爆炸拋撒金屬顆粒群的裝藥方式*

白春華，陳亞紅，李建平，王仲琦，劉 意

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

爆炸拋撒金屬顆粒群的裝藥方式*

白春華，陳亞紅，李建平，王仲琦，劉 意

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

對炸藥與金屬顆?；煅b及炸藥與金屬顆粒分裝方式（添加分散劑和不添加分散劑）下炸藥爆炸拋撒金屬顆粒群進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，分裝方式下顆粒容易燒結(jié)成團(tuán)且在空間分布不均，添加分散劑后顆粒的分散性較好，沒有燒結(jié)成團(tuán)現(xiàn)象?；煅b方式下顆粒不會燒結(jié)，空間分散性較好。在有效距離內(nèi)，從顆?？臻g數(shù)密度、顆粒對靶板的侵徹能力、工藝和安全等方面來看，分裝加分散劑方式優(yōu)于其他2種方式。

爆炸力學(xué)；裝藥方式；爆炸驅(qū)動；金屬顆粒；分散；燒結(jié)

1 引 言

對炸藥與顆粒物間的相互作用，早期研究一般集中于材料參數(shù)［1］、疏松材料的吸能性能［2］和爆炸粉末冶金［3］及爆炸合成等方面，而對爆炸拋撒顆粒群的研究較少。由于FAE（fuel air explosive，燃料空氣炸藥）的發(fā)展，不少學(xué)者對爆炸拋撒液體或多相燃料進(jìn)行了研究［4］。F Zhang等［5］研究了含金屬顆粒的液體炸藥的爆炸，并對炸藥與顆粒間的動量和熱量傳遞進(jìn)行了分析。爆炸拋撒固體顆粒涉及到爆炸力學(xué)、顆粒動力學(xué)、多相流體力學(xué)等多方面的知識，還有許多值得深入研究的問題，炸藥的種類和密度、顆粒的尺寸及尺寸分布、顆粒的材料、殼體約束及彈體的幾何形狀、顆粒與炸藥之間的耦合方式等都是重要影響因素。本文中將對顆粒與炸藥之間的耦合方式的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。炸藥顆粒與被拋撒顆粒相混合的裝藥方式稱為混裝方式；炸藥在中心顆粒在外圍的方式為分裝方式。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

對裝藥方式進(jìn)行了A、B、C共3組實(shí)驗(yàn)，各裝藥條件如表1所示，表中d為顆粒粒度，mp為顆粒質(zhì)量，ρ為炸藥密度，me為炸藥總質(zhì)量，h為殼體厚度。殼體質(zhì)量約100g。

2種裝藥方式示意圖如圖1所示。分裝方式中藥柱尺寸為?40mm×100mm，裝入的金屬顆粒與藥柱上下端面齊平。用高速攝影機(jī)對爆炸驅(qū)動顆粒的過程進(jìn)行記錄和測量?，F(xiàn)場布置中，裝藥懸掛于相距6m的2個(gè)立柱中間，裝藥中心距地面約0.8m。在2、3、4、5、6m距離上設(shè)置純鋁靶和紙靶，其中純鋁靶板厚5mm、寬100mm、長1 000mm。紙靶為10mm厚的多層紙（100層／10mm，尺寸76mm×76 mm）。各靶板的中心與裝藥中心在同一高度，面向裝藥，用膠帶固定在支柱上?，F(xiàn)場布置如圖2所示。

圖1 爆炸驅(qū)動金屬顆粒2種裝藥方式示意圖Fig.1Scheme of charge forms of explosive dispersing metal particles

表1 裝藥條件Table 1 Charge conditions

圖2 現(xiàn)場布置照片F(xiàn)ig.2 Experimental layout

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各組中編號為1的裝藥的顆粒均發(fā)生了燒結(jié)現(xiàn)象，在靶板上留下明顯的大團(tuán)顆粒侵徹痕跡。同組中，1號裝藥在靶板上的顆粒數(shù)密度最低且不均勻，3號稍大，2號最大，2號與3號的顆粒分布均勻。A組2m處鋁靶板照片如圖3所示。其他距離上情況類似，但較遠(yuǎn)距離的靶板（5、6m）記錄區(qū)別不十分明顯。B、C組有相似的現(xiàn)象。

圖3 2m處鋁靶記錄照片F(xiàn)ig.3 Photos of aluminum targets at 2m

A組裝藥的高速攝影記錄如圖4所示。A1、A2裝藥的顆粒云的邊界比較明顯；A3裝藥爆轟結(jié)束時(shí)產(chǎn)物基本為球狀且顆粒云邊界不甚明顯。B組及C組的結(jié)果與A組相似。

圖4 裝藥高速記錄典型瞬間Fig.4 Typical records by high speed camera

3 結(jié)果分析與討論

3.1 裝藥方式與顆粒燒結(jié)現(xiàn)象

從靶板記錄知，未添加分散劑的分裝形式裝藥出現(xiàn)了顆粒燒結(jié)成團(tuán)現(xiàn)象。爆轟波及爆轟產(chǎn)物與多層金屬顆粒相互作用時(shí)，顆粒發(fā)生大變形，顆粒之間的空隙急劇塌陷，顆粒表面互相碰撞、摩擦產(chǎn)生塑性流動并達(dá)到高溫，顆粒間會產(chǎn)生微射流和微爆炸焊接，使部分顆粒燒結(jié)成團(tuán)［6］。顆粒燒結(jié)成團(tuán)使分散狀態(tài)顆粒的總數(shù)減少，并導(dǎo)致顆粒及顆粒團(tuán)在空間分布不均。

添加了分散劑的裝藥中幾乎沒有顆粒燒結(jié)成團(tuán)的現(xiàn)象。分散劑主體為有一定粘度的液體，能有效地附著在顆粒上。其抑制燒結(jié)的機(jī)理可能是減小顆粒表面能量沉積和對顆粒起到隔離作用。分散劑在顆粒表面形成液膜，減小了顆粒間相對運(yùn)動時(shí)的摩擦效應(yīng)，阻止了顆粒界面碰撞產(chǎn)生微射流，防止顆粒的突起部分相互接觸產(chǎn)生大的應(yīng)力、變形和溫升，從而抑制止了顆粒燒結(jié)。另一方面該分散劑會在絕熱壓縮升溫及爆炸形成的高溫作用下汽化、分解或參與反應(yīng)，形成氣體產(chǎn)物，在顆粒表面或顆粒間形成隔離層。

混裝形式也可有效避免顆粒燒結(jié)成團(tuán)，原因可能是炸藥爆炸過程中顆粒間有爆炸產(chǎn)物存在，絕大多數(shù)顆粒并不能直接接觸。在產(chǎn)物膨脹過程中，顆粒體系也隨之變得越來越稀疏，顆粒相互遠(yuǎn)離，因而盡管顆粒處于很高壓力和溫度下，也不會發(fā)生燒結(jié)。

3.2 裝藥方式與顆?？臻g數(shù)密度

假設(shè)顆粒在一定分散角內(nèi)的球帶面上均勻分布，可用下式計(jì)算某距離上的理論數(shù)密度

式中：N＊為顆粒數(shù)密度，k為顆粒數(shù)有效系數(shù)，M為顆?？傎|(zhì)量，m－為單個(gè)顆粒平均質(zhì)量，d－為顆粒平均直徑，S為球帶面積，x為距爆源中心距離，θ為顆粒分散半角。由高速攝影記錄和靶板記錄知，分裝方式下大部分顆粒集中于約20°分散角內(nèi)，可取k＝0.85?；煅b方式顆粒基本均勻地向各個(gè)方向飛散，可取k＝1，θ＝90°。

裝藥方式對著靶顆粒數(shù)密度的影響如圖5所示。混裝方式空間數(shù)密度與理論值非常接近。分裝方式（加分散劑）的顆粒數(shù)密度稍小于理論值，可能是由顆?？臻g分布不均勻或計(jì)算中顆粒數(shù)有效系數(shù)取值較大等原因引起的。不加分散劑的分裝形式中，顆粒的空間數(shù)密度遠(yuǎn)低于理論值，原因是顆粒發(fā)生燒結(jié)使顆?？倲?shù)減少。對顆粒數(shù)密度總體上有：分裝加分散劑＞混裝≥分裝不加分散劑。在近距離上（2、3m）分裝加分散劑方式的值約為混裝方式的3～5倍。對圓柱裝藥，分裝加分散劑的方式能在赤道附近球面上得到較大的顆粒密度。

3.3 裝藥方式對顆粒侵徹能力的影響

在相同距離上，顆粒侵徹靶板的最大深度有：分裝不加分散劑＞分裝加分散劑＞混裝，如圖6所示?；煅b方式顆粒在炸藥內(nèi)不利于拋射，而分裝方式更利于顆粒的拋射。不加分散劑的分裝方式中顆粒往往燒結(jié)成團(tuán)，大團(tuán)的顆粒在空氣中速度不易衰減，質(zhì)量大，具有更強(qiáng)的侵徹能力。

圖5 裝藥方式對著靶顆粒數(shù)密度的影響Fig.5 Effect of charge forms on particle number density

圖6 裝藥方式對顆粒最大侵徹深度的影響Fig.6 Effect of charge forms on the maximum penetration depth of particles

圖7為不同裝藥方式對單位面積上顆粒的總侵徹深度（各顆粒侵徹深度求和）的影響。由圖7，在近距離上（2～4m）加分散劑的分裝方式顆粒在單位面積上的總穿深遠(yuǎn)大于其他2種方式。

圖7 裝藥方式對單位面積總穿深的影響Fig.7 Effect of charge forms on the total penetration depth per area

工程上常用Gurney模型計(jì)算破片速度［7］，應(yīng)用其改進(jìn)形式，可對爆炸拋撒顆粒的初速進(jìn)行估算。設(shè)分裝方式下顆粒與殼體有相同初速度，則對圓柱形裝藥有

對混裝方式，設(shè)顆粒速度在半徑方向上與裝藥半徑成正比，并按球形裝藥對待。于是可用如下修正的Gurney公式估算混裝方式下顆粒的初速的平均值

式中：ms為殼體質(zhì)量，mp為金屬顆粒的總質(zhì)量，me為炸藥的總質(zhì)量，EG稱為Gurney能，具有速度量綱，稱為Gurney速度，它是炸藥的特征值。

隨后顆粒在空氣中減速，速度與飛行距離的關(guān)系可用下式描述［8］

式中：CD為阻力系數(shù)，ρf為空氣密度，ρp為組成顆粒真實(shí)密度，d為顆粒（當(dāng)量）直徑。顆粒對紙靶的侵徹深度與著靶速度規(guī)律采用如下近似關(guān)系［9］

式中：P為侵徹深度，λ為彈體修正系數(shù)，Kd為反映靶體特性的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，m為單個(gè)顆粒的（平均）質(zhì)量。m／d2相當(dāng)于面密度，代表彈體密度和尺寸兩方面的效應(yīng)，而Kd又反映了靶體特性，因而當(dāng)λ為定值時(shí)，式（5）可用于表示彈體密度、尺寸及質(zhì)量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)的侵徹規(guī)律。單位面積上顆粒的總穿深可用下式表示

式中：p為靶板上單位面積上顆粒的總穿深，S為顆粒分散總面積為平均穿深。

由式（2）知2種分裝方式有相同的顆粒初速，據(jù)式（4）、（5），由于燒結(jié)成團(tuán)的顆粒有較大的質(zhì)量和相對小的阻力系數(shù)，顆粒燒結(jié)體在靶板上會有較大的侵徹深度。但據(jù)式（1），不加分散劑分裝方式由于顆粒燒結(jié)會使顆粒數(shù)密度大大減小。綜合上述2個(gè)因素，由式（6）知，分裝不加分散劑方式單位面積上的總穿深小于加分散劑的裝藥。混裝方式顆粒數(shù)密度小于分裝（加分散劑）方式的，顆粒的平均速度與分裝（加分散劑）方式相比也小，因而單位面積上顆粒的總穿深遠(yuǎn)小于分裝加分散劑的方式。

3.4 其他一些考慮

在爆炸拋撒的實(shí)際應(yīng)用中對裝藥方式還有更多的考慮，如工藝性和安全性等。爆炸驅(qū)動高密度金屬顆粒，若采用混裝方式，由于金屬顆粒與炸藥顆粒的密度差，二者很不易形成均勻混合物，而且在存儲、運(yùn)輸和使用中可能會由于振動等原因分離；即使采用壓裝或注裝等方式，因?yàn)槊芏炔畲?，也存在工藝上的困難。分裝方式工藝簡單，分散劑添加后即吸附于顆粒表面，不會出現(xiàn)混合不勻等問題。從裝藥的安全性來看，分裝方式下由于金屬顆粒不直接與炸藥接觸，提高了安全性。

4 結(jié) 論

裝藥方式對爆炸驅(qū)動顆粒的性能有本質(zhì)的影響。通過實(shí)驗(yàn)和分析可得以下結(jié)論：

（1）分裝方式有顆粒燒結(jié)問題，可通過添加少量的分散劑解決，混裝方式裝藥無顆粒燒結(jié)問題；

（2）解決燒結(jié)問題后，分裝方式顆粒的侵徹能力和著靶數(shù)密度均優(yōu)于混裝形式，在近距離（2、3m）上分裝加分散劑方式的著靶數(shù)密度為混裝方式的3～5倍，單位面積總穿深為混裝方式的7～8倍；

（3）從裝藥工藝和安全性來看，加分散劑分裝方式在3種裝藥方式中最優(yōu)。

因此，在爆炸拋撒金屬顆粒的應(yīng)用中應(yīng)盡量選用加分散劑的分裝方式。

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Charge forms for explosion dispersal of metal particles＊

BAI Chun-hua，CHEN Ya-hong，LI Jian-ping，WANG Zhong－qi，LIU Yi
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China）

The dispersion of metal particles by explosive was investigated experimentally with different charge forms of explosive and metal particles：separation form（with and without dispersant）and mixture form.The results show that the particles are partly sintered and are not even distributed in the separation form without dispersant.The particles are dispersed in good-distribution and no particle is sintered in the separation form with dispersant as well as in the mixture form.Considering the number density and the penetration on target of the particles，the charging manufacturability and safety，separation form with dispersant is better than the others.

mechanics of explosion；charge form；explosive driving；metal particle；dispersal；sinter

18August 2009；Revised 14May 2010

BAI Chun-hua，chbai＠bit.edu.cn

（責(zé)任編輯 曾月蓉）

O389 國標(biāo)學(xué)科代碼：130·35

A

2009-08-18；

2010-05-14

國家部委預(yù)研重點(diǎn)基金項(xiàng)目（9140A05080507）

白春華（1959— ），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

1001-1455（2010）06-0652-06