鋁粉粒徑對(duì)HMX基溫壓炸藥在密閉空間爆炸參數(shù)的影響

陳 坤，肖 偉，韓志偉，黃文龍，劉 婷，鄭素平，王伯良

(1.南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.山西江陽(yáng)化工有限公司，山西 太原 030041)

引 言

目前，溫壓炸藥主要是由高能炸藥、鋁粉及黏結(jié)劑組成，在密閉空間爆炸后沖擊波多次反射后使得鋁粉與空氣充分混合，增強(qiáng)了后燃反應(yīng)，產(chǎn)生持續(xù)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)周圍結(jié)構(gòu)造成實(shí)質(zhì)性破壞[1-3]。

鑒于溫壓炸藥在密閉環(huán)境中的殺傷效果更佳，研究人員對(duì)溫壓炸藥在密閉空間中的作用效果進(jìn)行了大量研究。陳昊等[4]對(duì)溫壓炸藥在有限空間的爆炸效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬，試驗(yàn)和模擬結(jié)果都發(fā)現(xiàn)了超壓曲線呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象。趙新穎等[5]對(duì)溫壓炸藥在爆炸堡中進(jìn)行爆炸試驗(yàn)，研究了沖擊波在爆炸堡內(nèi)的正反射和斜反射。張玉磊等[6]通過(guò)理論計(jì)算和爆炸罐試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)溫壓炸藥和TNT炸藥在爆炸罐中產(chǎn)生的沖擊波超壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行比較，得出同質(zhì)量的溫壓炸藥內(nèi)爆炸沖擊波超壓峰值、沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值均高于TNT炸藥。Waldemar A. Trzciński等[7-9]對(duì)溫壓炸藥的特性和測(cè)試方法進(jìn)行闡述，介紹了溫壓炸藥爆炸的3個(gè)階段和沖擊波的特點(diǎn)。

為了進(jìn)一步研究組分對(duì)溫壓炸藥在密閉空間中的爆炸效果，學(xué)者們通過(guò)改變鋁粉的含量和粒徑，分析其在密閉空間中的能量釋放規(guī)律。Chang-Kee Kim等[10]為T(mén)BX后燃燒過(guò)程開(kāi)發(fā)了精確具體的計(jì)算模型，并根據(jù)顆粒動(dòng)力學(xué)結(jié)果看出，選擇合適的鋁粉粒徑對(duì)于含鋁炸藥的能量輸出至關(guān)重要。李昆等[11]研究了含鋁澆注PBX炸藥對(duì)一維平板加速試驗(yàn)的影響，發(fā)現(xiàn)小尺寸的鋁粉反應(yīng)速率較快且有利于爆轟產(chǎn)物與鋁粉完全反應(yīng)。金朋剛等[12]對(duì)含13μm和130μm鋁粉的HMX基溫壓炸藥在密閉空間中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明小顆粒鋁粉有利于提高溫壓炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，但鋁粉粒度選擇跨度較大，不能準(zhǔn)確判斷鋁粉粒度對(duì)溫壓炸藥的影響規(guī)律。段曉瑜等[13]對(duì)含50nm、5μm和50μm的RDX基溫壓炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)試，并用平均降噪法對(duì)壓力曲線處理得到準(zhǔn)靜態(tài)壓力，得到50μm的準(zhǔn)靜態(tài)壓力比另外兩種都高。Jennifer Mott Peuker等[14]通過(guò)對(duì)123mg的含3、10和40μm的RDX基PBX炸藥進(jìn)行密閉空間爆炸測(cè)試，得出在爆炸后5～10ms內(nèi)取平均值得到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力隨著鋁粉粒徑在3～40μm范圍內(nèi)的增加而增加。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了大量有關(guān)鋁粉粒徑對(duì)RDX基溫壓炸藥在密閉空間內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力效應(yīng)研究，但對(duì)HMX基溫壓炸藥在密閉空間內(nèi)的反射波壓力和準(zhǔn)靜態(tài)壓力影響的研究較少。本研究采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，對(duì)含不同鋁粉粒徑的HMX基溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的反射波超壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行測(cè)試，研究鋁粉粒徑對(duì)HMX基溫壓炸藥內(nèi)爆炸壓力的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 樣 品

4種溫壓炸藥樣品由奧克托今(HMX)、鋁粉和黏結(jié)劑組成，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX，59%；Al，33%；黏結(jié)劑，8%。鋁粉粒徑分別為2.7、5.4、23.8和96.9μm，分別記為樣品1～樣品4。采用模壓法壓制成長(zhǎng)徑比為1∶1的溫壓炸藥藥柱，藥量為100g，相對(duì)密度保持在95%以上，藥柱均以8g壓裝8701炸藥為傳爆藥柱，用8號(hào)電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置為一球形爆炸罐，如圖1所示，爆炸罐內(nèi)徑為1.4m，容積約為1.3m3，容器的腰部設(shè)計(jì)有2個(gè)法蘭盤(pán)，用于安裝傳感器，正面開(kāi)有人孔，用于吊放炸藥。

圖1 球形爆炸罐示意圖Fig.1 Schematic diagram of spherical explosion tank

沖擊波壓力測(cè)試選用美國(guó)PCB公司的ICP型102B系列高頻壓電式壓力傳感器，工作帶寬≥500kHz，上升時(shí)間≤1μs，量程為6.89MPa。準(zhǔn)靜態(tài)壓力測(cè)試選用昆山雙橋傳感器測(cè)控公司生產(chǎn)的CYG401型壓阻式壓力傳感器，固有頻率為200kHz，上升時(shí)間為1μs，工作帶寬為0～1/3固有頻率，量程為3MPa。數(shù)據(jù)采集儀是瑞士ElsysAG公司的TraNET FE 208型多通道數(shù)據(jù)采集儀，工作采樣頻率為1MHz。

試驗(yàn)時(shí)，將藥柱從正面人孔懸掛于爆炸罐的中心位置，傳感器安裝在爆炸罐兩側(cè)法蘭盤(pán)上，見(jiàn)圖2。

圖2 爆炸罐傳感器安裝板Fig.2 Sensor mounting plate for explosion tank

壓電式傳感器靈敏度高，線性度好，適合動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試，用來(lái)采集反射波壓力數(shù)據(jù)，而壓阻式傳感器固有頻率低，適合靜態(tài)壓力測(cè)試，用來(lái)采集準(zhǔn)靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)。將反射波壓力傳感器安裝在1#和2#位置，準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器安裝在3#和4#位置。每組炸藥配方試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與討論

圖3為溫壓炸藥在爆炸罐內(nèi)爆炸后壓電式壓力傳感器采集的典型反射波壓力時(shí)程曲線。

圖3 典型壓力時(shí)程曲線Fig.3 Typical pressure time history curve

從圖3中可以看出，溫壓炸藥爆炸后沖擊波到達(dá)爆炸罐壁面產(chǎn)生反射波，此時(shí)，反射波的峰值壓力稱為反射波超壓，隨后反射波在爆炸罐內(nèi)不斷進(jìn)行反射，反射波壓力逐漸降低，最終壓力趨于穩(wěn)定被稱為準(zhǔn)靜態(tài)壓力。由于溫壓炸藥密閉空間內(nèi)爆炸的最終毀傷效果與反射波壓力和準(zhǔn)靜態(tài)壓力的協(xié)同作用密切相關(guān)[6]，因此，本研究從反射波超壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩方面對(duì)含不同鋁粉粒徑的HMX基溫壓炸藥試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 鋁粉粒徑對(duì)反射波超壓的影響

圖4為含不同鋁粉粒徑的溫壓炸藥在爆炸罐內(nèi)爆炸后1ms內(nèi)反射波壓力時(shí)程曲線。為了清晰地比較4條曲線的壓力趨勢(shì)防止曲線重疊，將曲線進(jìn)行平移處理。該壓力時(shí)程曲線反映出溫壓炸藥在密閉空間爆炸后的沖擊波發(fā)生反射后反射波壓力的大小。將壓力傳感器測(cè)得的反射波壓力數(shù)據(jù)處理后得到的超壓、沖量和正壓作用時(shí)間取平均值后列于表1中。

圖4 不同鋁粉粒徑的溫壓炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸波首峰壓力時(shí)程曲線Fig.4 The first peak pressure—time curve of explosion wave in confined space with different aluminum powder particle sizes

從表1中可以看到，溫壓炸藥超壓峰值和沖量的變化規(guī)律一致，都是隨著鋁粉粒徑的增大而先增大后減小。配方2的反射波超壓、沖量和正壓作用時(shí)間最高，分別為2242.2kPa，350.4Pa·s和0.832ms，比配方1的分別高13%、7.4%和1.5%，比配方3的分別高35.6%、16.8%和4.4%，比配方4的分別高47.8%、32.7%和7.4%。結(jié)果表明，鋁粉粒徑對(duì)HMX基溫壓炸藥的沖擊波威力影響作用明顯，尤其對(duì)反射波超壓的影響最大。

表1 不同鋁粉粒徑溫壓炸藥的內(nèi)爆試驗(yàn)爆炸參數(shù)

為確定溫壓炸藥在爆轟波傳播過(guò)程中是否有鋁粉參與反應(yīng)，通過(guò)式(1)對(duì)鋁粉的燃燒時(shí)間進(jìn)行估算[15]：

(1)

式中：Xeff=CO2+0.6CH2O+0.22CCO2，其中CO2、CH2O和CCO2分別為O2、H2O和CO2的氣體含量；a=0.0244；n=1.5；D為鋁粉顆粒直徑，μm；p為氣體壓力，大氣壓；T0為溫度，K；tb為燃燒時(shí)間，ms。

假設(shè)溫壓炸藥爆轟后，短時(shí)間內(nèi)沖擊波壓力和溫度保持不變，取p=10000大氣壓，T=4000K，此時(shí)計(jì)算得到鋁粉粒徑分別為2.7、5.4、23.8和96.9μm時(shí)，鋁粉燃燒時(shí)間分別為0.039、0.11、1.02和8.40ms。

溫壓炸藥爆轟形成的高溫高壓的環(huán)境，使得小顆粒微米鋁粉在溫壓炸藥爆轟后1ms內(nèi)參與反應(yīng)，為爆炸沖擊波的傳播提供能量，從而使得超壓和沖量增加，而粒徑較大的鋁粉參與反應(yīng)的較少。

由二次反應(yīng)理論[16]可知，在HMX炸藥爆轟反應(yīng)形成的高溫、高壓條件下，鋁粉與炸藥的爆轟反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)放出熱量，從而對(duì)反射波超壓、沖量作出貢獻(xiàn)。不同粒徑的鋁粉與炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)時(shí)提供的能量不同，鋁粉粒徑較小時(shí)，其比表面積較大，能夠快速吸收沖擊波的能量而達(dá)到活化溫度，從而與爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)為沖擊波的傳播提供能量，但鋁粉粒徑為2.7μm時(shí)，鋁粉中活性鋁含量較低，反應(yīng)提供的能量有限；鋁粉粒徑太大時(shí)，比表面積相對(duì)較小，氧化層厚度較厚，反應(yīng)時(shí)吸收較多的能量，在短時(shí)間內(nèi)，鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的量很少，為沖擊波傳播提供的能量較低。因此，反射波超壓峰值、沖量和正壓作用時(shí)間會(huì)隨著鋁粉粒徑的變化而變化，從壓力測(cè)試中可以看出，在鋁粉粒徑為5.4μm時(shí)，鋁粉在爆炸反應(yīng)中提供的能量較多，反射波超壓、沖量和正壓作用時(shí)間都較高。

2.2 鋁粉粒徑對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響

圖5為配方2溫壓炸藥爆炸后準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器采集的壓力時(shí)程曲線和用相鄰平均法(AAV)平滑處理后的曲線。

圖5 配方2壓力時(shí)程曲線和平滑處理后的曲線Fig.5 The pressure—time curve and smoothed curve of Formula 2

從圖5可以看出，為滿足壓電式壓力傳感器工作帶寬的要求，將工作采樣頻率設(shè)置為1MHz，此時(shí)壓阻式壓力傳感器測(cè)得的壓力時(shí)程曲線會(huì)出現(xiàn)曲線堆疊現(xiàn)象，因此需要對(duì)壓力時(shí)程曲線進(jìn)行平滑處理。

由圖5可知，測(cè)試的壓力曲線在記錄的時(shí)間內(nèi)大致分為3個(gè)階段[12]。第一階段在爆炸后0～10ms為壓力曲線的初始上升階段，該階段表現(xiàn)為壓力上升且大幅震蕩，主要是沖擊波在爆炸罐中不斷的反射過(guò)程，持續(xù)時(shí)間較短。根據(jù)以上分析，在這個(gè)過(guò)程中，已有部分鋁粉發(fā)生了反應(yīng)；第二階段在爆炸后10～100ms為壓力的非線性下降階段，該階段爆炸罐內(nèi)處于高溫高壓的環(huán)境中，鋁粉會(huì)在反射波的作用下與爆炸產(chǎn)物和空氣發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)放出大量的熱量，但罐內(nèi)氣體溫度與外部溫度溫差較大，鋁粉放熱提供的熱量不足以使罐內(nèi)保持高溫環(huán)境，準(zhǔn)靜態(tài)壓力衰減較快。Trzcinski W A[17]用指數(shù)衰減公式近似描述了該段的壓力曲線，該階段為爆炸后持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，能夠?qū)摅w產(chǎn)生持續(xù)壓力；第三階段大致在爆炸后100～1000ms為壓力近似線性的緩慢下降，該階段沒(méi)有鋁粉參與反應(yīng)，爆炸罐密閉體系中溫度相對(duì)較低，壓力下降緩慢。第一階段主要是由于反射波壓力使得曲線波動(dòng)較大，爆炸罐內(nèi)壓力未達(dá)到穩(wěn)定，第三階段主要與爆炸罐體系的熱傳導(dǎo)有關(guān)，因此下文中主要研究第二階段。

圖5中壓力時(shí)程曲線噪音過(guò)大，難以對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行判斷，因此需要對(duì)曲線進(jìn)行平滑降噪處理。圖6為0～100ms內(nèi)取窗口點(diǎn)數(shù)為6000pts AAV時(shí)的壓力時(shí)程曲線。

圖6 6000pts AAV時(shí)的壓力時(shí)程曲線Fig.6 Pressure—time curve of 6000pts AAV

將壓力時(shí)程曲線經(jīng)過(guò)上述方法進(jìn)行處理后，曲線較為光滑，壓力分布較均勻，滿足準(zhǔn)靜態(tài)壓力的定義，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的介紹，可采用式(2)表征密閉空間爆炸后在第二階段壓力的衰減過(guò)程，并以此階段的壓力衰減系數(shù)ω作為表征爆炸罐內(nèi)壓力衰減的快慢，其值越大，壓力衰減越快。

p2(t)=(pQS-px)exp[-ω(t-tQS)]+px,

tQS≤t

(2)

式中：p2(t)為第二階段的壓力值，kPa；pQS為降噪處理后的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，kPa；px為第三階段的初始?jí)毫χ?，kPa；tQS為準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間，ms；tx為第三階段的初始時(shí)間，ms。

取爆炸后100ms為第三階段的開(kāi)始時(shí)間，將樣品爆炸后的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測(cè)得的壓力時(shí)程曲線按照上文所述的方法進(jìn)行處理后得到的特征參數(shù)列于表2中。

表2 不同配方的準(zhǔn)靜態(tài)壓力特征參數(shù)

由表2結(jié)果可知，配方2的溫壓炸藥爆炸后的準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高，為351.20kPa，分別比配方1、3、4高3.9%、1.8%和1.6%；準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間tQS隨著鋁粉粒徑的增加而增加，配方4的tQS分別比配方1、2和3高19.0%、13.8%和11.3%；壓力衰減系數(shù)ω隨著鋁粉粒徑的增加而減小，配方4的ω分別比配方1、2和3低35.4%、7.1%和5.5%。

以上結(jié)果表明，含5.4μm鋁粉(配方2)的溫壓炸藥爆炸后產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高，因?yàn)殇X粉粒徑較小時(shí)，更容易與溫壓炸藥的爆轟產(chǎn)物和空氣反應(yīng)，從而使溫壓炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力提高。而2.7μm的鋁粉(配方1)，活性鋁含量也較低，與爆轟產(chǎn)物和空氣反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的能量較低，因而準(zhǔn)靜態(tài)壓力最低，壓力衰減系數(shù)大，準(zhǔn)靜態(tài)壓力衰減較快，但其比表面積大，與爆轟產(chǎn)物和空氣的接觸面積大，能夠更快地參與反應(yīng)，減少準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間。對(duì)于23.8μm的鋁粉(配方3)和96.9μm的鋁粉(配方4)，粒徑較大，活性鋁含量較高，與爆轟產(chǎn)物和空氣反應(yīng)后，釋放更多的能量，從而提高準(zhǔn)靜態(tài)壓力。但鋁粉粒徑偏大時(shí)，比表面積小，與溫壓炸藥的爆轟產(chǎn)物和空氣接觸面積小，反應(yīng)速率偏慢，準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間較長(zhǎng)，壓力衰減較慢。因此，含粒徑5.4μm鋁粉的HMX基溫壓炸藥，初始準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值較高，而衰減系數(shù)較大，含粒徑96.9μm鋁粉的HMX基溫壓炸藥，初始準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值較低，但衰減系數(shù)較小。

3 結(jié) 論

(1)鋁粉粒徑對(duì)HMX基溫壓炸藥的反射波超壓和沖量有較大影響，隨著鋁粉粒徑的提高，反射波超壓和沖量呈先增大后減小的趨勢(shì)。鋁粉粒徑為5.4μm的溫壓炸藥，反射波超壓和沖量最大，分別比鋁粉粒徑為2.7μm的溫壓炸藥高13%和7.4%，比23.8μm的高35.6%和16.8%，比96.9μm的高47.8%和32.7%。

(2)鋁粉粒徑對(duì)HMX基溫壓炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力(pQS)有影響，鋁粉粒徑為5.4μm時(shí)pQS最高，分別比配方1、比配方3和配方4高3.9%、1.8%、1.6%。準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間(tQS)隨著鋁粉粒徑的增加而增加，壓力衰減系數(shù)ω隨著鋁粉粒徑的增加而減小。表明在一定范圍內(nèi)，鋁粉粒徑越大，準(zhǔn)靜態(tài)壓力衰減越慢。

(3)為提高HMX基溫壓炸藥的沖擊波壓力和準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用效果，在配方設(shè)計(jì)中可采用小粒徑鋁粉與大粒徑鋁粉級(jí)配，從而使得HMX基溫壓炸藥的爆炸參數(shù)更高。