鋁粉粒度對奧克托今基空爆溫壓炸藥能量釋放的影響

樸忠杰， 張愛娥， 羅宇， 歐亞鵬， 焦清介

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 北京航天長征飛行器研究所， 北京 100074；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 北京 100081)

0 引言

自從美國在民兵洲際導(dǎo)彈上第一次應(yīng)用含鋁復(fù)合固體推進(jìn)劑以來，鋁粉就因其極高的放熱量被廣泛應(yīng)用在火炸藥中，以提高能量密度[1]。含鋁溫壓炸藥(TBX)是一種能夠有效利用外部環(huán)境中的氧參與后燃燒反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高能毀傷的新型炸藥。對TBX爆炸過程的研究[2-4]發(fā)現(xiàn)，TBX的反應(yīng)分為3個階段：第1階段為TBX配方中高能炸藥(如奧克托今(HMX)、黑索今(RDX)等)的爆轟；第2階段為氧化劑(高氯酸銨(AP))的分解及高溫高壓爆轟產(chǎn)物與金屬燃料(如鋁粉)的反應(yīng)；第3階段為未完全反應(yīng)的爆轟產(chǎn)物與周圍環(huán)境的湍流混合及后續(xù)燃燒反應(yīng)，此階段大大提高了對距爆源較遠(yuǎn)軟目標(biāo)的殺傷效果，是TBX特有的反應(yīng)過程。但該過程爆轟產(chǎn)物體積已經(jīng)膨脹數(shù)十倍，隨之急劇下降的溫度、壓力場已經(jīng)無法使燃料充分反應(yīng)，尤其是空爆型TBX，第3階段在完全無約束條件下進(jìn)行[5]，燃料粒子濃度比減小，與氧化性爆轟產(chǎn)物及空氣中的氧難以深度混合。因此，在設(shè)計空爆TBX配方時必須采取降低燃料點(diǎn)火閾值的措施，最常用方法有燃料的納米化或活性包覆等[6-7]。由于納米鋁粉的比表面積過大，導(dǎo)致其存在團(tuán)聚、工藝性差、活性鋁含量低[8]等缺點(diǎn)，目前很難在混合炸藥中得到應(yīng)用。因此研究不同粒度的微米級鋁粉在TBX中的行為更具有現(xiàn)實(shí)意義[9]。

陳朗等[10]對含鋁炸藥進(jìn)行了圓筒試驗及數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)鋁粉主要在爆轟后期與炸藥爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)、釋放能量。李媛媛等[11]對比了不同氧含量環(huán)境下含鋁炸藥的爆熱差異，其實(shí)質(zhì)即為氧含量的增加會帶來能量釋放率的提升。此外，任新聯(lián)等[12]研究了鋁粉粒度對RDX基含鋁炸藥水下爆炸特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨微米鋁粉粒度的減小，反應(yīng)速率加快，對近場沖擊波傳播速度及波陣面壓力都起到了積極作用。韓勇等[13]對RDX/AP/鋁粉混合炸藥的研究發(fā)現(xiàn)，RDX/AP比例一定時，鋁粉含量的增加會導(dǎo)致爆壓減小，而后期能量釋放增加。該配方與TBX的設(shè)計原理基本一致，但單純研究RDX/AP比例并不能較全面地研究能量釋放的機(jī)理。

由于表述TBX后燃燒效應(yīng)的方法尚無定論，國內(nèi)外關(guān)于TBX性能及其測試方法的研究不勝枚舉。金朋剛等[14]測試了梯恩梯(TNT)在密閉環(huán)境中的能量釋放特性以研究富燃炸藥的能量釋放形式，得出了TNT在實(shí)際應(yīng)用中反應(yīng)完全性低，未完全反應(yīng)的爆轟產(chǎn)物與環(huán)境中的氧還能進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)，并提高炸藥準(zhǔn)靜態(tài)壓力的結(jié)論。Trzciński等[15]綜述了國外現(xiàn)有的幾類固態(tài)、液態(tài)TBX及其爆轟性能的測試方法，包括溫度場、準(zhǔn)靜態(tài)壓力及炸藥顆粒的拋灑范圍，但沖擊波超壓仍然是評價TBX性能的主要指標(biāo)。

雖然目前對含鋁炸藥能量釋放的規(guī)律以及鋁粉的后燃燒效應(yīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但在空爆TBX這種多組元復(fù)雜體系中，鋁粉的反應(yīng)機(jī)理及其對能量釋放的影響尚無統(tǒng)一的認(rèn)識。本文首先對TNT在空爆條件下的超壓場進(jìn)行了實(shí)驗研究，以此作為參照，采用實(shí)驗與模擬相結(jié)合的手段研究了含有不同粒度微米級鋁粉的TBX空爆超壓場，并分析了造成超壓場差異現(xiàn)象的原因，初步研究了空爆TBX的能量釋放規(guī)律。同時，以實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬計算的準(zhǔn)確性，并采用計算方法預(yù)測了大藥量TBX的有效毀傷半徑。本文研究思路及所獲結(jié)論對無法進(jìn)行多次實(shí)驗測定的大藥量TBX設(shè)計及能量水平預(yù)估具有參考價值。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗材料及樣品制備

球形鋁粉，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn)，兩種規(guī)格分別為FLQT3，F(xiàn)LQT5；AP，端羥基聚丁二烯(HTPB)基黏結(jié)劑體系組分，山西北化關(guān)鋁化工有限公司生產(chǎn)。按照表1所示的空爆TBX配方，使用湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn)的5 L行星槳捏合機(jī)，采用真空捏合工藝制備澆注PBX藥漿，捏合完成后將5 kg藥漿振動澆注于內(nèi)徑150 mm的模具內(nèi)，固化約5 d后得到炸藥藥柱?；鶞?zhǔn)炸藥為質(zhì)量同樣為5 kg的TNT熔鑄炸藥藥柱。

表1 空爆TBX配方組成

1.2 測試條件

使用英國Malvern公司生產(chǎn)的Malvern Mastersizer 2000激光粒度儀對鋁粉的中位徑進(jìn)行表征，使用環(huán)己烷作為分散劑，對樣品進(jìn)行超聲分散，3個配方中的鋁粉粒徑分布如圖1所示。根據(jù)曾亮等[8]研究，鋁粉表面氧化鋁殼層厚度及活性鋁含量可按照(1)式計算:

δ=56.514(1-e-0.037 8d)，

(1)

(2)

式中：δ為氧化層厚度；X為活性鋁含量；d為鋁粉粒徑；ρAl為鋁的密度；ρAl2O3為氧化鋁的密度。由(1)式可求得FLQT3中Al2O3的含量為0.72%，F(xiàn)LQT5中Al2O3的含量為2.4%.

圖1 鋁粉顆粒分布曲線Fig.1 Size distribution curves of aluminum powder

超壓場實(shí)驗采用北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室自主研制的帶有壁面壓力傳感器的DPR10型自存儲式數(shù)字壓力記錄儀，測量空氣沖擊波在地面上的掃射壓力。使用數(shù)字壓力記錄儀時，數(shù)字壓力記錄儀須放入專用埋設(shè)罐體，安裝在預(yù)先挖好的坑內(nèi)，數(shù)字壓力記錄儀的工作表面、埋設(shè)罐體的上表面和地表面設(shè)置在同一平面上，以防止沖擊波掠過傳感器工作表面時產(chǎn)生不規(guī)則繞流的影響。TBX炸點(diǎn)高度為1.5 m，以爆心地面投影位置為圓心，傳感器布置在3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m處，每個測試距離安裝3個傳感器，各自存儲式數(shù)字壓力記錄儀經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步線依次相連，形成閉環(huán)測試網(wǎng)絡(luò)，安裝傳感器時盡量擴(kuò)大傳感器之間的距離，避免不同傳感器之間相互影響。野外靜爆超壓場測試傳感器現(xiàn)場布置情況如圖2所示。

圖2 野外靜爆超壓場測試傳感器布置圖Fig.2 DPR layout for field overpressure measurement

2 實(shí)驗結(jié)果與討論

2.1 TNT空爆超壓場分析

為了研究炸藥空爆狀態(tài)下的能量釋放率及超壓場規(guī)律，以TNT為基準(zhǔn)炸藥，測試野外近地空爆情況下的沖擊波超壓場。如圖3所示，3 m處的超壓值為0.62 MPa，超壓傳播距離的增加呈指數(shù)形式衰減，13 m處的超壓為0.026 MPa. 由于空爆TBX在遠(yuǎn)場處的主要作戰(zhàn)任務(wù)是對有生目標(biāo)進(jìn)行毀傷，根據(jù)對溫壓彈人員毀傷效能的研究，認(rèn)為沖擊波超壓超過0.05 MPa即可對人員達(dá)到中度以上的毀傷[16]。根據(jù)擬合所得的超壓- 距離指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可以得出5 kg TNT的有效毀傷半徑為9.58 m. 圖3中，ΔpTNT為各測點(diǎn)入射沖擊波超壓值(kPa)；r為壓力傳感器測點(diǎn)距爆心距離(m)。

圖3 5 kg TNT炸藥靜爆超壓曲線Fig.3 Overpressure curves of 5 kg TNT field explosion

2.2 空爆TBX的能量釋放規(guī)律

3種不同配方的TBX實(shí)測超壓值如圖4所示，根據(jù)實(shí)測超壓數(shù)據(jù)擬合得到的TBX超壓- 距離指數(shù)公式，3個TBX樣品的有效超壓毀傷范圍均超過11 m，尤其是TBX-1在11.54 m處的超壓仍高于0.05 MPa，較TNT的毀傷范圍提高了20%. 圖4同時還給出了根據(jù)TBX爆炸超壓相似率公式((4)式和(5)式)[5,17]計算的TBX在各距離的超壓值。

(3)

(4)

(5)

圖4 5 kg不同配方TBX的實(shí)測超壓及相似率計算超壓結(jié)果Fig.4 Overpressure curves of 5 kg TBXs field explosion, and calculated result of blasting similarity

結(jié)合圖3中TNT的沖擊波超壓曲線，可以換算出TBX在各觀測距離處的超壓TNT當(dāng)量，如圖5所示。3種TBX在3 m處的換算TNT當(dāng)量僅約為1.2倍TNT當(dāng)量，可知含鋁TBX在近地空爆情況下的能量釋放在近場處無法達(dá)到設(shè)計當(dāng)量。造成這種現(xiàn)象的原因可能是鋁粉在爆轟初期并不參與反應(yīng)，無法對爆熱作出貢獻(xiàn)，因此3 m處的超壓主要取決于配方中的高能炸藥及氧化劑。通過采用惰性組分氟化鋰替代TBX配方中的鋁粉[18]，運(yùn)用爆轟參數(shù)計算軟件Explo 5可計算得到TBX配方中的HMX和AP對爆熱的貢獻(xiàn)約為5 300 J/g. 而TBX在3 m處的沖擊波超壓換算得到的TNT當(dāng)量接近HMX與AP的爆熱當(dāng)量，可見在這一階段雖然鋁粉未參與反應(yīng)，對爆熱沒有貢獻(xiàn)，但也并不起到“削弱”的作用。對應(yīng)于真正鋁粉起到消極影響的階段，HMX和AP反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有一部分用來加熱鋁粉，導(dǎo)致這一階段爆熱對沖擊波超壓的貢獻(xiàn)降低，超壓發(fā)生衰減現(xiàn)象，這種現(xiàn)象體現(xiàn)在5 m處的超壓僅相當(dāng)于約0.9倍TNT當(dāng)量。

圖5 3種配方TBX在不同距離處的超壓TNT當(dāng)量Fig.5 TNT equivalents of TBX samples at different distances

隨著部分鋁粉被加熱至點(diǎn)火閾值，鋁粉開始反應(yīng)并放出熱量，此階段鋁粉對爆熱作出積極貢獻(xiàn)，具體表現(xiàn)為從7 m開始，TNT當(dāng)量隨距離的增加逐漸升高，經(jīng)過Explo5計算，TBX的粒子速度約為1 500 m/s. 不考慮速度衰減，粒子拋灑至7 m處約需要4 ms，這一時間與鋁粒子在爆轟產(chǎn)物中的燃燒時間基本一致[19-21]。TBX-1和TBX-3在13 m處的超壓都超過了1.9倍TNT當(dāng)量，尤其是TBX-1在13 m處的超壓相當(dāng)于1.93倍TNT當(dāng)量。結(jié)合TNT在此距離上的超壓已衰減至接近大氣壓，因此可以推斷，高能炸藥與氧化劑在此距離上基本起不到較大的貢獻(xiàn)。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是鋁粉的后燃燒效應(yīng)成為此階段爆熱的主要貢獻(xiàn)因素。

2.3 鋁粉粒度對TBX的影響

如圖4所示，3種配方TBX的超壓只存在細(xì)微的差別，在3 m處，只含有細(xì)鋁粉的樣品超壓高于含有粗鋁粉的樣品，而采用顆粒級配的配方處于中間水平。導(dǎo)致這種差異的原因可能是不同粒徑的鋁粉對爆轟波陣面的彎曲程度及法向爆速較擬定態(tài)爆速的衰減程度不同，含細(xì)鋁粉的TBX爆轟波陣面法向爆速受曲率效應(yīng)的影響減弱[22]。根據(jù)實(shí)測超壓與相似率計算所得超壓的比值，可得到粗略的TBX在空爆情況下的能量釋放率，如圖6所示。由圖6可知，3 m處的實(shí)測超壓僅相當(dāng)于約65%的能量釋放率。

圖6 3種配方TBX的能量釋放率曲線Fig.6 Energy release rates of different TBXs

3種配方TBX在5 m處的沖擊波超壓基本保持了3 m處的特征，仍然是只含有細(xì)鋁粉的樣品超壓值最大。但能量釋放率進(jìn)一步降低，僅為40%左右。值得注意的是，應(yīng)用相似率計算所得的超壓值也并非炸藥在理論上完全釋放其儲能所得的超壓，但由于通過近地面爆炸實(shí)測結(jié)果的修正，采用其計算的數(shù)值仍具有較大的實(shí)際意義。

隨著沖擊波超壓傳播距離的增加，在7 m處，含有細(xì)鋁粉的TBX能量釋放率雖然整體呈升高趨勢，但釋放率值卻低于含有粗鋁粉的TBX，并且差距逐漸增大，這與黃菊等[7]的研究結(jié)果基本一致，鋁粉粒徑與TBX遠(yuǎn)場的超壓呈正相關(guān)。但鋁粉吸收空氣中的氧進(jìn)行較長時間的后燃燒反應(yīng)并不能很好地解釋這一差異。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是多方面的，最有可能的兩個原因分別為：1)細(xì)鋁粉的燃燒閾值較低，燃燒反應(yīng)發(fā)生在粗鋁粉之前，因此遠(yuǎn)場處的能量釋放率較低，這一解釋可以從含細(xì)鋁粉的TBX在3 m、5 m、7 m處的超壓值較大得到證明；2)細(xì)鋁粉由于比表面積較大，所含的氧化鋁較多，導(dǎo)致后期反應(yīng)燃料不足，這一點(diǎn)可以由含細(xì)鋁粉的TBX在5 m處的能量釋放率較高得到證明，因為氧化鋁比熱容小于鋁，所以加熱至相同溫度所需熱量較少，因此HMX和AP貢獻(xiàn)的爆熱損失較少。

綜上所述，為了提高TBX的毀傷范圍，需要保持溫壓藥劑在遠(yuǎn)場處的持續(xù)燃燒，以維持較高的超壓；細(xì)鋁粉的燃燒反應(yīng)集中在中近場，不能在TBX中單獨(dú)使用。而粗鋁粉的反應(yīng)閾值較高，不利于提高TBX在C-J面的壓力和初溫。因此，需要在空爆型TBX中引入一定顆粒級配的鋁粉，以同時提高能量釋放率及遠(yuǎn)場超壓。

3 超壓場數(shù)值模擬

為了研究大當(dāng)量TBX的沖擊波超壓場，首先基于實(shí)驗所得的5 kg TBX數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析軟件Autodyn模擬驗證，分析其可行性，然后進(jìn)行1 000 kg TBX的超壓場模擬。采用Explo5軟件對幾個空爆TBX進(jìn)行計算，求得炸藥的爆轟參數(shù)、JWL狀態(tài)方程及壓力- 速度曲線等相關(guān)系數(shù)。狀態(tài)方程參數(shù)選擇BKWN狀態(tài)方程，限定條件為最大爆壓45 GPa，密度增長比1.025，密度衰減比1.10，冰點(diǎn)溫度1 800 K，終止壓力100 MPa.

由于Autodyn軟件僅能模擬不同JWL系數(shù)的炸藥爆炸沖擊波效應(yīng)，將氧化鋁含量計算在配方之內(nèi)，通過Explo5可求得含有不同氧化鋁配方的JWL狀態(tài)方程參數(shù)及爆轟參數(shù)，求得的參數(shù)如表2所示。建立模型的同時選擇了考慮鋁粉二級反應(yīng)的Miller延伸模型[23]，以使含鋁空爆TBX超壓場的模擬更符合實(shí)際情況。

表2 Explo5軟件計算所得不同配方TBX的相關(guān)參數(shù)

3.1 5 kg TBX的空爆超壓場數(shù)值模擬

采用Autodyn軟件對3種配方TBX炸藥進(jìn)行超壓場模擬，爆源為5 kg球形裝藥?？紤]地面的反射作用，建立1/4空氣域模型，長為15 m，寬和高分別為2 m、2 m，在x軸、y軸、z軸3個方向的外側(cè)平面施加透射邊界，模擬無限大空氣域；在Oxz平面和Oyz平面施加對稱邊界，底部Oxy平面不施加任何約束，默認(rèn)為反射邊界，以模擬地面的沖擊波反射作用。由于超壓場內(nèi)的空氣被沖擊波壓縮，并且距離爆心越近，空氣被壓縮及加熱越嚴(yán)重[24]，因此必須對不同觀測點(diǎn)處空氣的絕熱指數(shù)及空氣密度進(jìn)行回歸校正。

采用校正得到的約束條件對3種配方TBX的壓力進(jìn)行計算，結(jié)果如圖7所示(未扣除大氣壓)。由圖7可見：僅含有粗鋁粉的TBX中所含的氧化鋁較少，由Explo5軟件計算得到的JWL參數(shù)偏大，因此TBX-1的3 m處超壓明顯大于實(shí)驗值；同樣地，TBX-2的超壓較實(shí)驗值偏小，而TBX-3的超壓與實(shí)驗所得的結(jié)果一致，且超壓的衰減程度及13 m處超壓值也與實(shí)驗結(jié)果吻合度較好，表明數(shù)值模擬能準(zhǔn)確地表示含有粗細(xì)級配鋁粉的TBX沖擊波超壓。

圖7 不同配方5 kg TBX在各距離處壓力- 時間模擬結(jié)果Fig.7 Numerically simulated results of p-t curves of different TBXs at different distances

3.2 1 000 kg TBX的數(shù)值模擬

通過(3)式可計算得到5 kg和1 000 kg TBX在相同比距離處的觀測點(diǎn)位置，如表3所示。采用校正得到的約束條件對1 000 kg粗細(xì)級配鋁粉的TBX-3在相同比距離處超壓進(jìn)行計算。如前文所述，5 kg裝藥的數(shù)值模擬以2.07倍當(dāng)量的理論值進(jìn)行計算，并采用實(shí)驗值進(jìn)行回歸校正，因此，在1 000 kg裝藥的數(shù)值模擬中仍采用理論值2.07倍TNT當(dāng)量。

表3 5 kg與1 000 kg裝藥觀測點(diǎn)的比距離

由表3可知，1 000 kg TBX在76.0 m處的比距離與5 kg TBX在13 m處一致，因此設(shè)置空氣域長度為80 m. 由于整個模型尺寸較大，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率，將寬和高設(shè)為2 m，每隔5 m設(shè)置1個觀測點(diǎn)，共16個，觀測在長度方向上的超壓變化規(guī)律。處理計算結(jié)果，提取不同距離處的壓力峰值，得到圖8所示的沖擊波壓力隨距離的變化曲線。

圖8 1 000 kg TBX的近地爆炸壓力模擬曲線Fig.8 Numerically simulated curves of 1 000 kg TBX near field explosion

由圖8可知，在相同的比距離處，大裝藥量TBX的超壓均大于小藥量TBX的超壓，表明TBX炸藥是非理想裝藥，尺寸效應(yīng)明顯。因此大裝藥量TBX爆炸時，可以營造更好的高溫高壓環(huán)境，有利于鋁粉的充分燃燒和能量釋放。1 000 kg TBX-3在5 m處的超壓值約為15.0 MPa，根據(jù)TNT爆炸相似率(5)式計算可得到1 000 kg TNT在5 m處的超壓值為11.9 MPa，提高了26%；TNT的有效殺傷半徑為48 m，而TBX-3的有效殺傷半徑達(dá)到72 m，較TNT提高了約50%.

4 結(jié)論

本文根據(jù)對基準(zhǔn)炸藥TNT和空爆TBX沖擊波超壓場的測試，通過野外靜爆實(shí)驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了鋁粉顆粒尺寸對能量釋放的影響及含鋁TBX特有的能量釋放規(guī)律。得出結(jié)論如下：

1) 鋁粉粒度對TBX的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是細(xì)鋁粉的氧化鋁外殼占比重較大，對總體能量起到了削弱作用；二是細(xì)鋁粉參與反應(yīng)的時間較短，導(dǎo)致含細(xì)鋁粉的TBX近場超壓較大，而遠(yuǎn)場超壓及能量釋放率都較小。

3) 由裝藥量為500 kg和1 000 kg的TBX炸藥仿真計算可知：TBX炸藥為非理想炸藥，尺寸效應(yīng)明顯；裝藥量越大，越有利于鋁粉的充分燃燒和能量釋放；含有粗細(xì)鋁粉級配的1 000 kg TBX的有效殺傷半徑可到72 m，較TNT提高了50%.