以HMX為基混合炸藥撞擊感度的計(jì)算方法

黃琛鴻，劉玉存，袁俊明

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

撞擊感度是指在機(jī)械撞擊作用下，炸藥發(fā)生燃燒或爆炸的難易程度。它以在一定條件的落錘實(shí)驗(yàn)中炸藥樣品的爆炸概率或50%爆炸概率下的特性落高H50表征[1]。而此類實(shí)驗(yàn)存在一些不足與局限：（1）實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性；（2）實(shí)驗(yàn)受外界條件影響較大，再現(xiàn)性差；（3）對(duì)于設(shè)計(jì)階段的化合物，無法通過實(shí)驗(yàn)來獲知其撞擊感度[2]。因此，單純應(yīng)用實(shí)驗(yàn)來確定炸藥的撞擊感度是不能滿足需要的，有必要運(yùn)用理論方法對(duì)炸藥的撞擊感度進(jìn)行估算與預(yù)測(cè)，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究的不足。

近年來，很多學(xué)者在預(yù)測(cè)單質(zhì)炸藥撞擊感度方面做了很多努力，包括采用炸藥的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系（QSPR）模型[3-5]等。但是對(duì)于混合炸藥撞擊感度的預(yù)測(cè)，所做的工作還不多。A.V.Dubovik[6]提出一個(gè)近似計(jì)算混合炸藥發(fā)生爆炸時(shí)的臨界壓力(pcr)和臨界厚度(hcr)的物理模型。臨界壓力(pcr)和臨界厚度(hcr)從理論上精細(xì)地(hcr值可準(zhǔn)確到±0.01 mm)表達(dá)了炸藥的撞擊感度的特性，但由于H50的測(cè)定更容易操作，所以更適合于常規(guī)測(cè)試。為了充分挖掘炸藥撞擊感度與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本文基于單質(zhì)炸藥活性指數(shù)與撞擊感度的關(guān)系，對(duì)混合炸藥活性指數(shù)與撞擊感度關(guān)系進(jìn)行了研究，從而達(dá)到預(yù)測(cè)混合炸藥撞擊感度性能的目的。

1 單質(zhì)炸藥活性指數(shù)與撞擊感度的關(guān)系

炸藥分子結(jié)構(gòu)活性的外在表現(xiàn)為：炸藥撞擊感度的大小可以是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的一種標(biāo)志。炸藥分子活性的大小受到其含有的活性基團(tuán)的性質(zhì)、數(shù)量以及各個(gè)活性基團(tuán)間相互作用的影響。邢郁明教授認(rèn)為在炸藥中各種基團(tuán)對(duì)活性指數(shù)的貢獻(xiàn)值具有加和性，各基團(tuán)活性指數(shù)的貢獻(xiàn)值加和所得總活性指數(shù)貢獻(xiàn)值為炸藥的摩爾活性指數(shù)[7]：

式（1）中：M為炸藥的摩爾質(zhì)量，Ki、Ni分別為第i種基團(tuán)或原子對(duì)指數(shù)的貢獻(xiàn)值和分子中基團(tuán)或原子的數(shù)目。F值大表示分子結(jié)構(gòu)的活性大，易被激發(fā)而感度高，反之則感度低。應(yīng)用式（1）計(jì)算了35種單質(zhì)炸藥的摩爾活性指數(shù)（見表1），特性落高H50（35組數(shù)據(jù)撞擊感度試驗(yàn)條件：12型工具，5kg落錘）從相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)[8-9]查得。

對(duì)F與H50作圖，如圖1所示。從圖1中可以看出單質(zhì)炸藥F與H50具有較好的遞變關(guān)系，分子的活性指數(shù)F越大，撞擊感度H50值就越小，炸藥的感度就越大；反之，F(xiàn)的值越小，撞擊感度H50值就越大，炸藥就越鈍感。

圖1 單質(zhì)炸藥活性指數(shù)F與H50關(guān)系圖Fig.1 Relationship between F and H50 for the single explosive

表1 所選35種炸藥的相關(guān)參數(shù)Tab.1 The correlative parameters of 35 kinds of selected explosives

2 混合炸藥活性指數(shù)與撞擊感度的關(guān)系

2.1 附加物分類及附加物活性指數(shù)的賦值

在混合炸藥中除了主體炸藥外，還有含量不等的附加物，由于附加物也影響到混合炸藥的撞擊感度，于是對(duì)附加物的活性進(jìn)行賦值，對(duì)于分子結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的附加物，應(yīng)用式（1）通過計(jì)算求得；對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一些高分子附加物和無機(jī)物，根據(jù)其在不同的混合炸藥中含量的不同，通過解方程計(jì)算求得；對(duì)于個(gè)別的附加物，由于數(shù)據(jù)過少，無法通過上面兩種方法求得，則根據(jù)其在炸藥中表現(xiàn)的活性大小[10]并與單質(zhì)炸藥HMX（F值為6.08）的活性做對(duì)比，綜合確定其活性指數(shù)。

2.2 混合炸藥活性指數(shù)與特性落高對(duì)數(shù)的關(guān)系

以單質(zhì)炸藥的活性指數(shù)與特性落高的關(guān)系為基礎(chǔ)，為了減少變量對(duì)結(jié)果的干擾，選取了以HMX為基的混合炸藥進(jìn)行探討，混合炸藥的摩爾活性指數(shù)即為單質(zhì)炸藥的活性指數(shù)和附加物的活性指數(shù)按照質(zhì)量比進(jìn)行加和：

式（2）中：Wi、Fi分別為第i種炸藥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和活性指數(shù)，Wj、Fj分別為第j種附加物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和活性指數(shù)。將表1和表2中的數(shù)值代入到式（2）中，得出混合炸藥摩爾活性指數(shù)F混，特性落高H50及其對(duì)數(shù)值一并列于表3。

表2 附加物活性指數(shù)賦值Tab.2 Activity index of appendage

利用SPSS軟件對(duì)混合炸藥的活性指數(shù)F混與其特性落高的對(duì)數(shù)lgH50進(jìn)行回歸分析，得出活性指數(shù)與特性落高的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D2所示。

圖2 混合炸藥F混與lgH50的關(guān)系Fig.2 Relationship between F混 and lgH50 for the composite explosives

圖2的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

式（3）中：H50為混合炸藥的特性落高；F混為混合炸藥總的活性指數(shù)。其中，曲線擬合優(yōu)度R2=0.968,顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為151。

2.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果驗(yàn)證

通過式（3），求得相關(guān)文獻(xiàn)中混合炸藥特性落高的預(yù)測(cè)值，與其實(shí)際值列于表4。將混合炸藥特性落高的預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)值做對(duì)比，如圖3所示。

表3 混合炸藥活性指數(shù)及其lgH50Tab.3 Activity index and lgH50 of composite explosives

表4 混合炸藥H50預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)值對(duì)比Tab.4 Comparison of predictive value with literature value of H50 of composite explosives

圖3 H50預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)值比較Fig.3 Comparison of predictive values with literature values of H50

從圖3可以看出回歸方程是顯著的，具有較好的擬合效果，可以從趨勢(shì)上對(duì)混合炸藥撞擊感度做出預(yù)測(cè)。其中，有一個(gè)數(shù)據(jù)的偏差較大，一方面的原因是該混合炸藥中附加物的含量較少，導(dǎo)致附加物的影響被放大，另一個(gè)原因可能是由于選擇的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是很多，導(dǎo)致附加物的活性指數(shù)賦值具有一定的偏差。

3 結(jié)論

（1）單質(zhì)炸藥的撞擊感度H50與活性指數(shù)F有較一致的遞變趨勢(shì), 即隨著F的增加而減小。以該關(guān)系為基礎(chǔ)，將活性指數(shù)的概念推廣至混合炸藥。

（2）運(yùn)用炸藥感度理論分析和統(tǒng)計(jì)軟件 SPSS擬合數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，建立了一個(gè)以HMX為基的混合炸藥撞擊感度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型不同于其它預(yù)測(cè)方法有著繁雜的計(jì)算過程，較容易計(jì)算，能為研究者提供一個(gè)更簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)混合炸藥撞擊感度的途徑，且有望將相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，甚至更小。

（3）為了減少變量，本次經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H研究了奧克托今為基的混合炸藥，而對(duì)于其他混合炸藥，還有待于進(jìn)一步的研究。

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