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)場中作戰(zhàn)需求的變化,需要打擊的地下及地面加固目標越來越多,發(fā)展有效打擊密閉條件下軍事目標的彈藥成為現(xiàn)代武器發(fā)展的重要方向和主要趨勢,而炸藥是這類武器的能量源和毀傷源,如何合理設(shè)計炸藥以適合這類環(huán)境,達到高效毀傷的目的,是武器發(fā)展的重要研究內(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)生更強的繞射效應(yīng),對距爆源較遠軟目標殺傷效果較好[5-6]。

國內(nèi)關(guān)于含鋁溫壓炸藥的內(nèi)爆特性開展了大量研究。在爆炸場溫度和沖擊波壓力研究方面,李媛媛等在自行設(shè)計的密閉容器中研究了不同鋁粉含量炸藥內(nèi)爆溫度場和壓力場特性[7-8]。仲倩等[9]采用譜線測溫系統(tǒng)研究了溫壓炸藥燃燒過程中的溫度特性。辛春亮等[10]采用水下爆炸能量測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量了后燃釋放的能量,可達炸藥爆熱的78%。姬建榮等[12]對TNT基含鋁炸藥的后燃燒過程進行了光學(xué)觀測,捕捉到了試樣二次燃燒過程的圖像。裴明敬等[13]介紹了含片狀鋁粉溫壓炸藥的爆炸特性。隨著對溫壓炸藥特性的認識不斷深入,國內(nèi)也出現(xiàn)了溫壓炸藥密閉空間中準靜態(tài)壓力特性的研究報道。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提出了準靜態(tài)壓力; 金朋剛等[15]研究了TNT炸藥密閉空間中爆炸準靜態(tài)壓力的準確測量技術(shù),建立了準靜態(tài)壓力的測量方法。

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

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

2 試驗部分

2.1 試驗裝置及測點的布置

為了模擬密閉環(huán)境,設(shè)計了一個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處有兩個測壓窗口,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,每個測壓窗口布放一個壓力傳感器,兩個傳感器及試樣在同一個水平面上。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 試驗樣品及安裝方式

試驗所用3種炸藥試樣見表1,其中,奧克托今(HMX)是兵器805廠生產(chǎn),兩種不同粒度(13,130 μm)的鋁粉為河南遠洋鋁業(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(見圖1),試樣均采用JH-14炸藥作為起爆藥,8號銅殼雷管引爆,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 準靜態(tài)壓力實驗結(jié)果

實驗測得的壓力-時間曲線如圖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,國外研究者稱其為準靜態(tài)壓力,準靜態(tài)壓力的計算方法報道較多,金朋剛等[15]采用一定時間段內(nèi)平均壓力表示準靜態(tài)壓力; Richard[18]及David tassia[19]等也采用平均值的方法讀取準靜態(tài)壓力。因此,本研究采用5～20 ms時間段內(nèi)平均壓力的方法計算準靜態(tài)壓力,計算結(jié)果見表2。從表2可以看出,試驗結(jié)果的重復(fù)性較好,最大相對標準偏差為1.7%。美國海軍面武器中心試驗結(jié)果[19]的相對標準偏差最小為2.4%,最大為5.7%。因此可見本研究數(shù)據(jù)精度較高。

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

3.2 準靜態(tài)壓力曲線特性分析

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-時間曲線。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)也形成了一定的準靜態(tài)壓力[19]; 但3#配方的準靜態(tài)壓力持續(xù)時間很短,且一直處于降低的過程中。

對于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,這進一步提高了可燃劑的反應(yīng)完全性。上述兩點可能是導(dǎo)致1#和2#含鋁炸藥的準靜態(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的時間內(nèi)準靜態(tài)壓力曲線是下降的(如圖3c所示)主要原因。由此可見,可燃劑的燃燒是密閉空間中炸藥爆炸形成準靜態(tài)壓力能量來源。

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

圖3三種樣品的壓力時間-曲線

Fig.3Curves of pressure vs time for three samples

表2準靜態(tài)壓力測量結(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)和動力學(xué)兩個角度分析。

在反應(yīng)動力學(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)速率遠遠高于150 μm鋁粉,在幾毫秒內(nèi)能夠完全反應(yīng)。當配方中鋁粉含量為35%時,根據(jù)全氧氧化法計算[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,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)物向外擴散,鋁粉在擴散過程中的剝離、破碎、傳熱最終達到點火溫度并燃燒。與小顆粒鋁粉相比,由于厚度較大,大顆粒鋁粉的這一過程持續(xù)時間較長,從而擴散的空間范圍較大; 爆炸產(chǎn)物的擴散過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; 而小顆粒鋁粉擴散空間范圍相對小,所處環(huán)境溫度較高,因此,反應(yīng)速率也較高。相同時間條件下,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給了準靜態(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(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)過程中被拋灑至相同大小的空間中后,相對濃度較大,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靜態(tài)壓力高的熱力學(xué)原因。

4 結(jié) 論

從實驗可以看出,三種炸藥在密閉空間中爆炸均能產(chǎn)生準靜態(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靜態(tài)壓力; 不同鋁粉粒度配方的實驗結(jié)果表明,小顆粒鋁粉有利于提高炸藥爆炸準靜態(tài)壓力。

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

(2) 不同粒度鋁粉配方準靜態(tài)壓力的差異可從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)兩方面理解。在反應(yīng)動力學(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,當配方中鋁粉含量相同時,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,其準靜態(tài)壓力是后者的1.24倍。

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