小型爆炸容器中TNT／Al炸藥的后燃燒性能

姬建榮，蘇健軍，王勝強

（西安近代化學研究所，陜西 西安710065）

引 言

溫壓炸藥是一種負氧炸藥，含有大量可燃顆粒，其燃燒需要利用空氣中的氧氣。作為典型非理想炸藥，一般認為，溫壓炸藥爆炸歷程可分為如下階段：最初的無氧爆炸（微秒量級）；爆炸后的無氧燃燒（百微秒量級）；爆炸后的有氧燃燒（百毫秒量級），此過程也稱作后燃燒過程。

溫壓炸藥的后燃燒過程十分復雜，帶有明顯的非理想性、非CJ特征，多相多組分、帶有化學反應的多物理場耦合、與空氣的湍流混合燃燒等都給研究溫壓炸藥帶來困難。J.Massoni［1］等人對鋁粉的爆炸性能進行了詳細研究，S.N.Sinha［2］，R.G.Ames［3］，K.Benkiewicz［4］等人針對后燃燒效應進行了大量的研究工作，采用CHEETAH 軟件對其進行數(shù)值計算。尤其在封閉空間內，爆炸產生的空氣沖擊波在壁面反射形成反射沖擊波，與火球相互作用，形成了界面新的不穩(wěn)定性，加速了火球的燃燒。鄭波［5］等人觀察了高能炸藥、含鋁炸藥和溫壓炸藥爆炸產物拋撒過程，表明爆炸產物和沒有反應的金屬顆粒在膨脹的同時，與空氣中的氧繼續(xù)發(fā)生后燃燒反應。饒國寧等［6］在密閉空間研究了炸藥的能量輸出，結果表明，RDX／Al炸藥具有后燃燒效應。而國內在小型容器中對于溫壓炸藥后燃燒效應的機理研究則相對較少。

本實驗在TNT 炸藥中添加鋁粉，利用小型爆炸容器對其后燃燒性能進行了研究。用高速攝影儀記錄后燃燒發(fā)生、發(fā)展過程，利用壓力、溫度傳感器獲取后燃燒過程的特征波形。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

溫壓炸藥配方如表1所示。壓裝藥柱質量約為10g，長徑比為1∶1。

共進行4發(fā)實驗，環(huán)境狀態(tài)如表1所示。為比較密閉和半密閉狀態(tài)下溫壓炸藥的爆炸性能并獲得完整影像，實驗2和實驗4采用敞口爆炸，用8號紙雷管引爆。

表1 溫壓炸藥配方與環(huán)境狀態(tài)Table 1 Explosive formulation and environmental parameters

1.2 實驗裝置

小型爆炸容器由爆炸腔室、擴速段、卸壓波導管和支架組成。其中爆炸腔室尺寸為Φ360×450mm，擴速段長150mm，波導管長1 800mm，在爆炸腔室端面蓋板裝有有機玻璃。爆炸腔室和波導管裝有壓力、溫度傳感器，以獲取相應爆炸信號。其中高速攝影幀頻設置6 000 幀／s，壓力傳感器為美國PCB 113A26系列傳感器，量程為3.45MPa，靈敏度為1.45V／MPa。溫度傳感器采用自制WRe5／26熱電偶，直徑0.2mm，響應時間最快可達1.34ms［7］，實驗前做靜態(tài)標定。

由于壁面距爆心的比距離較小，對測試系統(tǒng)頻響要求較高，壓力信號采樣頻率10MHz［8］，并對壓力傳感器表面進行處理以屏蔽爆炸熱效應對壓力信號的影響，溫度信號采樣頻率100kHz。實驗采用外觸發(fā)，負延時設置50ms，共布有8路壓力傳感器和4路溫度傳感器，如圖1所示。

圖1 小型爆炸容器結構圖Fig.1 Diagram of small explosion vessel

2 結果與討論

2.1 高速攝影測試結果

用高速攝影儀對實驗1爆炸火球進行觀測，由于在爆炸腔室端面蓋板中心設置了Φ240mm 有機玻璃，故只觀測到中心處火球變化。由圖2看出，爆轟反應結束后，白光覆蓋整個容器，高速攝相機達到光飽和，如圖2（a）所示；而后中心亮度呈逐漸變暗趨勢，如圖2（b）、（c）所示；但從1 966μs過后，壁面處重新出現(xiàn)亮光并向中心擴展，這種狀態(tài)一直持續(xù)到約208ms開始減弱，在250ms左右亮度仍未完全消失。

圖2 含20%鋁粉配方密閉狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.2 Fireball photographs of formulation containing 20%aluminum powder in hermetic condition

實驗2采用敞口形式觀測了爆炸火球變化情況，結果如圖3所示。從圖3（c）到圖3（g）可以明顯看出壁面重新發(fā)生了燃燒現(xiàn)象。其后參加反應的物質越來越多，反應程度不斷加劇，火焰充滿整個爆炸容器并且燃燒產物開始向外噴射，持續(xù)時間較長，在200ms左右火焰開始慢慢消散。

圖3 含20%鋁粉配方敞口狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.3 Fireball photographs of formulation containing 20%aluminum powder in open condition

實驗3采用密閉形式，但通過有機玻璃觀察口，只能看到最初爆轟時的亮度。實驗4 采用敞口形式觀測，結果見圖4。可以看出，與含質量分數(shù)20%鋁粉配方相比，含質量分數(shù)30%鋁粉配方不僅初始反應較慢，反應程度也不劇烈，而且在1 212μs以后火焰熄滅，沒有發(fā)生后燃燒現(xiàn)象。但從爆炸壓力波形分析，初始階段發(fā)生了爆轟反應。

圖4 含30%鋁粉配方密閉狀態(tài)下火球發(fā)展Fig.4 Fireball photographs of formulation containing 30%aluminum powder in hermetic condition

2.2 壓力和溫度測試結果

實驗中，由于測點距爆心較近，沖擊波在壁面發(fā)生多次反射，形成的壓力曲線震蕩較大，如圖5所示。容器上各點的壓力測試結果見表2。

圖5 爆炸腔P3點的爆轟壓力曲線Fig.5 Detonation pressure curve at P3of explosion cavity

表2 各測試點的壓力測試結果Table 2 The testing results of pressure at different positions

從表2看出，越靠近爆炸近場，受反應區(qū)的影響越大，能量很難均勻輸出，爆炸腔室中的壓力值波動較大。對于實驗1和實驗2，由于鋁粉和TNT 爆炸后游離碳與空氣中的氧氣發(fā)生后燃燒反應，形成準靜態(tài)壓力，如圖6所示；爆炸火球沿導波管傳播，沖擊波在其內多次反射并疊加，形成較強壓力，壓力上升段和持續(xù)時間均有較大波動，實驗1的表現(xiàn)最明顯，P5點壓力最高值超過2MPa，如圖7（a）所示，而實驗3和4則無此現(xiàn)象，因此表2中P5～P7點列出的僅為壓力首峰值。

表2中P6點的壓力小于P7點，這是因為表中所列為首峰值，并不代表最大壓力值；同時P7點靠近波導管端部，可能反射壓疊加造成一定增強作用，有待進一步研究。實驗還發(fā)現(xiàn)，波導管后端面形成了類似激波管中傳播的壓力波形特征，隨著壓力波在容器內的多次反射，能量被不斷消耗，壓力逐漸衰減，如圖7（b）所示。

由于所用溫度傳感器容易損壞，所得溫度數(shù)據(jù)較少。除受響應時間限制，還有對流換熱、輻射等因素影響，得到的溫度曲線只是熱電偶對爆炸產物的響應溫度。但通過溫度曲線變化，說明爆炸過程中熱效應的變化趨勢。如實驗2中T3點熱電偶的最高響應溫度約700℃，在前200ms，溫度一直處于上升階段，變化時間與高速攝影記錄的火球時間基本吻合，如圖8所示。

圖6 爆炸腔P3點處準靜態(tài)壓力曲線Fig.6 Quasi-static pressure curve at P3of explosion cavity

對于實驗1和實驗2，一般認為，反應開始時，鋁粉在爆轟化學反應區(qū)是作為惰性物質存在的［9］，但其在反應區(qū)以及拋灑過程中被加熱，可獲得較高溫度。由于沖擊波、火球與壁面的相互作用，壁面處又形成較強反射沖擊波，具有所謂的R-M 不穩(wěn)定性，產物動能變成了壓力能，進一步提高了環(huán)境溫度，從而誘發(fā)點燃鋁粉顆粒和TNT 產物中的游離碳原子，使之發(fā)生后燃燒反應。

而對于含質量分數(shù)30%鋁粉配方，由于所含鋁粉較多，若反射沖擊波壓力和反應所需氧含量不足，則未能發(fā)生后燃燒反應，如實驗3和實驗4，具體原因仍有待于進一步研究。

圖7 波導管P5點和P8點處壓力曲線Fig.7 Pressure curves at P5and P8of explosion tube

圖8 爆炸腔T3點處溫度曲線Fig.8 Temperature curve at T3of explosion cavity

3 結 論

（1）當鋁粉質量分數(shù)為20%時，TNT／Al炸藥發(fā)生后燃燒反應，并在容器內形成一定持續(xù)時間的準靜態(tài)壓力，后燃燒過程持續(xù)時間可達百毫秒量級。

（2）TNT／Al炸藥被引爆后，爆轟波陣面的壓力和溫度是Al粉反應的初始條件，Al粉含量直接影響其爆轟性能和能量釋放性能，進而影響后燃燒特征參數(shù)。

（3）TNT／Al炸藥屬于非理想炸藥，其爆炸性能受多方面因素的影響，后燃燒機理、裝藥約束條件和裝藥量對后燃燒影響等仍有待于進一步研究。

［1］Massoni J，Saurel R，Lefrancois A，et al.Modeling spherical explosions with aluminized energetic materials［J］.Shock Waves，2006，16：75-92.

［2］Sinha S N，Guirguis R，Jones H.Numerical simulation of post-detonation combustion in a closed compartment［J］.AIAA，1996，2796-2956.

［3］Ames R G，Drotar J T，Silber J，et al.Quantitative distinction between detonation and afterburn energy deposition using pressure-time history in enclosed explosions［C］∥13th International Detonation Symposium.Norfolk：［s.n.］，2006.

［4］Benkiewicz K，Hayashi A K.Aluminum dust ignition behind reflected shock wave：two-dimensional simulation［J］.Fluid Dynamics Research，2002，30（5）：269-292.

［5］鄭波，陳力，劉煒，等.溫壓炸藥爆炸拋撒的運動規(guī)律［J］.爆炸與沖擊，2008，28（5）：433-437.

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［6］饒國寧，陳網樺，梁德山，等.密閉空間內不同炸藥爆源的能量輸出結構及與目標作用研究［J］.爆炸與沖擊，2007，27（5）：445-450.

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［7］姬建榮，蘇健軍，李芝絨，等.WRe5／26 熱電偶對爆炸產物的熱響應分析［J］.火炸藥學報，2008，31（1）：26-29.

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［8］黃正平.爆炸與沖擊電測技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［9］陳朗，龍新平，馮長根，等.含鋁炸藥爆轟［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.