高鋁含量鋁箔膜炸藥與鋁粉炸藥水下爆炸性能的對比分析*

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，陳 偉

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥 230027)

1 引 言

在傳統(tǒng)的含鋁炸藥中，裝藥條件、鋁的尺寸和含量等因素對炸藥性能的影響顯著。許多學(xué)者對此做了相關(guān)的研究工作。韓勇等人[1]采用高速轉(zhuǎn)鏡掃描相機(jī)和單狹縫掃描技術(shù)研究了兩種具有不同直徑的含鋁炸藥的做功能力，發(fā)現(xiàn)含鋁炸藥的能量釋放具有明顯的尺寸效應(yīng)。苗勤書等人[2]研究了鋁粉的粒度和形狀對含鋁炸藥性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋁粉的比表面積是影響含鋁炸藥能量輸出結(jié)構(gòu)的直接因素。周霖等人[3]通過含鋁炸藥水下爆炸能量輸出的測定與分析，得出：當(dāng)鋁氧比為0.35～0.40時(shí)，炸藥的比沖擊波能最高；當(dāng)鋁氧比為1.00時(shí)，炸藥的比氣泡能接近最大。夏先貴等人[4]通過高速照相技術(shù)研究了含鋁炸藥的起爆過程，發(fā)現(xiàn)鋁粒子增加了含鋁炸藥的摩擦感度，使局部區(qū)域的溫度升高，形成熱點(diǎn)，引發(fā)炸藥的初始化學(xué)反應(yīng)。姚李娜等人[5]測試了納米鋁對RDX基炸藥機(jī)械感度和火焰感度的影響，研究表明：相對于微米鋁粉，納米鋁粉大大增加了炸藥的機(jī)械感度和火焰感度，且隨著鋁含量的增加，感度增幅增大。在炸藥中添加鋁粉可提高炸藥的爆熱，增強(qiáng)炸藥的做功能力，但同時(shí)也提高了炸藥的感度，并且在鋁粉炸藥的生產(chǎn)過程中伴有粉塵污染及粉塵爆炸等危害，為此人們提出用鋁箔膜代替鋁粉，與RDX炸藥均勻混合制得鋁箔膜炸藥，以達(dá)到降低炸藥機(jī)械感度、改善加工環(huán)境、提高安全性的目的。

本研究將厚度為8～10 μm的鋁箔膜和納米級(jí)鋁粉分別與RDX炸藥均勻混合，壓制得到高鋁含量(鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wAl為30%和40%)的鋁箔膜炸藥和鋁粉炸藥，其中為保證鋁箔膜與RDX炸藥混合均勻，提高炸藥的反應(yīng)度，采用硝化棉作為鋁箔膜炸藥的粘結(jié)劑。對兩種含鋁炸藥進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)，測量炸藥在不同距離處的沖擊波壓力時(shí)程，比較兩種炸藥的沖擊波壓力峰值、沖量、比沖擊波能、比氣泡能、總能量等主要參數(shù)的差異，為含鋁炸藥的發(fā)展提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

圖1 炸藥樣品實(shí)物Fig.1 Explosive samples

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)了4種炸藥配方，如表1所示。在相同的壓強(qiáng)下，采用圓柱型壓裝工藝制備鋁箔膜炸藥和鋁粉炸藥，所得藥柱的一端均帶有雷管孔，藥徑均為2.02 cm，藥量均為10 g，如圖1所示。鋁箔膜炸藥的制備思路：將RDX炸藥經(jīng)石蠟鈍化后附于鋁箔膜表面，卷曲并壓制成圓柱形裝藥；在制作過程中發(fā)現(xiàn)鈍化的RDX炸藥與鋁箔膜不能緊密粘結(jié)，造成炸藥組分混合不均勻，炸藥反應(yīng)不完全；為避免RDX炸藥與鋁箔膜發(fā)生相對滑動(dòng)，在炸藥中使用硝化棉作為粘結(jié)劑與硝基甲烷混合液，待硝基甲烷揮發(fā)后將試樣壓制成型。由于硝化棉自身也是一種含能材料，因此用作粘結(jié)劑將有利于提高炸藥的爆熱。

表1 炸藥配方Table 1 Formulation of explosives

2.2 水下爆炸實(shí)驗(yàn)

圖2 水下爆炸實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Experimental setup of underwater explosion

水下爆炸實(shí)驗(yàn)在直徑為5 m、水深5 m的圓筒形水池中進(jìn)行。測試儀器包括TEK DSO8064A型數(shù)字示波器、482A22型恒流源、PCB公司的W138A25型水下激波壓力傳感器(靈敏度為30 mV/MPa)。將藥柱和壓力傳感器布置在水下3 m處[6-7]，壓力傳感器與藥柱中心的水平距離(R)為0.7、0.9、1.2和1.5 m，如圖2所示，每次實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)壓力傳感器。為降低實(shí)驗(yàn)誤差對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，相同條件下重復(fù)測試3次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓力時(shí)程

wAl=30%的鋁箔膜炸藥在不同位置處的典型壓力時(shí)程曲線如圖3所示，可以看出，沖擊波壓力呈指數(shù)衰減，壓力峰值隨著R的增加而逐漸下降。

3.2 壓力峰值與沖量

沖擊波壓力峰值隨比例距離(R/R0)的變化如圖4所示，擬合公式為[8]

式中：pm為沖擊波壓力峰值(MPa)；R0為藥柱半徑(m)；a、b為擬合系數(shù)，如表2所示。

圖3 鋁箔膜炸藥的壓力時(shí)程曲線Fig.3 Pressure-time curves of aluminum foil explosives

圖4 沖擊波壓力峰值的擬合曲線Fig.4 Fitted curves of shock wave peak pressure of explosives

圖5 炸藥沖擊波沖量擬合曲線Fig.5 Fitted impulse curves of explosives

沖擊波沖量可根據(jù)下式[9]進(jìn)行計(jì)算

式中：I為炸藥的沖擊波沖量(MPa·s)；Δp(t)為沖擊波壓力關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)；θ為衰減時(shí)間常數(shù)(s)，指沖擊波壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時(shí)間。林謀金等人[10-11]對沖擊波沖量進(jìn)行擬合時(shí)未進(jìn)行量綱分析，其擬合公式難以推廣。沖擊波沖量不僅與比例距離有關(guān)，還與藥量有關(guān)，可以采用以下函數(shù)[8]進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。

式中：W為炸藥質(zhì)量(kg)；λ、φ為擬合系數(shù)，如表2所示。

表2 炸藥壓力峰值和沖量的擬合系數(shù)Table 2 Fitted coefficients of peak pressure and impulse of explosives

從圖4中的數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合曲線可以看出：鋁箔膜炸藥的沖擊波壓力峰值衰減得較鋁粉炸藥緩慢；在起始反應(yīng)段，鋁箔膜炸藥反應(yīng)不如鋁粉炸藥迅速，鋁箔膜炸藥的沖擊波壓力峰值略低于鋁粉炸藥；隨著比例距離的增加，因后期有效時(shí)段內(nèi)鋁箔膜碎裂并參與反應(yīng)，沖擊波能量得到補(bǔ)充，使得鋁箔膜炸藥的沖擊波壓力峰值略高于鋁粉炸藥。由圖5可知，鋁箔膜炸藥的沖量相對于鋁粉炸藥提高了2.3%～8.9%，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差的影響，可以認(rèn)為鋁箔膜炸藥的沖量與鋁粉炸藥相當(dāng)。

3.3 比沖擊波能、比氣泡能與總能量

炸藥水下爆炸的比沖擊波能由下式[9]計(jì)算

式中：Es為炸藥的比沖擊波能(kJ/g)，ρw和cw分別為水的密度(g/cm3)和聲速(m/s)，θ為衰減時(shí)間常數(shù)(s)。炸藥在各測點(diǎn)處的比沖擊波能如圖6所示。

當(dāng)裝藥深度為爆炸水池總深度的2/3時(shí)，來自水面和池底的邊界效應(yīng)相互抵消，炸藥水下爆炸的比氣泡能可由下式[9]進(jìn)行計(jì)算

式中：Eb為炸藥的比氣泡能(kJ/g)，Tb為氣泡第一次脈動(dòng)周期(s)，K1為爆炸水池給定裝藥位置的常數(shù)，ph為測點(diǎn)處流體的總靜水壓(Pa)。炸藥在各測點(diǎn)的比氣泡能如圖7所示。

圖6 炸藥的比沖擊波能Fig.6 The specific shock wave energy of explosives

圖7 炸藥的比氣泡能Fig.7 The specific bubble energy of explosives

炸藥水下爆炸的總能量可分為近場的初始沖擊波能和遠(yuǎn)場的氣泡能兩部分，實(shí)驗(yàn)測得的是經(jīng)過傳播衰減的遠(yuǎn)場沖擊波能Es。工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)Es與初始沖擊波能Es0存在一定的比例關(guān)系[12]

式中：μ為沖擊波損失系數(shù)。μ的計(jì)算公式[9,13]為

圖8 炸藥的總能量Fig.8 The total energy of explosives

式中：pCJ為C-J壓力(Pa)；β為裝藥密度ρ0與最大理論密度ρT的比值，即β=ρ0/ρT；ρe,w為除去金屬鋁后的基體炸藥密度(g/cm3)；D為炸藥爆速(m/s)，由實(shí)驗(yàn)測試得到。于是炸藥水下爆炸的總能量為[9]

式中：Kf為炸藥的形狀參數(shù)。對于球形裝藥，Kf取1.00；對于非球形裝藥，Kf取1.02～1.10。本實(shí)驗(yàn)藥柱的長徑比接近1，故Kf取為1.00。炸藥在各測點(diǎn)處的總能量如圖8所示。炸藥的比沖擊波能、比氣泡能、總能量以及其它相關(guān)參數(shù)列于表3。

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，鋁箔膜炸藥的爆速高于鋁粉炸藥，鋁箔膜的結(jié)構(gòu)整體性相對于鋁粉更有利于炸藥爆炸時(shí)爆轟波的傳播。炸藥的比沖擊波能隨R的增大逐漸減小，兩種炸藥的比沖擊波能相近，在壓力時(shí)程的有效時(shí)段內(nèi)，鋁箔膜與鋁粉的反應(yīng)程度相當(dāng)。無論是鋁箔膜炸藥還是鋁粉炸藥，wAl=30%的含鋁炸藥的比沖擊波能均高于wAl=40%的含鋁炸藥，與周俊祥等人[14]獲得的鋁含量對含鋁炸藥沖擊波能的影響規(guī)律相吻合。

表3 炸藥水下爆炸能量輸出的相關(guān)參數(shù)Table 3 Related parameters of underwater explosion energy output of explosives

與比沖擊波能不同，比氣泡能基本不受測點(diǎn)距離R的影響。鋁箔膜炸藥的比氣泡能相對鋁粉炸藥提高了4.05%～7.94%，主要原因是：鋁箔膜的純度較高(鋁箔膜的比表面積比鋁粉小，被氧化的鋁較少)，鋁箔膜參與反應(yīng)的速度比鋁粉緩慢，使得鋁箔膜炸藥的氣泡脈動(dòng)周期比鋁粉炸藥更長。該結(jié)果與牛國濤等人[15]研究發(fā)現(xiàn)的含納米鋁粉炸藥的比氣泡能始終低于含微米鋁粉炸藥的規(guī)律相似。

鋁箔膜炸藥的總能量相對鋁粉炸藥提高了4.34%～7.50%，與比氣泡能的提高程度接近，說明鋁箔膜與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)熱主要貢獻(xiàn)于炸藥比氣泡能的增加。鋁箔膜炸藥總能量的提高也與兩種炸藥的粘結(jié)劑組分不同有關(guān)，鋁箔膜炸藥中所含的硝化棉對于提高炸藥爆熱具有一定的貢獻(xiàn)。wAl=40%的含鋁炸藥的總能量低于wAl=30%的含鋁炸藥，與文獻(xiàn)[3,16]報(bào)道的規(guī)律不符，可能與wAl=40%的含鋁炸藥中鋁箔膜和鋁粉參與反應(yīng)不完全有關(guān)。綜上所述，鋁箔膜炸藥與鋁粉炸藥的水下爆炸性能相近，但是兩種炸藥的制作工藝不同，鋁箔膜的生產(chǎn)成本比納米鋁粉低，并且避免了在炸藥生產(chǎn)過程中伴有的粉塵污染和粉塵爆炸等危害。

4 結(jié) 論

(1) 在炸藥爆炸的起始時(shí)段，鋁箔膜的反應(yīng)不如鋁粉迅速，而在后期有效時(shí)段，鋁箔膜碎裂并參與反應(yīng)，導(dǎo)致鋁箔膜炸藥的沖擊波壓力峰值衰減速率低于鋁粉炸藥；鋁箔膜炸藥的沖量與鋁粉炸藥相當(dāng)。

(2) 鋁箔膜炸藥與鋁粉炸藥的比沖擊波能相當(dāng)；由于鋁箔膜的比表面積比鋁粉小，使得鋁箔膜的純度相對較高，鋁箔膜炸藥的氣泡脈動(dòng)周期略長，因此鋁箔膜炸藥的比氣泡能乃至總能量均略高于鋁粉炸藥。

(3) 鋁箔膜炸藥與鋁粉炸藥的水下爆炸性能相近，考慮到鋁箔膜的成本比納米鋁粉低，粘結(jié)劑硝化棉有利于提高炸藥爆熱，并且在炸藥制備過程中避免了粉塵污染和粉塵爆炸等危害，因此鋁箔膜炸藥可作為含鋁炸藥發(fā)展的一條可參考途徑。

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