鋁氧比對(duì)DNTF／AP／Al炸藥水下能量輸出結(jié)構(gòu)的影響

楊 斐，羅一鳴，王建靈，高 贊，嚴(yán)家佳，李鴻賓

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是一種新型高能量密度熔鑄載體炸藥，具有合成危險(xiǎn)性小、工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、能量高、密度大等優(yōu)點(diǎn)［1－3］，具有廣闊的應(yīng)用前景。DNTF／AP／Al炸藥具有優(yōu)良的水下能量特性，水下爆炸比沖擊波能和比氣泡能均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)水下炸藥如熔鑄型含鋁炸藥（RS211），水下能量輸出結(jié)構(gòu)也不同于傳統(tǒng)水下炸藥，其氣泡能占的比例很高［4］。

鋁氧比和水下爆炸能的關(guān)系一直是水下炸藥研究的重要內(nèi)容。周霖等［5］研究了鋁氧比對(duì)炸藥水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)鋁氧比為0．35～0．40時(shí)，炸藥水中爆炸的沖擊波能達(dá)到最大，氣泡能則隨著鋁氧比的增加而增大；E．Stromsoe和S．W．Eriksen［6］研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋁粉含量的增加RDX／Al炸藥的沖擊波能和氣泡能都是先逐漸增加，當(dāng)鋁氧比為0．3～0．4時(shí)，沖擊波能達(dá)到最大值，繼續(xù)增加鋁粉含量時(shí)沖擊波能下降，氣泡能增加，但當(dāng)鋁氧比超過0．7后，氣泡能增長(zhǎng)變緩。根據(jù)水下戰(zhàn)斗部目標(biāo)損傷特性，需要炸藥水中爆炸時(shí)具有不同的能量輸出結(jié)構(gòu)，通過控制含鋁炸藥的鋁氧比，能夠達(dá)到調(diào)節(jié)炸藥水中爆炸的能量輸出特性。因此，深入研究鋁氧比對(duì)DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸參數(shù)及能量輸出結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律具有重要的意義。

本實(shí)驗(yàn)研究了鋁氧比對(duì)DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸參數(shù)及能量輸出結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，擬合了鋁氧比對(duì)能量輸出結(jié)構(gòu)影響的經(jīng)驗(yàn)公式，以期為水下炸藥的配方設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材料及儀器

DNTF，純度大于99%，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)有限公司；Al，安鋼鋁粉廠，粒度為13μm。

Genesis 5i型數(shù)據(jù)采集儀，德國(guó)HBM 公司；壓電式電氣石水下激波傳感器，美國(guó)PCB 公司；靈敏度為6．988MPa／V，測(cè)壓范圍為0～69MPa。

1．2 樣品制備

將DNTF顆粒加熱熔化后加入一定比例的AP／Al，充分?jǐn)嚢?，澆鑄至直徑25mm 已預(yù)熱的模具中，冷卻成型后加工成25g的藥柱，帶8號(hào)雷管孔，每組配方各制備3個(gè)樣品，其中2發(fā)用于水下試驗(yàn)，1發(fā)用于爆熱試驗(yàn)。DNTF／AP／Al炸藥配方見表1。

表1 DNTF／AP／Al炸藥配方Table 1 Formulations of DNTF／AP／Al explosives

1．3 爆熱測(cè)試

按照GJB772A－1997方法701．1進(jìn)行爆熱測(cè)試。

1．4 水下試驗(yàn)

爆炸水池直徑為12m，水深9．5m，傳感器測(cè)點(diǎn)距爆心0．9m，爆心距水面4．7m，保持傳感器與裝藥同一平面。試驗(yàn)時(shí)采用8 號(hào)雷管由端面中心引爆。每組測(cè)試兩個(gè)平行試樣。

2 結(jié)果與分析

2．1 水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果

DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。比沖擊波能es和比氣泡能eb參照Cole給出的公式計(jì)算［7］：

式中：R 為測(cè)點(diǎn)距裝藥中心的距離，m；W 為裝藥質(zhì)量，kg；ρ0為水的密度，取1 000kg／m3；C0為水中的音速，取1 500m／s；p（t）為測(cè)點(diǎn)外t時(shí)刻的沖擊波壓力，Pa；τ為積分上限，一般取6．7θ；Tb為修正后的氣泡周期，s；C 為與實(shí)際水池中裝藥位置有關(guān)的常數(shù)。

表2 DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Underwater explosion test results of DNTF／AP／Al explosives

2．2 鋁氧比對(duì)峰值壓力的影響

峰值壓力pm是炸藥水中爆炸最直觀的一個(gè)參數(shù)，也是計(jì)算其他參數(shù)的基礎(chǔ)。由表2中數(shù)據(jù)可得出峰值壓力與鋁氧比之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 沖擊波峰值壓力與鋁氧比的關(guān)系Fig．1 The relation of shock wave peak pressure and ratio of aluminium to oxygen

由圖1可以看出，相同測(cè)點(diǎn)處，DNTF／AP／Al炸藥的水下爆炸沖擊波峰值壓力隨鋁氧比的增加總體上呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)鋁氧比增加時(shí)，由于Al粉的惰性稀釋作用，炸藥的非理想性更加突出，爆轟反應(yīng)區(qū)不斷加寬，鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)吸熱和消耗的能量越來越多，從而降低了爆轟波陣面的能量，使得炸藥－水界面的輸出壓下降，故水中沖擊波的峰值壓力會(huì)逐漸降低；當(dāng)鋁氧比在0．3～0．4時(shí)，峰值壓力驟然下降，而在其他區(qū)域峰值壓力減小相對(duì)緩慢。

2．3 鋁氧比對(duì)比沖擊波的影響

圖2為比沖擊波能es隨鋁氧比變化曲線。由圖2可見，比沖擊波能隨鋁氧比的增加先增加后減少，當(dāng)鋁氧比為0．3左右時(shí)，沖擊波能達(dá)到最大，即獲得最大的近距離作功能力；鋁氧比在0．3～0．4時(shí)，比沖擊波能減少很快。這是因?yàn)楫?dāng)鋁氧比小于0．3時(shí)，鋁粉含量較少，隨鋁氧比增加，鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)反應(yīng)量增加，由于鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)作為惰性介質(zhì)吸收的能量小于鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)反應(yīng)釋放的能量，故比沖擊波能略微增加；當(dāng)鋁氧比繼續(xù)增加時(shí)，由于鋁粉逐漸過量，過量的鋁粉作為惰性介質(zhì)吸收的能量逐漸增加，而鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)反應(yīng)釋放的能量變化不大，使得比沖擊波能減少。

圖2 比沖擊波能與鋁氧比之間的關(guān)系Fig．2 The relation of specific shock wave energy and ratio of aluminium to oxygen

2．4 鋁氧比對(duì)氣泡脈動(dòng)的影響

圖3為氣泡脈動(dòng)周期tb和比氣泡能eb隨鋁氧比的變化曲線。

由圖3可以看出，兩個(gè)參數(shù)變化趨勢(shì)大致相同，都隨鋁氧比的增加而增加，鋁氧比在0．3～0．4時(shí)變化趨勢(shì)比較明顯。由于炸藥在水下爆炸以后，在氣泡邊界處會(huì)形成大量的水蒸汽（由周圍水介質(zhì)產(chǎn)生），隨著鋁氧比的增加，鋁粉含量逐漸過量，爆炸產(chǎn)物膨脹過程中過量的鋁粉與水蒸汽反應(yīng)，并釋放出大量的能量，該過程放出的熱量對(duì)氣泡脈動(dòng)貢獻(xiàn)很大，故大幅增加了比氣泡能和脈動(dòng)周期［8］?？梢?，要想獲得較好的氣泡效應(yīng)，只要增加炸藥配方的鋁氧比即可。

圖3 鋁氧比對(duì)氣泡脈動(dòng)周期及比氣泡能的影響Fig．3 The effect of Al／O ratio on period of bubble pulsation and specific bubble energy

2．5 鋁氧比對(duì)DNTF／AP／Al炸藥水下能量輸出結(jié)構(gòu)的影響

與水中爆炸的沖擊波和氣泡現(xiàn)象相關(guān)，炸藥水中爆炸產(chǎn)生的能量，一部分以沖擊波的形式從爆炸點(diǎn)向外擴(kuò)散和傳播，稱為比沖擊波能es；另一部分存在于爆炸產(chǎn)物氣泡中，稱為比氣泡能eb。水中爆炸的總能量在正常情況下接近于炸藥爆炸所釋放處的化學(xué)能，即爆熱（Qv），在理論上應(yīng)等于沖擊波能和氣泡能之和。但是，由于沖擊波在傳播過程中對(duì)所經(jīng)之處產(chǎn)生沖擊加熱，致使一部分能量以熱的形式損失在水中，稱為熱損失能er。因此，水下爆炸總能量應(yīng)由這3部分組成，即：

水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)應(yīng)為各能量占總能量的百分比。各組試樣水下爆炸能量以及es、eb和er占總能量的比例如表3所示。

表3 炸藥水下爆炸能量輸出特性Table 3 The energy output characteristics of explosives at underwater explosion

由表3可見，隨著鋁氧比的增加，比沖擊波能es在總能量中占的比例逐漸減少；而比氣泡能eb在總能量中占的比例先增大，當(dāng)鋁氧比大于0．6時(shí)比氣泡能所占比例逐漸減小。這是因?yàn)殡S著鋁氧比的增加，配方中Al粉含量增加，爆轟反應(yīng)區(qū)中大量能量被未反應(yīng)的Al粉吸收，比沖擊波能下降，鋁粉的增加還會(huì)使炸藥的爆熱（總化學(xué)能）增加，因此比沖擊波能的比例減少；Al粉的二次反應(yīng)放出能量的過程與氣泡脈動(dòng)在同一時(shí)間尺度，為氣泡膨脹作功提供能量，比氣泡能增大，因此比氣泡能占總能量的比例增加，當(dāng)鋁氧比大到某一極限值時(shí)，鋁粉過量，爆熱值繼續(xù)增大。

圖4為測(cè)點(diǎn)處總能量及熱損失能構(gòu)成比例隨鋁氧比變化曲線。

圖4 鋁氧比與測(cè)點(diǎn)處總能量及總能量構(gòu)成比例的關(guān)系Fig．4 Relation of Al／O ratio with proportion of total energy and total energy at the point of measurement

由圖4（a）可知，氣泡能增加變緩，故比氣泡能所占的比例也逐漸下降。由圖4（b）可知，熱損失能er隨著鋁氧比的增加先減小后增大，當(dāng)鋁氧比為0．6左右時(shí)，熱損失能所占總能量的比例最低，說明此時(shí)炸藥的能量利用率最高。

根據(jù)圖4擬合出DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸比沖擊波能比例與鋁氧比（x）的經(jīng)驗(yàn)方程為：

es／Qv＝18．02＋13．47x－58．52x2＋42．82x3

比氣泡能比例與鋁氧比（x）的關(guān)系為：

eb／Qv＝56．77－36．66x＋140．36x2－110．73x3

熱損失能比例與鋁氧比（x）的關(guān)系為：

er／Qv＝25．21＋23．19x－81．84x2＋67．91x3

3 結(jié) 論

（1）鋁氧比增加，DNTE／AP／Al炸藥的峰值壓力逐漸減小，比沖擊波能先增大后減小，鋁氧比在0．3左右達(dá)到最大值，比氣泡能和氣泡周期均一直增大。

（2）鋁氧比為0．3～0．4時(shí)，DNTF／AP／Al炸藥水下爆炸參數(shù)（沖擊波峰值壓力、比沖擊波能和比氣泡能）的變化速率很快；鋁氧比繼續(xù)增大，各參數(shù)的變化趨勢(shì)變緩。

（3）鋁氧比增大，DNTF／AP／Al炸藥的比沖擊波能占總能量的比例減小，比氣泡能比例先增加后減??；當(dāng)鋁氧比約為0．6時(shí)，熱損失能所占總能量的比例最低，能量利用率最高。

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