基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法

高正明，趙 娟

(荊楚理工學(xué)院 a.計(jì)算機(jī)工程學(xué)院; b.電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門 448000)

炸藥的出現(xiàn)，結(jié)束了冷兵器時(shí)代靠人數(shù)、靠個(gè)人力量的戰(zhàn)爭方式，從此戰(zhàn)爭對(duì)技術(shù)的信賴多于人力，并使遠(yuǎn)距離突襲成為可能，直接改變了戰(zhàn)爭的形態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們又研制出更高能量密度的高能炸藥(或猛炸藥)，在進(jìn)一步提升戰(zhàn)爭破壞力的同時(shí)，也大大改進(jìn)了人類的生存和生活方式。高能炸藥在爆炸工程、航空航天和現(xiàn)代武器系統(tǒng)中日益發(fā)揮著不可替代的作用。但是由于高能炸藥為有機(jī)化合物/混合物，存在老化[1]、分解、變性等各種有機(jī)化合物常規(guī)劣性[2]，因此其質(zhì)量性能，尤其是與能量密度密切相關(guān)的密度參數(shù)，倍受航天工程和軍工部門的重視。公開文獻(xiàn)資料表明，高能炸藥密度的檢測與測量，一直是世界各國爆炸工程和現(xiàn)代武器工程領(lǐng)域相關(guān)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[3]。

高能炸藥的密度受加工條件影響[4]，其均勻性、穩(wěn)定性等，在軍事應(yīng)用中具有特別重要的意義，影響著高能炸藥各組分的構(gòu)成[5]、爆轟效能[6-7]等。在高能炸藥密度檢測方面，美國Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)70年代通過專門的研究提出利用物質(zhì)的克分子體積的基團(tuán)加和法來計(jì)算炸藥及相關(guān)物的真密度值[8]。國內(nèi)外一些單位開展了基于X或γ射線[9]、快中子活化法測量高能炸藥密度的研究工作[10]。為實(shí)現(xiàn)在線檢測，北京理工大學(xué)還探索了動(dòng)態(tài)稱重法和超聲波法[11]等。由于高能炸藥對(duì)靜電、撞擊敏感，且存在老化、分解等現(xiàn)象，因此高能炸藥密度的測量存在較多的限制，尤其是在長期貯存過程中以密度參數(shù)來衡量高能炸藥實(shí)體質(zhì)量特性的情況下，需要在整個(gè)貯存周期開展重復(fù)性測量。此時(shí)X或γ、中子等微觀粒子的能量沉積作用、核反應(yīng)等使射線檢測技術(shù)的安全性存在疑慮[12]，超聲波法也因應(yīng)力波的存在和潛在的加速分解能力[13]未被列入常規(guī)檢測技術(shù)手段。工程上常用的基于阿基米德原理的密度測量法在國內(nèi)簡稱作液浸法或浸液法(媒介液體包括水、油、汞等)，是高能炸藥密度測量的重要手段。該方法應(yīng)用于高能炸藥實(shí)體密度檢測時(shí)，需要采用包裹物將高能炸藥和液體隔離，需要仔細(xì)排除氣泡或抽真空，機(jī)械操作步驟繁瑣，升降移動(dòng)復(fù)雜，安全隱患較多，更是存在液污風(fēng)險(xiǎn)。因此，尋找一種縮短測量時(shí)間、安全可靠有效的替代方法，一直是高能炸藥相關(guān)工程領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)重要方面。

為此，于2011年提出了基于玻意爾-馬略特氣體定律的高能炸藥密度的檢測方法，并進(jìn)行了充分論證[14-15]。該方法在顯著消減密度測量過程中高能炸藥機(jī)械操作數(shù)量，保證測量精度的同時(shí)，進(jìn)一步提升了密度測量作業(yè)的自動(dòng)化、信息化、智能化和通用化水平。本研究進(jìn)一步介紹了這種新型測量方法的基本原理，推導(dǎo)了技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用范圍，并與傳統(tǒng)的排水法進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 高能炸藥密度測量方法

高能炸藥密度的測量，可區(qū)分為生產(chǎn)或使用前后的常規(guī)檢測和生產(chǎn)過程中的連續(xù)監(jiān)測，前者為一次性測量，用于評(píng)估炸藥密度質(zhì)量、密度分布均勻性等。而連續(xù)監(jiān)測方法主要用于生產(chǎn)過程中的在線監(jiān)測評(píng)估。

1.1 基于阿基米德定律的測量方法

基于阿基米德定律的密度測量方法是目前國內(nèi)外高能炸藥密度的主要測量手段。該方法測量精度高，誤差可小于0.1 kg/m3[16]。測量的基本原理是根據(jù)密度公式ρ=m/V(ρ：密度，m：質(zhì)量，V：體積)，通過直接或間接的手段測量得到高能炸藥的質(zhì)量和體積，計(jì)算得到密度數(shù)值。

采用密度瓶法測量炸藥密度的基本原理是[16]

(1)

式中：m1為空密度瓶質(zhì)量；m2為注滿液體的密度瓶質(zhì)量；m3為注滿液體和炸藥實(shí)體的密度瓶質(zhì)量；ρw為液體在溫度t時(shí)的密度。通過3次測量計(jì)算得到指定溫度下的炸藥密度數(shù)值。國軍標(biāo)中對(duì)黑火藥的密度測量標(biāo)準(zhǔn)中，使用的參考液體是水銀，毒性強(qiáng)、染污大，景銀蘭等提出采用空氣、無水乙醇、飽和銷酸鉀+氯化鈉溶液以及純水替代水銀的方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[17]。結(jié)果表明采用空氣或其他液體作為測量媒介時(shí)，測量對(duì)象密度數(shù)值變化較大，影響測量密度的主要原因包括附著氣泡、炸藥實(shí)體內(nèi)部氣體殘留、質(zhì)量測量誤差以及媒介密度基準(zhǔn)誤差等。

改善測量技術(shù)方案有助于進(jìn)一步提升測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，但同時(shí)也增加了測量對(duì)象操作頻度。高維權(quán)等在測量纖維密度[18]時(shí)，采用的密度計(jì)算公式為

(2)

式中，m4為密度瓶和待測對(duì)象的質(zhì)量，試驗(yàn)中給出的相對(duì)測量誤差約1%。

采用基于阿基米德定律的密度測量方法測量高能炸藥密度時(shí)，為保證高能炸藥實(shí)體質(zhì)量性能，需要采用不溶于液體的包裹物包裹，以防止液體污染，為減少附著氣體，需要抽真空或排氣泡。同時(shí)，該方法需要多次移動(dòng)高能炸藥實(shí)體到質(zhì)量測量儀器臺(tái)上。在高能炸藥實(shí)體質(zhì)量較大、爆炸危害嚴(yán)重的情況下，存在著突出的安全隱患。

1.2 連續(xù)監(jiān)測方法

為滿足生產(chǎn)過程中高能炸藥質(zhì)量和軍工產(chǎn)品裝藥均勻性監(jiān)測技術(shù)需求，國內(nèi)外工程技術(shù)人員根據(jù)物理學(xué)、力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，提出了高能炸藥密度的連續(xù)監(jiān)測方法。包括動(dòng)態(tài)稱重法、超聲波法[11]、X或γ射線檢測法[19-20]、中子活化法[10]等。這些方法僅適用于生產(chǎn)過程中高能炸藥密度的連續(xù)監(jiān)測，由于這些方法或多或少地對(duì)高能炸藥力學(xué)狀態(tài)、化學(xué)穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響，尚未應(yīng)用于高能炸藥貯存質(zhì)量管理過程中。

2 基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量方法

2.1 高能炸藥密度測量技術(shù)需求

高能炸藥密度約在1 400～2 000 kg/m3之間。基于阿基米德定律的密度測量方法中測量精度影響因素是水的密度、附著氣體以及質(zhì)量的測量精度，在采用蒸餾水和高精度天平測量的條件下，目前工程上該方法的測量誤差約為1 kg/m3。為替代現(xiàn)有測量方法，新的高能炸藥密度測量方法應(yīng)具有更優(yōu)異的性能，其測量精度應(yīng)不低于這一指標(biāo)，即δ≤1 kg/m3。同時(shí)，測量作業(yè)時(shí)，應(yīng)減少高能炸藥實(shí)體轉(zhuǎn)載移動(dòng)頻度和幅度，以增強(qiáng)操作安全性。

2.2 密度測量基本原理

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量原理是采用如圖1所示的體積的非接觸式測量系統(tǒng)測量確定高能炸藥實(shí)體的體積，采用電子天平測量高能炸藥質(zhì)量?；谝惑w化設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測量裝置主要有3個(gè)功能模塊，體積測量模塊、質(zhì)量測量模塊和輔助系統(tǒng)模塊，整個(gè)測量過程由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，采用信息技術(shù)手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與輸出。

圖1 測量原理示意圖

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量公式為

(3)

式中:V0為測試箱體體積；V1為加載氣體體積；p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?；p為通過壓力傳感器測量加載氣體后測試箱內(nèi)氣體壓力；m0、m1為測試箱加載高能炸藥實(shí)體前后質(zhì)量。

2.3 測量儀器技術(shù)指標(biāo)

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量裝置組成如文獻(xiàn)[14]所示，根據(jù)誤差傳遞理論，該方法的測量誤差為

(4)

由式可知，基于氣體定律的高能炸藥密度的測量誤差取決于體積、氣體壓力的測量誤差的傳遞與分配。因此在各功能模塊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能提升體積、氣體壓力的測量精度。經(jīng)調(diào)研提出模塊功能設(shè)計(jì)要求為：測量系統(tǒng)容器體積采用二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器計(jì)量方法，相對(duì)誤差不大于2.5×10-4；電子天平測量質(zhì)量上限由高能炸藥總質(zhì)量決定，盡量采用高精度電子天平，如目前測量質(zhì)量上限為100 kg時(shí)，測量誤差可取1 g(沈陽龍騰ES100K-1型電子天平)，壓力測量采用諧振式擴(kuò)散硅集成壓力傳感器，氣體壓力的測量誤差不大于0.01%(Gruck DPS/RPS 8000壓力傳感器)，即δV=2.5×10-4，eM=1 g，δp=0.01%。

測試箱放入高能炸藥實(shí)體后，剩余體積(V0-V)越小，測量精度越高，若取V1/V0=1，則絕對(duì)測量誤差Δρ小于 1 kg/m3，相對(duì)誤差小于0.1%，測量精度很高。密度的測量誤差隨加載氣體體積的增大而減小，且密度越小的實(shí)體測量精度越高。加載氣體越多，測試箱內(nèi)終態(tài)壓力越高，測試箱氣密性要求也增高，增大了測量裝置制造與維護(hù)難度；給定初始質(zhì)量，隨著固體密度的增大，誤差逐漸增大；待測量物質(zhì)質(zhì)量對(duì)測量誤差的影響顯著，質(zhì)量越小，密度測量誤差也越小。在給定測試箱箱體體積的條件下，待測物質(zhì)密度必須足夠小才能保證測量誤差較小。若許可誤差δ≦1 kg/m3，則可推算待測實(shí)體密度應(yīng)滿足：ρ≦2 550 kg/m3，因此該測量系統(tǒng)的檢測范圍是ρ≦2 550 kg/m3。

為確保安全，在高能炸藥密度的檢測過程中，一般情況下轉(zhuǎn)載移動(dòng)操作和排氣泡操作所占時(shí)間約占整個(gè)測量時(shí)間的90%以上。采用液浸法測量高能炸藥密度時(shí)，由于需要多次測量高能炸藥實(shí)體及其包裹物的質(zhì)量，轉(zhuǎn)載移動(dòng)次數(shù)較多，測量時(shí)間相應(yīng)的也很長。而基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法只需要轉(zhuǎn)載移動(dòng)高能炸藥實(shí)體一個(gè)來回，顯著縮短了測量時(shí)間。

2.4 對(duì)比分析

表1中列出了新的測量方法測量高能炸藥密度與排水法的對(duì)比情況，可見，基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法具有更突出的性能。且可采用計(jì)算機(jī)接收和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，通過程控方式實(shí)現(xiàn)密度的批量測量，自動(dòng)化、信息化程度高，測量原理簡單，作業(yè)程序少，操作安全，且避免了排水法測量過程中可能造成的水污風(fēng)險(xiǎn)。

表1 新的高能炸藥密度測量方法與傳統(tǒng)測量方法比較分析

3 結(jié)論

根據(jù)高能炸藥貯存質(zhì)量管理需要提出了基于氣體定律的密度測量新方法，并給出了測量原理，明確了該方法的技術(shù)指標(biāo)。研究結(jié)果表明：在現(xiàn)有條件下開展基于氣體定律的高能炸藥密度的測量，其測量誤差與傳統(tǒng)的排水法測量誤差相當(dāng)，但可大大提高高能炸藥密度測量的自動(dòng)化、信息化和智能化水平，顯著縮短測量時(shí)間，大幅縮減高能炸藥轉(zhuǎn)載移動(dòng)次數(shù)，減少操作安全隱患。