非理想炸藥爆炸熱作用的實驗研究

姬建榮,蘇健軍,劉艷萍,嚴家佳,王國慶

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

一些非理想炸藥如溫壓炸藥、含鋁炸藥,以沖擊波和高溫氣流為殺傷的主要手段,爆炸后的高溫高壓氣體產生劇烈的熱毀傷效應,實現對目標的毀傷[1]。此類炸藥多數含有金屬粉和氧化劑,在膨脹區內有顯著的化學反應,爆轟過程不符合C-J理論和定常爆轟波模型,一般稱之為“非理想爆轟”[2]。理論上一般采用 ZND模型進行分析,但爆轟波結構的復雜性使得狀態方程難以獲得,爆炸產物流場內存在強烈的熱力耦合作用,對于熱毀傷效應目前主要采用實驗方法來研究。

光學測試容易受到煙塵氣體的干擾,且測得的多為火球表面溫度,火球內部溫度較難獲得。同時爆炸產物對目標的熱作用是一個非穩態傳熱過程,受眾多因素的影響,其測量一直是各國難題,熱電偶技術的迅速發展為研究爆炸熱毀傷作用提供了可能。國外測試炸藥爆炸熱毀傷性能主要采用的是光學測試與電測試相結合的辦法,但由于技術保密,熱電偶制造工藝與測試過程未見公開報道[3-4]。

本研究制作了WRe5/26熱電偶溫度傳感器,并將其作為效應物置于爆炸場內,采用接觸測溫法對幾種炸藥進行熱響應溫度測試,獲得了爆炸產物對目標熱作用的變化曲線。

1 試驗部分

1.1 WRe5/26熱電偶傳感器的研制

為研究非理想炸藥爆炸熱作用,根據爆炸產物的特點及其溫度范圍,選取能承受強震和熱沖擊等惡劣條件,且靈敏度高、穩定性好的WRe5/26熱電偶[5-6],其測量溫度可達+ 2330℃。

為了減小動態響應誤差,盡可能減小時間常數,同時保證爆炸瞬態強沖擊波作用下的機械強度,經多次試驗,采用Ф0.2mm的WRe5/26熱電偶絲,加工時盡可能把熱電偶結點做得足夠小。

為了讓熱電偶結點與爆炸產物接觸充分,設計的熱電偶結點距端面的距離約4mm。為防止熱電勢損耗和高溫氣體滲入內部熱電極造成參考端溫度變化,同時要求密封體有足夠的強度和剛度,選用耐高溫陶瓷管作為絕緣材料,磷酸和氧化銅粉末配制成的密封膠密封測量端面。實驗前,傳感器用標準鉑銠10-鉑熱電偶作靜態標定,最大誤差為+5.4℃。其結構如圖 1所示。

圖 1 WRe5/26熱電偶傳感器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of WRe5/26 thermocouple transducer structure

1.2 試驗布置及測試配置

選取幾種含鋁溫壓炸藥,研究效應物(熱電偶)對爆炸產物的響應溫度在同一方向上沿爆心不同位置的分布變化衰減規律,并比較同一距離處響應溫度之間的差異。分別在距離爆心 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8m處布置傳感器,且在距爆心 1.6m處沿主線間隔 45°角方向另置兩個傳感器,炸高1.5m。為防止沖擊波超壓的橫向破壞,傳感器朝向爆心且與爆心等高。記錄設備為奧地利 DEWE-5000數據采集系統,采樣時間2.5s,采樣頻率100k Hz。觸發設置為外觸發,負延時設置 50ms。

1.3 炸藥配方

選用 RDX和 TNT基含鋁溫壓炸藥,添加質量分數為30%或20%的鋁粉,裝藥長徑比約為1∶1,裝藥量為 1kg,密度約 1.88g/cm3,進行 5發試驗,溫壓炸藥配方見表 1。

表1 溫壓炸藥配方Table 1 Formulation of test samples

2 結果與討論

2.1 試驗結果

熱電偶傳感器產生的溫度信號通過數據采集系統采集,然后根據分度表進行轉換,得到溫度值 T。根據傳感器結構和測得的溫度值,計算傳入傳感器的熱流密度值q。實驗測得的最大溫度值和熱流密度見表 2,距爆心 1.6m不同角度處的最高響應溫度和最大熱流密度見表 3。

表 2 不同距離處效應物對爆炸產物的最高響應溫度值和最大熱流密度值Table 2 The maximum response temperature and the maximum heat flux density of analogue to explosive products in different distances

表 3 相同距離處效應物對爆炸產物的最高響應溫度值和最大熱流密度Table 3 The maximum response temperature and heat flux density of the analogue to explosive products in same distance

2.2 對流換熱系數對效應物表面溫度的影響

當熱電偶置于爆炸場中,設其結點體積為V,表面積為S,密度和熱容分別為d和c,具有均勻的初始溫度T0。在初始時刻,爆炸產物溫度突然上升到T f,且T f＞T0,設效應物與爆炸產物間的對流換熱系數h及效應物的熱物性參數保持不變,分析效應物表面溫度隨時間的變化關系。

效應物的內部熱阻相比表面換熱熱阻可以忽略,由集總參數法分析[7],認為溫度只與時間有關而與坐標無關,效應物與爆炸產物流界面上發生熱交換的熱量全部用來加熱熱電偶結點,記θ(t)=T f-T,則:

初始條件為θ(0)=Tf-T0,解微分方程:

得到:

由上公式看出,效應物的表面溫度與效應物的初始溫度和爆炸產物溫度相關,分析時取指數模型處理。對于上述給定材料,初始溫度 T0遠小于爆炸產物溫度,將其忽略,則效應物的表面溫度與換熱系數h有很大關系,將公式(3)做變換,得到:

取WRe5/26熱電偶熱物性參數,當其與爆炸產物間的對流換熱系數h分別為 10000、8000、6000時,由公式(4)表示的曲線如圖2所示。從圖 2看出,h越大,效應物表面溫度接近爆炸產物溫度的程度越快。據q=h(T-Tf)分析估算,爆炸場中較近處h大致在10000左右。

2.3 試驗分析

2.3.1 測試曲線的物理意義

由于存在動態響應誤差,熱電偶測量溫度滯后于爆炸產物溫度,熱電偶指示溫度不代表爆炸產物的真實溫度。熱電偶結點越小,在距爆心越近的地方,爆炸產物與效應物之間的對流換熱系數越大,熱電偶響應時間越短,所測溫度越能接近爆炸產物的真實溫度。

分析認為,效應物對爆炸產物的溫度響應是一個快速變化過程。圖3為不同距離處熱電偶對樣品1爆炸產物響應溫度曲線,其中R表示距爆心距離。可以看出,上升沿陡峭,時間約幾十毫秒,下降沿緩慢,脈寬約800ms。表明隨爆心距的增加,效應物對爆炸產物的響應溫度大小和作用時間均有所減緩。

圖 3 不同距離處熱電偶對樣品 1的熱響應溫度曲線Fig.3 The thermal response temperature curves of thermocouple to No.1 explosive at different distances

2.3.2 爆炸產物熱作用的衰減規律

效應物對爆炸產物的響應溫度隨距離大致呈 S型衰減,如圖4所示。這是由爆炸產物的壓力波動引起效應物溫度變化造成的,前端溫度隨距離的變化較大,中間段略緩,后段溫度衰減又加劇。

圖4 響應溫度隨距離的變化曲線Fig.4 Curves of response temperature changed with distance of WRe5/26 thermocouple

分析認為,前端爆炸產物速度較快,與效應物的換熱較劇烈,產物溫度從炸藥爆溫開始強烈下跌;中間部分爆炸產物速度有所下降,由于溫壓炸藥存在后燃燒效應,火球處于暫時穩定期,鋁粉燃燒產生的熱量可及時補充散失的熱量,下跌趨勢減緩;較遠處達火球邊緣,爆炸產物與較冷的空氣混合,向外有強烈的輻射散熱,使溫度下跌加劇。熱流密度變化波動較大,如圖 5所示,可能與傳感器散熱快慢有關。

由表 3數據看出,爆炸火球內部的熱效應并不均勻。沖擊波超壓對熱流的擾動較大,造成內部湍流劇烈,鋁粉的拋灑情況及其在各點的濃度也存在一定差異,同時外界環境因素也對其有一定的影響,使得火球內部熱量很難均勻向外輸出。即使在相同距離,不同位置處的溫度也并不相等,某些點甚至會相差很大,熱流密度也出現一定的差異性,還需要進一步分析和驗證這些情況。

圖 5 熱流密度隨距離的變化曲線Fig.5 Curves of response heat flux changed with distance of WRe5/26 thermocouple

3 結 論

(1)制作的 WRe5/26熱電偶可以在爆炸環境下使用,將其作為效應物研究爆炸產物熱作用是可行的,測試方法簡便、可靠的。

(2)爆炸產物對物體的熱作用過程與物體距爆心的距離密切相關,效應物對爆炸產物的熱響應溫度隨距離大致呈 S型衰減。

(3)由效應物獲取的熱響應溫度曲線分析,溫度曲線脈寬在800 ms左右。對于本實驗距爆心最近點處的熱流密度數量級為 10 W/m。

[1] 林雙紅,李建平 ,白春華.溫壓炸藥彈內爆轟特性試驗研究[J].安全與環境學報,2006,6(2):99-101.LIN Shuang-hong,LI Jian-ping,BAI Chun-hua.Detonation characteristic of thermo-baric explosive in warhead[J].Journal of Safety and Environment,2006,6(2):99-101.

[2] 惲壽榕,趙衡陽.爆炸力學 [M].北京:國防工業出版社,2005.

[3] 闞金玲,劉家驄,曾秀琳,等.溫壓炸藥爆炸火球的特征[J].火炸藥學報,2007,30(2):55-58.KAN Jin-ling,LIU Jia-cong,ZENG Xiu-lin,et al.Fireball characteristics of a thermal-baric explosive[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2007,30(2):55-58.

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[5] 王魁漢.溫度測量實用技術 [M].北京:機械工業出版社,2007.

[6] 強錫富.傳感器 [M].北京:機械工業出版社,2001.

[7] 楊世銘,陶文銓.傳熱學 [M].北京:高等教育出版社,1998.