高性能炸药的研发

本实验的总体目标是利用压电针和光子多普勒测速窗口，评估一种新型炸药配方的爆速和爆轰压力。首先需为测试程序准备压电针和光子多普勒测速窗口；第二步是测量并将炸药样品装入加工好的丙烯酸管中。

接下来，安装起爆器。将实验装置放入封闭的测试舱内，并引爆炸药。最后一步是收集并分析到达时间与压力数据。

最终，通过结合爆速和爆压测试来表征并优化炸药配方。作为炸药配方设计人员，我们无法进行多次试验，也无法采用无损检测方法。因此，对爆速和爆压进行准确且可重复的测量极为重要。

在此，爆破工程师 Erik Wrobel 和 Rodger Cornell 将演示如何测量爆轰压力和爆轰速度。使用光子多普勒测速技术的主要优势在于能够极其精确地测量爆轰压力。首先，准备六组BNC电缆，用于连接压电探针。

应根据测试场地的几何形状调整电缆长度。现在，使用高精度卡尺测量测试样品和助爆药丸的直径和长度。测试夹具可针对任意尺寸的药丸进行加工。

同时，测量各颗粒的质量。然后，将炸药颗粒逐个装入塑料夹具中。记录装入的颗粒数量及其在夹具内的位置。

接下来，从夹具顶部将增强药粒装入管中。在增强药粒上方，放置一个丙烯酸起爆器固定座。然后，将压电针穿过孔洞，并沿塑料夹具的长度方向插入到底。

使用五分钟快干环氧树脂固定销钉。待环氧树脂固化后，将装有炸药颗粒的亚克力管放置在钢制靶板上方。使用重物或胶带将测试装置固定在钢板上。

最后一个炸药丸与钢板之间不应存在任何空气间隙。接下来，用环氧树脂将测试夹具的边缘粘合，以将其固定在钢板上。待环氧树脂完全固化后，将雷管放入 holder 中，并用胶带固定。

将测试夹具运送至测试室。在测试室内，将压电针的电缆连接到测试室中的针脚，以及相机室中的BNC多路复用器箱。然后，将多路复用器箱连接至示波器。

1 GHz 的带宽已完全足够。将起爆线连接至雷管。根据当地的标准化操作程序，封锁测试场地。

接下来，将高压点火装置的触发输出连接到示波器的一个通道上。确认触发阈值为3伏。然后，将求和盒连接到示波器的第二个通道上。

在示波器上，将两个通道均设置为每格五伏，时基设置为每格五微秒。将延迟设置为负20微秒。现在，在高能量点火设置下，执行引爆。

数据分析部分在文本方案中已有涵盖。首先加工一个PMMA圆盘。从四分之一英寸厚的光学透明浇铸PMMA板材上切割该圆盘，以确保圆盘表面无任何缺陷。

将圆盘直径与炸药的直径相匹配。加工完成后，检查圆盘表面是否存在物理缺陷。对表面的小缺陷进行清洁和抛光，以恢复其光学清晰度。

如果存在较大的缺陷，例如深划痕或孔洞，则应丢弃该光盘并重新开始。现在，使用光学透明胶带将非常薄的铝箔（粗糙面朝下）粘贴到光盘上。将铝箔在光盘表面抚平，以去除任何皱褶或气泡。

与之前的步骤相同，测量炸药样品压片的直径、长度和质量。利用这些样品压片制成炸药装药。在每一处炸药接触界面，涂抹硅基弹性体以尽量减少空气间隙的形成。

使用经过测试兼容且不会促进化学反应的弹性体。现在，将到达时间压电针安装到丙烯酸支架中。然后，将装有压电针的支架固定在装药底部附近，以捕捉稳态爆轰速度。

在继续操作前，确保支架上的插销与炸药坯料的轴线平行。将丙烯酸PDV探头支架连接到PMMA窗口的自由表面，以继续进行光子多普勒测速测试。然后，将PDV探头插入支架中，并使用1毫瓦的背向反射仪将其对准铝箔。

因此，尽管PMMA对当前使用的激光光的透射率约为90%，但我们所使用的圆盘自由表面具有极强的镜面反射特性。如果探头与该自由表面完全对齐，将会产生非常强烈的背向反射信号。如果我们接收到这一背向反射信号，并误将其识别为所要检测的铝层信号，就可能导致错误的对准判断，从而遗漏大量本应采集到的数据。

在调整至最佳背向反射位置后，用环氧树脂将PDV探头固定。然后，将助推器和EBW起爆器连接到装药上以完成组装。接着，将测试样品放入腔室，并连接到达时间（TOA）针脚和PDV光纤。

然后，将点火线连接到 RP-80 起爆器上。现在，封锁测试区域，并实施区域封锁操作。确保所有门禁均已启动，且所有人员均已清点到位。

最后的准备工作是检查PDV信号和参考功率水平，以确保能够捕获所需的拍频信号。现在，使用高能点火装置引爆样品。保存PDV和TOA数据的示波器波形记录。

利用所述方案，将PAX-30与传统的PBXN-5高能炸药进行了比较。在起爆后，对传统爆速凹痕试验中的凹痕靶板进行了分析。该图显示了PAX-30与传统高能炸药PBXN-5的爆速对比。

PAX-30 尽管其配方中的高能炸药含量减少了20%，但仍具有与 PBXN-5 几乎相同的爆速、爆压和总能量。这归因于其独特设计的铝添加剂。从炸药底部测得的粒子速度的光子多普勒测速曲线显示，粒子速度迅速加速至每秒约三公里。

通过建立产物气体的雨贡纽曲线模型，并采用库珀（Cooper）近似法进行计算，然后在匹配铝炸药的雨贡纽曲线后外推得到爆轰（即查普曼-琼格特）压力。计算结果略微低估了实际压力，这一点已由实验结果证实。目前，研究人员正在致力于开发新的方程以更好地拟合早期粒子加速度数据。

通过观看本视频，您应能充分理解如何测量新型炸药配方的爆速和爆轰压力。