超压爆轰产物状态及相关现象研究

【摘要】： 研究高能炸药的起爆特性和产物状态方程对于有效利用炸药爆轰所提供的能量以及提高炸药在加工、储存、运输和使用过程中的安全性具有重要的理论和应用价值,本文采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的手段,对高能炸药爆轰反应速率方程和超压爆轰产物状态方程进行了系统研究,同时将相关研究结果应用于超压爆轰驱动、材料物态方程和常规兵器战斗部设计技术等领域。 首先分析了爆轰的经典模型——CJ理论和ZND模型,在对高能炸药爆轰反应速率方程研究进行综述的基础上,建立了与炸药初始孔隙率及孔隙尺寸相关的冲击起爆反应速率CZT模型。利用CZT模型,对PBX-9404炸药一维冲击起爆问题进行了数值模拟,分析了反应速率方程中热点项、初始空隙度以及炸药颗粒尺寸对起爆过程的影响;对二维大隔板实验进行了数值模拟,对几种不同孔隙率和颗粒尺寸的PBX-9404炸药样品,得到了临界隔板厚度。 对于反应速率方程中的待定系数,采用具有良好全局优化能力的遗传算法来确定。通过对遗传算法的改进提高了收敛速度,并将其与DYNA2D程序有效结合,确定了PBX-9404炸药CZT模型中的待定系数。 通过实验方法研究了高能炸药超压爆轰产物状态。给出了爆轰产物的雨贡纽测量方法,采用传统的对比法获得了JB-9014炸药爆轰产物的超压雨贡纽关系;建立了超压爆轰产物声速测量方法,采用光分析法测量了JB-9014炸药超压爆轰产物声速,得到了该炸药高压冲击状态下超压爆轰产物Hugoniot声速随超压爆轰产物压力变化曲线上的状态点,并建立了相应的确定CJ点状态的方法,得到了JB-9014炸药的CJ状态。 建立了利用Hugoniot曲线和声速实验数据拟合超压状态方程的基本方法,以P.K.Tang对PBX-9501和PBX-9502炸药的爆轰产物状态方程进行研究的思想为基础,建立了三组JB-9014炸药的超压爆轰产物状态方程。将这三组超压爆轰产物状态方程嵌入DYNA2D程序,通过对超压卸载实验的模拟,得到的炸药在超压爆轰状态下较短的稀疏波追赶时间与实验结果一致。 对超压爆轰的三个典型应用进行了研究。建立了超压爆轰驱动飞片的理论模型,得到了推广的Gurney模型;通过实验研究了多级超压爆轰驱动问题,验证了理论模型,并对其中的几个关键问题进行了讨论。采用数值模拟方法研究了超压爆轰作用下射流和射弹形成及运动过程,分别设计了三种结构的射流和射弹形成装置,通过飞片撞击使主装药产生超压爆轰,改变飞片的速度来调整爆轰产物压力,得到了爆轰产物压力与射流或射弹头部速度之间的关系。对各种高压加载技术进行了对比,初步分析了球形内爆加载技术应用于超高压状态方程研究领域的可行性。