溫壓炸藥爆炸性能實(shí)驗(yàn)研究*

黃亞峰,田 軒,馮 博,王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

溫壓炸藥爆炸性能實(shí)驗(yàn)研究*

黃亞峰,田 軒,馮 博,王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

為研究溫壓炸藥的爆炸特性，將25 g溫壓炸藥在5.8 L的密閉爆炸罐中引爆，測(cè)試了真空和空氣環(huán)境下的爆炸壓力和爆炸溫度，并通過(guò)氣相色譜分析了爆炸后的氣體產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的平衡壓力和平衡溫度明顯高于真空環(huán)境，并且空氣中的氧氣參與了炸藥中鋁粉的氧化反應(yīng)，說(shuō)明溫壓炸藥在空氣環(huán)境下存在后燃效應(yīng)。

爆炸力學(xué);平衡壓力;爆炸罐;溫壓炸藥;平衡溫度

溫壓炸藥(thermobaric explosive，TBX)是一類能夠充分利用壓力效應(yīng)和溫度效應(yīng)對(duì)目標(biāo)造成毀傷的炸藥。近幾十年，溫壓炸藥成為炸藥研究的熱點(diǎn)之一。A.Hahma等[1]通過(guò)測(cè)量沖擊波超壓研究,比較了不同金屬燃料對(duì)溫壓炸藥TNT當(dāng)量的影響；Zhang Fan等[2]利用大型爆炸罐,研究了不同氣氛條件下TNT基含鋁炸藥爆轟后的等靜壓、燃燒溫度和爆炸火球狀態(tài)；李秀麗等[3]采用紅外熱成像儀研究溫壓炸藥的爆炸溫度；闞金玲等[4-5]用紅外熱成像儀對(duì)溫壓炸藥和普通炸藥的火球特征參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)溫壓炸藥的能量遠(yuǎn)大于普通炸藥；王曉峰等[6]根據(jù)量熱法原理建立了在不同氣氛條件下溫壓炸藥爆炸能量的測(cè)量方法，用于定量評(píng)價(jià)溫壓炸藥的爆炸總能量、爆轟能和后燃燒能。綜上所述，現(xiàn)階段溫壓炸藥的研究重點(diǎn)是某種特定環(huán)境下能量釋放規(guī)律的研究，而溫壓炸藥是一種可以利用環(huán)境中部分氧來(lái)實(shí)現(xiàn)炸藥能量的釋放的含鋁炸藥，不同環(huán)境對(duì)炸藥能量的釋放具有不同的影響。本文中，擬采用自行設(shè)計(jì)的密閉爆炸裝置對(duì)溫壓炸藥在真空狀態(tài)和空氣狀態(tài)下爆轟后的爆炸壓力和爆炸溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)合爆炸后氣體產(chǎn)物的測(cè)試結(jié)果，分析環(huán)境狀態(tài)對(duì)溫壓炸藥爆炸性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematics of experimental device

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)原材料：奧克托今基溫壓炸藥，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，理論密度為1.96 g/cm3。樣品制備：將溫壓炸藥采用模壓方式壓制成帶8#雷管孔的藥柱，藥柱直徑為25 mm，藥柱質(zhì)量為(25.000±0.050) g。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，密閉爆炸裝置為一鋼結(jié)構(gòu)的圓柱型彈體，其高為400 mm，外徑為270 mm，內(nèi)徑為188 mm，內(nèi)容積為5.8 L。本實(shí)驗(yàn)裝置的溫度傳感器采用具有自恢復(fù)能力的快速反應(yīng)鎢錸熱電偶，布置在距離端蓋中心40 mm處，下端距離上端蓋底部180 mm，響應(yīng)時(shí)間達(dá)10-5s；最大可耐壓力達(dá)135 MPa；測(cè)溫系統(tǒng)頻帶寬度為200 kHz；放大倍數(shù)為100，溫度范圍為-240～1 200 ℃,精度小于1%。本實(shí)驗(yàn)裝置的壓力傳感器采用超高溫硅壓阻傳感器，布置在距離端蓋中心40 mm處，其壓力范圍為0～140 MPa，精度小于1%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

真空環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)步驟：

首先,將點(diǎn)火裝置短路，把實(shí)驗(yàn)用溫壓炸藥樣品懸掛在距離上端蓋20 cm處，再將起爆雷管接到點(diǎn)火裝置上;

然后,將實(shí)驗(yàn)裝置上端蓋密封，用真空泵抽空爆炸罐內(nèi)的空氣，再向爆炸罐內(nèi)緩慢充入氮?dú)?，如此循環(huán)3次，將爆炸罐內(nèi)的氧氣完全抽走，使爆炸罐內(nèi)剩余氣體的壓力約為3 kPa，起爆實(shí)驗(yàn)樣品，壓力傳感器和溫度傳感器記錄50 s內(nèi)的電信號(hào)數(shù)據(jù)；

最后，通過(guò)通氣裝置，用氣體采樣袋采集反應(yīng)后的氣體樣品，利用Clarus500氣相色譜儀對(duì)爆轟后的N2、CO2、CO、CH4等主要?dú)怏w產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。

空氣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)步驟：

首先,將點(diǎn)火裝置短路，把實(shí)驗(yàn)用溫壓炸藥樣品懸掛在距離上端蓋20 cm處，再將起爆雷管接到點(diǎn)火裝置上;

然后,將實(shí)驗(yàn)裝置上端蓋密封，起爆實(shí)驗(yàn)樣品，壓力傳感器和溫度傳感器記錄50 s內(nèi)的電信號(hào)數(shù)據(jù);

最后,通過(guò)通氣裝置，用氣體采樣袋采集反應(yīng)后的氣體樣品，利用Clarus500氣相色譜儀對(duì)爆轟后的N2、CO2、CO、CH4等主要?dú)怏w產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫壓炸藥爆炸壓力

圖2 溫壓炸藥爆炸壓力隨時(shí)間的變化Fig.2 Explosion pressure of thermobaric explosivevarying with time

圖3 溫壓炸藥爆炸溫度與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Explosion temperature of thermobaric explosivevarying with time

實(shí)驗(yàn)得到的溫壓炸藥真空和空氣環(huán)境下爆炸壓力的電壓U信號(hào)與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖2所示。將圖2數(shù)據(jù)處理后可得到：真空環(huán)境下的入射峰值壓力和平衡壓力分別為4.44和0.25 MPa,空氣環(huán)境下的入射峰值壓力和平衡壓力分別為8.77和0.39 MPa。由此可知，空氣環(huán)境下溫壓炸藥的爆炸入射峰值壓力比真空環(huán)境下的高97%。其原因是：在真空環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸能量沒(méi)有傳播的載體，只能依靠自身反應(yīng)生成的氣體向外膨脹來(lái)傳播，因此炸藥爆炸壓力衰減迅速；在空氣環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸能量可以通過(guò)空氣向外傳播，因此，其爆炸壓力衰減相對(duì)真空環(huán)境衰減緩慢?？諝猸h(huán)境下的平衡壓力比真空環(huán)境下的高56%，這是由于在空氣環(huán)境下，空氣與溫壓炸藥爆轟后的氣體產(chǎn)物的摩爾量總和高于真空環(huán)境下溫壓炸藥爆轟后的氣體產(chǎn)物的摩爾量。

2.2 溫壓炸藥爆炸場(chǎng)溫度

實(shí)驗(yàn)得到的溫壓炸藥真空和空氣環(huán)境下爆炸溫度的電壓信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。將圖3數(shù)據(jù)處理后可得入射峰值溫度和平衡溫度。真空環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸產(chǎn)物入射峰值溫度為943 ℃，平衡溫度為283 ℃；空氣環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸產(chǎn)物入射峰值溫度高于1 371 ℃，平衡溫度為320 ℃。溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的爆炸場(chǎng)峰值溫度比真空環(huán)境下的高45%以上，溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的平衡溫度比真空環(huán)境下的高13%。其原因是：真空環(huán)境下，溫壓炸藥中的單質(zhì)炸藥首先爆炸生成高溫高壓的氣體產(chǎn)物，高溫環(huán)境下其氣體產(chǎn)物與鋁粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)并放出熱量，爆炸產(chǎn)物溫度迅速上升，與此同時(shí)高溫高壓的氣體產(chǎn)物不斷對(duì)外膨脹做功輸出能量，使爆炸產(chǎn)物溫度下降，由于溫度的下降以及氧化反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)物中氧含量的降低制約了鋁粉的反應(yīng)放熱，致使真空環(huán)境下爆炸溫度隨著爆炸產(chǎn)物的膨脹而迅速降低，直至達(dá)到溫度平衡；而在空氣環(huán)境下，溫壓炸藥中的單質(zhì)炸藥首先爆炸生成高溫高壓的氣體產(chǎn)物，高溫環(huán)境下其氣體產(chǎn)物與鋁粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)并放出熱量，爆炸產(chǎn)物溫度迅速上升，與此同時(shí)高溫高壓的氣體產(chǎn)物不斷對(duì)外膨脹做功輸出能量，在氣體產(chǎn)物膨脹的過(guò)程中與空氣充分混合提高了氧含量，可以促進(jìn)鋁粉的氧化反應(yīng)，提高鋁粉反應(yīng)的完全性及放熱量，因此，在爆炸產(chǎn)物膨脹至溫度傳感器時(shí)仍能保持比真空環(huán)境下較高的溫度。

2.3 氣體產(chǎn)物測(cè)試分析

不同環(huán)境條件下，溫壓炸藥爆炸后收集的氣體產(chǎn)物氣相色譜分析結(jié)果見(jiàn)表1，表中各氣體的含量是其摩爾量的百分比含量。由表1中數(shù)據(jù)可知，空氣環(huán)境下溫壓炸藥的氣體產(chǎn)物中CO2的含量明顯低于真空環(huán)境下。按照溫壓炸藥配方組成計(jì)算，25.00 g溫壓炸藥，氧元素的物質(zhì)的量為0.425 7 mol。溫壓炸藥在空氣環(huán)境下爆炸時(shí)，系統(tǒng)的氧元素的物質(zhì)的量為0.519 7 mol。

將炸藥爆炸后的氣體視為理想氣體，按照實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平衡狀態(tài)下的壓力和溫度，通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量，以及結(jié)合表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，雖然空氣環(huán)境下剩余氧元素的物質(zhì)的量nrem(O)比真空環(huán)境下的高0.017 3 mol，由于空氣環(huán)境下氧元素的總摩爾量nal(O)比真空環(huán)境下的高0.094 0 mol，因此，空氣環(huán)境下實(shí)際參加氧化反應(yīng)的氧元素的物質(zhì)的量nrea(O)比真空環(huán)境下的多0.076 7 mol，正是由于這部分氧氣參加氧化反應(yīng)放出的熱量使空氣環(huán)境下的平衡溫度比真空環(huán)境下的高37 ℃。

表1 不同氛圍下氣體產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)Table 1 Mole fraction of gas product under different conditions

表2 不同氛圍下氣體產(chǎn)物的摩爾量Table 2 Mole of gas product under different conditions

3 結(jié) 論

通過(guò)測(cè)量25 g溫壓炸藥真空和空氣條件下在容積為5.8 L的密閉爆炸罐內(nèi)爆轟后的爆炸壓力和爆炸溫度以及氣態(tài)產(chǎn)物分析，得到以下結(jié)論:(1)溫壓炸藥在空氣環(huán)境下爆轟后的平衡壓力和平衡溫度明顯高于真空環(huán)境下的平衡壓力和平衡溫度;(2)空氣中的氧氣參與了溫壓炸藥第3階段鋁粉有氧燃燒反應(yīng)，證明溫壓炸藥在空氣中爆轟存在明顯的后燃效應(yīng)。

[1] Hahma A, Palovuori K, Solomon Y．TNT-equivalency of thermobaric explosives[C]∥36th International Annual Conference of ICT Combined with 32nd International Pyrotechnics Seminar on Energetic Materials: Performance and Safety. 2006:10-1-10-12.

[2] Zhang F, Anderson J, Yoshinake A. Post-detonation energy release from TNT-aluminum explosives[C]Proceedings of the 15th APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter. 2007,955(1):885-888.

[3] 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 Xiuli, Hui Junming. Detonation temperature of thermobaric explosives[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(5):471-475.

[4] 闞金玲,劉家驄.一次引爆云爆劑的爆炸特性[J].爆炸與沖擊,2006,26(5):404-409. Kan Jinling, Liu Jiacong. The blast dlaracteristic of SEFAE[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(5):404-409.

[5] 闞金玲,劉家驄,曾秀琳,等.溫壓炸藥爆炸火球的特征[J].火炸藥學(xué)報(bào),2007,30(2):55-58. Kan Jinling, Liu Jiacong, Zeng Xiulin, et al. Fireball characteristics of a thermal-baric explosive[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2007,30(2):55-58.

[6] 王曉峰,馮曉軍,肖奇.溫壓炸藥爆炸能量的測(cè)量方法[J].火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(2):9-12. Wang Xiaofeng, Feng Xiaojun, Xiao Qi. Method for measuring energy of explosion of thermobaric explosives[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2013,36(2):9-12.

(責(zé)任編輯 張凌云)

Experimental study on explosion performance of thermobaric explosive

Huang Yafeng, Tian Xuan, Feng Bo, Wang Xiaofeng

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,Shaanxi,China)

In order to investigate the characteristics of the thermobaric explosives, the 25 g charge of thermobaric explosive was ignited in the sealed explosion chamber of 5.8 L volume, and the explosion pressure and temperature were measured and the gas productions were analyzed by the gas chromatography under the vacuum and air conditions, respectively. The experimental results show that the equilibrium pressure and equilibrium temperature under the air condition are significantly higher than those under the vacuum condition, and the oxygen in the air participates in the oxidation of aluminum, so that there is after-combustion occurring when the thermobaric explosive is ignited in air.

mechanics of explosion; equilibrium pressure; explosion chamber; thermobaric explosive; equilibrium temperature

10.11883/1001-1455(2016)04-0573-04

2014-12-26；

2015-05-21

國(guó)家重大專項(xiàng)基金項(xiàng)目(00401030502)

黃亞峰(1978— )，男，碩士，副研究員;

王曉峰,wxfclub@163.com。

O381國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

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