線爆発を利用 した固体中収束衝撃波発生装置の開発

研 究 論 文

線爆発を利用 した固体中収束衝撃波発生装置の開発

贋江智幸*,松尾 E l 山男* ,藤原和人書 .青 田正典書 * 藤原修三…,宮 田正信* ,田之上辰朗 …*

爆薬: &面に平行 ･等間隔に設庇 した飼細線を一斉爆発させることで平面爆轟波を発生 させ る ことができる｡本研究では この技術を応用 してBl 体中に一次元の円筒状収束波を発生できる装 既を開先 した｡まず長胴の爆薬円筒 殻( P ETN 爆薬,外径 : 1 0 D m z D .有効軸長 : 1 3 2 p z D ) 中に ±1 7 0

以内の時間構度を有す る収束爆抵波を発生 させ る諸条件 ( 線間隔.禾数等)を把捉 した｡

次に透明固体である PMM A円柱体 ( 外径 : 4 2 ‑5 0 m) を爆雅 史 ( PETN.PETN/ S R) の中心 部に設旺 し.その中を衝撃波が収束する挙動 (シャ ドウグラフ)をス トl J‑ク及び フレミング カノラを用いて計測 した｡その結果.衝撃波は中心点付近 まで対称性を保 って収束 してお り.

収束点近所では加速効果 もあることが分か った｡ また PETN 殻の場令,収束波軌跡の計油結果 と一次元故憤 シミきレーシ ̲ II /結果 とが良 く一致 した｡

I . 輔 挨

円筒状収束衝撃波の発生は固体 .粉体等の凝縮媒体 に対 しては,例えば工業用 ダイヤモ ン ドの 研 撃合成の ように. 主 として大容免許料の衝撃圧縮処理技術 とし て行われてきた｡ しか しこれ らの方法

いずれ も試料 中に軸方向に移動す る収束波を発生 させ るものであ り.中心部 {. 7 1 '‑デ ィス クが生成 され る場 合は‑軸 平面圧縮状態 となる｡ このような

次元的収光波の発 生でな く完全に一次元性を保 った収束波を発生 させ る ことは凝縮媒体中の収束点近傍で高圧 ･高温の極限状 態を生成 させ ることにな り極めて興味深いテーマであ る｡ しか しその発生方法および生成 された折撃波の計 測 は 容 易では な く.多 くの研究 が な さJ tて い る気 体 lト 日 に比べて固体中に一次元の収束波 を尭生 さ せた報告は少ない｡球状収束汝の場合, レーザ ビーム

) 9 9 3 年 1 0 月 I E l 受甥

' 熊本大学工学部材料開発工学科

〒 8 6 0 鴨本市. ･ % 髪2‑3 9 ‑1 TEL0 9 6 ‑ 3 4 4 ‑ 2 1 1 1 内線 3 6 9 0 F A X0 9 6 ‑ 3 4 5 ‑ 1 5 8 5

● 事 物質工学工薬技術研究所

〒 3 0 5 茨城爪つ くは市 来1‑I TEL0 2 9 8 ‑ 5 4 ‑ 4 7 8 9

F A X0 2 9 8 ‑ 5 4 ‑ 4 7 8 3

書 棚石川島播磨虎工鞠

〒 1 3 5 東京都江東区豊州 3‑2‑1 6 TEL0 3 ‑ 3 5 3 4 ‑ 4 3 5 4

F A X0 3 ‑ 3 5 3 4 ‑ 4 4 6 0

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照射に よって球栽状僅萌の外表面を一斉起爆 させ.中 の球状の獲縮体に一次元収束波を発生 させ た例5)那 ある｡ また固体中に一次元の円筒状収束桝革波を生成 させ るには.側面か らの野輩波が到達 しないほ ど軸方 向に十分長い円柱状固休を半径方向に一斉に正播する 必要が･ ある｡ これ まで円筒状の爆薬 レンズを構成 した 方 法 6 ■があ り.金属の箔7'や メッシ

‑9 'の爆 発を 適糊することも有効 と考えられ る｡本研究ではベ ンス リ‑ ,ト壌薬

面上に設圧 した粥細線列を衝撃 大電流によって爆発 させる方法を用いた｡ この方法は 既 に報告 した平面頓金波発生装

O tや大気中での収 束街軍政発生法

'を応用 した ものである｡

般初に良胴の円筒状爆薬殻を一斉起爆 させ る細線条 件を男坂的に把握 した｡生成 された噸轟波が内衷面に 到達する時間柄度を計潤 して僅轟精度を評価 している｡

次に この噸薬殺を用いた噸薬直接法によって7 ク] )ル

中に円蹄状収束衝撃波を発生 させた｡収束 す る 祈 撃波のシ十 ドゥグラフを コマ掛 りおよびス ト1 )

‑ タカノラによって計測 している｡殻後に ラン〆. Lチ 諾イス法に よる一次元波動解析 コー ド

日 2 )を用いて 閲体中収束波生碇実験の改悟 シ ミュレーシ s lンを行な い.祈撃波面軌跡の計測結果 と解析結果を比較 した｡

2.

円帯状輪姦環の過般爽験

木研究の実験は工技院物質工学工業技術研究所の爆 発析申開遜設備を用いて実施 された｡線頓用キャ, !シ ター. ミンク ( 1

.

L

4 0 kV) ,嗣細線径 ( 1 0 0

密度. 細線本数.線列方式 (ノ･ ,シュタイ

プを含む)等が これ まで臓大で行われてきた大気中断 撃滅を対象と した実

い lと異な ってお り.放電電流 の I L l . 上が り速度 は1 0 倍以上である ｡Fi g. 1 に円鋳状爆 典故の毎噸実験装匿を示す｡細線列爆発で生成 した爆 在波の斉時性は先に平面波の実

D )で行 った ように

噸 舟渡が 自由表面へ到達する時間のバ ラツ牛で評伝で きる｡本研究では爆薬円筒中心執 こ4 5 唾の納斜免を設 旺 し, 噸轟渡の内面到過をス ト. )‑ タカノラで計測 し た｡ ス リットは円筒軸方向 ( 紹線列直角方向)に設定

している｡衝撃電

年 十バ シター.ミンクか ら.中心 軸に対称位匿の爆薬円筒外面の軸方向に設任 した一対 の花椿を通 じ.爆薬 外仰容器内表面上に周方向.尋問 軌 平行に姑付けた飼細線列に旋れ込み一斉爆発 させ る｡ 大a t : 分の実宅 如王この連携放列タイプで行 ったが.

一

瓢 土平行線列の直角方向に嗣テー7' の7'. )1ジを設 けた J･ 'シュ状線列 タイプも試みた｡検者は爆発させ る細線叔 さを半分にで きるため本教を増や した場合, エ ネルギー的 に有利になることを期待 した｡ 低密度

爆薬 ( 装填密度 :

c

タ ッビ･ /

グしながら装填 し, 扱絹的正椿は行 っていない｡契故

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は爆雅外 掛 0 0 m を‑r j ' i :とし細線本 故N( =2‑2 2 ) .秦

揮d( =6 . 1 5 m) . 繰n J ) 嗣W( =6 . 1 2 m), 線列 タイ‑ /を変 化 させ た細線列粂作で実施 し. 噸南淡の到適時間柄度 を光れ避

f L Sの ス ト. )‑ タカノラで計潤 した｡

Fi g. 2 に実故の実施旺 即Fに従 って流れ写共を示す｡

ます緑間隔 と薬呼の比 W/ d=2 の場 合.細繰中間部の 噸血波の到達が大 きく遡れている｡ しか しこの時開運 加は W/ d= l( 間隔を挟めた場 合)では著 しく改沓 さ れ ることが分かる｡ これか ら隣 り合 う細線倭滝による 初期の噸碑波間の干渉が傾 向波面の平滑化に砿重な役 割を していると考えられる｡細線本数を増加 させると 全牧的には到達時間

は増加) の傾向にはあるが,一次 元収束波の生成に十分 ( 有効軸足 : 1 3 2 m )であると 推定 される本歌の 2 2 本 まで増加させて も時間Bは ±1 7 0

ns以内であ った｡また JI ,シ>状 タイプ線列 ( N=2 2 )

について も実用できることが分か った｡ キ ャパシター パ ンクか らの放電電汲波形は t ,ゴスキーコイルを用い て計甜 している ｡Fi g. 3 は細線一本当 りの収大喝洗値 とス ト1 )‑ ク計測に 上る到適時開基の関係をプE 7サト している｡時間塵の.;ラツ中が大 きいが.全般に電

仇が大 きいほ ど時間盛が小 さく.本実故で

kAがほ は限界 となっている｡

3.

固体中一次元円帯状収束衝撃波の生成 前節 で和 られ た爆 萌 円蹄の起爆 東故 括 巣 を基に

Fi g. 4 に示す固体中一次元収束衝撃波発生鵜匠を開発 した｡今回. 中心執 こは適明固体である

を設監

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solids(PMMA)andtestcon

ditions

し.アルゴンブラシ1に より

中を収

束す る術隼 波を高速 コ‑ 1振 りまたはス ト1 )‑ク撮影 した｡

はN‑22.W=6

m とし連続線列とメッシA状線列の 細線列

両 タイプを用いた｡ また爆薬

装填密度 :

のみ

の場合または

の和 郎こ更に

wt . / 0 . / . シ l Jコンゴム

0 wt . , 6の

(装填

密度 :

1.32g/cc)

を設放 した場合について実施 した｡

Fig.

4

中の卦

の

ケースについての実換条件 を示

している｡

Fig.5 (a).(b)

は ケース

の実掛

中を収束する円筒状衝撃波の シャ ドウ こおいて

グラフ を時間r u

L Sで コ†撮 り撮影 した もので

ある

のみによって駆動 された場合で,写

共g

と

の間で収束点に到達 してお り,また

/SR

を用い た

では

に比べ約

速 く

伝播 し写

と f の閑

で収束 したと推定 される｡衝帝波面の外側には若干の 散乱光があるが衝撃波は収束点

近傍 まで対称性の良い 円形を保 って収束 していることが

分かる｡衝撃波収束 後は後方あるいは側面か らの膨張波の干渉で

PMMA

中には引蛮 1 )力が作用 し破壊に至 るが

)

では この 過程にあると思われる円形波 も認め られた

｡Fig.6

は I

ケース

の実験における

A

中円筒状収束衝撃波 の煎れ写英を示す｡収束点 まで上下対称形の街を波面 軌跡が計耐できる｡ ケース

と

とは同一条件の実鼓 I C ･ あ り

( 平均半径の変化) と

g･6

( 上下

本の軌跡) とから

に示す ような

収束衝撃波軌跡 の計測データが得られた｡各データは

良 く合致 してお り,また約

Sで入射 した衝 撃

は収束点近 くで かな

り加速 していることが沈められる｡ この収束段階 の定

量的速度評価は今稜の坪喝である｡

4.

収束祈舞妓の 載底シミュレーションおよび考察

b

(a)caseA(b) casea

Fig.5FramingcamerashadowgraphsoLimplodingsh∝ksinPMMAtakenatinteTVa)soflF,S(cas eA,a)SllllL･klneidL

0 .

l l . O t 5

. 0 2 0 . O

Fig.7 0bservedshocktra

jectodesinPMMA

(caseB,C) R

CMが Ea体 ･気 体 系 に も応 用 され る よ うに な っ た11']

2■ので この‑次元解析 コー ドの適 用を試み た｡

ただ し

PETNの噸軌 こついては起爆後直 ちに定常億轟 (後方は埋

,Cl.気体)に逮す ると仮定 してC‑Jvolume burn法lユ

ーを適用 し,別途差分解析 を行 った｡従 って

RCM解

析は爆轟渡がPMMAに到達 した時点で開始 し てい る｡

Fig.8に数値 シ ミュレー シ ョンにおけ る境界 条件.PETNのC‑J

憤

式定 数 お よびPETN生成 ガスの気体定 数等 を示す｡

PETN/SRについては定常爆軌 こ至 るまでの なお 過程が無 視 で きない と判断 されたので ここでは ケース

A

は起爆時点か ら衝撃波が収束点に至 るまでの軌跡につい

て数値解析 結果 とコマ振 り写井か らの計測結果を比較 し

てお り.

両者はほは一致 している｡ ただ し計測結果は衝

PMMAへの入射を基轡に プ.2ッ トした｡ またRCM撃波の解 析の各計算 ステ ･,プにおいて 自由面か らの膨張波侵入

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Ro=25mm t=25mm pcPETN u Va3 878.8kdltJe

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tcaseA

角度川 を毎回計井 しその軌跡 を計許 した ところ本 ケ ースにおいて

PMMAは軸長80m以上 あれ ばその中央 部で一次元性

が保持で きることが分か った｡以上か ら 本研究で開発 した鵜匠に よって

固体中に一次元の円筒 状収束衝撃波が先生{･き

た ことを数値解析に よって確 認 した｡

5

. 括

輪

ETN)面上に設匠 した飼細線列をキ ャパ シ ター′:ンク (1

2

5 f I F.

x.40kV)か らの衝撃大電流 で爆 発 させ ることを

利用 して以下の結論 を持た｡

(I) 外径100皿 .軸長132tn

の円筒状爆薬老中に±170

ms以 内の時間構庇 を

有す る収束爆轟波 を発生 さ

せ る線列条件 を把捉 した｡ (2)この技 術を適 用 してPMMA中に 円筒状収束 街 撃波を発生 させ計脚に よ り真円性の良いことを確

認 L'た｡

(3)一次元の数値解析に よ りPET

N駆動に よる術軽 波軌跡の計脚結果が良好に シ ミ

ュレー トで きた｡

本研究 に よって伺体中に

円筒状の一次元収束波が発 生で

きることが確認 で きたので今後は更に強力な爆薬 を用いて よ り弘大な高圧 ･高温の挺限状感 を生成 さ

せ たい｡ また中心部 での圧力 ･温度計測お よび試料の回 収法苛について も検討を進め る予定であ

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文 献

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火薬学会誌

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K8YakuGJkkz)ishi.Vol･55･No･1･1994 ‑31‑