术,也为深入研究炸药中波的传播和发展提供了新颖的视角。获得了炸药的主成分HMX、RDX晶体在准等熵压缩加载下的典型响应曲线,首次在动载实验中获得了 RDX单晶包含弹-塑-α转γ相变三波结构的速度剖面,两种炸药晶体均表现出速度弛豫的弹塑性转变特性,且不同晶向弹塑性行为存在明显差异。利用多相物态方程再现了 RDX单晶的三波结构速度曲线,α转γ相变压力阈值与晶向无明显相关性。获得了粘结剂F2311和HTPB的状态方程参数,比较了四种不同粘结剂相同密度相似配方的HMX基PBX炸药的状态方程参数差异,发现粘接剂种类对配方相似密度相同的固体炸药孔隙率有很大影响,这可能是不同粘结剂对炸药状态方程参数产生较大差异的重要原因。在炸药的流体动力学模拟计算中通过选用配方相近的固体炸药的状态方程参数来替代目标炸药的参数可能会带来较大的响应差异。3.进一步发展了以等熵线为参考线的固体炸药完全物态方程的理论方法,提升了对固体炸药热动力学行为的描述能力。从组分状态方程出发,比较了三种典型的混合物叠加模型对计算颗粒固体炸药状态方程参数的影响,计算中考虑了疏松材料的孔隙率修正模型。研究发现,孔隙率对状态方程参数影响明显,较小的孔隙率增长,会导致炸药声速的明显变化。叠加模型和孔隙率修正模型结合,对于研究新的炸药配方的动力学特性有指导意义,但是,针对具体炸药的动力学参数,仍需要通过实验获得。从热力学理论出发,将热力学空间的任一点看作另一条等熵线上的点,把热力学参量和热力学函数的求解过程与不同等熵线上的熵增关联,发展了以等熵线为参考线的固体炸药完全物态方程的理论方法,简化了内能求解模型和温度求解过程。对于一般固体炸药以等熵线为参考线的完全物态方程求解,将实验和标定工作归纳为三个方面:(1)未反应固体炸药的等熵参考线(p-v关系);(2)定容比热、Mie-Gruneisen系数等材料物性参数;(3)孔隙率修正。用上述方法计算了 PBX-9501和JO-9159炸药的完全物态方程,评估了冲击压缩和等熵压缩下炸药的温升差异。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

波加载,炸药,实验数据

未反应炸药的状态方程适用的压力区间较低，而物理建模屮往往需对冲击加载获得的逡逑低压实验数据外延至ｖｏｎ邋Ｎｅｕｍａｎｎ点（数十ＧＰａ）以上，这种对实验数据的过度外延逡逑将产生严重误差。如图１．２所示［３］，邋ＰＢＸ９５０１炸药冲击加载数据外延至Ｃ－Ｊ爆轰速度逡逑处（Ｄ＝８．８ｋｍ／ｓ），粒子速度将产生巨人的差R%（２．８－３．９ｋｍ／ｓ），其压力和温升计算将出逡逑现严重误差，严响爆轰过程波剖面形态和爆轰模拟计算精度［３］。逡逑１２逦Ｉ邋１邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦ｔ￣邋－ｒ逡逑ＣＪ邋ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ邋ｓｐｅｅｄ逦－逡逑＞邋：：逦逡逑３逦２：—逦二逡逑０逦ｉ逦ｉ邋ｉ邋ｉ邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋Ｉ邋ｉ逦ｉ逦ｔ逦ｉ逦Ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ邋ｉ逡逑０逦１２逦３逦４逡逑Ｕｐ邋（ｋｍ／ｓ）逡逑图１．２邋ＰＢＸ９５０１炸药Ｕｓ－Ｕｐ关系的冲出？波加载实验数据及其外延逡逑另外，冲击加载只是热力学空间中的一条特殊路径，从全面认识未反应炸药状态逡逑方程的角度来看，借助静高压、准等熵加载和复杂路径加载方法，在更为宽广的热力逡逑学空间研究未反应炸药的状态方程，有助于提高爆轰物理模型的适用性。逡逑磁驱动斜波压缩加载过程温升低、加载平滑无冲击，能有效抑制炸药发生化学反逡逑应

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８－３０ＭＡ之间；３）负载的阻抗大，电感达到十几至数十纳亨，电阻达到百毫欧姆量级，逡逑为高阻抗负载；４）装置的尺寸和占地面积大。主要有美国ＬｏｓＡｌａｍｏｓ邋Ｗ家实验室的逡逑Ａｔｌａｓ装置［１Ｇ］、圣地亚国家实验室的ＺＲ邋（图１．５）机器和Ｓａｔｕｒｎ装置［１１］、俄罗斯的逡逑Ａｎｇａｒａ－５［１２］和中物院的ＰＴＳ［１３］等实验装置。此类装置有两种工作模式，一种为较长加逡逑载时间（微秒量级）的柱、球面压缩，主要应用于高压相变、合成、内爆模拟及实用逡逑结构装置之类的研究中，例如Ａｔｌａｓ装置。另一种为较短加载时间（１００－６００ｎｓ）的平逡逑面和柱面压缩，主要应用于一维平面样品物态方程、超高速飞片发射和超高速碰撞以逡逑及快速柱面内爆动力学、超高速射流低温等离子辐射流体动力学等方面的研究，如ＺＲ逡逑装置和ＰＴＳ装置。逡逑图１．３邋ＶＥＬＯＣＥ装置照片逡逑图１．４邋ＺＲ机器照片逡逑为了便于和大型光源诊断设施配合，中国工程物理研究院流体物理研究所和美国逡逑Ｓａｎｄｉａ国家实验室近年分别发展了基于电容器组储能、电缆传输的磁驱动加载装置，逡逑如ＣＱ－３－ＭＭＡＦ和Ｔｈｏｒ装置。此类装置的电参数特性和电容器组储能、平行板传输逡逑的紧凑型磁驱动加载装置类似

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