爆容彈體內(nèi)部爆炸氣體產(chǎn)物p-V-T關系的試驗研究

［摘 要］為了解爆炸氣體狀態(tài)方程對高能非理想炸藥爆容計算結果的影響，利用20 L密封彈體開展典型含鋁炸藥起爆試驗。采用陣列式鉑熱電阻測試了炸藥爆炸產(chǎn)物的溫度分布。選擇范德華方程和理想氣體狀態(tài)方程做對比分析，精確測量了不同溫度條件下彈體內(nèi)部的氣壓，定量分析了爆炸氣體產(chǎn)物的組成，計算得到范德華壓力修正系數(shù)和體積修正系數(shù)分別為1.5×10^-5和2.1×10^-4。試驗驗證了理想氣體狀態(tài)方程描述爆轟產(chǎn)物的適用性。結果表明：相對于實際測量的壓力和容積，壓力修正項和體積修正項屬于可以忽略的量；典型含鋁炸藥爆炸的氣體產(chǎn)物可以使用p=kT的簡單線性關系進行描述;試驗條件下，典型非理想炸藥爆炸產(chǎn)物的狀態(tài)基本符合理想狀態(tài)假設。

［關鍵詞］應用化學；爆容；內(nèi)爆炸；狀態(tài)方程

［分類號］TQ560.7；TJ41

Experimental Study on p-V-T Relationship of Explosive Gas Products inside the

Small Explosion Chamber

LI Hongbin， JIN Penggang， YANG Jian， REN Songtao

Xi’an Institute of Modern Chemistry （Shaanxi Xi’an， 710065）

［ABSTRACT］In order to understand the influence of the state equation of explosive gas on the calculation results of the explosive volume of high-energy non-ideal explosives， typical aluminized explosive detonation tests were carried out using a 20 L sealed projectile. The temperature distribution of explosive products was tested using an array of platinum resistors. Van der Waals equation and ideal gas state equation were compared and analyzed. The gas pressures inside the projectile under different temperature conditions was accurately measured. Quantitative analysis was conducted on the composition of detonation gas products. The Van der Waals pressure correction coefficient and volume correction coefficient were calcula-ted to be 1.5×10^-5 and 2.1×10^-4， respectively. The experiment verified the applicability of the ideal gas state equation to describe detonation products. The results indicate that compared to the actual measured pressure and volume， the pressure correction term and volume correction term are negligible quantities. The typical explosive gas products of aluminized explosives can be described using a simple linear relationship of p=kT. The state of typical non-ideal explosive products under experimental conditions basically conforms to the assumption of ideal state.

［KEYWORDS］applied chemistry; volume of detonation product; detonation; equation of state

0 引言

爆容是炸藥“五爆”參數(shù)之一，一定程度上決定了炸藥的做功效率，是炸藥性能表征的關鍵參數(shù)^［1］。炸藥爆容的獲取方法主要分為試驗測試和理論計算兩大類。

基于理想氣體狀態(tài)方程，學者們研究了軍用炸藥爆容測試的溫度-壓力法，并于1997年建立了炸藥爆容測試國家軍用標準^［2］。2021年，針對非理想炸藥爆容測試的需求，提出修訂該試驗方法，著重提升非理想炸藥爆容測試結果的準確性。黃達權^［3］提供了一種工業(yè)炸藥氣體產(chǎn)物爆容（干）的試驗方法，并給出了8^#工業(yè)電雷管、TNT以及2^#巖石炸藥的爆容。

理論計算方法主要包括爆炸產(chǎn)物的狀態(tài)方程、經(jīng)驗公式和熱力學爆炸理論等^［4］。趙明生等^［5］為研究炸藥-巖石的匹配效果，采用經(jīng)驗公式計算了不同配方炸藥的爆容。徐文源^［6］用相應的組分貢獻量按用量系數(shù)相加，給出了一種計算工業(yè)炸藥爆容的原理和方法;但該方法難以考慮炸藥反應完全性對爆容的影響。王中友等^［7］建立了產(chǎn)物自由膨脹模型和等體積放熱模型，基于自編熱化學程序和多種經(jīng)驗方法，研究了常用單質(zhì)炸藥在爆熱彈中產(chǎn)物組分的演化規(guī)律。然而，這種計算方法用于計算非理想炸藥和新概念炸藥的爆容時難度較大。還有基于最大放熱理論的熱力學經(jīng)驗計算方法，也是工程上較為常用的方法之一^［8-9］。

現(xiàn)階段，通過試驗獲得炸藥爆容仍然是最為可靠的方法。爆容測試的基本原理是將樣品在真空密閉容器中引爆，用傳感器測量容器內(nèi)部氣體的壓力和溫度，利用氣體狀態(tài)方程計算密閉容器內(nèi)部爆炸的氣體產(chǎn)物在標準狀態(tài)下的體積。目前，已經(jīng)能夠準確地測量爆炸氣體產(chǎn)物的壓力和溫度，炸藥爆容測試結果的準確性很大程度上依賴于氣體狀態(tài)方程的選擇。

爆炸產(chǎn)物中可能存在固體碳、氧化鋁和少量液態(tài)水等非氣態(tài)組分，這些組分會對氣體產(chǎn)物的狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響。通常，將溫度大于500 K或者氣壓不高于1.01×10⁵ Pa時的氣體當作理想氣體。當氣壓超過15.0 MPa時，使用理想氣體狀態(tài)方程描述氣體會產(chǎn)生較大誤差。研究表明，非理想炸藥在常規(guī)爆容彈體內(nèi)部爆炸之后，氣體產(chǎn)物的壓力約為0.3～1.0 MPa，加熱之后的溫度大約為200℃。因此，實際的爆炸氣體產(chǎn)物不屬于常見的理想氣體狀態(tài)，此情況下能否繼續(xù)使用理想氣體狀態(tài)方程計算炸藥的爆容，成為爆容測試方法修訂需要回答的核心問題之一。

本文中，選擇典型含鋁炸藥作為試驗樣品，測試了爆容彈體內(nèi)部的溫度T和氣體產(chǎn)物的壓力p，并試驗分析了樣品爆炸后的氣體組分，從而研究爆炸氣體產(chǎn)物壓力p、體積V與溫度T之間的關系。

1 試驗

1.1 試驗原理

采用保壓法對爆容彈在常溫和高溫下的密封性能做了測試。利用氣相色譜儀對爆炸氣體產(chǎn)物的組成做定量分析，根據(jù)范德華方程計算了范德華常數(shù)。進一步開展了165、175、185、195、205℃等間隔升溫試驗。

炸藥樣品在爆容彈體內(nèi)部起爆；加熱爐和電控系統(tǒng)對爆容彈實施精準加熱；一定時間后，將爆炸氣體產(chǎn)物通過銅管引出，利用三通接口安裝的溫度、壓力傳感器記錄彈體內(nèi)部的溫度和壓力。通過改變彈體溫度，獲得一組溫度、壓力數(shù)據(jù)，據(jù)此擬合爆炸氣體產(chǎn)物的狀態(tài)方程。

1.2 試驗器材

爆容彈：鋼制爆炸容器，是爆容試驗裝置的核心，容積約20 L；能夠重復承受200 g TNT當量的爆炸。爆容彈體的最大應變ε_max滿足：

式中：［σ］是爆容彈體的許用應力；E是爆容彈體的彈性模量。

爆容彈體通過了爆炸加載考核試驗，爆炸當量分別為100、150、200 g TNT。

溫度、壓力記錄系統(tǒng)：由安裝在容器氣體引出管上的傳感器和無紙記錄儀組成。

CYG1163型中、高溫壓力變送器：量程0～10 MPa，24 V DC供電，電流輸出4～20 mA，工作溫度55～200℃，精度級別C級（0.25%FS）。

Pt100鉑熱電阻：?3.0 mm，M16×1.5型卡套螺紋，長100 mm，引線4 m。

LU-C1000型無紙記錄儀：單色液晶顯示，輸入類型包含熱電偶、熱電阻，電流輸出4～20 mA或0～10 mA，24 V DC供電，R-RS232通訊，U盤存儲。

6890型氣相色譜儀：美國安捷倫公司。

1.3 試驗樣品

選取2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基含鋁炸藥DHL-1作為典型非理想炸藥爆容試驗樣品。使用10 g帶8^#雷管孔的JH-14起爆藥柱端面起爆。DHL-1炸藥組分的質(zhì)量分數(shù)見表1。

2 結果與討論

2.1 保壓試驗結果

裝配爆容彈和炸藥樣品，內(nèi)部充入1.0 MPa空氣，采用壓力傳感器測試起爆后的壓力，無紙記錄儀記錄壓力的變化，保壓時間為5 h。常溫保壓測試結果如圖1所示，經(jīng)過5 h，爆容彈體內(nèi)部氣壓降低0.003 MPa，壓力下降率為0.3%。

為考察爆容彈經(jīng)過長時間加熱時的密封性，進一步開展高溫保壓試驗。在容器內(nèi)部充入0.5 MPa的空氣，當容器壁面溫度達到230℃時，對容器進行保溫2 h。采用壓力傳感器和無紙記錄儀對容器內(nèi)部的壓力進行測試和記錄。如圖2所示，爆容彈內(nèi)部壓力下降了0.01 MPa，壓力下降率為2.0%。

2.2 爆炸產(chǎn)物的組成

為了解DHL-1炸藥爆炸后的氣體產(chǎn)物的組成，在壓力測試接口處以連接氣袋的方式收集氣體，采用氣相色譜儀對氣體產(chǎn)物的組成做定量分析。結果如表2所示?？梢?，N₂、CO、CO₂是爆炸產(chǎn)物中3種主要的氣體組分，占據(jù)了90%以上的體積。

1873年，范德華從理想氣體與真實氣體的差別出發(fā)，用硬球模型來處理真實氣體，提出了用壓力修正項a/V²、體積修正項b來修正壓力與體積的想法。真實氣體狀態(tài)方程為

式中：p為壓力；V為氣體體積；a、b為范德華常數(shù)；n為氣體的物質(zhì)的量；R為摩爾氣體常數(shù)。

當p→0、V→∞時，式（1）就退化成理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT。

根據(jù)范德華方程，可以用n²a/（pV²）和nb/V來顯示壓力修正項和體積修正項對整體計算的影響。以最為嚴格的情況進行計算，即a、b都以可能存在的組分中取值最大的CO₂代入計算，其中：

a=365.8×10^-3 Pa·m⁶/mol²；

b=42.9×10^-6 m³/mol。

本文中，可能涉及的某些氣體的范德華常數(shù)如表3所示。

目前，軍用混合炸藥在20 L爆容彈體中爆炸后被加熱到175℃，測到的最高壓力為0.67 MPa（高能非理想炸藥爆容標準物質(zhì)的壓力為0.61 MPa），取p=0.6 MPa代入計算，結果如下：

可見，本研究條件下，相對于實際測到的壓力和容積，壓力修正項和體積修正項屬于可以忽略的量。

2.3 真實氣體狀態(tài)方程的影響驗證試驗

為了驗證計算結果，開展了驗證試驗。取1發(fā)非理想炸藥爆容標準物質(zhì)，使用10 g傳爆藥起爆。然后，將爆容彈加熱至155℃并保持恒溫，利用壓力傳感器和溫度傳感器同時測量數(shù)據(jù)。然后，以10℃為間隔開始一組加熱試驗，分別加熱至165、175、185、195、205℃，并保持恒溫，利用壓力傳感器和溫度傳感器同時測量數(shù)據(jù)。試驗結果如表4所示。

將試驗結果以壓力為橫坐標、溫度為縱坐標做線性擬合可知，本試驗條件下壓力和溫度呈現(xiàn)出較好的線性關系。

試驗結果表明，本研究條件下，非理想炸藥爆容標準物質(zhì)爆炸氣體產(chǎn)物可以使用p=kT的簡單線性關系進行描述。結合理論計算的結果可以認為，本研究條件下，非理想炸藥爆容標準物質(zhì)爆炸氣體產(chǎn)物符合理想氣體的狀態(tài)方程pV=nRT。

3 結論

1）非理想炸藥在20 L密閉容器中爆炸，能產(chǎn)生大約0.6 MPa的氣壓。該狀態(tài)下，爆炸氣體產(chǎn)物不能直接使用理想氣體狀態(tài)方程描述，需要進一步研究確定適當?shù)臓顟B(tài)方程。

2）本研究條件下，相對于實際測量的壓力和容積，壓力修正項和體積修正項屬于可忽略的量。

3）通過等間隔升溫試驗驗證了爆炸產(chǎn)物氣體壓力和溫度的關系。結果表明，非理想炸藥爆容標準物質(zhì)爆炸氣體產(chǎn)物可以使用p=kT的簡單線性關系進行描述，進一步證明了本試驗條件下采用理想氣體狀態(tài)方程描述爆炸產(chǎn)物狀態(tài)是可行的。

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