兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 3462-3473.doi: 10.12382/bgxb.2023.0795
伍俊英*(), 姚雨乐, 郑富德, 刘嘉锡, 李钧剑, 王健宇, 陈朗
收稿日期:
2023-08-25
上线日期:
2023-12-29
通讯作者:
基金资助:
WU Junying*(), YAO Yule, ZHENG Fude, LIU Jiaxi, LI Junjian, WANG Jianyu, CHEN Lang
Received:
2023-08-25
Online:
2023-12-29
摘要:
为分析多脉冲飞秒激光切割加工炸药过程的安全性,建立多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药的二维数值计算模型,对飞秒激光切割加工HMX、TATB、RDX和TNT 4种炸药装药的情况进行数值计算,获得不同加工状况下炸药装药的热响应规律。实验结果表明:飞秒激光切割加工炸药装药过程中,当激光光斑的移动速度为80~300mm/min时,4种炸药均未发生点火,反应光斑移动速度越慢,热累积效应越明显,且HMX相比其他3种炸药,动态分析区内HMX的热累积效应最明显;当激光重复频率和能量分别为0.1~200kHz和50~200μJ/pulse时,提高飞秒激光的重复频率和能量对切割速率提升效果呈先上升后降低趋势;飞秒激光对炸药装药的切割加工速率和安全性,会受到炸药的性能参数的影响,切割速率与炸药的激光吸收系数呈正相关,切割安全性与炸药的热感度呈负相关。
中图分类号:
伍俊英, 姚雨乐, 郑富德, 刘嘉锡, 李钧剑, 王健宇, 陈朗. 多脉冲飞秒激光切割加工炸药装药过程的热响应[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3462-3473.
WU Junying, YAO Yule, ZHENG Fude, LIU Jiaxi, LI Junjian, WANG Jianyu, CHEN Lang. Thermal Response of Explosive Charge Cutted by Multi-pulse Femtosecond Laser[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(10): 3462-3473.
炸药 | α/106m-1 | r |
---|---|---|
TATB | 2.264 | 0.146 |
HMX | 1.434 | 0.090 |
TNT | 1.724 | 0.110 |
RDX | 1.626 | 0.106 |
表1 4种单质炸药对飞秒激光的吸收系数和反射系数[21]
Table 1 Absorption and reflection coefficients of four kinds of elemental explosives for femtosecond laser[21]
炸药 | α/106m-1 | r |
---|---|---|
TATB | 2.264 | 0.146 |
HMX | 1.434 | 0.090 |
TNT | 1.724 | 0.110 |
RDX | 1.626 | 0.106 |
炸药 | 密度/ (kg·m-3) | 热容/ (J·kg-1·K-1) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 热扩散 系数/ (m2·s-1) | 点火 温度/ K |
---|---|---|---|---|---|
HMX | 1905 | 1050 | 0.345 | 1.72×10-7 | 573 |
TATB | 1937 | 1170 | 0.544 | 2.40×10-7 | 632 |
RDX | 1820 | 1250 | 0.213 | 9.36×10-8 | 486 |
TNT | 1580 | 1380 | 0.500 | 2.29×10-7 | 513 |
表2 4种单质炸药的物性参数
Table 2 Physical property parameters of four kinds of elemental explosives
炸药 | 密度/ (kg·m-3) | 热容/ (J·kg-1·K-1) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 热扩散 系数/ (m2·s-1) | 点火 温度/ K |
---|---|---|---|---|---|
HMX | 1905 | 1050 | 0.345 | 1.72×10-7 | 573 |
TATB | 1937 | 1170 | 0.544 | 2.40×10-7 | 632 |
RDX | 1820 | 1250 | 0.213 | 9.36×10-8 | 486 |
TNT | 1580 | 1380 | 0.500 | 2.29×10-7 | 513 |
炸药 | TATB | HMX | TNT | RDX |
---|---|---|---|---|
爆热/(kJ·mol-1) | 1165.7 | 1828.0 | 1233.1 | 1635.6 |
表3 4种单质炸药的爆热值[29]
Table 3 Explosion heat values of four kinds of elemental explosives[29]
炸药 | TATB | HMX | TNT | RDX |
---|---|---|---|---|
爆热/(kJ·mol-1) | 1165.7 | 1828.0 | 1233.1 | 1635.6 |
炸药 | 反应步 | 活化能 E/(kJ·mol-1) | 指前因子 Z/s-1 | 反应热 Q/(kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 204 | 7.99×1020 | -42 | |
HMX | 2 | 221 | 1.41×1021 | -251 |
3 | 186 | 2.61×1016 | 558 | |
4 | 143 | 1.60×1012 | 5602 | |
1 | 252 | 7.02×1020 | -210 | |
TATB | 2 | 176 | 8.75×1012 | -210 |
3 | 142 | 4.36×1011 | 2933 | |
1 | 184 | 1.58×1015 | -126 | |
TNT | 2 | 144 | 1.96×1011 | 3767 |
3 | 140 | 2.39×1011 | 3896 | |
1 | 197 | 5.75×1019 | -419 | |
RDX | 2 | 184 | 4.74×1017 | 1257 |
3 | 143 | 1.58×1015 | 5028 |
表4 4种单质炸药的多步热分解反应动力学参数
Table 4 Kinetic parameters of multi-step thermal decomposition reaction of four kinds of elemental explosives
炸药 | 反应步 | 活化能 E/(kJ·mol-1) | 指前因子 Z/s-1 | 反应热 Q/(kJ·kg-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 204 | 7.99×1020 | -42 | |
HMX | 2 | 221 | 1.41×1021 | -251 |
3 | 186 | 2.61×1016 | 558 | |
4 | 143 | 1.60×1012 | 5602 | |
1 | 252 | 7.02×1020 | -210 | |
TATB | 2 | 176 | 8.75×1012 | -210 |
3 | 142 | 4.36×1011 | 2933 | |
1 | 184 | 1.58×1015 | -126 | |
TNT | 2 | 144 | 1.96×1011 | 3767 |
3 | 140 | 2.39×1011 | 3896 | |
1 | 197 | 5.75×1019 | -419 | |
RDX | 2 | 184 | 4.74×1017 | 1257 |
3 | 143 | 1.58×1015 | 5028 |
光斑移动速度/(mm·min-1) | 80 | 120 | 300 |
重叠率 | 0.9661 | 0.9491 | 0.8729 |
表5 不同光斑移动速度下光斑的重叠率(1kHz)
Table 5 Overlap rates of light spots at different moving speeds (1kHz)
光斑移动速度/(mm·min-1) | 80 | 120 | 300 |
重叠率 | 0.9661 | 0.9491 | 0.8729 |
图12 10s内不同光斑移动速度下激光光斑在HMX加工表面移动位置示意图
Fig.12 Schematic diagram of laser spot moving on HMX processing surface at different spot moving speeds within 10s
光斑移动速度/(mm·min-1) | 80 | 120 | 300 |
切割速率/(μm·s-1) | 12.55 | 14.11 | 16.36 |
表6 不同光斑移动速度下飞秒激光对HMX的切割速率(100μJ/pulse, 1kHz)
Table 6 Cutting rates of femtosecond laser on HMX at different spot moving speeds (100μJ/pulse, 1kHz)
光斑移动速度/(mm·min-1) | 80 | 120 | 300 |
切割速率/(μm·s-1) | 12.55 | 14.11 | 16.36 |
炸药 | HMX | TATB | RDX | TNT |
切割速率/(μm·s-1) | 16.36 | 17.29 | 16.51 | 16.83 |
表7 飞秒激光对4种炸药的切割速率(100μJ/pulse, 1kHz, 300min/mm)
Table 7 Cutting rates of femtosecond laser on four kinds of explosives (100μJ/pulse, 1kHz, 300min/mm)
炸药 | HMX | TATB | RDX | TNT |
切割速率/(μm·s-1) | 16.36 | 17.29 | 16.51 | 16.83 |
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