不同粒度鋁粉在HMX基炸藥中的能量釋放特性

金朋剛, 郭 煒, 王建靈, 任松濤, 高 贊, 王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中作戰(zhàn)需求的變化,需要打擊的地下及地面加固目標(biāo)越來(lái)越多,發(fā)展有效打擊密閉條件下軍事目標(biāo)的彈藥成為現(xiàn)代武器發(fā)展的重要方向和主要趨勢(shì),而炸藥是這類(lèi)武器的能量源和毀傷源,如何合理設(shè)計(jì)炸藥以適合這類(lèi)環(huán)境,達(dá)到高效毀傷的目的,是武器發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容之一[1-4]。含鋁溫壓炸藥是一種可以與環(huán)境相互作用,實(shí)現(xiàn)高能毀傷的新型炸藥,這種炸藥在密閉空間中爆炸除了產(chǎn)生沖擊波壓力外,還將產(chǎn)生另外一種壓力波——準(zhǔn)靜態(tài)壓力波,這種壓力波的脈寬較沖擊波壓力寬,在密閉空間中能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的繞射效應(yīng),對(duì)距爆源較遠(yuǎn)軟目標(biāo)殺傷效果較好[5-6]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于含鋁溫壓炸藥的內(nèi)爆特性開(kāi)展了大量研究。在爆炸場(chǎng)溫度和沖擊波壓力研究方面,李媛媛等在自行設(shè)計(jì)的密閉容器中研究了不同鋁粉含量炸藥內(nèi)爆溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)特性[7-8]。仲倩等[9]采用譜線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)研究了溫壓炸藥燃燒過(guò)程中的溫度特性。辛春亮等[10]采用水下爆炸能量測(cè)量方法研究了含鋁炸藥的能量輸出及二次燃燒的特性。在后燃燒特性研究方面,曹威等[11]采用自制的水下爆炸裝置測(cè)量了后燃釋放的能量,可達(dá)炸藥爆熱的78%。姬建榮等[12]對(duì)TNT基含鋁炸藥的后燃燒過(guò)程進(jìn)行了光學(xué)觀(guān)測(cè),捕捉到了試樣二次燃燒過(guò)程的圖像。裴明敬等[13]介紹了含片狀鋁粉溫壓炸藥的爆炸特性。隨著對(duì)溫壓炸藥特性的認(rèn)識(shí)不斷深入,國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了溫壓炸藥密閉空間中準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性的研究報(bào)道。李芝絨等[14]在研究溫壓及TNT炸藥密閉空間中爆炸的壓力特性時(shí)提出了準(zhǔn)靜態(tài)壓力; 金朋剛等[15]研究了TNT炸藥密閉空間中爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量技術(shù),建立了準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測(cè)量方法。

國(guó)外對(duì)含鋁溫壓炸藥的能量釋放特性進(jìn)行了大量的研究。韓國(guó)Ki-Bong Lee等[16]進(jìn)行了兩種溫壓炸藥的內(nèi)爆試驗(yàn),得到了準(zhǔn)靜態(tài)壓力和總?cè)紵裏嶂g的關(guān)系式。美國(guó)Richard G Ames等[17]通過(guò)測(cè)量二次燃燒的過(guò)程,定量區(qū)分了封閉空間中的爆轟和二次燃燒的能量累積。但含鋁炸藥組分對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力貢獻(xiàn)方面研究較少,對(duì)含鋁溫壓炸藥的設(shè)計(jì)不能提供足夠的指導(dǎo)。

為此,本課題組采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置,測(cè)量了HMX及HMX基溫壓炸藥在密閉空間中爆炸后二次燃燒產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力; 比較了不同試樣二次反應(yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力特點(diǎn),分析了鋁粉粒度對(duì)含鋁溫壓炸藥在密閉空間中準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響,并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果,對(duì)不同粒度鋁粉在HMX基炸藥中的能量釋放特性進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)的布置

為了模擬密閉環(huán)境,設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠密封的爆炸罐體,尺寸為Φ900 mm高800 mm的圓柱形罐體,在距離罐體頂端400 mm處有兩個(gè)測(cè)壓窗口,如圖1所示。壓力傳感器采用PCB piezolelctric公司壓電式不漲鋼傳感器,每個(gè)測(cè)壓窗口布放一個(gè)壓力傳感器,兩個(gè)傳感器及試樣在同一個(gè)水平面上。數(shù)據(jù)采集用南匯科技VXI(一種數(shù)據(jù)采集器的總線(xiàn)技術(shù))瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器,采用速率為1 M·s-1。

圖1爆炸用密閉裝置示意圖

Fig.1Sketch of sealed device used for explosion

2.2 試驗(yàn)樣品及安裝方式

試驗(yàn)所用3種炸藥試樣見(jiàn)表1,其中,奧克托今(HMX)是兵器805廠(chǎng)生產(chǎn),兩種不同粒度(13,130 μm)的鋁粉為河南遠(yuǎn)洋鋁業(yè)公司生產(chǎn),端羥基聚丁二烯(HTPB)由黎明化工研究院生產(chǎn)。將試樣采用模壓法壓制成直徑40 mm的藥柱,懸掛于容器的中心位置(見(jiàn)圖1),試樣均采用JH-14炸藥作為起爆藥,8號(hào)銅殼雷管引爆,藥柱裝配示意圖如圖2所示。試樣質(zhì)量均為100 g。

圖2樣品裝配示意圖

Fig.2Sketch of sample assembly

表1樣品配方

Table1Formulaion of three samples

No．HMXmassfraction/%AlHTPB1#5335(13μm)122#5335(130μm)123#88012

3 結(jié)果與討論

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力-時(shí)間曲線(xiàn)如圖3所示。爆轟產(chǎn)物或未反應(yīng)的可燃劑在有限空間中的繼續(xù)燃燒產(chǎn)生了另外一種壓力,國(guó)外研究者稱(chēng)其為準(zhǔn)靜態(tài)壓力,準(zhǔn)靜態(tài)壓力的計(jì)算方法報(bào)道較多,金朋剛等[15]采用一定時(shí)間段內(nèi)平均壓力表示準(zhǔn)靜態(tài)壓力; Richard[18]及David tassia[19]等也采用平均值的方法讀取準(zhǔn)靜態(tài)壓力。因此,本研究采用5～20 ms時(shí)間段內(nèi)平均壓力的方法計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)壓力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出,試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好,最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7%。美國(guó)海軍面武器中心試驗(yàn)結(jié)果[19]的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小為2.4%,最大為5.7%。因此可見(jiàn)本研究數(shù)據(jù)精度較高。

對(duì)比表2中不同配方的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,含鋁配方(1#,2#)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力均高于不含鋁粉的炸藥配方(3#),含13 μm鋁粉配方(1#)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力是不含鋁粉配方(3#)的1.24倍,可以認(rèn)為,將HMX/HTPB(3#)配方中35%的組分采用鋁粉代替后,準(zhǔn)靜態(tài)壓力無(wú)論是從持續(xù)時(shí)間還是壓力幅值兩個(gè)方面均有所增加(結(jié)合圖3c),這說(shuō)明鋁粉在爆炸反應(yīng)中釋放的能量是炸藥密閉空間中準(zhǔn)靜態(tài)壓力的一個(gè)重要能量來(lái)源。

3.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線(xiàn)特性分析

從圖3a和3b中可以看出,配方1#和2#在有限空間內(nèi)爆炸產(chǎn)生沖擊波,沖擊波在有限空間內(nèi)經(jīng)多次反射并與準(zhǔn)靜態(tài)壓力疊加形成了圖3a和3b的有限空間中特有的壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。從圖3c可以看出,主要含有HMX的配方3#,爆炸后在有限空間內(nèi)爆炸產(chǎn)生了沖擊波壓力,爆轟產(chǎn)物之間的二次反應(yīng)也形成了一定的準(zhǔn)靜態(tài)壓力[19]; 但3#配方的準(zhǔn)靜態(tài)壓力持續(xù)時(shí)間很短,且一直處于降低的過(guò)程中。

對(duì)于3#炸藥配方而言,可燃劑是爆轟反應(yīng)中未完全反應(yīng)的爆炸產(chǎn)物[17],而HMX/Al/HTPB炸藥的可燃劑除了未完全反應(yīng)的爆轟產(chǎn)物外,還有金屬鋁粉。金屬粉反應(yīng)熱比爆轟產(chǎn)物高,可以為還未反應(yīng)的可燃劑提供更高的環(huán)境溫度,這進(jìn)一步提高了可燃劑的反應(yīng)完全性。上述兩點(diǎn)可能是導(dǎo)致1#和2#含鋁炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力在20 ms內(nèi)基本保持恒定不變,而不含鋁粉的炸藥在20 ms的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線(xiàn)是下降的(如圖3c所示)主要原因。由此可見(jiàn),可燃劑的燃燒是密閉空間中炸藥爆炸形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力能量來(lái)源。

a. 1#b. 2#c. 3#

圖3三種樣品的壓力時(shí)間-曲線(xiàn)

Fig.3Curves of pressure vs time for three samples

表2準(zhǔn)靜態(tài)壓力測(cè)量結(jié)果

Table2Test results of quasi-static pressure for three samples

No．pqs/kPa1234averagestandarddeviation/kParelativestandarddeviation/%1#3813763853703786．51．72#3483533413463474．91．43#3023073102983045．31．7

Note:pqsis quasi-static pressure.

3.3 不同粒度鋁粉的能量釋放特性分析

從表2結(jié)果可以看出,小顆粒鋁粉(13 μm)炸藥在密閉空間中爆炸后產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力比大顆粒鋁粉提高了14%。這主要是由于不同粒徑鋁粉反應(yīng)完全性不同所致。爆轟反應(yīng)中配方反應(yīng)完全性可以從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度分析。

在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面,裴明敬等[20]關(guān)于爆炸反應(yīng)中鋁粉反應(yīng)特性的研究結(jié)果表明,粒徑小于15 μm的鋁粉反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于150 μm鋁粉,在幾毫秒內(nèi)能夠完全反應(yīng)。當(dāng)配方中鋁粉含量為35%時(shí),根據(jù)全氧氧化法計(jì)算[21],主炸藥HMX已經(jīng)不能完全氧化配方中的鋁粉。因此,結(jié)合裴明敬等的研究結(jié)論可以推測(cè),在鋁粉含量為35%的配方中,部分小顆粒(13 μm)鋁粉在幾毫秒內(nèi)完全反應(yīng)并釋放能量,大顆粒鋁粉(130 μm)在幾毫秒內(nèi)基本不參加反應(yīng)。未反應(yīng)的鋁粉隨著爆轟產(chǎn)物向外擴(kuò)散,鋁粉在擴(kuò)散過(guò)程中的剝離、破碎、傳熱最終達(dá)到點(diǎn)火溫度并燃燒。與小顆粒鋁粉相比,由于厚度較大,大顆粒鋁粉的這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),從而擴(kuò)散的空間范圍較大; 爆炸產(chǎn)物的擴(kuò)散過(guò)程中溫度下降十分迅速[22],這導(dǎo)致大量大顆粒鋁粉處于溫度較低的環(huán)境中; 而小顆粒鋁粉擴(kuò)散空間范圍相對(duì)小,所處環(huán)境溫度較高,因此,反應(yīng)速率也較高。相同時(shí)間條件下,小顆粒鋁粉在爆炸反應(yīng)中的反應(yīng)完全性更高。而這一爆炸后續(xù)反應(yīng)釋放的能量主要貢獻(xiàn)給了準(zhǔn)靜態(tài)壓力[23],因此,含小顆粒鋁粉的炸藥在密閉空間中爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力也更高。

從反應(yīng)熱力學(xué)的角度考慮,13 μm的鋁粉顆粒度小,在同樣質(zhì)量時(shí)(配方中的質(zhì)量比例均為35%),單位體積的顆粒數(shù)量較多,在爆轟反應(yīng)過(guò)程中被拋灑至相同大小的空間中后,相對(duì)濃度較大,比130 μm的鋁粉接觸到空氣中氧氣的概率更高,從而導(dǎo)致小顆粒鋁粉的反應(yīng)完全性更高,這是含小顆粒鋁粉炸藥準(zhǔn)靜態(tài)壓力高的熱力學(xué)原因。

4 結(jié) 論

從實(shí)驗(yàn)可以看出,三種炸藥在密閉空間中爆炸均能產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)壓力。相同質(zhì)量、不同組成的HMX基炸藥密閉空間中產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力結(jié)果表明,鋁粉可以提高HMX基炸藥密閉空間爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力; 不同鋁粉粒度配方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,小顆粒鋁粉有利于提高炸藥爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

(1) 結(jié)合鋁粉在炸藥爆炸反應(yīng)中的相關(guān)研究與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,炸藥密閉空間中爆炸產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)壓力的主要能量來(lái)源是炸藥二次反應(yīng)中釋放出的能量。

(2) 不同粒度鋁粉配方準(zhǔn)靜態(tài)壓力的差異可從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩方面理解。在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面,小顆粒鋁粉能夠在更有利于提高化學(xué)反應(yīng)速率的高溫環(huán)境中反應(yīng); 在反應(yīng)熱力學(xué)方面,當(dāng)配方中鋁粉含量相同時(shí),小顆粒鋁粉的顆粒數(shù)量多,溫壓炸藥爆炸拋灑后,其在空間中的濃度越大,與未完全反應(yīng)的氧化劑接觸的幾率更高,因此,反應(yīng)完全性更高,從而使配方準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高。

(3) 在HMX基炸藥配方中,13 μm鋁粉比130 μm鋁粉配方的反應(yīng)完全性更高,其準(zhǔn)靜態(tài)壓力是后者的1.24倍。

參考文獻(xiàn):

[1] Neil D, Nick L. Bradford non—lethal weapons research project[R]. Bradford: University of Bradford,2005．

[2] Smith K T．Pressable thermobaric explosives．Aluminum containing compositions based HMX and RDX[C]∥36th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe: lCT,2005．

[3] Ruth A S．Development and evaluation of new high blast explosives[C]∥Proceeding of the 36th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe: ICT,2005．

[4] 中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì) 主編.兵器科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告2008-2009[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2009:96.

[5] Aron Hahma, Karri Palovuori,Yair Solomon.TNT-equvalency of Thermobaric Explosives[C]∥36th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe: lCT,2005.

[6] 胡宏偉, 宋浦, 趙省向, 等. 有限空間內(nèi)部爆炸研究進(jìn)展[J].含能材料,2013,21(4): 539-546.

HU Hong-wei, SONG Pu, ZHAO Sheng-xiang, et al. Progress in explosion in confined space[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2013, 21(4): 539-546.

[7] 李媛媛, 南海. 半密閉條件下爆炸場(chǎng)的溫度與壓力測(cè)量[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2008,31(1): 48-52.

LI Yuan-yuan, Nan Hai．Detonation field temperature and pressure test under semi—enclosed conditions[J]．ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2008,31(1): 48-52．

[8] 李媛媛, 王建靈, 徐洪濤. Al-HMX混合炸藥爆炸場(chǎng)溫度的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 含能材料,2008,16(3): 241-243.

LI Yuan-yuan, WANG Jian-ling, XU Hong-tao. Experimental study on blasting temperature of Al-HMX compound explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2008, 16(3): 241-243.

[9] 仲倩,王伯良,王鳳丹,等. 溫壓炸藥爆炸過(guò)程的瞬態(tài)溫度[J].含能材料,2011,19(2): 204-208.

ZHONG Qian, WANG Bo-liang, WANG Feng-dan, et al. Explosion temperature of thermobaric explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2011,19(2): 204-208.

[10] 辛春亮, 徐更光. 含鋁炸藥與理想炸藥能量輸出結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2007, 30(4): 6-9.

XIN Chun-Liang, XU Geng-guan. NumericaI simulation of energy output structure for aluminized explosive and idealized explosive in underwater explosion[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2007,30(4): 6-9.

[11] 曹威, 何中其, 陳網(wǎng)華, 等.水下爆炸法測(cè)量含鋁炸藥后燃效應(yīng)[J].含能材料,2012,20(2): 229-233.

CAO Wei, HE Zhong-qi, CHEN Wang-hua, et al. Measurement of aluminized explosives by underwater explosion method[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2012, 20(2), 229-233.

[12] 姬建榮, 蘇建軍, 王勝?gòu)?qiáng). 小型爆炸容器中TNT/Al炸藥的后燃燒性能[J]. 火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(3): 46-49.

JI Jian-rong, SU Jian-jun, WANG Sheng-qiang. After-burning performances of TNT/Al explosive in small explosion vessel[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2013,36(3): 46-49.

[13] 裴明敬, 毛根旺, 胡華權(quán), 等. 含鋁溫壓燃料性能研究[J]. 含能材料, 2007, 15(5): 441-463.

PEI Ming-jing, MAO Gen-wang, HU Hua-quan, et al. The research of aluminized explosive fuel performance[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2007, 15(5): 441-463.

[14] 李芝絨,王勝?gòu)?qiáng),殷俊蘭.不同氣體環(huán)境中溫壓炸藥爆炸特性的試驗(yàn)研究[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2013, 36(3): 59-61.

LI Zhi-rong, WANG Sheng-qiang, YIN Jun-lan. Experiment study of blast performance of thermobaric-explosive under different gas environment[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants, 2013,36(3): 59-61.

[15] 金朋剛, 郭煒, 王建靈, 等. 密閉環(huán)境下TNT的爆炸壓力特性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(3): 39-41.

JIN Peng-gang, GUO Wei, WANG Jian-ling, et al. Explosion pressure characteristics of TNT under closed condition[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2013,36(3): 39-41.

[16] Ki-Bong Lee, Keun-Deuk Lee,Jeong-kook Kim. Relationship between combustion Heat and blast performance of aluminized explosives[C]∥36th International Annual Conference of ICT&32nd International Pyrotechnics Seminar, Karlsruhe, Germany, June28-July1, 2005.

[17] Richiard G Ames, Jason T Drotar, Joseph Silber, et al. Quantitative distinction between detonation and after burn energy deposition using pressure-time histories in enclosed explosions[C]∥13th International Detonation Symposium, Norfolk Virginia,2006.

[18] Richard J Lee, Kirk E. Newman, et al. Combined initial air blast and quasi-static overpressure assessment for pressed aluminized explosives[C] ∥ 13th International Detonation Symposium, Norfolk Virginia,2006.

[19] David tassia P E. Internal blast test to support the tomahawk and APET programs [C] ∥ Insensitive Munitions Technology Symposium,San Diego, 1996.

[20] 裴明敬, 胡華權(quán), 陳立強(qiáng), 等. 鋁粉在溫壓炸藥爆炸過(guò)程中的響應(yīng)分析[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2013, 36(4): 7-12.

PEI Ming-jing, HU Hua-quan, CHEN Li-qiang, et al. The behavior of aluminium powder in thermobaric explosive detonating[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2013,36(4): 7-12.

[21] 孫業(yè)斌, 惠君明, 曹欣茂, 編著. 軍用混合炸藥[M].北京: 兵器工業(yè)出版社,1995:315-316

SUN Ye-bin, HUI Jun-ming, CAO Xin-mao. Military explosive[M]. Beijing: Arms Industry Publishment,1995: 315-316.

[22] 李秀麗,惠君明.溫壓炸藥的爆炸溫度[J]. 爆炸與沖擊, 2008, 28(5): 471-475.

LI Xiu-li,HUI Jun-ming. Detonation temperature of thermobaric explosives[J].ExplosionandShockWaves,2008, 28(5): 471-475.

[23] 金朋剛,郭煒,任松濤,等.TNT密閉環(huán)境中能量釋放特性研究[J]. 爆破器材, 2014,43(2):10-13.

JIN Peng-gang, GUO Wei, REN Song-tao, et al. Research on TNT energy release characteristics in encolsed condition[J].ExplosiveMaterials, 2014, 43(2): 10-13.