小型爆炸容器中TNT／Al炸藥的后燃燒性能

姬建榮，蘇健軍，王勝?gòu)?qiáng)

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

溫壓炸藥是一種負(fù)氧炸藥，含有大量可燃顆粒，其燃燒需要利用空氣中的氧氣。作為典型非理想炸藥，一般認(rèn)為，溫壓炸藥爆炸歷程可分為如下階段：最初的無氧爆炸（微秒量級(jí)）；爆炸后的無氧燃燒（百微秒量級(jí)）；爆炸后的有氧燃燒（百毫秒量級(jí)），此過程也稱作后燃燒過程。

溫壓炸藥的后燃燒過程十分復(fù)雜，帶有明顯的非理想性、非CJ特征，多相多組分、帶有化學(xué)反應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合、與空氣的湍流混合燃燒等都給研究溫壓炸藥帶來困難。J.Massoni［1］等人對(duì)鋁粉的爆炸性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，S.N.Sinha［2］，R.G.Ames［3］，K.Benkiewicz［4］等人針對(duì)后燃燒效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究工作，采用CHEETAH 軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。尤其在封閉空間內(nèi)，爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波在壁面反射形成反射沖擊波，與火球相互作用，形成了界面新的不穩(wěn)定性，加速了火球的燃燒。鄭波［5］等人觀察了高能炸藥、含鋁炸藥和溫壓炸藥爆炸產(chǎn)物拋撒過程，表明爆炸產(chǎn)物和沒有反應(yīng)的金屬顆粒在膨脹的同時(shí)，與空氣中的氧繼續(xù)發(fā)生后燃燒反應(yīng)。饒國(guó)寧等［6］在密閉空間研究了炸藥的能量輸出，結(jié)果表明，RDX／Al炸藥具有后燃燒效應(yīng)。而國(guó)內(nèi)在小型容器中對(duì)于溫壓炸藥后燃燒效應(yīng)的機(jī)理研究則相對(duì)較少。

本實(shí)驗(yàn)在TNT 炸藥中添加鋁粉，利用小型爆炸容器對(duì)其后燃燒性能進(jìn)行了研究。用高速攝影儀記錄后燃燒發(fā)生、發(fā)展過程，利用壓力、溫度傳感器獲取后燃燒過程的特征波形。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品的制備

溫壓炸藥配方如表1所示。壓裝藥柱質(zhì)量約為10g，長(zhǎng)徑比為1∶1。

共進(jìn)行4發(fā)實(shí)驗(yàn)，環(huán)境狀態(tài)如表1所示。為比較密閉和半密閉狀態(tài)下溫壓炸藥的爆炸性能并獲得完整影像，實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)4采用敞口爆炸，用8號(hào)紙雷管引爆。

表1 溫壓炸藥配方與環(huán)境狀態(tài)Table 1 Explosive formulation and environmental parameters

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

小型爆炸容器由爆炸腔室、擴(kuò)速段、卸壓波導(dǎo)管和支架組成。其中爆炸腔室尺寸為Φ360×450mm，擴(kuò)速段長(zhǎng)150mm，波導(dǎo)管長(zhǎng)1 800mm，在爆炸腔室端面蓋板裝有有機(jī)玻璃。爆炸腔室和波導(dǎo)管裝有壓力、溫度傳感器，以獲取相應(yīng)爆炸信號(hào)。其中高速攝影幀頻設(shè)置6 000 幀／s，壓力傳感器為美國(guó)PCB 113A26系列傳感器，量程為3.45MPa，靈敏度為1.45V／MPa。溫度傳感器采用自制WRe5／26熱電偶，直徑0.2mm，響應(yīng)時(shí)間最快可達(dá)1.34ms［7］，實(shí)驗(yàn)前做靜態(tài)標(biāo)定。

由于壁面距爆心的比距離較小，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)頻響要求較高，壓力信號(hào)采樣頻率10MHz［8］，并對(duì)壓力傳感器表面進(jìn)行處理以屏蔽爆炸熱效應(yīng)對(duì)壓力信號(hào)的影響，溫度信號(hào)采樣頻率100kHz。實(shí)驗(yàn)采用外觸發(fā)，負(fù)延時(shí)設(shè)置50ms，共布有8路壓力傳感器和4路溫度傳感器，如圖1所示。

圖1 小型爆炸容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of small explosion vessel

2 結(jié)果與討論

2.1 高速攝影測(cè)試結(jié)果

用高速攝影儀對(duì)實(shí)驗(yàn)1爆炸火球進(jìn)行觀測(cè)，由于在爆炸腔室端面蓋板中心設(shè)置了Φ240mm 有機(jī)玻璃，故只觀測(cè)到中心處火球變化。由圖2看出，爆轟反應(yīng)結(jié)束后，白光覆蓋整個(gè)容器，高速攝相機(jī)達(dá)到光飽和，如圖2（a）所示；而后中心亮度呈逐漸變暗趨勢(shì)，如圖2（b）、（c）所示；但從1 966μs過后，壁面處重新出現(xiàn)亮光并向中心擴(kuò)展，這種狀態(tài)一直持續(xù)到約208ms開始減弱，在250ms左右亮度仍未完全消失。

圖2 含20%鋁粉配方密閉狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.2 Fireball photographs of formulation containing 20%aluminum powder in hermetic condition

實(shí)驗(yàn)2采用敞口形式觀測(cè)了爆炸火球變化情況，結(jié)果如圖3所示。從圖3（c）到圖3（g）可以明顯看出壁面重新發(fā)生了燃燒現(xiàn)象。其后參加反應(yīng)的物質(zhì)越來越多，反應(yīng)程度不斷加劇，火焰充滿整個(gè)爆炸容器并且燃燒產(chǎn)物開始向外噴射，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在200ms左右火焰開始慢慢消散。

圖3 含20%鋁粉配方敞口狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.3 Fireball photographs of formulation containing 20%aluminum powder in open condition

實(shí)驗(yàn)3采用密閉形式，但通過有機(jī)玻璃觀察口，只能看到最初爆轟時(shí)的亮度。實(shí)驗(yàn)4 采用敞口形式觀測(cè)，結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，與含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%鋁粉配方相比，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%鋁粉配方不僅初始反應(yīng)較慢，反應(yīng)程度也不劇烈，而且在1 212μs以后火焰熄滅，沒有發(fā)生后燃燒現(xiàn)象。但從爆炸壓力波形分析，初始階段發(fā)生了爆轟反應(yīng)。

圖4 含30%鋁粉配方密閉狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.4 Fireball photographs of formulation containing 30%aluminum powder in hermetic condition

2.2 壓力和溫度測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，由于測(cè)點(diǎn)距爆心較近，沖擊波在壁面發(fā)生多次反射，形成的壓力曲線震蕩較大，如圖5所示。容器上各點(diǎn)的壓力測(cè)試結(jié)果見表2。

圖5 爆炸腔P3點(diǎn)的爆轟壓力曲線Fig.5 Detonation pressure curve at P3of explosion cavity

表2 各測(cè)試點(diǎn)的壓力測(cè)試結(jié)果Table 2 The testing results of pressure at different positions

從表2看出，越靠近爆炸近場(chǎng)，受反應(yīng)區(qū)的影響越大，能量很難均勻輸出，爆炸腔室中的壓力值波動(dòng)較大。對(duì)于實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，由于鋁粉和TNT 爆炸后游離碳與空氣中的氧氣發(fā)生后燃燒反應(yīng)，形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力，如圖6所示；爆炸火球沿導(dǎo)波管傳播，沖擊波在其內(nèi)多次反射并疊加，形成較強(qiáng)壓力，壓力上升段和持續(xù)時(shí)間均有較大波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)1的表現(xiàn)最明顯，P5點(diǎn)壓力最高值超過2MPa，如圖7（a）所示，而實(shí)驗(yàn)3和4則無此現(xiàn)象，因此表2中P5～P7點(diǎn)列出的僅為壓力首峰值。

表2中P6點(diǎn)的壓力小于P7點(diǎn)，這是因?yàn)楸碇兴袨槭追逯?，并不代表最大壓力值；同時(shí)P7點(diǎn)靠近波導(dǎo)管端部，可能反射壓疊加造成一定增強(qiáng)作用，有待進(jìn)一步研究。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)管后端面形成了類似激波管中傳播的壓力波形特征，隨著壓力波在容器內(nèi)的多次反射，能量被不斷消耗，壓力逐漸衰減，如圖7（b）所示。

由于所用溫度傳感器容易損壞，所得溫度數(shù)據(jù)較少。除受響應(yīng)時(shí)間限制，還有對(duì)流換熱、輻射等因素影響，得到的溫度曲線只是熱電偶對(duì)爆炸產(chǎn)物的響應(yīng)溫度。但通過溫度曲線變化，說明爆炸過程中熱效應(yīng)的變化趨勢(shì)。如實(shí)驗(yàn)2中T3點(diǎn)熱電偶的最高響應(yīng)溫度約700℃，在前200ms，溫度一直處于上升階段，變化時(shí)間與高速攝影記錄的火球時(shí)間基本吻合，如圖8所示。

圖6 爆炸腔P3點(diǎn)處準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線Fig.6 Quasi-static pressure curve at P3of explosion cavity

對(duì)于實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，一般認(rèn)為，反應(yīng)開始時(shí)，鋁粉在爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)是作為惰性物質(zhì)存在的［9］，但其在反應(yīng)區(qū)以及拋灑過程中被加熱，可獲得較高溫度。由于沖擊波、火球與壁面的相互作用，壁面處又形成較強(qiáng)反射沖擊波，具有所謂的R-M 不穩(wěn)定性，產(chǎn)物動(dòng)能變成了壓力能，進(jìn)一步提高了環(huán)境溫度，從而誘發(fā)點(diǎn)燃鋁粉顆粒和TNT 產(chǎn)物中的游離碳原子，使之發(fā)生后燃燒反應(yīng)。

而對(duì)于含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%鋁粉配方，由于所含鋁粉較多，若反射沖擊波壓力和反應(yīng)所需氧含量不足，則未能發(fā)生后燃燒反應(yīng)，如實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)4，具體原因仍有待于進(jìn)一步研究。

圖7 波導(dǎo)管P5點(diǎn)和P8點(diǎn)處壓力曲線Fig.7 Pressure curves at P5and P8of explosion tube

圖8 爆炸腔T3點(diǎn)處溫度曲線Fig.8 Temperature curve at T3of explosion cavity

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，TNT／Al炸藥發(fā)生后燃燒反應(yīng)，并在容器內(nèi)形成一定持續(xù)時(shí)間的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，后燃燒過程持續(xù)時(shí)間可達(dá)百毫秒量級(jí)。

（2）TNT／Al炸藥被引爆后，爆轟波陣面的壓力和溫度是Al粉反應(yīng)的初始條件，Al粉含量直接影響其爆轟性能和能量釋放性能，進(jìn)而影響后燃燒特征參數(shù)。

（3）TNT／Al炸藥屬于非理想炸藥，其爆炸性能受多方面因素的影響，后燃燒機(jī)理、裝藥約束條件和裝藥量對(duì)后燃燒影響等仍有待于進(jìn)一步研究。

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