含納米鋁炸藥水下爆炸試驗(yàn)研究

牛國濤，封雪松，曹少庭，姚李娜

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

水中兵器彈藥爆炸后，希望在較遠(yuǎn)距離處仍保持沖擊波的較高超壓和所產(chǎn)生的較高氣泡脈動(dòng)能量，以摧毀艦船及水下設(shè)施。含鋁炸藥由于鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)釋放出大量的能量，可補(bǔ)充水中沖擊波的能量和氣泡脈動(dòng)的能量，不僅增強(qiáng)了爆炸功，而且延長了作用時(shí)間，所以含鋁炸藥在水中的爆炸破壞作用高于相應(yīng)的非含鋁炸藥[1]。

國外對含鋁炸藥的水下性能做了較全面的研究。CTSN研究中心的科學(xué)家得出含納米鋁炸藥的反射波壓力和脈沖效應(yīng)均高于含微米鋁粉炸藥，同時(shí)含納米鋁粉的炸藥在水中爆炸后脈沖次數(shù)增加，氣泡持續(xù)時(shí)間也增加的結(jié)論[2]；Dorsett[3]等通過高速攝影證明，在特里托那兒炸藥中，Alex在炸藥中比微米鋁反應(yīng)地早，反應(yīng)地快，納米鋁粉早期參加反應(yīng)可增加爆壓和擁有較大的爆熱；Brousseau[4]研究結(jié)果表明在10μs時(shí)，含Alex的炸藥沖擊波半徑等于或低于H-15，而氣泡膨脹較快，這與Alex快速反應(yīng)相一致。國內(nèi)黃輝[5]等人研究了鋁粉粒度對含鋁炸藥爆轟性能的影響，得出隨著鋁粉顆粒減小，鋁粉參與反應(yīng)的時(shí)間縮短，做功能力逐漸提高，從而提高了爆炸威力。

本研究采用不同含量的納米鋁和微米鋁炸藥，通過水下輸出能量特性的對比分析，研究不同規(guī)格鋁粉和鋁粉含量對水下能量輸出的影響規(guī)律。

1 試樣及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樣品制作和儀器

試驗(yàn)所用混合炸藥配方中微米鋁粉平均粒徑為5 μm，來源于鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；納米鋁粉為西安近代化學(xué)研究所通過爆炸法研制，平均粒徑為150nm。兩種鋁粉的電子掃描圖片如圖1所示。

圖1 微米鋁粉和納米鋁粉的電鏡掃描圖Fig.1 SEM of micro-aluminum and nano-aluminnum

從圖1（b）中可見，納米鋁粉很容易團(tuán)聚，并且團(tuán)聚與團(tuán)聚之間有較大的空隙，從而無法形成致密的堆積，使其在炸藥中應(yīng)用帶來很大問題。

利用直接法工藝制備了以RDX為基含鋁炸藥，感度測試表明含納米鋁粉炸藥感度極高，通過加入適量鈍感劑得到較好效果，并壓制成φ30mm×30g的柱形藥塊，一端中心帶雷管孔。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了分別含納米鋁和微米鋁的 5種配方（鋁粉含量分別為 20%、25%、30%、35%、40%）。

采用8#電雷管起爆，壓力測試采用美國PCB公司生產(chǎn)的138型ICP壓電式電氣石水激波傳感器；另配有482A型信號(hào)適配器、微測公司的高低頻數(shù)據(jù)記錄儀，氣泡脈動(dòng)信號(hào)的采樣頻率為1MHz。

1.2 試驗(yàn)裝置和布局

試驗(yàn)水池直徑3.2m，水深2.4m，池底和池壁均由8mm鋼板焊接而成。具體尺寸布局見圖2。

圖2 水下爆炸測試示意圖Fig.2 Configuration of underwater explosion

十字鋼支架作為壓力傳感器和藥柱懸掛支撐，為了保持傳感器和藥柱垂直水平面，防止由于水的浮力和湍流對測試的影響，使用重物懸掛使得兩者保持在同一水平面上，直接測試爆炸沖擊波超壓和氣泡超壓。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊波超壓與沖擊波能量

炸藥在水中爆炸后，爆炸產(chǎn)物急劇膨脹壓縮水介質(zhì)形成沖擊波，沖擊波在水中的速度很快，可達(dá)到幾倍的音速，首先對目標(biāo)作用。本次試驗(yàn)利用兩只并聯(lián)的壓力傳感器測量藥柱水下爆炸沖擊波壓力時(shí)間曲線和氣泡脈動(dòng)壓力時(shí)間曲線，每個(gè)樣品進(jìn)行兩次試驗(yàn)，峰值壓力取平均值，從而得到不同鋁粉含量炸藥水中沖擊波超壓，如圖3所示。

圖3 不同鋁粉含量時(shí)的峰值超壓曲線Fig.3 Overpressure curve of explosive with different content of aluminum

由圖3可見，在鋁粉含量25%以后，水中沖擊波超壓隨著鋁粉含量的增加而遞減，并且在鋁粉含量相同情況下，含納米鋁粉炸藥的沖擊波超壓較低；而在20%鋁粉含量時(shí)，含納米鋁粉的炸藥沖擊波壓力稍高。所以在用于水下的以RDX為基的含鋁混合炸藥配方研制過程中，微米鋁粉含量在25%左右時(shí)，達(dá)到最大沖擊波壓力值，這與Stromsoe E研究RDX/AL得出的鋁粉含量為20%～23%時(shí)，水中沖擊波能量達(dá)到最大值是相符的[6]；而含納米鋁粉的混合炸藥卻不同，從測試鋁粉含量范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)納米鋁含量為20%時(shí)，得到最大的沖擊波值，說明比表面積更大的納米鋁比微米鋁更多、更快地參與了爆轟反應(yīng)，支持了前沿的沖擊波。所以在水中爆炸用含納米鋁炸藥配方設(shè)計(jì)中，若要得到較好的沖擊波毀傷，鋁粉含量不應(yīng)大于20%。

在鋁粉含量25%以后，含納米鋁炸藥沖擊波壓力明顯低于含微米鋁粉炸藥的沖擊波壓力。現(xiàn)以30%鋁含量為例對微米鋁和納米鋁進(jìn)行不同比例的級配，進(jìn)行水下爆炸測試沖擊波壓力，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同鋁粉配比下沖擊波超壓Fig.4 Shock pressure of explosive with different scale aluminum grading

從圖4可知，通過納米鋁和微米鋁的級配，水中沖擊波壓力明顯大于兩種鋁粉單獨(dú)使用時(shí)的沖擊波壓力，且微米鋁和納米鋁比例為1:1時(shí)達(dá)到了最大沖擊效果，比兩種鋁粉單獨(dú)使用時(shí)的沖擊波壓力高出1MPa左右，說明顆粒級配有利于提高沖擊效果，為納米鋁在炸藥中的應(yīng)用提供了一個(gè)新思路。

根據(jù)水中爆炸相似率，可以得到相應(yīng)的比沖擊波能，如公式（1）[7]所示：

式（1）中：Es為比沖擊波能量，J/kg；R為距爆炸中心的距離，m；W為裝藥量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；Cw為水的音速，m/s；θ為時(shí)間常數(shù)，s，即為水中沖擊波壓力衰減到最大壓力1/e的時(shí)間；p(t)為距爆炸中心R處爆炸沖擊波超壓隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。

將水中爆炸試驗(yàn)測試得到的沖擊波超壓隨時(shí)間變化的結(jié)果帶入式（1）（實(shí)際上是非連續(xù)函數(shù)求和計(jì)算，得到水中爆炸比沖擊波能）得到兩種鋁粉不同含量時(shí)炸藥在水中爆炸的沖擊波能，如圖5所示。

圖5 不同鋁粉含量的沖擊波能變化曲線Fig.5 Shock wave energy curve of explosive with different content of aluminum

由圖5可知，兩條曲線的變化趨勢一致，比沖擊波能隨鋁粉含量的增加先增大，到鋁粉含量25%左右時(shí)，比沖擊波能量達(dá)到最大值，然后隨鋁粉含量的增加，沖擊波能迅速降低。在所測試的鋁粉含量范圍內(nèi)，含微米鋁粉炸藥的比沖擊波能量大于含納米鋁粉炸藥的比沖擊波能量。在鋁粉含量20%時(shí)，兩者相差較小，隨著鋁粉含量的增加，沖擊波能差值有增大的趨勢。說明鋁粉含量增大抑制比沖擊波能，鋁粉參與爆轟反應(yīng)量較少，更多地與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)，甚至起到惰性作用，而比表面積更大的納米鋁更容易吸收爆熱而使沖擊波能量衰減更快；其次納米鋁粉反應(yīng)較快，作用時(shí)間短，不利于沖擊波能量的積累，由公式（1）可知即使在鋁粉含量20%時(shí)，含納米鋁炸藥的水中沖擊波超壓大，但是比沖擊波能小。

2.2 氣泡能量分析

炸藥水中爆炸以后，爆炸產(chǎn)物以氣泡的形式在水中連續(xù)膨脹收縮，稱為氣泡脈動(dòng)。氣泡脈動(dòng)壓力只有沖擊波峰值壓力的15%～20%，但是脈動(dòng)的時(shí)間很長，產(chǎn)生的沖量高于沖擊波[8]。隨著非理想炸藥在水中兵器戰(zhàn)斗部中廣泛使用，氣泡能占炸藥水中爆炸總能量的比例越來越高，本次試驗(yàn)由于鋁粉含量較高，氣泡能量到總能量的80%左右。利用從沖擊波超壓峰值到第1次脈動(dòng)超壓峰值時(shí)間間隔作為氣泡的膨脹周期，帶入比氣泡能公式[8]得到不同鋁粉含量時(shí)含鋁炸藥水中爆炸的氣泡能曲線，如圖6所示。

比氣泡能按式（2）計(jì)算：

式（2）中：eb為比氣泡能，MJ/kg；pi為試驗(yàn)時(shí)的大氣壓，MPa；h為試樣入水深度，m；m為試樣質(zhì)量，kg；tb為實(shí)測氣泡脈動(dòng)周期，s。

圖6 不同鋁粉含量時(shí)比氣泡能曲線Fig.6 Specific bubble energy curve of explosive with different content of aluminum

由圖6可知，含納米鋁炸藥與含微米鋁炸藥的比氣泡能隨鋁粉含量變化規(guī)律不同。在試驗(yàn)所測試的范圍內(nèi)，含微米鋁粉炸藥的比氣泡能隨著鋁粉含量的增加而增加，這與文獻(xiàn)[7]得出的結(jié)論是一致的；而含納米鋁粉炸藥的比氣泡能隨鋁粉含量先增加后減小，且在鋁粉含量35%左右達(dá)到最大值。在相同的鋁粉含量情況下，含微米鋁炸藥的比氣泡能始終大于含納米鋁炸藥的比氣泡能，而且兩者之差隨著鋁粉含量的增加而增大。

由比氣泡能公式可知，在相同試驗(yàn)條件下，比氣泡能只與氣泡的脈動(dòng)周期的立方成正比，含微米鋁炸藥和納米鋁炸藥水中爆炸氣泡脈動(dòng)周期變化規(guī)律如圖7所示，其變化規(guī)律與比氣泡能基本一致。從反應(yīng)機(jī)理上分析，納米鋁粉比表面積大，活性高，與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)快，所以周期較短，而微米鋁粉則相反。

圖7 不同鋁粉含量炸藥水下氣泡脈動(dòng)周期Fig.7 Pulse periods of underwater bubble of explosive with different content of aluminum

3 結(jié)論

（1）在以RDX為基的含鋁炸藥水下試驗(yàn)中，微米鋁含量在25%左右時(shí)，達(dá)到最大沖擊波壓力值；含納米鋁的炸藥沖擊波壓力隨鋁粉含量呈線性變化，且最大值高于含微米鋁炸藥，所以在水下炸藥納米鋁配方設(shè)計(jì)中，若要得到較好的沖擊波毀傷，納米鋁粉含量不應(yīng)大于20%；納米鋁和微米鋁的級配可以明顯提高沖擊波壓力，但是含微米鋁炸藥沖擊波能始終占優(yōu)。

（2）含微米鋁粉炸藥的比氣泡能隨著鋁粉含量的增加而增大；而含納米鋁粉炸藥的比氣泡能隨鋁粉含量先增加后減小，并且在鋁粉含量35%左右達(dá)到最大值。在相同的鋁粉含量下，含微米鋁粉炸藥的比氣泡能始終大于含納米鋁炸藥的比氣泡能，且兩者之差隨著鋁粉含量的增加而增大。

[1]孫業(yè)斌,惠君明,曹欣茂.軍用混合炸藥[M].北京：兵器工業(yè)出版社,1995.

[2]A.Lefrancois and C.Legallic.Expertise of nanometric aluminum powder on the detonation efficiency of explosives[C]// Proceedings of the 32nd International Annual Conference of ICT“Energetic Materials-Ignition,Combustion and Detonation.Pfinztal Karlsruhe Germany:ICT,2001.

[3]Dorsetr,H.E.,Brousseau,P. and Cliff,M.D.The Influence of ultrafine aluminum upon explosives detonation[C]//28th International Pyrotechnics Seminar.Adelaide, South Australia,2001.

[4]Patrik Brosseau,Helen E,C John Anderson.Dotonation properties of explosives containing nanometric aluminium power[C]//12th Symposium(International) on Detonation.San Diego.California, USA,2000.

[5]黃輝,黃勇,李尚斌.含納米級鋁粉的復(fù)合炸藥的研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2002,25(2):1-3.

[6]Stromsoe E and Eriksen S W. Performance of high explosives in underwater applications[J].Propellants and Explosives Pyrotechnics, 1990 (2).

[7]周霖，徐更光.含鋁炸藥水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2003,26(1):30-36.

[8]Cole P.水下爆炸[M].北京:國防工業(yè)出版社,1960.