RDX基鋁纖維炸藥空中爆炸性能*

林謀金，崔曉榮，馬宏昊，鄭炳旭，賈 虎

(1.廣東宏大爆破股份有限公司,廣東 廣州 510623;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027;3.南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院,河南 南陽 473061)

RDX基鋁纖維炸藥空中爆炸性能*

林謀金1,2，崔曉榮1，馬宏昊2，鄭炳旭1，賈 虎3

(1.廣東宏大爆破股份有限公司,廣東 廣州 510623;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥 230027;3.南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院,河南 南陽 473061)

將鋁纖維炸藥與傳統(tǒng)鋁粉炸藥和RDX炸藥進行空中爆炸實驗并得到壓力時程曲線，經(jīng)過分析計算得到3種炸藥的壓力峰值、二次擊波、正相持續(xù)時間以及沖量。結(jié)果表明：鋁纖維炸藥的壓力峰值相對于RDX沒有明顯提高，但其壓力時程曲線衰減速度慢于RDX的，使鋁纖維炸藥的正相持續(xù)時間大于RDX，鋁纖維炸藥的沖擊波沖量相對于RDX的平均提高了18%，與鋁粉炸藥的相當(dāng)。鋁纖維炸藥的二次擊波超壓幅值與到達時間與鋁粉炸藥的接近，而鋁纖維炸藥的二次擊波到達時間早于RDX，說明二次擊波的超壓幅值與到達時間與炸藥類型有關(guān)。

爆炸力學(xué)；壓力峰值；空中爆炸；鋁纖維炸藥；二次擊波；正相持續(xù)時間；沖擊波沖量

對空武器的裝藥選取需要考慮多方面因素，其中重要的性能指標(biāo)有沖擊波壓力峰值和沖量。有學(xué)者對不同等效距離上的TNT壓力峰值的實驗和理論值進行了總結(jié)，得到不同的壓力峰值經(jīng)驗計算公式。H.L.Brode等[1]總結(jié)的壓力峰值經(jīng)驗公式計算結(jié)果與實驗驗數(shù)據(jù)有較大的偏差，因此無法直接應(yīng)用到戰(zhàn)斗部威力評估中。於津等[2]提出的壓力峰值經(jīng)驗公式雖然精度有所提高，但由于缺乏大量實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)致其經(jīng)驗公式的適用范圍較小。張?zhí)盏萚3]分別測試了油氣炸彈(fuel air explosives，F(xiàn)AE)和TNT爆炸場壓力峰值，結(jié)果表明FAE爆炸場壓力分布規(guī)律與TNT有顯著區(qū)別。牛余雷等[4]測量了3種雙元炸藥空中爆炸沖擊波壓力時程曲線，并與單一炸藥進行比較，結(jié)果表明雙元炸藥的裝藥結(jié)構(gòu)可使兩部分裝藥之間產(chǎn)生能量耦合，從而提高裝藥的能量輸出。仲倩等[5]對于不同裝藥量的TNT沖擊波壓力進行測定，提出了壓力峰值與比例距離關(guān)系的改良經(jīng)驗公式，其與文獻數(shù)據(jù)相對偏差的平均值為5.61%。傳統(tǒng)上，對于非TNT炸藥，可通過實驗得到其沖擊波壓力峰值，并與TNT炸藥的壓力峰值進行比較，從而求出該炸藥的爆炸威力(TNT當(dāng)量比)[6]，但這種方法僅對理想炸藥適用?？罩形淦餮b填的炸藥由于類型并不相同，不同類型的炸藥在空中爆炸時爆轟特性以及沖擊波衰減規(guī)律也不盡相同，按照沖擊波壓力峰值進行估算炸藥威力往往會得出錯誤結(jié)論，因此需要對不同類型的炸藥進行空中爆炸實驗[7]。有學(xué)者對如何提高炸藥爆炸后在介質(zhì)中產(chǎn)生的壓力以及沖擊波沖量進行了深入研究，認為在炸藥中加入金屬粉末可以在爆炸中額外釋放出能量，雖然這部分能量對爆速和爆壓均無貢獻，但可以增強炸藥在周圍介質(zhì)中形成的沖擊波壓力和沖擊波沖量[8]。本文中，將傳統(tǒng)含鋁炸藥(RDX/Al)中的鋁粉用鋁纖維替代，得到新型鋁纖維炸藥[9]，通過對鋁纖維炸藥與傳統(tǒng)含鋁炸藥以及基體炸藥RDX進行空中爆炸實驗，分析三者空中爆炸性能的差異，以期為進一步提高含鋁炸藥的性能提供參考。

1 藥柱制備與實驗設(shè)備

制成長徑比相近的20 g的圓柱形藥柱(直徑為26 mm)。其中，基體炸藥RDX中成分間的質(zhì)量分數(shù)比為w(黑索金)∶w(石蠟)=95∶5，鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥中成分間的質(zhì)量分數(shù)比為w(黑索金)∶w(石蠟)∶w(鋁纖維/鋁粉)=76∶4∶20。鋁纖維炸藥密度為1.69～1.71 g/cm3，鋁粉炸藥密度為1.68～1.70 g/cm3，基體炸藥RDX密度為1.60～1.63 g/cm3。鋁纖維炸藥中的鋁纖維由壓制法制成，壓制的鋁纖維厚度為8～10 μm。

空中爆炸實驗采用直徑為2.4 m、長為4.5 m的空中爆炸容器，測試裝置包括壓力傳感器、恒流源和示波器。固定傳感器時確保傳感器水平，傳感器的平面部分平行于鉛垂面，傳感器指向被測藥柱，并與藥柱處于同一水平面上，實驗裝置如圖1所示。為了對比研究鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥以及基體炸藥RDX空中爆炸性能參數(shù)和衰減規(guī)律，在距離藥柱0.7 m處安放傳感器，并測得壓力時程曲線。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental setup

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓力峰值與二次擊波

圖2 3種炸藥爆炸壓力時程曲線對比Fig.2 Comparison of pressure histories between three kinds of explosives

圖3 對數(shù)壓力時間關(guān)系曲線Fig.3 Logarithmic pressure-time curve

不同研究者根據(jù)實驗得到的或者理論上預(yù)測的不同位置上的壓力峰值進行經(jīng)驗擬合，并得到相應(yīng)的表達式，其中，文獻[11]中壓力峰值經(jīng)驗表達式為：

(1)

表1 爆炸壓力峰值實驗值與參考文獻[11]比較Table 1 Comparison of peak pressures between test and reference [11]

從表1中可以看出，實驗數(shù)據(jù)的離散性較大，與空中爆炸實驗為小藥量實驗以及空氣可壓縮性較大有關(guān)。鋁纖維炸藥和鋁粉炸藥的壓力峰值相對于RDX沒有得到明顯提高，甚至低于RDX，說明鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥屬于非理想炸藥，金屬鋁參與反應(yīng)所釋放出的能量對實驗中測試位置處的壓力峰值貢獻不大。

RDX的壓力峰值實驗值與文獻[11]中采用式(1)的計算得到的值相近，但總體趨勢略高于計算值。由于含鋁炸藥中的部分爆熱是由金屬鋁提供的，因此通過含鋁炸藥的爆熱計算出的TNT當(dāng)量偏大，使得通過式(1)計算得到的值高于壓力峰值實驗值，進一步說明式(1)對于理想炸藥比較適用，而對非理想炸藥的計算出的壓力峰值偏高。

二次擊波的產(chǎn)生是由于爆炸產(chǎn)物和空氣之間的接觸界面所發(fā)出朝向中心的稀疏波相繼發(fā)生內(nèi)爆而引起的，這種現(xiàn)象最初是用特征線方法對炸藥爆炸過程進行計算時被觀察到的[12]。由圖2可以看出，實驗得到的沖擊波壓力時程曲線在負相區(qū)域出現(xiàn)小振幅擊波，與理想的沖擊波壓力時程曲線有所差異。由于實驗是在空中爆炸罐中進行的，傳感器與罐壁的距離約為0.5 m，根據(jù)空氣中沖擊波的波速初步判斷第1次出現(xiàn)的小振幅擊波非反射波，而負相后面的峰值判定為反射波。文獻[13]中壓力時程曲線在正相后面也緊跟著小振幅擊波，說明小振幅擊波的出現(xiàn)與實驗條件無關(guān)，因此綜合判斷負相區(qū)域出現(xiàn)小振幅擊波為二次擊波。鋁纖維炸藥的二次擊波超壓幅值和到達時間與傳統(tǒng)含鋁炸藥相近，而鋁纖維炸藥的二次擊波到達時間早于RDX的，說明二次擊波的超壓幅值與到達時間和炸藥類型有關(guān)。

沖擊波壓力時程曲線在衰減階段偶爾會出現(xiàn)許多反復(fù)的小擊波，如果二次擊波出現(xiàn)的位置恰好在壓力衰減到達大氣壓之前，則正相持續(xù)時間能夠顯著地變化，但這些后期波除了對正相持續(xù)時間以外的任何正相特性的影響都比較小。二次以及反復(fù)出現(xiàn)的擊波對負相影響較大，即可以使負相沖量和幅值大幅減少，或者使負相突然中止。由于實驗得到二次擊波處于負壓區(qū)前端，對負壓的持續(xù)時間影響較小，而對負壓峰值與負壓沖量影響較大。另外，鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的壓力時程曲線衰減速度慢于RDX的，與鋁纖維以及鋁粉參與炸藥爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)有關(guān)。

2.2 沖 量

由于正相沖擊波沖量計算的精確性受限于正相持續(xù)時間的確定，而正相持續(xù)時間變動幅度較大，而且?guī)缀醪豢杀苊?，因此，在沖擊波壓力時程曲線處理中除了修正壓力峰值以外，還需要盡可能準(zhǔn)確地確定正相持續(xù)時間。為了確定正相持續(xù)時間，對鋁纖維炸藥的沖擊波壓力時程曲線的時間軸采用對數(shù)坐標(biāo)，如圖4所示，同時用直線進行擬合，最后通過擬合直線的斜率計算正相持續(xù)時間[10]。

通過對鋁纖維炸藥、傳統(tǒng)含鋁炸藥以及RDX的壓力時程曲線進行對數(shù)處理，得到3種炸藥爆炸沖擊波的正相持續(xù)時間，如表2所示。

由表2可以看出，不同炸藥的正相持續(xù)時間的實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，但總體趨勢上含鋁炸藥略高于RDX。由于鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥屬于非理想炸藥，金屬鋁參與二次反應(yīng)釋放出的能量延緩了壓力下降的速度，所以含鋁炸藥的正相持續(xù)時間應(yīng)略大于RDX的正相持續(xù)時間。在空中爆炸實驗中，正相沖擊波沖量也是重要的沖擊波參數(shù)，正相沖擊波沖量的表達式為[11]：

(2)

式中：I+為正相沖擊波沖量，Pa·s；T+為正相持續(xù)時間，μs；p0為環(huán)境壓力，MPa，實驗中得到的壓力時程曲線是以大氣壓為基線，因此計算過程中需將p0值設(shè)置為零。通過對鋁纖維炸藥、傳統(tǒng)含鋁炸藥以及RDX的壓力時程曲線進行積分計算，得到3種炸藥的沖擊波正相沖量時程曲線，如圖5所示。

表2 3種炸藥正相持續(xù)時間比較Table 2 Comparison of positive phase duration of the shock wave between three kinds of explosives

圖4 沖擊波壓力對數(shù)時間關(guān)系曲線Fig.4 Shock wave pressure-logarithmic time curve

圖5 3種炸藥沖擊波沖量時程曲線對比 Fig.5 Comparison of impulse histories among three kinds of explosives

由圖5可以看出，鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的沖擊波沖量高于RDX的，其中鋁纖維炸藥的沖擊波沖量相對于RDX的平均提高了18%，與鋁粉炸藥相當(dāng)。這說明在RDX中加入鋁纖維能顯著提高炸藥空中爆炸時的沖擊波沖量。鋁纖維膜炸藥與鋁粉炸藥的沖擊波沖量約在125 μs后開始超過RDX，說明鋁纖維與鋁粉參與二次反應(yīng)所釋放的能量在時間常數(shù)之后開始延緩基體炸藥爆炸壓力的下降速率，從而使含鋁炸藥的沖擊波沖量得到提高。

2.3 壓力時程曲線

為了描述空中爆炸的理想沖擊波壓力時程曲線的特性，需要將壓力表述為時間的函數(shù)。目前主要是對時程曲線的正相部分進行擬合，不同研究者根據(jù)實驗得到的或者理論上預(yù)測的壓力時程曲線進行經(jīng)驗擬合，并得到相應(yīng)的函數(shù)表達式，其中指數(shù)衰減形式的表達式為[14]：

p(t)=p0+pme-ct

(3)

修正的弗里德蘭德方程表達式為[14]：

p(t)=p0+pm(1-t/T+)e-bt/T+

(4)

圖6 鋁纖維炸藥壓力時程曲線與擬合曲線的對比 Fig.6 Comparison between test pressure history and fitting curves for RDX based aluminum fiber explosive

式中：p0為環(huán)境壓力，MPa，b、c為擬合參數(shù)。將實驗得到的鋁纖維炸藥壓力時程曲線的正相部分用式(3)～(4)分別進行擬合，擬合效果如圖6所示。另外，實驗得到的壓力時程曲線是以大氣壓為基線，因此擬合過程中需將p0設(shè)置為零。

由圖6可以看出：指數(shù)衰減方程能較好地描述壓力時程曲線的正相前段大部分，而修正的弗里德蘭德方程能較好地擬合實驗得到的壓力時程曲線的正相部分，且表達式也相對簡單，因此鋁纖維炸藥的壓力時程曲線的正相部分可采用“修正的弗里德蘭德”方程進行較好的描述，最終得到的表達式為：

(5)

3 結(jié) 論

本文中通過對鋁纖維炸藥、傳統(tǒng)含鋁炸藥以及基體炸藥RDX進行空中爆炸實驗，得到結(jié)論如下：

(1)鋁纖維炸藥的壓力峰值相對于RDX的沒有得到明顯提高，但鋁纖維炸藥的沖擊波沖量相對于RDX的平均提高了18%，與鋁粉炸藥相當(dāng)，說明在RDX中加入鋁纖維能使顯著提高混合炸藥在空中爆炸的沖擊波沖量。

(2)鋁纖維炸藥的二次擊波壓力幅值和到達時間與鋁粉炸藥相近，而鋁纖維炸藥的二次擊波到達時間早于RDX的，說明二次擊波的壓力幅值與到達時間與炸藥類型有關(guān)。

(3)炸藥空中爆炸的壓力時程曲線的正相前段部分采用指數(shù)衰減方程進行擬合的較好，修正的弗里德蘭德方程能夠?qū)毫r程曲線正相部分進行很好的描述。

[1] Brode H L. Blast wave from a spherical charge[J]. Physics of Fluids, 1959,2(2):217-229.

[2] 於津,彭金華,張?zhí)?等.基于MATLAB的FAE戰(zhàn)斗部超壓計算的公式擬合[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2004(S4):306-308. Yu Jin, Peng Jinhua, Zhang Tao, et al. Formula fitting to overpressure calculation of FAE warhead in MATLAB[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2004(S4):306-308.

[3] 張?zhí)?惠君明.FAE爆炸場超壓與威力的實驗研究[J].爆炸與沖擊,2004,24(3):176-181. Zhang Tao, Hui Junming. Experimental research on the overpressure and power in the FAE blast field[J]. Explosion and Shock Waves, 2004,34(3):176-181.

[4] 牛余雷,王曉峰,馮曉軍.雙元炸藥裝藥空中爆炸的輸出特性[J].火炸藥學(xué)報,2009,32(4):45-49. Niu Yulei, Wang Xiaofeng, Feng Xiaojun. Characteristics of air explosion output for dual explosive charge[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2009,32(4):45-49.

[5] 仲倩,王伯良,黃菊,等.TNT空中爆炸超壓的相似律[J].火炸藥學(xué)報,2010,33(4):32-35. Zhong Qian, Wang Boliang, Huang Ju, et al. Study on the similarity law of TNT explosion overpressure in air[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2010,33(4):32-35.

[6] 北京工業(yè)學(xué)院八系.爆炸及其作用:下冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,1979.

[7] 王建靈,郭煒,馮曉軍.TNT、PBX和Hexel空中爆炸沖擊波參數(shù)的實驗研究[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(6):42-44. Wang Jianling, Guo Wei, Feng Xiaojun. Experimental research on the air explosion shock wave parameters of TNT, PBX, and Hexel[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2008,31(6):42-44.

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

[9] 林謀金,馬宏昊,沈兆武,等.鋁纖維對黑索今水下爆炸性能的影響[J].爆炸與沖擊,2014,34(3):379-384. Lin Moujin, Ma Honghao, Shen Zhaowu, et al. The effect of aluminum fiber on underwater detonation performance of RDX[J]. Explosion and Shock Waves, 2014,34(3):379-384.

[10] Ethridge N H. A procedure for reading and smoothing pressure-time data from HE and nuclear explosions[R]. Ballistic Research Laboratories, 1965.

[11] 亨利奇 J.爆炸動力學(xué)及其應(yīng)用[M].熊建國,譯.北京:科學(xué)出版社,1987:161-324.

[12] 奧爾連科.爆炸物理學(xué)[M].孫承緯,譯.北京:科學(xué)出版社,2011.

[13] 宋浦,肖川,梁安定,等.炸藥空中與水中爆炸沖擊波超壓的換算關(guān)系[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(4):10-13. Song Pu, Xiao Chuan, Liang Anding, et al. Conversion relation of shock wave overpressure about underwater explosion and air blast[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2008,31(4):10-13.

[14] 貝克 W E.空中爆炸[M].江科,譯.北京:原子能出版社,1982.

(責(zé)任編輯 王易難)

Air blast performance of RDX-based aluminum fiber explosive

Lin Moujin1,2, Cui Xiaorong1, Ma Honghao2, Zheng Bingxu1, Jia Hu3

(1.GuangdongHongdaBlastingCo.Ltd,Guangzhou510623,Guangdong,China;2.DepartmentofModernMechanics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230027,Anhui,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,Henan,China)

The pressure history curves of aluminum fiber explosive and traditional aluminized explosives were measured by air blast experiments, and then the peak pressure, the secondary shock wave, the time of positive phase and the impulse were obtained by analyzing the curves. The result show that the peak pressure of the aluminum fiber explosive is not improved obviously with regard to the matrix explosives (RDX). The pressure decay rate of the aluminum fiber explosive is slower than that of RDX, resulting in that the time of the positive phase of the aluminum fiber explosive is longer than that of RDX. Compared with RDX, the impulse of the aluminum fiber explosive increases on the average by 18%, close to that of the traditional aluminized explosive. The amplitude and the occurrence of the secondary shock wave of the aluminum fiber explosive are the same as the traditional aluminized explosives and the secondary shock wave of aluminum fiber explosive occurs earlier than the matrix explosives (RDX), which shows that the amplitude and the occurrence time of the secondary shock wave are correlated with the types of explosive.

mechanics of explosion; peak pressure; air blast; aluminum fiber explosive; secondary shock wave; positive phase duration; shock wave impulse

10.11883/1001-1455(2016)02-0230-06

2014-08-21；

國家自然科學(xué)基金項目(51174183,51374189,11202109)

林謀金(1985— )，男，博士;

馬宏昊，hhma@ustc.edu.cn。

O382.1 國標(biāo)學(xué)科代碼： 1303520

A

修回日期： 2014-10-20