Al／AP對(duì)RDX 基復(fù)合炸藥水中爆炸參數(shù)的影響

馮曉軍，韋國(guó)平，徐洪濤，嚴(yán)家佳

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

炸藥在水中爆炸大體上分為3個(gè)階段：炸藥的爆轟、沖擊波的產(chǎn)生和傳播、氣泡的形成和脈動(dòng)［1］，沖擊波表征了炸藥爆炸的強(qiáng)動(dòng)態(tài)作用，在近距離內(nèi)對(duì)目標(biāo)的局部破壞起決定性作用；氣泡脈動(dòng)表征了炸藥爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)作用，在遠(yuǎn)距離對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性整體破壞。長(zhǎng)期以來(lái)，人們重點(diǎn)關(guān)注沖擊波對(duì)目標(biāo)的破壞作用而忽略氣泡的作用，隨著炸藥水中爆炸及其毀傷技術(shù)研究的深入開展，氣泡毀傷作用引起了科研人員的重視［2］。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥水中爆炸能量釋放的有效控制，提高炸藥水中爆炸的毀傷效應(yīng)，人們開始研究由高能炸藥、金屬粉、氧化劑和黏結(jié)劑構(gòu)成的復(fù)合炸藥及其水中爆炸性能［3-5］，其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程首先是高能炸藥快速爆轟放熱反應(yīng)，然后是金屬粉和氧化劑等非理想組分的低速氧化反應(yīng)，因此通過(guò)控制這兩步化學(xué)反應(yīng)的能量分配比例和低速化學(xué)反應(yīng)的能量釋放速率，可以有效地調(diào)節(jié)炸藥水中爆炸沖擊波能和氣泡能的比例大小，達(dá)到對(duì)特定目標(biāo)的最大毀傷效果［6］。

本研究以RDX 為主炸藥，通過(guò)添加不同含量的Al粉和AP制成復(fù)合炸藥，采用水中爆炸實(shí)驗(yàn)，從沖擊波參數(shù)、氣泡參數(shù)及沖擊波能和氣泡能等方面，分析了Al粉和AP對(duì)復(fù)合炸藥水中爆炸參數(shù)的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

將炸藥懸掛在水中一定深度，在確定為理想水域的條件下起爆炸藥，利用與炸藥在同一水平深度處的壓力傳感器測(cè)量距炸藥一定距離處的沖擊波壓力隨時(shí)間的變化曲線，如圖1所示?？梢栽谠撉€上直接得到?jīng)_擊波峰值壓力pm、沖擊波衰減時(shí)間常數(shù)θ和氣泡脈動(dòng)周期Tb，然后計(jì)算得到水中爆炸的沖擊波能Es、沖量I、沖擊波能流密度E及氣泡最大半徑Rmax和氣泡能Eb等參數(shù)。

圖1 典型水中爆炸沖擊波壓力-時(shí)間曲線Fig.1 Typical shock wave pressure-time curve of underwater explosion

炸藥水中爆炸相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式如下［7］：

沖擊波能：

沖量：

氣泡能：

能流密度：

最大氣泡半徑：

式中：R為傳感器與炸藥之間的水平距離；ρw為測(cè)點(diǎn)水的密度；Cw為測(cè)點(diǎn)水的聲速；ph為爆點(diǎn)處水的靜壓力

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用電測(cè)法測(cè)量炸藥水中爆炸參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)主要包括：水下激波傳感器、信號(hào)適配器、數(shù)據(jù)采集記錄儀、穩(wěn)壓電源和屏蔽數(shù)據(jù)傳輸線等。實(shí)驗(yàn)布局如圖2 所示，水池深10m、直徑12m，試樣入水深度4.7m，采用PCB138A 型水中激波傳感器測(cè)量炸藥水中爆炸的p-t曲線，傳感器對(duì)稱的布置在距離試樣1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0m 處，數(shù)據(jù)采集記錄儀為成都微測(cè)VX11115 型多通道波形記錄儀［9］。

圖2 實(shí)驗(yàn)布局Fig.2 Experiment layout

1.3 試樣的制備

以RDX 為主體炸藥，通過(guò)添加不同含量的Al粉和AP組成系列復(fù)合炸藥，用壓裝工藝制成圓柱形藥柱，長(zhǎng)徑比為1∶1，藥量為1kg，用20g JH-14傳爆藥端面中心起爆，試樣配方及基本性能見表1。

表1 RDX 基復(fù)合炸藥的組成及性能Table 1 Formulation and performance of RDX-based composite explosive

2 結(jié)果與討論

對(duì)表1中的6 種RDX 基復(fù)合炸藥進(jìn)行水中爆炸參數(shù)測(cè)量，并利用公式（1）～（5）計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)值，結(jié)果列于表2。為了對(duì)比分析，進(jìn)行了相同條件下1kg裝藥的TNT 水中爆炸參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算，見表2。

表2 RDX 基復(fù)合炸藥水中爆炸參數(shù)的測(cè)量值和計(jì)算值Table 2 Tested data and calculated ones of explosion parameters of RDX-based composite explosive

2.1 Al與AP摩爾比對(duì)沖擊波相關(guān)參數(shù)的影響

根據(jù)表2結(jié)果，考察了不同測(cè)點(diǎn)處Al與AP摩爾比對(duì)復(fù)合炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力、時(shí)間常數(shù)、沖量和能流密度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 峰值壓力（a）、時(shí)間常數(shù)（b）、沖量（c）、能流密度（d）與Al和AP摩爾比之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between shock wave pressure（a），time constant（b），impulse（c），energy flux density（d）and Al／AP mole ratio

從圖3可以看出，在不同測(cè)點(diǎn)處，隨著Al與AP摩爾比的增加，復(fù)合炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力呈線性規(guī)律衰減、沖擊波衰減時(shí)間常數(shù)呈冪指數(shù)規(guī)律衰減、沖量以線性規(guī)律衰減而沖擊波能流密度以二次冪函數(shù)衰減。因?yàn)殡S著Al與AP 摩爾比的增大，一方面復(fù)合炸藥的爆壓有所增大，使得沖擊波峰值壓力在水中傳播時(shí)的損失能增大；另一方面，隨著Al與AP 摩爾比的增大，復(fù)合炸藥負(fù)氧平衡和非理想性增大，爆轟反應(yīng)區(qū)增長(zhǎng)，爆轟反應(yīng)能量耗散增大，使得貢獻(xiàn)給水中沖擊波形成的能量減小，而且由于復(fù)合炸藥中Al粉和AP的二次釋能反應(yīng)時(shí)間比沖擊波傳播時(shí)間慢，其能量也不會(huì)有效延緩沖擊波的衰減，因而導(dǎo)致沖擊波峰值壓力降低。時(shí)間常數(shù)可反映出沖擊波壓力的衰減快慢，沖擊波壓力衰減越快，時(shí)間常數(shù)值越小。由于復(fù)合炸藥能量釋放速率的降低，使得沖擊波壓力的衰減速率增大，導(dǎo)致時(shí)間常數(shù)減小。沖量和能流密度是沖擊波壓力和時(shí)間常數(shù)的積分函數(shù)，當(dāng)沖擊波壓力和時(shí)間常數(shù)減小時(shí)，沖量和能流密度也減小。

2.2 Al與AP 摩爾比對(duì)氣泡半徑和氣泡周期的影響

通過(guò)氣泡周期與Al和AP 摩爾比作圖，分析Al粉和AP對(duì)復(fù)合炸藥水中爆炸氣泡周期和氣泡最大半徑的影響，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯S著Al與AP摩爾比的增加，復(fù)合炸藥的氣泡周期和最大氣泡半徑先增大后減小，當(dāng)Al與AP 摩爾比為3.8時(shí)，氣泡周期和最大氣泡半徑最大。

圖4 Al與AP摩爾比與氣泡周期和氣泡半徑的關(guān)系Fig.4 Relationship between Al／AP mole ratio and bubble period and bubble radius

復(fù)合炸藥和TNT 的氣泡最大半徑和氣泡周期列于表3。可以看出，雖然隨著Al與AP 摩爾比的增大，氣泡最大半徑和氣泡周期有所減小，但始終大于TNT 的氣泡最大半徑和氣泡周期。復(fù)合炸藥氣泡周期和氣泡最大半徑減小的原因是隨著Al與AP摩爾比的增大，復(fù)合炸藥的負(fù)氧平衡增大，導(dǎo)致參加二次放熱反應(yīng)的Al粉含量減小，而且剩余的Al粉還會(huì)作為惰性物質(zhì)吸收能量，使復(fù)合炸藥的爆熱值降低，減小了提供給氣泡脈動(dòng)的能量。

表3 復(fù)合炸藥和TNT 的氣泡半徑和氣泡周期比較Table 3 Comparison between composite explosive and TNT on bubble radius and period

2.3 Al與AP 的摩爾比對(duì)沖擊波能和氣泡能的影響

根據(jù)表2結(jié)果，分析Al與AP摩爾比對(duì)復(fù)合炸藥氣泡能和各測(cè)點(diǎn)沖擊波能的影響，并與TNT 炸藥進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果列于表4，將不同測(cè)點(diǎn)處的沖擊波能TNT 當(dāng)量隨Al與AP摩爾比的變化作圖分析，如圖5所示。

表4 復(fù)合炸藥沖擊波能和氣泡能的TNT 當(dāng)量Table 4 Shock wave energy and bubble energy TNT equivalent of composite explosive

圖5 Al與AP摩爾比與沖擊波能TNT 當(dāng)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between Al／AP mole ratio and shock wave energy TNT equivalent

由圖5可以看出，隨著Al與AP 摩爾比的增加，復(fù)合炸藥沖擊波能的TNT 當(dāng)量以二次多項(xiàng)式規(guī)律減小，當(dāng)Al與AP 摩爾比為8.7左右時(shí)，在相同測(cè)點(diǎn)處，復(fù)合炸藥的沖擊波能與TNT 的沖擊波能接近。從能量分析，復(fù)合炸藥爆炸釋放的能量由爆轟能（Qd）和爆轟產(chǎn)物的膨脹能（Qp）兩部分構(gòu)成，爆轟能是炸藥爆轟波陣面上快速反應(yīng)釋放的能量，對(duì)水中爆炸的沖擊波能有貢獻(xiàn)，而膨脹能是炸藥爆轟波陣面后二次反應(yīng)的慢速能量釋放過(guò)程，與水中爆炸氣泡脈動(dòng)在時(shí)間尺度上相同，其能量主要貢獻(xiàn)給氣泡的脈動(dòng)。隨著Al與AP摩爾比的增大，復(fù)合炸藥的非理想特性增大，導(dǎo)致爆轟能釋放速率降低，因此使得沖擊波能逐漸降低。

由表4 結(jié)果看出，隨著Al與AP 摩爾比的增加，復(fù)合炸藥氣泡能的TNT 當(dāng)量先增大后減小，當(dāng)Al與AP摩爾比為3.8左右時(shí)，氣泡能的TNT 當(dāng)量達(dá)到最大值，影響因素與AL／AP 摩爾比對(duì)氣泡周期或最大氣泡半徑的影響因素相同。從表4還可以看出，復(fù)合炸藥氣泡能的TNT 當(dāng)量始終大于沖擊波能的TNT 當(dāng)量，這說(shuō)明復(fù)合炸藥水中爆炸能量輸出以氣泡能為主，對(duì)于要求高氣泡能的水中兵器用炸藥，應(yīng)該采用復(fù)合炸藥裝藥。

3 結(jié) 論

（1）RDX 含量不變，隨著Al與AP摩爾比的增加，沖擊波峰值壓力、時(shí)間常數(shù)、沖量和能流密度都逐漸減小。

（2）隨著Al與AP 摩爾比的增加，復(fù)合炸藥的氣泡周期和最大氣泡半徑呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)Al與AP摩爾比為3.8左右時(shí)，氣泡周期和最大氣泡半徑最大。

（3）隨著Al與AP 摩爾比的增加，復(fù)合炸藥的沖擊波能TNT 當(dāng)量以二次多項(xiàng)式規(guī)律減小，氣泡能TNT 當(dāng)量先增大后減小，但復(fù)合炸藥氣泡能TNT 當(dāng)量始終大于沖擊波能TNT 當(dāng)量，說(shuō)明復(fù)合炸藥水中爆炸能量輸出以氣泡能為主。

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