RDX的爆炸產(chǎn)物組成和爆熱的計(jì)算與分析

張金龍,郭子如,杜明燃,李 國(guó)

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,安徽淮南232001)

0 引言

黑索今(RDX)、梯恩梯(TNT)等烈性高能CHON 類(lèi)炸藥在軍工及其它方面應(yīng)用廣泛,深入認(rèn)識(shí)和理解該類(lèi)炸藥的起爆性能、爆轟能力等是有意義的。 炸藥的各類(lèi)爆轟參數(shù)是廣大研究者衡量炸藥性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn),爆轟參數(shù)在很大程度上取決于炸藥爆熱的大小。 探討炸藥爆熱的計(jì)算方法以及了解采用哪種方法更接近實(shí)際場(chǎng)景的爆轟參數(shù)具有一定實(shí)際價(jià)值。

本文應(yīng)用已有的爆轟產(chǎn)物組成的經(jīng)驗(yàn)確定方法,運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算出RDX 的爆熱,引用了學(xué)者吳雄等的VLW 計(jì)算代碼得出的爆轟產(chǎn)物組成,并計(jì)算了爆熱,對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析比較,同時(shí)與文獻(xiàn)中得到的RDX 的爆熱計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測(cè)定值亦進(jìn)行了比較,并進(jìn)行了討論。

1 爆炸化學(xué)反應(yīng)方程式的確定和爆熱計(jì)算[1-5]

計(jì)算炸藥爆熱由熱化學(xué)方法、爆熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法和量子化學(xué)法。 而最常用的是熱化學(xué)方法。 首先確定爆炸產(chǎn)物的組成,然后按照蓋斯定律計(jì)算爆熱。 確定爆炸產(chǎn)物組成的方法主要有經(jīng)驗(yàn)法和理論計(jì)算方法兩大類(lèi)。

爆炸產(chǎn)物組成的理論確定方法是采用某種適當(dāng)?shù)谋Z產(chǎn)物狀態(tài)方程,運(yùn)用經(jīng)典的化學(xué)平衡原理和爆轟化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量守恒原理進(jìn)行產(chǎn)物組成確定。 理論計(jì)算方法較為復(fù)雜,一般需要借助計(jì)算機(jī)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。 理論方法科學(xué)原理強(qiáng),因而可信度高。 已經(jīng)公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)方法有 Li-Chatelier(簡(jiǎn)稱(chēng)LC)方法、Brinkly-Wilson ( 簡(jiǎn)稱(chēng)B-W ) 方法和最大放熱量規(guī)則。

1.1 L-C方法

該方法以最大爆炸產(chǎn)物體積為原則,是在體積相同的情況下,側(cè)重于放熱多的反應(yīng)。

對(duì)第一類(lèi)炸藥(c≥2a+0.5b) ,由于O 含量充足,C、H 兩種元素被完全氧化為CO2和H2O,并生成分子狀態(tài)的N2,剩余的氧元素也被氧化為O2。

對(duì)第二類(lèi)炸藥(a+0.5b≤c≤2a+0.5b),首先考慮對(duì)生成氣體產(chǎn)物有利的反應(yīng),C→CO。 余下的O 平均分配,用于生成CO2和H2O。

而對(duì)于第三類(lèi)炸藥(c＜a+0.5b),由于嚴(yán)重負(fù)氧,L-C 規(guī)則并不適用。 我們采取改進(jìn)方法。 先將3/4H 氧化成H2O,再將剩余的氧平均分配用于氧化C,使之生成 CO2和 CO,顯然 CO 的摩爾數(shù)是CO2的兩倍,且有固體碳生成。 爆炸反應(yīng)方程式如下:

當(dāng)以上各化學(xué)計(jì)量數(shù)為零或負(fù)值時(shí),該項(xiàng)省略。

1.2 B-W規(guī)則

布倫克里和威爾遜的計(jì)算方法遵循能量?jī)?yōu)先原則,滿(mǎn)足H2O→CO→CO2的產(chǎn)物生成順序。 該類(lèi)方法優(yōu)先將炸藥中的H 元素全部與O 元素結(jié)合,生成H2O。 剩余的O 再將炸藥中的C 完全氧化成CO,如果仍然剩余O,則全部用于生成CO2,如果O含量不足,剩余的C 元素,以C 單質(zhì)形式保留。 炸藥中的N 元素則默認(rèn)生成N2。

對(duì)第一類(lèi)正氧平衡炸藥(c≥2a+0.5b),爆炸反應(yīng)方程式與L-C 方法相同,這里不再贅述。

對(duì)負(fù)氧平衡第二類(lèi)炸藥(a+0.5b≤c≤2a+0.5b), O 元素在完全氧化H 元素之后,全部用于生成CO。 完整的爆炸反應(yīng)方程式如下:

對(duì)第三類(lèi)嚴(yán)重負(fù)氧炸藥(c＜a+0.5b),O 元素在完全氧化H 元素之后,不足以將C 元素完全氧化,故有C 單質(zhì)生成。 爆炸反應(yīng)方程式如下:

該爆炸反應(yīng)方程式滿(mǎn)足0.5b≤c＜a+0.5b

1.3 最大放熱量規(guī)則

該類(lèi)方法即 H2O→CO2方法。 先將 H 元素氧化成H2O,再將C 元素氧化生成CO2,而不生成CO(針對(duì)負(fù)氧平衡炸藥)。 對(duì)于CHON 型炸藥,爆炸的產(chǎn)物組成與 CO 反應(yīng)生成 CO2和 C、H2與 CO 生成H2O 和C 的兩個(gè)反應(yīng)有極大關(guān)聯(lián)。

可以得到最終負(fù)氧平衡(c≤2a+0.5b)的炸藥爆炸反應(yīng)方程式為:

該爆炸反應(yīng)方程式滿(mǎn)足0.5b≤c＜2a+0.5b

1.4 VLW狀態(tài)方程

二十世紀(jì)八十年代, 吳雄等人以維里(VIRIAL)理論為基礎(chǔ)建立了爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程(VLW EOS),又于九十年代在理論上加以完善,歷經(jīng)三十多年的應(yīng)用考察,證實(shí)了采用該狀態(tài)方程和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)編碼計(jì)算可以很好的計(jì)算還原炸藥爆轟產(chǎn)物組成。

該爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程形式如下:

式中:B*(T*)為無(wú)量綱第二維里系數(shù),T*為無(wú)量綱溫度,方程具體內(nèi)容,可參照文獻(xiàn)[6]。 依據(jù)該狀態(tài)方程可以理論計(jì)算出爆轟產(chǎn)物組成和爆轟參數(shù)。

2 爆熱計(jì)算參數(shù)及比較

2.1 爆熱參數(shù)計(jì)算方法

采取理論計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。 遵循化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,體積恒定或者壓力恒定,且系統(tǒng)沒(méi)有做任何非體積功時(shí),化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)只取決于反應(yīng)的初態(tài)和終態(tài),與反應(yīng)的具體路徑無(wú)關(guān)的規(guī)則,即蓋斯定律。

爆轟產(chǎn)物的生成,只能由兩種方法得到。 一是由各類(lèi)元素的穩(wěn)定單質(zhì)直接反應(yīng)得到,二是通過(guò)穩(wěn)定單質(zhì)生成的炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)后得到。

我們將穩(wěn)定單質(zhì)直接生成爆轟產(chǎn)物所釋放的熱量定為Q1.3,炸藥爆炸反應(yīng)過(guò)程所放出的熱量定為Q2.3,元素的穩(wěn)定單質(zhì)生成炸藥所放出或者吸收的熱量定為Q1.2。

則按照蓋斯定律對(duì)以上三者有如下關(guān)系式:

2.2 爆轟產(chǎn)物組成

以1 kg 炸藥為基準(zhǔn),運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)確定的爆轟產(chǎn)物組成以及參考文獻(xiàn)[6]運(yùn)用VLW 爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程理論計(jì)算的RDX 的爆轟產(chǎn)物組成(mol/kg)見(jiàn)下表1。

表1 爆轟產(chǎn)物組成

2.3 VLW方程與經(jīng)驗(yàn)算法得到的爆熱計(jì)算結(jié)果的比較

根據(jù)表1 爆轟產(chǎn)物的組成,通過(guò)蓋斯定律計(jì)算得出四種方法的RDX 爆熱數(shù)據(jù)及相對(duì)比值如下表2。

表2 RDX 的計(jì)算爆熱

表中相對(duì)誤差是以VLW 方法得到的爆熱值為基準(zhǔn)(真值)得到的。

2.4 文獻(xiàn)中爆熱值與經(jīng)驗(yàn)算法結(jié)果比較

為進(jìn)一步分析討論,參考多篇文獻(xiàn)中的RDX爆熱數(shù)據(jù)。

本文所參考的文獻(xiàn)[7]中的RDX 爆熱值是文獻(xiàn)作者在測(cè)試鋁成分對(duì)RDX 炸藥性能研究時(shí)所做的空白組對(duì)照試驗(yàn),具體爆熱的試驗(yàn)方法參照GJB 772A-97。

本文所參考的文獻(xiàn)[8]中的RDX 爆熱值是文獻(xiàn)作者對(duì)含鋁炸藥進(jìn)行研究時(shí)所做的空白組試驗(yàn)。試樣采用圓柱形壓裝RDX ,并投入了5%的黏結(jié)劑。 藥柱的長(zhǎng)徑比為(1.0 ～ 1.2) ： 1.0。 一端帶雷管孔。 黏結(jié)劑的組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 為 1.5%F2603、3%蠟和0.5% 石墨。 試樣質(zhì)量為25 g,采用8 號(hào)銅電雷管端面起爆。

本文所參考的文獻(xiàn)[9]中的RDX 爆熱值是運(yùn)用KHT(Kihara-Hikita-Tanaka)程序得到 RDX 的p-v 等熵?cái)?shù)據(jù),并采用非線(xiàn)性擬合軟件1stOpt 的差分進(jìn)化法在部分公式的約束下,對(duì) JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程進(jìn)行參數(shù)的預(yù)測(cè)。 KHT 程序則是由以炸藥組分出發(fā)、以混合產(chǎn)物自由能最小的原理找出最佳的爆轟產(chǎn)物組成的KHT 狀態(tài)方程采用FORTRAN 語(yǔ)言編制而成的。 具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[6]。

本文所參考的文獻(xiàn)[10]中的RDX 爆熱值測(cè)定所采取的試驗(yàn)裝置為:絕熱型爆轟量熱計(jì)。 采取的試驗(yàn)方法為:將固體試樣壓成直徑25 mm 的藥柱,并在上端開(kāi)有直徑7 mm、深15 mm 的雷管孔,在精確稱(chēng)量后放入直徑25 mm、壁厚8 mm 的陶瓷外殼中,并接好銅殼電雷管懸掛在彈蓋下方;在改好彈蓋之后抽真空并充入高純氮至1.5 MPa,然后放空高純氮再抽真空,然后得到的試驗(yàn)值。

本文所參考的文獻(xiàn)[11]中的RDX 爆熱值是在研究炸藥密度與炸藥爆熱的關(guān)系時(shí),引用文獻(xiàn)[12]中炸藥密度與爆熱的關(guān)系式所得到的不同炸藥密度下的炸藥爆熱。 由文獻(xiàn)[11]中RDX 所對(duì)應(yīng)的爆熱值隨密度增大緩緩上升可知,RDX 的最大爆熱應(yīng)略高于密度1.50 g/cm3時(shí)的5 401 kJ / kg 的爆熱值,接近L-C 法所得到的5 458 kJ / kg,但仍遠(yuǎn)低于最大放熱規(guī)則所計(jì)算的6 328 kJ / kg。

本文所參考的文獻(xiàn)[13]中的RDX 爆熱值是文獻(xiàn)作者在精確建立爆轟參數(shù)隸屬函數(shù)時(shí)為研究各炸藥相對(duì)TNT 所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)值所引入的常見(jiàn)單質(zhì)炸藥爆熱值。

本文所參考的文獻(xiàn)[14]中的RDX 爆熱值是文獻(xiàn)作者在利用主成分分析法研究炸藥5 大爆轟參數(shù)(爆熱、爆速、爆壓、爆容、爆溫)對(duì)炸藥性能影響的相關(guān)系數(shù)大小所引用的常見(jiàn)單質(zhì)炸藥爆熱值。結(jié)果如下表3。

其相對(duì)誤差之比如下表4。

表3 其他文獻(xiàn)RDX 爆熱值

表4 經(jīng)驗(yàn)算法與其他爆熱值的相對(duì)誤差%

由表4 可以發(fā)現(xiàn),各參考文獻(xiàn)中(除文獻(xiàn)[9])爆熱值均最為接近L-C 法所計(jì)算得到的RDX 爆熱值,且文獻(xiàn)[9]中爆熱值與L-C 法及最大放熱規(guī)則所得到的爆熱值相對(duì)誤差的數(shù)值接近,也可一定程度說(shuō)明L-C 法的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

1)在利用爆轟產(chǎn)物經(jīng)驗(yàn)算法計(jì)算RDX 的爆熱時(shí),最大放熱規(guī)則得到的爆熱值最大,B-W 法得到的爆熱值最小,

2)L-C 法在理論運(yùn)用中所計(jì)算得到的RDX 爆熱較其余兩種方法更接近VLW 狀態(tài)方程得到的爆熱值。

3)最大放熱量規(guī)則所得到的爆轟產(chǎn)物組成比例最接近VLW 狀態(tài)方程所得到的爆轟產(chǎn)物組成比例。

4)通過(guò)讓經(jīng)驗(yàn)算法得到的RDX 爆熱值與多個(gè)參考文獻(xiàn)中的RDX 爆熱值相比較可知,采用L-C法計(jì)算得到的單晶體RDX 炸藥的爆熱值較其余兩類(lèi)更為準(zhǔn)確。

5)此爆熱值同樣適用于各類(lèi)混裝炸藥爆熱的計(jì)算。