基于圓筒實驗的RDX／Al炸藥反應(yīng)進程＊

裴紅波，焦清介，覃劍峰

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081）

含鋁炸藥是一類應(yīng)用非常廣泛的的混合炸藥。含鋁炸藥是非理想炸藥，其爆轟機理較復(fù)雜，目前普遍的觀點是：微米級以及粒度更大的鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)基本不參加反應(yīng)，鋁粉主要在爆轟產(chǎn)物膨脹區(qū)發(fā)生反應(yīng)［1］。雖然含鋁炸藥具有較高的爆熱，但由于鋁粉反應(yīng)時間較長，這部分能量能否對炸藥的毀傷效果起到支撐作用還有待研究。

對于爆轟產(chǎn)物中鋁粉的燃燒時間目前還缺乏有效的實驗測量手段，A.M.Milne等［2］認為鋁粉的燃燒時間tb＝αd20，其中d0為鋁粉顆粒的直徑，α為常量，其典型取值為4×106s／m2。當(dāng)鋁粉直徑為1μm時，燃燒時間為4μs；當(dāng)鋁粉直徑為10μm時，燃燒時間為400μs。A.M.Miller等［3］通過實驗測得顆粒直徑為20μm的鋁粉在2 600K的溫度下的燃燒時間約為700μs。

目前，對含鋁炸藥已經(jīng)開展了較多的圓筒實驗研究［4－8］，這些研究的重點在于獲取含鋁炸藥的狀態(tài)方程，分析鋁粉的反應(yīng)情況以及研究不同尺寸圓筒下含鋁炸藥做功能力的差別，鮮有關(guān)于鋁粉在爆轟產(chǎn)物中反應(yīng)進程的探討。本文中對RDX炸藥和2種含鋁粉質(zhì)量分數(shù)分別為15%、30%的RDX基含鋁炸藥進行了?50mm圓筒實驗，分析鋁粉質(zhì)量分數(shù)對炸藥做功能力的影響，同時考慮鋁粉的二次反應(yīng)并結(jié)合格尼公式，以RDX炸藥作為參照，分析含鋁炸藥中的鋁粉反應(yīng)度隨時間的變化規(guī)律。

1 實 驗

實驗選用以RDX為主體的含鋁炸藥，鋁粉的質(zhì)量分數(shù)分別為15%和30%，另外以RDX作為參比炸藥，炸藥制作過程中都外加質(zhì)量分數(shù)為5%的惰性黏結(jié)劑以便于藥柱的壓制。鋁粉為球狀，其中粒徑為9.8μm，活性鋁的質(zhì)量分數(shù)大于98%，炸藥的配方如表1所示。

表1 炸藥配方Table 1 Explosive formulations

實驗按照GJB772A－97《炸藥試驗方法》中方法進行，圓筒實驗采用高純度銅管，利用氬氣彈發(fā)光作光源，對準圓筒某一截面，通過條紋掃描相機記錄該截面表面位移時間關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到該截面的時間－速度－位移曲線，實驗裝置如圖1所示。實驗過程中，用固定于圓筒起爆端和末端的電探針測定炸藥爆速，數(shù)據(jù)見表1，用高速轉(zhuǎn)鏡相機拍攝圓筒在爆轟產(chǎn)物膨脹作用下狹縫位置處端面的膨脹過程。

圖1 圓筒實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylinder tests

圖2 圓筒膨脹過程Fig.2 Cylinder expansion process

2 實驗結(jié)果

炸藥爆轟后圓筒壁在爆轟產(chǎn)物作用下沿圓筒的徑向和軸向作二維運動，狹縫位置處的圓筒在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下的膨脹過程光測的結(jié)果如圖2所示，膨脹距離（R－R0）與膨脹時間t滿足下式：

式中：a、b、c、d均為擬合系數(shù)，對圖2中光測結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合即可得到系數(shù)a、b、c、d的值。

圓筒的徑向膨脹速度u和圓筒的比動能E分別為：

對3種炸藥各進行了3發(fā)?50mm的圓筒實驗，同一種炸藥各發(fā)之間圓筒壁速度誤差小于1%，動能誤差小于2%。根據(jù)光測結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到系數(shù)a、b、c、d，如表2所示。

表2 圓筒實驗擬合系數(shù)Table 2 Fitting coefficients of cylinder test

根據(jù)圓筒實驗結(jié)果處理得到的結(jié)果如圖3～6所示。圖3為不同膨脹距離處炸藥的筒壁速度；由圖4可以看出實驗測得圓筒膨脹到50mm處所用時間約為34μs，裝有RA30炸藥的筒壁速度始終小于RA0炸藥，在0～22μs時間內(nèi)，兩者之間的速度差不斷增大，但是22μs之后兩者之間的速度差開始減小，在t＝34μs時刻兩者之間速度差由最大時刻的6.1%縮小到4.2%。初始時刻RA15炸藥筒壁速度低于RA0炸藥，但是由于RA15炸藥加速度更大，在t＝25μs時刻，RA15炸藥的壁速開始超過RA0炸藥，而且兩者之間的差距在不但擴大，34μs時刻，RA15炸藥壁速比RA0炸藥壁速高約3%。圖5為不同膨脹距離處炸藥的比動能；圖6為筒壁的加速度，初始時刻裝填RA0炸藥的圓筒壁加速度要大于含鋁炸藥，隨著圓筒的膨脹，圓筒壁加速度逐漸減小，但是裝填含鋁裝藥的圓筒壁加速度下降的較為緩慢，在圓筒膨脹的后期裝填含鋁炸藥的圓筒壁加速度反而大于RA0炸藥。

結(jié)果表明，加入鋁粉會降低筒壁初始速度，但隨著圓筒膨脹，鋁粉后燃效應(yīng)使產(chǎn)生的氣體膨脹做功對金屬起持續(xù)加速作用，使筒壁速度增加更快，增加炸藥的做功能力。RA30炸藥做功能力始終低于RA0炸藥的，這是由于鋁粉能量釋放速率慢，在圓筒實驗的時間范圍內(nèi)，只有少部分鋁粉參與反應(yīng)。

圖3 不同膨脹距離處圓筒壁速Fig.3 Wall velocities at different expansion distances

圖4 圓筒壁速度時程曲線Fig.4Histories of wall velocity

圖5 不同膨脹距離處筒壁比動能關(guān)系Fig.5 Wall specific kinetic energies vs expansion distances

3 鋁粉反應(yīng)進程分析

圓筒實驗中銅管壁速與炸藥爆炸釋放的能量相關(guān)，根據(jù)格尼公式［9］，對于軸對稱情況圓筒壁速可以用下式計算：

式中：vf為圓筒壁膨脹速度，m為炸藥質(zhì)量，M為金屬圓筒的質(zhì)量，具有速度量綱，稱為炸藥裝藥的格尼速度，是炸藥的特征值。E0＝Ed－Ei，其中Ed為炸藥爆炸釋放的化學(xué)能，Ei為炸藥產(chǎn)物具有的內(nèi)能。對式（4）進行變形可得到：

在相同的比體積處，E0＝η（v）Ed，這里v為炸藥爆轟產(chǎn)物與炸藥的比體積，η（v）為炸藥能量的利用率，對于不同的炸藥η（v）在相同的比體積處近似相等，所以有：

式中：Ed為炸藥爆轟能。

非理想炸藥如含鋁炸藥，能量釋放可以分為2個階段：一是混合炸藥中理想成分（如TNT、RDX、HMX）爆轟快速釋能過程，此過程較短，一般小于0.1μs；二是非理想成分的慢釋能階段，此過程一般為幾十微秒到幾毫秒，如圖7所示。相對于圓筒的膨脹時間（大于10μs），含鋁炸藥中理想成分反應(yīng)時間（小于0.1μs）較短，可以忽略其反應(yīng)時間，則圓筒膨脹過程中含鋁炸藥的能量釋放過程可表示為：

式中：Qe為理想成分釋放的能量，Q（Al）為鋁粉燃燒釋放的能量；λ（t）為鋁粉反應(yīng)度。

對于混合炸藥的爆熱可由經(jīng)驗公式計算［10］：Q＝QT－B（ρT－ρ0），QT＝ ∑Qiωi，B＝ ∑Biωi，其中Q為裝藥密度，是密度為ρ0時混合炸藥爆熱；QT是密度為理論密度ρT時混合炸藥爆熱；Qi為混合炸藥組分i特征熱值；B為爆熱的密度修正系數(shù)；Bi為混合炸藥中組成i特征熱值的密度修正系數(shù)，計算得到的炸藥爆熱如表3所示。

表3 含鋁炸藥的爆熱Table 3 Heat of aluminum explosive

以RA0作為參考炸藥，根據(jù)式（6）～（7）可以求出RA15和RA30炸藥中鋁粉反應(yīng)度，如圖7所示。從圖7中可以看出，反應(yīng)度在最開始有一個下降的過程。顯然不符合實際情況，這是由于金屬筒壁的加速主要是由沖擊波和爆轟產(chǎn)物膨脹共同作用的結(jié)果。初始階段沖擊波對圓筒的加速是主要的，而沖擊波對圓筒加速作用主要由2個方面決定：一是入射波壓力，二是入射波的波阻抗。含鋁炸藥的入射沖擊波壓力小于RA0炸藥，因此加入鋁粉會使圓筒壁膨脹速度降低，但是由于含鋁炸藥的波阻抗大于RA0含鋁炸藥，這又有利于提高圓筒壁的速度。

圖7 含鋁炸藥中鋁粉反應(yīng)度Fig.7 Reaction degree of aluminum in explosive

在圓筒膨脹的初期，圓筒與炸藥爆轟產(chǎn)物的作用過程較復(fù)雜，激光干涉測試和數(shù)值模擬表明［10］最初圓筒壁速存在著振蕩，但是采用掃描相機難以觀測到這樣的情況，因此初始階段筒壁速度并不滿足格尼公式，只有當(dāng)圓筒膨脹到一定距離后，根據(jù)該方法求得的鋁粉反應(yīng)度才是有意義的，因此本文中只考慮10μs后鋁粉的反應(yīng)度。從圖7中可以看出，對于RA15和RA30炸藥10μs以后鋁粉反應(yīng)度隨時間逐漸增大，34μs時刻鋁粉的反應(yīng)度為0.49，如果認為鋁粉的反應(yīng)速率不隨時間變化，據(jù)此估算鋁粉的完全反應(yīng)時間在69μs，而RA30炸藥的反應(yīng)度僅為0.21，這說明對于RA30炸藥，此時大部分鋁粉仍沒有發(fā)生反應(yīng)，同樣如果認為鋁粉的反應(yīng)速率不隨時間變化，則鋁粉的完全時間為162μs。盡管2種含鋁炸藥的反應(yīng)度存在著較大差別，但是考慮到RA30炸藥中鋁粉的質(zhì)量分數(shù)是RA15炸藥的2倍，因此在34μs時刻，2種炸藥中參與反應(yīng)的鋁粉絕對量近似相等，這表明在鋁粉的濃度對反應(yīng)速率影響較小。

4 結(jié) 論

圓筒實驗結(jié)果表明：鋁粉質(zhì)量分數(shù)為15%的含鋁炸藥做功能力最強，RDX炸藥次之，鋁粉質(zhì)量分數(shù)為30%炸藥做功能力最弱。在圓筒實驗記錄的結(jié)束時刻（約34μs），鋁粉質(zhì)量分數(shù)為15%的炸藥，鋁粉的反應(yīng)度為0.49，而鋁粉質(zhì)量分數(shù)為30%炸藥鋁粉的反應(yīng)度僅為0.21，估算得到的鋁粉的完全反應(yīng)時間在50～200μs之間。在進行含鋁炸藥配方設(shè)計時必須同時考慮鋁粉的含量和反應(yīng)時間，才能達到最佳的使用效果。

［1］Victorow S B.The effect of Al2O3phase transitions on detonation properties aluminized explosives［C］∥Proceedings of the 12th International Detonation Symposium.San Diego，USA，2002.

［2］Milne A M，Longbottom A W，Evans D J.The burning rate of aluminum particles in nitromethane in cylinder tests［C］∥Proceedings of the 12th International Detonation Symposium.San Diego，USA，2002.

［3］Miller P J.A reactive flow model with coupled reaction kinetics for detonation and combustion of non－ideal explosives［C］∥Proceedings of MRS Symposium，Materials Research Society 1996：413－419.

［4］Trzcinski W A.Studies of detonation characteristics of aluminum enriched RDX compositions［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2007，32（5）：392－400.

［5］Brousseau P.Detonation properties of explosives containing nanometric aluminum powder［C］∥Proceedings of the 12th International Detonation Symposium.San Diego，USA，2002.

［6］于川，李良忠，黃毅民.含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程研究［J］.爆炸與沖擊，1999，19（3）：274－279.Yu Chuan，Li Liang－zhong，Huang Yi－min.Studies on JWL equation of state of detonation product for aluminized explosive［J］.Explosion and Shock Waves，1999，19（3）：274－279.

［7］計冬奎，高修柱，肖川，等.含鋁炸藥作功能力和JWL狀態(tài)方程尺寸效應(yīng)研究［J］.兵工學(xué)報，2012，33（5）：552－555.Ji Dong－kui，Gao Xiu－zhu，Xiao Chuan，et al.Study on dimension effect of accelerating ability and JWL equation of state for aluminized explosive［J］.Acta Armamentarii，2012，33（5）：552－555.

［8］盧校軍，王蓉，黃毅民，等.兩種含鋁炸藥作功能力與JWL狀態(tài)方程研究［J］.含能材料，2005，13（3）：144－147.Lu Xiao－jun，Wang Rong，Huang Yi－min，et al.Study on work ability and JWL equation of state of two aluminized explosives［J］.Energetic Materials，2005，13（3）：144－147.

［9］張寶坪，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

［10］Baudin G，Lefrancois A，Bergues D，et al.Combustion of nanophase aluminum in the detonation products of nitromethane［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，USA，1998.