黑索今基含鋁炸藥水下爆炸性能的實(shí)驗(yàn)研究

榮吉利， 趙自通， 馮志偉， 韋輝陽， 潘昊， 徐洪濤， 辛鵬飛

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院, 北京 100081; 2.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所, 北京 100094;3.西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065; 4.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

0 引言

黑索今(RDX)基含鋁炸藥是一種軍用高能炸藥，其廣泛用于填裝魚雷等水中兵器戰(zhàn)斗部。RDX基含鋁炸藥在水下爆炸過程中，鋁粉的二次反應(yīng)會(huì)釋放出大量能量，極大影響了水下爆炸性能和能量結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而影響毀傷效果。因此，研究RDX基含鋁炸藥水下爆炸性能可以為新型含鋁炸藥研制與水中兵器高效毀傷提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于含鋁炸藥水下爆炸的研究開展了很多工作。朱錫等[1]、牟金磊等[2]在水箱中開展了TNT炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，得到了不同藥量下水下爆炸氣泡最大半徑和脈動(dòng)周期等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)。馮凇等[3-4]在水箱中開展了CL-20基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，采用高速攝影技術(shù)觀測(cè)到了氣泡脈動(dòng)過程，證明了水下爆炸測(cè)試技術(shù)與高速相機(jī)攝影技術(shù)是研究觀測(cè)含鋁炸藥二次反應(yīng)的有效手段，結(jié)合數(shù)值仿真對(duì)比分析了CL-20基含鋁與非含鋁炸藥水下爆炸性能。項(xiàng)大林等[5]進(jìn)行了水下爆炸實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了距爆心1～3 m處的沖擊波壓力峰值與氣泡脈動(dòng)周期，擬合得到了沖擊波壓力峰值與衰減時(shí)間常數(shù)的相似律系數(shù)。項(xiàng)大林等[6]結(jié)合水下爆炸實(shí)驗(yàn)與MSC.DYTRAN軟件分析了RDX/AP基含鋁炸藥水下爆炸性能差異。王樹山等[7]為了研究爆炸水幕形態(tài)與水流場(chǎng)變化之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了小當(dāng)量RDX裝藥水箱內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了3種典型氣泡形態(tài)和6種典型水幕形態(tài)。榮吉利等[8]對(duì)1 kg柱形某含鋁炸藥進(jìn)行了水下5 m的水池爆炸實(shí)驗(yàn)，并基于AUTODYN軟件對(duì)含鋁炸藥水下爆炸沖擊波與氣泡脈動(dòng)進(jìn)行了模擬，研究了非理想爆轟對(duì)沖擊波與氣泡脈動(dòng)特性的影響。梁浩哲等[9]利用AUTODYN數(shù)值模擬軟件對(duì)深水條件下TNT爆炸過程進(jìn)行計(jì)算，分析了水下爆炸沖擊波壓力衰減過程和氣泡脈動(dòng)過程。然而，在水下爆炸的實(shí)驗(yàn)研究方面，前人主要是在水箱中進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)的，水下爆炸過程中沖擊波在水箱壁面的反射，會(huì)直接影響氣泡脈動(dòng)過程。在鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)的影響分析方面，前人主要是借助仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的。

本文為了更準(zhǔn)確地研究RDX基含鋁炸藥水下爆炸性能。在戶外水池中開展了不同含鋁量及不同藥量的RDX基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，采用高速攝影機(jī)拍攝到清晰的氣泡脈動(dòng)圖像，采用壓力傳感器對(duì)水中壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在該實(shí)驗(yàn)條件下，首次拍攝到RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中二次反應(yīng)現(xiàn)象，證明了鋁粉的二次反應(yīng)是毫秒量級(jí)的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了不同含鋁量的RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中氣泡脈動(dòng)特性以及水流場(chǎng)壓力特性。

1 水下爆炸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

RDX基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)戶外水池中進(jìn)行的。由于5 g藥量便于進(jìn)行氣泡脈動(dòng)的觀測(cè)，在1號(hào)水池中進(jìn)行5 g藥量不同配方的RDX基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，圖1是1號(hào)水池水下爆炸實(shí)驗(yàn)示意圖；50 g藥量便于分析不同含鋁量下水流場(chǎng)壓力的差異，在2號(hào)水池中進(jìn)行50 g藥量不同配方的RDX基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，圖2是2號(hào)水池水下爆炸實(shí)驗(yàn)示意圖。

實(shí)驗(yàn)中選用美國(guó)PCB138系列水下激波壓力傳感器，實(shí)驗(yàn)前對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，傳感器位置與炸藥中心在同一高度。信號(hào)適配器采用美國(guó)PCB483C30信號(hào)適配器。實(shí)驗(yàn)中選用HBM公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣速度為20 Mb/s. 實(shí)驗(yàn)選用的高速相機(jī)是德國(guó)PCO公司生產(chǎn)的高速相機(jī)，實(shí)驗(yàn)中相機(jī)頻率為1 000幀/s.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案制定

水下爆炸實(shí)驗(yàn)中選用的實(shí)驗(yàn)炸藥均采用圓柱形壓裝方式，藥量分別是5 g以及50 g，具體配方均如表1所示。

表1 RDX基含鋁炸藥配方

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)圖像分析

圖3是5 g含鋁量為30%的RDX基含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)過程圖像。從氣泡脈動(dòng)圖像中可以清晰地觀察到氣泡脈動(dòng)過程，圖3中的亮斑是氣泡脈動(dòng)過程中鋁粉的二次反應(yīng)現(xiàn)象。RDX基含鋁炸藥起爆后，高溫高壓爆炸產(chǎn)物壓縮周圍水介質(zhì)迅速膨脹。在膨脹初期，爆炸產(chǎn)物內(nèi)高溫高壓環(huán)境導(dǎo)致一部分鋁粉發(fā)生二次反應(yīng)，增強(qiáng)了氣泡脈動(dòng)能力。隨著氣泡繼續(xù)膨脹，氣泡內(nèi)的壓力越來越小，鋁粉的二次反應(yīng)也越來越弱。在慣性作用下氣泡膨脹到最大半徑時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力已經(jīng)小于周圍水流場(chǎng)的壓力，鋁粉的二次反應(yīng)幾乎不發(fā)生。隨后氣泡因?yàn)閮?nèi)外壓力差進(jìn)入收縮階段，氣泡內(nèi)的壓力也在逐漸增大。當(dāng)氣泡收縮到最小半徑時(shí)，即t=62 ms時(shí)，氣泡內(nèi)的壓力最大，此時(shí)又有一部分的鋁粉發(fā)生了二次反應(yīng)。接著氣泡上表面向氣泡內(nèi)部凹陷，產(chǎn)生豎直向下的射流。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含鋁炸藥水下爆炸過程中鋁粉的反應(yīng)時(shí)間問題一直存在著異議。Cook等[10]提出的二次反應(yīng)理論認(rèn)為鋁粉是惰性物質(zhì)在爆轟區(qū)內(nèi)不反應(yīng)，鋁粉是在爆轟產(chǎn)物膨脹階段與爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，即二次反應(yīng)。二次反應(yīng)的時(shí)間為爆轟結(jié)束后的十幾到幾十微秒。而Mader[11]認(rèn)為鋁粉一般是在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)的，其能量可以支持爆轟波傳播。Baudin等[12]、Guirguis等[13]在1993年提出鋁粉是在十幾至上百微秒內(nèi)反應(yīng)完全的。通過圖3可以看出，含鋁量為30%的5 g RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中，鋁粉在氣泡膨脹階段和收縮階段都發(fā)生了二次反應(yīng)，證明了RDX基含鋁炸藥的二次反應(yīng)是毫秒量級(jí)的，并且鋁粉在氣泡膨脹初期和氣泡收縮末期階段都發(fā)生了二次反應(yīng)。

2.2 氣泡脈動(dòng)規(guī)律對(duì)比分析

本節(jié)基于5 g炸藥組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中氣泡脈動(dòng)特性。

圖4是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同含鋁量的5 g RDX基含鋁炸藥水下爆炸氣泡半徑時(shí)程曲線，其中R為氣泡半徑。從圖4中可以明顯看出，RDX單質(zhì)炸藥的最大半徑和周期明顯小于RDX基含鋁炸藥。結(jié)合表2，其中Rmax為氣泡最大半徑，T為氣泡脈動(dòng)周期。RDX單質(zhì)炸藥的氣泡最大半徑為287.8 mm，30%含鋁量的RDX基含鋁炸藥氣泡最大半徑為341.4 mm，與單質(zhì)炸藥相比氣泡最大半徑增大了18.6%；單質(zhì)的氣泡脈動(dòng)周期為54 ms，30%含鋁量的氣泡脈動(dòng)周期為62ms，與單質(zhì)相比氣泡脈動(dòng)周期增大了14.8%。這充分說明了鋁粉的二次反應(yīng)可以有效地增大氣泡膨脹的最大半徑以及氣泡脈動(dòng)周期。從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，含鋁量的變化影響著氣泡脈動(dòng)的最大半徑和周期。在含鋁量為30%以內(nèi)時(shí)，隨著含鋁量的增加，氣泡最大半徑在逐漸增大，氣泡脈動(dòng)周期也在逐漸增大。

表2 5 g RDX基含鋁炸藥氣泡最大半徑及周期

圖5是5 g不同含鋁量的RDX基含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)速度v時(shí)程曲線。圖6是5 g不同含鋁量的RDX基含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)加速度a時(shí)程曲線。在炸藥爆轟完成后，氣泡初始速度和加速度均最大，隨后速度和加速度均減小；當(dāng)氣泡膨脹到最大半徑時(shí)，氣泡膨脹速度減小為0；在氣泡收縮階段，氣泡運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，速度和加速度均在逐漸增大，直到一次氣泡脈動(dòng)結(jié)束。RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)氣泡脈動(dòng)的速度和加速度均有一定影響。

圖5 5 g RDX基含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curves of pulsating velocity of bubble for 5 g RDX-based aluminized explosives

2.3 水流場(chǎng)壓力對(duì)比

本節(jié)基于50 g炸藥組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中水流場(chǎng)的壓力特性。

圖7是沖擊波壓力傳感器測(cè)得的50 g含鋁量為30%RDX基含鋁炸藥在爆距為2 m處的沖擊波壓力p時(shí)程曲線。

圖7 含鋁量為30%的50 g RDX基含鋁炸藥在爆距2 m處沖擊波壓力時(shí)程曲線Fig.7 Pressure history of shock wave of 50 g RDX-based aluminized explosive with aluminum cotent of 30% at detonation distance of 2 m

圖8是50 g RDX單質(zhì)炸藥與50 g含鋁量為30%RDX基含鋁炸藥在爆距為2 m處的沖擊波壓力p時(shí)程曲線對(duì)比圖。從圖8中可以看出，RDX單質(zhì)炸藥和RDX基含鋁炸藥的沖擊波壓力峰值基本一致，說明RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)沖擊波峰值的影響很小。在沖擊波后期，RDX基含鋁炸藥的沖擊波壓力曲線在RDX單質(zhì)炸藥的沖擊波壓力時(shí)程曲線的上方，說明鋁粉的二次反應(yīng)減緩了沖擊波的衰減速度。圖9對(duì)比了50 g不同含鋁量下RDX基炸藥在不同爆距下的沖擊波壓力峰值，其中L表示爆距。由圖9可見，不同含鋁量下沖擊波峰值基本一致，這也說明了水下爆炸過程中鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)沖擊波峰值的影響很小。爆距從1 m增大到4 m，沖擊波峰值壓力值衰減了78%，說明隨著爆距的增大，沖擊波壓力峰值在迅速衰減。

圖8 50 g單質(zhì)炸藥含鋁量為30%的與50 g RDX基含鋁炸藥在爆距2 m處沖擊波壓力時(shí)程曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of pressure history curves of shock waves of 50 g single compound explosive and 50 g RDX-based aluminized explosive at detonation distance of 2 m

圖9 50 g RDX基含鋁炸藥水下爆炸壓力峰值隨爆距的變化Fig.9 Peak-pressure vs. distance for different 50 g RDX-based aluminized explosives

沖擊波過后，氣泡先膨脹又收縮，當(dāng)氣泡收縮到最小時(shí)，水中的壓力又逐漸上升，出現(xiàn)二次壓力波，二次壓力波的峰值就是氣泡脈動(dòng)壓力峰值。圖7中110～120 ms產(chǎn)生的峰值即氣泡脈動(dòng)壓力峰值。圖10是50 g不同含鋁量下RDX基含鋁炸藥在爆距2 m處的氣泡脈動(dòng)壓力峰值對(duì)比圖。與單質(zhì)RDX炸藥對(duì)比可以看出，RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中鋁粉的二次反應(yīng)增大了氣泡脈動(dòng)能力，使得RDX基含鋁炸藥的氣泡脈動(dòng)壓力峰值明顯大于RDX單質(zhì)炸藥的氣泡脈動(dòng)壓力峰值。從圖10中還可以看出，含鋁量在30%以內(nèi)時(shí)，隨著含鋁量的增大，氣泡脈動(dòng)壓力不斷地增大，最大可增大至RDX單質(zhì)炸藥氣泡脈動(dòng)壓力峰值的2.3倍。

圖10 爆距2 m處的氣泡脈動(dòng)壓力峰值隨著含鋁量的變化Fig.10 Pressure peak of bubble pulsation vs. aluminium content at detonation distance of 2 m

2.4 能量結(jié)構(gòu)分布對(duì)比

本節(jié)基于50 g炸藥組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了RDX基含鋁炸藥水下爆炸能量結(jié)構(gòu)分布。

水下爆炸過程中，爆轟波傳播到炸藥與水交界處時(shí)，爆炸能量一部分以初始沖擊波的形式在水中傳播，剩余部分能量則保留在氣泡中，維持后續(xù)的氣泡脈動(dòng)。隨著沖擊波的傳播，沖擊波能逐漸減少，所以不同爆距處的沖擊波能是不同的。水下爆炸的總能量可以表示為

E=Es+Eb+El，

(1)

式中：E表示水下爆炸總能量；Es表示沖擊波能；Eb表示氣泡能；El表示損失的沖擊波能。

沖擊波能[14]為

(2)

式中：ρw表示水介質(zhì)的密度；cw表示水介質(zhì)的聲速；θ表示沖擊波衰減常數(shù)。

氣泡能[14]為

(3)

式中：ph表示爆心處的靜水壓；Tb表示第一次氣泡脈動(dòng)周期。

圖11對(duì)比了不同含鋁量的50 g RDX基含鋁炸藥水下爆炸的沖擊波能和氣泡能，其中沖擊波能表示的是距離爆心2 m處的沖擊波能。表3是對(duì)應(yīng)的沖擊波能與氣泡能的值。從圖11、表3中可以看出：鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)沖擊波能的影響很小，對(duì)氣泡能的影響很大；含鋁量在30%以內(nèi)，隨著含鋁量增大，氣泡能在不斷增大，最大增大到RDX單質(zhì)炸藥水下爆炸氣泡能的1.7倍。

圖11 爆距2 m處的沖擊波能和氣泡能隨著含鋁量的變化Fig.11 Shock wave energy and bubble energy vs. aluminium content at detonation distance of 2 m

表3 不同含鋁量下沖擊波能和氣泡能

3 結(jié)論

本文在戶外水池中開展了不同藥量和含鋁量的RDX基含鋁炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)，采用高速相機(jī)拍攝到清晰的氣泡脈動(dòng)圖像，利用壓力傳感器對(duì)水中壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論：

1)首次拍攝到RDX基含鋁炸藥水下爆炸過程中二次反應(yīng)現(xiàn)象，證明了RDX基含鋁炸藥的二次反應(yīng)是毫秒量級(jí)的，并且鋁粉的二次反應(yīng)現(xiàn)象在氣泡的膨脹初期和氣泡收縮的末期階段都發(fā)生了。

2)鋁粉的二次反應(yīng)明顯增大了氣泡脈動(dòng)能力。含鋁量在30%以內(nèi)時(shí)，隨著含鋁量增大，氣泡最大半徑和脈動(dòng)周期都在持續(xù)增大，氣泡最大半徑增大了19%，脈動(dòng)周期增大了15%。鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)氣泡脈動(dòng)速度和加速度都有一定影響。

3)鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)沖擊波峰值的影響很小，但可以減緩沖擊波的衰減速度。鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)氣泡脈動(dòng)壓力峰值的影響很大，含鋁量在30%以內(nèi)時(shí)，隨著含鋁量增大，氣泡的脈動(dòng)壓力最大可增大至RDX單質(zhì)炸藥氣泡脈動(dòng)壓力峰值的2.3倍。

4)鋁粉的二次反應(yīng)影響了水下爆炸能量結(jié)構(gòu)分布。鋁粉的二次反應(yīng)對(duì)沖擊波能影響很小，對(duì)氣泡能影響很大。含鋁量在30%以內(nèi)，隨著含鋁量增大，氣泡能在不斷增大，最大增大到RDX單質(zhì)炸藥水下爆炸氣泡能的1.7倍。