硝酸酯對(duì)RDX基含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響

袁建飛，蔚紅建，王　輝，屈　蓓，付小龍

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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硝酸酯對(duì)RDX基含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響

袁建飛，蔚紅建，王輝，屈蓓，付小龍

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為了研究硝酸酯對(duì)RDX基含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響，采用圓筒試驗(yàn)研究了含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥加速圓筒壁膨脹速度和格尼能的變化過程，并與不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥進(jìn)行了對(duì)比，分析了硝酸酯對(duì)炸藥能量釋放特性及金屬驅(qū)動(dòng)能力的影響。結(jié)果表明，硝酸酯可改善RDX基含鋁炸藥的鋁氧比，改變其反應(yīng)速率；在反應(yīng)初期，含硝酸酯的RDX基炸藥加速筒壁的速度低于不含硝酸酯的炸藥，而在爆炸反應(yīng)中后期，含硝酸酯的RDX基炸藥加速筒壁的速度以及格尼能均高于不含硝酸酯的炸藥；含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥的能量釋放特性使其適合用于破片戰(zhàn)斗部中，可提高其金屬驅(qū)動(dòng)能力。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；含鋁炸藥；硝酸酯；RDX；圓筒試驗(yàn)；能量釋放特性；金屬驅(qū)動(dòng)能力

引言

含鋁炸藥是一類高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，廣泛用于水中兵器和對(duì)空武器，其對(duì)金屬的驅(qū)動(dòng)能力成為武器設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的重要問題。目前，針對(duì)含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)金屬能力方面國(guó)內(nèi)已開展了大量的研究工作。陳朗等[1]研究了鋁粉尺寸與約束條件對(duì)金屬的加速能力；沈飛等[2-3]研究了含鋁炸藥的爆轟特性及鋁粉含量對(duì)炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響；黃輝等[4]研究了粒徑對(duì)含鋁炸藥驅(qū)動(dòng)性能的影響規(guī)律。通過對(duì)鋁粉含量及粒徑優(yōu)化，含鋁炸藥的驅(qū)動(dòng)性能難以進(jìn)一步獲得較大的提升[5]，科研工作者嘗試通過添加富氧物質(zhì)來改善含鋁炸藥中的鋁氧比，改變其能量釋放特性，提高驅(qū)動(dòng)性能。如黃輝等[4]在RDX基含鋁炸藥中添加富氧炸藥，并對(duì)含鋁炸藥反應(yīng)時(shí)間及驅(qū)動(dòng)金屬板的能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明這種方法是有效的。硝酸酯屬于富氧物質(zhì)，如季戊四醇四硝酸酯(PETN)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)、丙三醇三硝酸酯(NG)等[6]，若將其添加到炸藥中，能夠在一定程度上調(diào)節(jié)含鋁炸藥中的鋁氧比，其驅(qū)動(dòng)性能也有望得到提升。

本研究用Φ50mm圓筒試驗(yàn)方法，研究了不同硝酸酯對(duì)RDX基含鋁炸藥能量釋放特性的影響，并與未含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥進(jìn)行對(duì)比，分析了影響該類炸藥驅(qū)動(dòng)能力的因素，以期為該類炸藥的配方設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品制備

含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥采用澆注固化工藝成型，不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥采用壓裝成型，配方及參數(shù)見表1，裝藥尺寸均為Φ50.0mm×51.0mm，由11節(jié)藥柱粘接而成，試驗(yàn)所用的圓筒材料為TU1無氧銅，密度為8.93g/cm3，圓筒的內(nèi)、外徑分別為50.0mm和60.2mm。

表1　RDX基含鋁炸藥配方及參數(shù)

1.2試驗(yàn)過程

圓筒試驗(yàn)按照GJB772A-97中705.3方法進(jìn)行，示意圖如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)由高速掃描相機(jī)、圓筒試件、爆炸光源、帶光學(xué)窗口的防護(hù)掩體等組成。狹縫掃描位置距起爆端295mm，采用GSJ型高速轉(zhuǎn)鏡相機(jī)記錄圓筒壁在爆轟產(chǎn)物作用下狹縫處端面的膨脹過程，掃描速度為1.5mm/μs。同時(shí)，在圓筒的兩端裝配電探針，測(cè)定炸藥在圓筒內(nèi)的爆速。

圖1　圓筒試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1　Sketch map of the cylinder test system

2結(jié)果與討論

2. 1圓筒壁膨脹曲線

通過電探針測(cè)得含硝酸酯及不含硝酸酯的兩種RDX基炸藥在圓筒中的平均爆速分別為8.04、8.20mm/μs，高速相機(jī)記錄的圓筒膨脹的典型掃描底片如圖2所示。

圖2　圓筒膨脹過程的典型掃描底片F(xiàn)ig.2　The representative photograph of the cylinderexpanding process

采用文獻(xiàn)[7-8]的數(shù)據(jù)處理方法，按照式(1)對(duì)圓筒質(zhì)量中心面的膨脹距離隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行擬合：

(1)

式中：rm為圓筒質(zhì)量中心面的半徑，mm；rm0為其初始值，mm；t為圓筒膨脹的時(shí)間，μs；αj、bj、t0均為擬合參數(shù)；t表示圓筒外表面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，引入t0作為時(shí)間項(xiàng)的修正參數(shù)，表示圓筒質(zhì)量中心面開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻相對(duì)提前量，使得t+t0=0時(shí)，圓筒質(zhì)量中心面初始膨脹。

假設(shè)在膨脹過程中圓筒的橫截面積保持不變，則rm與內(nèi)表面的半徑ri(ri0為其初始值)、圓筒外表面的半徑re(re0為其初始值)之間關(guān)系如下：

(2)

采用判讀儀對(duì)實(shí)驗(yàn)掃描底片進(jìn)行數(shù)字化判讀，可獲得圓筒壁外表面狹縫位置處的徑向位移—時(shí)間數(shù)據(jù)，然后根據(jù)式(2)將其轉(zhuǎn)換為圓筒質(zhì)量中心面的徑向位移—時(shí)間數(shù)據(jù)，并采用式(1)進(jìn)行參數(shù)擬合(這里取n=2)，所得參數(shù)值列于表2中。

表2　圓筒膨脹曲線擬合參數(shù)值

2.2圓筒壁膨脹速度及格尼能的變化

將公式(1)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到圓筒質(zhì)量中心面的膨脹速度um：

(3)

格尼能的計(jì)算公式為：

(4)

式中：us=2D·sin(arctan(um/D)/2)，為圓筒質(zhì)量中心面的質(zhì)點(diǎn)速度；D為炸藥在圓筒內(nèi)的爆速。炸藥爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容V的計(jì)算公式為[9]：

V=Vg·[1.01(1-e-1.8Vg)+0.003Vg]

(5)

式中：Vg=(ri/ri0)2。

由式(3)～(5)可計(jì)算出圓筒質(zhì)量中心面的膨脹速度隨時(shí)間的變化曲線及格尼能隨爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容的變化曲線，分別如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，在爆轟反應(yīng)初始階段，約9μs時(shí)，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥加速筒壁的膨脹速度低于不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥；隨著反應(yīng)的進(jìn)行(約9μs后)，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥膨脹速度大于不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥，之后含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥速度增量較小，而不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥一直保持增長(zhǎng)；當(dāng)加速至約40μs時(shí)，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥加速筒壁的膨脹速度仍比不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥高0.8%。從圖4中也可以看出，在爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容達(dá)到2倍之前，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥的格尼能低于不含硝酸酯炸藥，在2～10倍相對(duì)比容處，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥的格尼能明顯高于不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥，增幅在3%～10%，尤其在相對(duì)比容為3～6倍時(shí)，含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥的格尼能較不含硝酸酯的RDX基

含鋁炸藥保持明顯的優(yōu)勢(shì)，格尼能的增長(zhǎng)幅度為6%～10%。通常按照其最大膨脹距離為50mm，計(jì)算出含硝酸酯和不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥的格尼系數(shù)分別為2.83mm/μs和2.79mm/μs。根據(jù)圓筒的膨脹特性，一些特征位置處的膨脹速度與格尼能數(shù)值列于表3。

圖3　筒壁膨脹速度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.3　Relation curves of expanded velocityof the cylinder wall and time

圖4　格尼能與相對(duì)比容的關(guān)系曲線Fig.4　Relation curve between Gurney energyand relative volume

炸藥樣品um/(mm·μs-1)12mm25mm38mm50mmEg/(kJ·g-1)12mm25mm38mm50mm含硝酸酯1.5181.6831.7261.7383.0893.7723.9624.017不含硝酸酯1.4711.6211.6891.7242.8573.4533.7423.895

注：Φ50mm圓筒試驗(yàn)中，筒壁膨脹距離為12、25、38、50mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容分別為2.2、4.4、

7.0、10.0。

2.3硝酸酯對(duì)炸藥驅(qū)動(dòng)能力的影響

Lindsay C M[8]、沈飛[2]等認(rèn)為，炸藥對(duì)金屬的驅(qū)動(dòng)為沖擊波驅(qū)動(dòng)力及爆轟產(chǎn)物膨脹力共同作用的結(jié)果，沖擊波對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)作用時(shí)間較短，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)后期主要依靠爆轟產(chǎn)物膨脹力。根據(jù)經(jīng)典C-J理論，沖擊波的驅(qū)動(dòng)力與炸藥的爆速有關(guān)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，不含硝酸酯的RDX基炸藥的爆速明顯高于含硝酸酯的RDX基炸藥，在圓筒膨脹初期，不含硝酸酯的RDX基炸藥的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)于含硝酸酯的RDX基炸藥；而隨著爆轟反應(yīng)的進(jìn)行，含硝酸酯的RDX基炸藥的驅(qū)動(dòng)能力超過不含硝酸酯的RDX基炸藥，這是含硝酸酯的RDX基炸藥爆轟產(chǎn)物膨脹力在中后期得到顯著提升的原因。從兩者的配方分析，雖然不含硝酸酯的RDX基炸藥比含硝酸酯的RDX基炸藥的RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)高約13%，而不含硝酸酯的RDX基炸藥鋁氧比為0.34，含硝酸酯的RDX基炸藥為0.28，同時(shí)含硝酸酯的RDX基炸藥含富氧硝酸酯物質(zhì)，與鋁粉等反應(yīng)更加充分，且硝酸酯物質(zhì)含氮量都比較高，特別BTTN的含氮量高達(dá)17%，爆炸后能放出熱量及增加大量的氮?dú)?、一氧化碳等氣體產(chǎn)物，同時(shí)促進(jìn)了含硝酸酯的RDX基炸藥反應(yīng)速率的快速提升，并將其能量快速轉(zhuǎn)化為對(duì)金屬的驅(qū)動(dòng)能力。從計(jì)算出的格尼系數(shù)可以看出，含硝酸酯的RDX基炸藥的格尼系數(shù)(2.83mm/μs)高于不含硝酸酯的RDX基炸藥(2.79mm/μs)，甚至高于不含鋁的RDX炸藥(2.823mm/μs)[2]，這表明硝酸酯能夠提高RDX基含鋁炸藥對(duì)金屬的驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)金屬的驅(qū)動(dòng)能力大于不含鋁的RDX炸藥。

此外，在圓筒試驗(yàn)中所用的金屬材料為TUI無氧銅，其延展性較好，而實(shí)際戰(zhàn)斗部殼體的材料一般為鋼，其延展性低于銅。鋼作為戰(zhàn)斗部殼體，一般在爆轟加載前期更容易斷裂，如根據(jù)文獻(xiàn)[10]的計(jì)算，爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容為2～7倍時(shí)，殼體破裂，爆轟產(chǎn)物隨之溢出，破片的加速過程結(jié)束，其速度難以進(jìn)一步增加。通過分析對(duì)比，在爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容為3～6倍時(shí)，含硝酸酯的炸藥加速金屬能力相對(duì)不含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)，從而更適宜于高性能破片戰(zhàn)斗部，以提高對(duì)目標(biāo)的毀傷威力。

3結(jié)論

(1)在RDX基含鋁炸藥中加入硝酸酯，可降低含鋁炸藥的鋁氧比，改變炸藥的反應(yīng)速率，從而改變其能量釋放過程，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為13%的硝酸酯，其格尼能可提高3%～10%，有利于提高炸藥驅(qū)動(dòng)金屬的能力。

(2)含硝酸酯的RDX基含鋁炸藥能量釋放過程適合用于提高戰(zhàn)斗部破片的威力。

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Effect of Nitrate Ester on the Driving Ability of RDX-based Aluminized Explosive

YUAN Jian-fei, YU Hong-jian, WANG Hui, QU Bei, FU Xiao-long

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China)

Abstract:To study the effect of nitrate ester on the driving ability of the RDX-based aluminized explosives, the change process of the cylinder wall expanding velocity and Gurney energy of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester was studied by a cylinder test. Compared with the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester, the effects of nitrate ester on the energy releasing characteristics of explosive and the driving ability to metal were analyzed. The results show that the nitrate ester can improve the ratio of Al/O of the RDX-based aluminized explosives and change its reaction rate. At the initial stage of the reaction, the cylinder wall expanding velocity of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester is lower than that of the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester; however, in the middle and later of explosion reaction, the cylinder wall expanding velocity and Gurney energy of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester are higher than those of the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester. The energy releasing characteristics of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester makes it suitable for fragment warhead and can improve its driving ability to metal.

Keywords:explosion mechanics; aluminized explosive; nitrate ester;cylinder test; energy releasing characteristics; driving ability to metal

作者簡(jiǎn)介:袁建飛(1983-)，男，工程師，從事炸藥爆轟性能試驗(yàn)及理論研究。

基金項(xiàng)目:國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

收稿日期:2014-05-16；修回日期:2015-3-13

中圖分類號(hào)：TJ55；O389

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)02-0062-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.014