CN113030180A - 一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法，装置包括激光发射装置、金属箔和炸药样品，纳秒激光烧蚀金属箔，在金属内部形成冲击波，从而加载压力，炸药样品在加载压力的作用下发生爆轰，并开展了激光驱动超高压加载的炸药样品实验和非炸药样品实验，验证了两个实验测量的界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的，实现了在激光驱动下炸药的超爆轰反应。

Description

一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法

技术领域

本发明涉及炸药爆轰技术领域，特别是涉及一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法。

背景技术

炸药作为特殊的有机材料，广泛应用于社会生产的各个领域，其爆轰性能和安全性能备受关注。高能炸药从早期的黑火药，梯恩梯(TNT)，到现在最广泛使用的黑索金(RDX)、奥克托今(HMX)，以及新型的CL20，LLM-105等，爆轰性能逐步提升，同时也推动着设计概念的创新发展。直至目前，现有含能材料的能量水平已到达瓶颈，如何提升能量密度是当前含能材料研究中的瓶颈性问题。通过新技术、新工艺合成新的、更有效的超高能含能材料，也是当前科学研究的热点。2017年，全氮阴离子盐、金属氢等合成实现了突破，这两项成果均发布在国际顶级期刊《科学》杂志上，引起国内外的广泛关注。高压作用下物质呈现出与常压下完全不同的化学反应、动力学过程及物理机制，有利于探索新的结构性质、发现新的化合物。

深入理解高压下含能材料的物理过程、物质特性是国内外高压科学领域关注的焦点。近几十年来，各种实验高压加载技术和测量技术的建立和发展，以及计算机数值模拟能力的提升，对高压物理过程有了深入的了解。目前，实验已发展利用高时空分辨的诊断技术，用于诊断冲击压缩物理过程，并获得重要的数据参数和规律性认识。炸药爆轰具有作用过程瞬时、压力高等特点，通过动高压加载-诊断技术开展炸药样品研究，能够获取高压加载下炸药爆轰性能参数。

但是目前因实验手段的限制，还没有实现炸药在数GPa～数百GPa的超高加载压力下进行爆轰的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法，以实现激光驱动超压加载炸药的爆轰。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种炸药超压爆轰装置，所述装置包括：激光发射装置、金属箔和炸药样品；

所述金属箔的底面与所述炸药样品的顶面连接；

所述激光发射装置用于向所述金属箔的顶面发射纳秒激光；

所述金属箔用于在所述纳秒激光的烧蚀下在内部形成冲击波，所述冲击波产生加载压力，并将所述加载压力加载到所述炸药样品上；

所述炸药样品用于在所述加载压力的作用下发生爆轰。

可选的，所述装置还包括：氟化锂和测速仪；

所述氟化锂与所述炸药样品的底面连接，所述测速仪的探头设置在所述氟化锂的下方；

所述测速仪用于测量所述炸药样品发生爆轰时，所述炸药样品与所述氟化锂界面的界面粒子速度。

可选的，所述测速仪为光子多普勒干涉仪。

一种炸药超压爆轰装置的性能测试方法，所述方法包括：

利用纳秒激光烧蚀金属箔；

开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验和非炸药样品实验，分别获得炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度；

比较炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度，确定界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的。

可选的，所述开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验，具体包括：

预设纳米激光的加载参数和炸药样品的结构参数；所述纳米激光的加载参数包括激光的波长、脉宽和功率密度，所述炸药样品的结构参数包括炸药样品的直径和厚度；

所述金属箔在所述纳米激光烧蚀下产生超高加载压力；

所述炸药样品在所述超高加载压力作用下发生爆轰。

可选的，所述比较炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度，确定界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的，之后还包括：

进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力；

进行序列厚度加载实验，获得爆轰波在传播过程中的变化规律。

可选的，所述进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，具体包括：

利用多束功率密度依次增大的纳米激光分别烧蚀金属箔，直至炸药样品发生爆轰；

获取所述炸药样品在不同功率密度的纳米激光作用下发生爆轰时的爆轰压力。

可选的，所述进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，之后还包括：

获取不同压强下炸药样品发生爆轰时的界面粒子速度；

根据所述界面粒子速度，基于冲击波在界面的传递关系，获得不同压强下氟化锂和炸药样品界面处炸药的粒子速度；

根据不同压强下界面处炸药的粒子速度，获得不同压强下炸药样品内部的冲击波速度，作为炸药样品的爆速，并获得爆速与加载压强的关系。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法，纳秒激光烧蚀金属箔，在金属内部形成冲击波，从而加载压力，炸药样品在加载压力的作用下发生爆轰，并开展了激光驱动超高压加载的炸药样品实验和非炸药样品实验，验证了两个实验测量的界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的，实现了在激光驱动下炸药的超爆轰反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的炸药超压爆轰装置的结构图；

图2为本发明提供的炸药超压爆轰装置的性能测试方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的不同炸药厚度和不同非炸药厚度的超爆轰起爆结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种炸药超压爆轰装置及性能测试方法，以实现激光驱动超压加载炸药的爆轰。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明首次提出利用大能量纳秒激光产生强冲击波加载炸药样品，加载压力在数GPa～数百GPa，远高于炸药起爆的压力；利用高时间分辨测速仪测量爆速、爆压等特征参量；通过加载-探测的实验，设计并实现炸药超压爆轰的物理过程。

本发明提供了一种炸药超压爆轰装置，如图1所示，装置包括：激光发射装置、金属箔和炸药样品；

金属箔的底面与炸药样品的顶面连接；

激光发射装置用于向金属箔的顶面发射纳秒激光；

金属箔用于在纳秒激光的烧蚀下在内部形成冲击波，冲击波产生加载压力，并将加载压力加载到炸药样品上；

炸药样品用于在加载压力的作用下发生爆轰。

装置还包括：氟化锂和测速仪；氟化锂与炸药样品的底面连接，测速仪的探头设置在氟化锂的下方；测速仪用于测量炸药样品发生爆轰时，炸药样品与氟化锂界面的界面粒子速度。

炸药超压爆轰装置的工作原理为：利用大能量纳秒激光烧蚀金属材料，激光能量在数百～数千焦耳量级，加载光斑束匀滑后光强均匀分布，光斑直径≥2mm，功率密度在10¹³W/cm²以上。通过烧蚀产生等离子向外喷射，同时在金属内部形成强冲击波，冲击加载压强在数GPa～数百GPa。强冲击波传播到金属/炸药界面，并加载到炸药样品上。

样品主要由金属箔、炸药、LiF(氟化锂)等三层结构组成，金属箔的主要作用是激光烧蚀产生超高加载压力，同时避免激光预热效应等影响。炸药样品直径在数mm级，厚度在1mm左右，使得加载过程满足一维加载条件。LiF主要作为窗口材料，在冲击波渡过样品/LiF界面时，通过测量给出界面的粒子速度。

优选地，测速仪为光子多普勒干涉仪，测速范围0～6km/s，时间分辨优于5ns。

本发明还提供了一种炸药超压爆轰装置的性能测试方法，如图2所示，方法包括：

S101，利用纳秒激光烧蚀金属箔；

S102，开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验和非炸药样品实验，分别获得炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度；

S103，比较炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度，确定界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的。

在相同条件下开展非炸药样品的加载实验，开展激光驱动超高压加载炸药样品的实验及非炸药样品的对比实验，并利用测速仪给出爆轰时的界面粒子速度等参量。在进行非炸药样品的实验时，激光照射金属箔，在金属内部形成强冲击波，强冲击波传播到金属/非炸药界面，并加载到非炸药样品上，在冲击波的作用下非炸药样品同样会发生爆炸。比对炸药与非炸药样品的实验结果，明确两者速度差异是由于炸药爆轰引起的，而不是冲击波的压力波形。

步骤S102中，开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验，具体包括：

预设纳米激光的加载参数和炸药样品的结构参数；纳米激光的加载参数包括激光的波长、脉宽和功率密度，炸药样品的结构参数包括炸药样品的直径和厚度；

金属箔在纳米激光烧蚀下产生超高加载压力；

炸药样品在超高加载压力作用下发生爆轰。

通过流体动力学软件模拟激光条件，在激光波长、脉宽、功率密度明确的前提下，通过软件模拟给出样品的加载压力与宽度。

步骤S103之后还包括：

进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，进而认识超爆轰物理机制；

进行序列厚度加载实验，获得爆轰波在传播过程中的变化规律，进而认识超爆轰传播特性。

其中，进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，具体包括：

利用多束功率密度依次增大的纳米激光分别烧蚀金属箔，直至炸药样品发生爆轰；

获取炸药样品在不同功率密度的纳米激光作用下发生爆轰时的爆轰压力。

进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，之后还包括：

获取不同压强下炸药样品发生爆轰时的界面粒子速度；

根据界面粒子速度，基于冲击波在界面的传递关系，获得不同压强下氟化锂和炸药样品界面处炸药的粒子速度；

根据不同压强下界面处炸药的粒子速度，获得不同压强下炸药样品内部的冲击波速度，作为炸药样品的爆速，并获得爆速与加载压强的关系。

利用大能量纳秒激光烧蚀金属材料，使其在内部形成强冲击波并加载到炸药样品，炸药受到超高压加载后发生爆轰反应；利用高时间分辨的速度仪测量炸药/LiF的界面速度，进一步反推出炸药爆速、爆压等特征参数；通过序列压力、序列厚度炸药样品实验及爆轰特征参数测量，设计并实现炸药超爆轰反应，解读物理演化过程。

本发明还提供了0.5mm炸药、1mm炸药、0.5mm非炸药和1mm非炸药的超爆轰实验，实验结果如图3所示。图3的横坐标表示时间，单位为ns；纵坐标表示界面粒子速度，单位为m·s^-1。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种炸药超压爆轰装置，其特征在于，所述装置包括：激光发射装置、金属箔和炸药样品；

所述金属箔的底面与所述炸药样品的顶面连接；

所述激光发射装置用于向所述金属箔的顶面发射纳秒激光；

所述金属箔用于在所述纳秒激光的烧蚀下在内部形成冲击波，所述冲击波产生加载压力，并将所述加载压力加载到所述炸药样品上；

所述炸药样品用于在所述加载压力的作用下发生爆轰。

2.根据权利要求1所述的炸药超压爆轰装置，其特征在于，所述装置还包括：氟化锂和测速仪；

所述氟化锂与所述炸药样品的底面连接，所述测速仪的探头设置在所述氟化锂的下方；

所述测速仪用于测量所述炸药样品发生爆轰时，所述炸药样品与所述氟化锂界面的界面粒子速度。

3.根据权利要求2所述的炸药超压爆轰装置，其特征在于，所述测速仪为光子多普勒干涉仪。

4.一种炸药超压爆轰装置的性能测试方法，其特征在于，所述方法包括：

利用纳秒激光烧蚀金属箔；

开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验和非炸药样品实验，分别获得炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度；

比较炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度，确定界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的。

5.根据权利要求4所述的炸药超压爆轰装置的性能测试方法，其特征在于，所述开展激光驱动超高压加载的炸药样品实验，具体包括：

预设纳米激光的加载参数和炸药样品的结构参数；所述纳米激光的加载参数包括激光的波长、脉宽和功率密度，所述炸药样品的结构参数包括炸药样品的直径和厚度；

所述金属箔在所述纳米激光烧蚀下产生超高加载压力；

所述炸药样品在所述超高加载压力作用下发生爆轰。

6.根据权利要求4所述的炸药超压爆轰装置的性能测试方法，其特征在于，所述比较炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度和非炸药样品实验爆轰时的界面粒子速度，确定界面粒子速度的差异是由炸药样品爆轰引起的，之后还包括：

进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力；

进行序列厚度加载实验，获得爆轰波在传播过程中的变化规律。

7.根据权利要求6所述的炸药超压爆轰装置的性能测试方法，其特征在于，所述进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，具体包括：

利用多束功率密度依次增大的纳米激光分别烧蚀金属箔，直至炸药样品发生爆轰；

获取所述炸药样品在不同功率密度的纳米激光作用下发生爆轰时的爆轰压力。

8.根据权利要求6所述的炸药超压爆轰装置的性能测试方法，其特征在于，所述进行序列压强加载实验，获得不同压强下炸药样品发生爆轰时的爆轰压力，之后还包括：

获取不同压强下炸药样品发生爆轰时的界面粒子速度；

根据所述界面粒子速度，基于冲击波在界面的传递关系，获得不同压强下氟化锂和炸药样品界面处炸药的粒子速度；

根据不同压强下界面处炸药的粒子速度，获得不同压强下炸药样品内部的冲击波速度，作为炸药样品的爆速，并获得爆速与加载压强的关系。

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