RDX基鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥水下爆炸性能比較

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，林謀金

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

RDX基鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥水下爆炸性能比較

萬曉智，馬宏昊，沈兆武，林謀金

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

為了評估含鋁炸藥的綜合性能，將鋁粉用鋁纖維代替，與RDX均勻混合壓制得到鋁纖維炸藥，分別對鋁纖維炸藥、鋁粉炸藥、RDX進(jìn)行水下爆炸實驗，測量70 cm、90 cm、120 cm、150 cm處沖擊波壓力時程，獲得三種炸藥在不同位置處的沖擊波壓力峰值、沖量、比沖擊波能、氣泡脈動周期、比氣泡能等參數(shù)，研究表明：在壓力時程的有效持續(xù)時間內(nèi)，鋁纖維反應(yīng)速率低于鋁粉，鋁纖維破碎消耗部分能量，導(dǎo)致鋁纖維炸藥的壓力峰值、沖量、比沖擊波能低于鋁粉炸藥。鋁纖維的比表面積小，未被氧化的鋁含量比鋁粉高，且第一次氣泡脈動周期較長，使得鋁纖維與鋁粉參加反應(yīng)的程度相當(dāng)，鋁纖維炸藥的比氣泡能略高于鋁粉炸藥，使得鋁纖維炸藥的總能量與鋁粉炸藥相當(dāng)。

鋁纖維炸藥；鋁粉炸藥；壓力峰值；比沖擊波能；比氣泡能

黑索今（RDX）基含鋁炸藥作為含鋁炸藥中一個重要體系，大量用于填裝魚雷、水雷等水下兵器戰(zhàn)斗部，如H－6、PBXW－115等。以RDX/Al為主要組成的含鋁炸藥，組分簡單，可以作為多種組分含鋁炸藥配方設(shè)計基礎(chǔ)和能量水平的比較基準(zhǔn)［1］。陳朗等［2］對鋁直徑從幾十納米到幾十微米的含鋁粉炸藥進(jìn)行了小尺寸裝藥條件下炸藥加速金屬板實驗，研究表明，在相同條件下鋁粉尺寸大小對含鋁粉炸藥爆轟性能有明顯影響。周俊祥［3］研究了鋁粉含量對RDX/A1含鋁炸藥水下爆炸沖擊波能量的影響以及沖擊波特性參數(shù)隨傳播距離的變化關(guān)系，結(jié)果表明，當(dāng)鋁粉含量為20%時，RDX/A1含鋁炸藥的沖擊波能量達(dá)到最大值。Barnes等［4］認(rèn)為小型爆炸水池能測量炸藥爆炸沖擊波能、氣泡能，為評價炸藥的能量提供了一條新的技術(shù)途徑。在傳統(tǒng)含鋁炸藥中，鋁通常以粉狀或片狀形式出現(xiàn)，提高了含鋁炸藥的機(jī)械感度，且鋁粉在生產(chǎn)加工過程中存在粉塵污染及粉塵爆炸等危害，因此廖學(xué)燕等［5］提出了鋁纖維炸藥，并通過空中爆炸試驗與抗壓試驗研究了鋁纖維炸藥的能量輸出和力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果表明鋁纖維提高炸藥的爆熱，增強(qiáng)炸藥力學(xué)性能。林謀金等［6］通過水下爆炸試驗研究鋁纖維炸藥水下爆炸能量輸出特性，結(jié)果表明生產(chǎn)工藝造成鋁纖維表面Al2O3含量較高與鋁纖維直徑較大導(dǎo)致熔噴鋁纖維炸藥的能量遠(yuǎn)未達(dá)到其理論爆熱。本研究將最小尺寸為8～10μm的壓制鋁纖維與RDX均勻混合得到新型鋁纖維炸藥；將納米級鋁粉與RDX均勻混合得到鋁粉炸藥；分別對鋁纖維炸藥、鋁粉炸藥、RDX進(jìn)行水下爆炸實驗，測量70 cm、90 cm、120 cm、150 cm處沖擊波壓力時程曲線，比較三種炸藥在不同位置處的沖擊波壓力峰值、沖量、比沖擊波能、氣泡脈動周期、比氣泡能等參數(shù)的差異，為含鋁炸藥的發(fā)展提供一條參考途徑。

1 實驗方案

1.1 水下爆炸實驗

水下爆炸實驗在直徑5 m、水深5 m的圓筒型爆炸水池中進(jìn)行，針對不同配方的炸藥，采用10 g長徑比約為1∶1的圓柱型裝藥。為滿足沖擊波和氣泡脈動的測試要求，將藥柱布置在水池中心水下2 m處［7］，并在距離藥柱中心水平距離0.7 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m處安放W138A25型水下激波壓力傳感器，通過DPO7054型泰克示波器記錄每次實驗的壓力時程曲線。實驗測試裝置示意圖如圖1所示。一次實驗安放兩個不同位置的傳感器，為了降低實驗誤差對結(jié)果的影響，同等條件重復(fù)測試3次。

圖1 水下爆炸實驗示意圖Fig.1 Assembly experimental system of underwater explosion

1.2 實驗樣品

對于RDX/Al/WAX炸藥體系，當(dāng)鋁含量在20%時沖擊波能達(dá)到最大，隨后沖擊波能下降［8］。本研究設(shè)計三種炸藥配方，炸藥均采用圓柱型壓裝工藝，一端帶雷管孔。炸藥的配方以及各炸藥的密度值列于表1中，實驗室現(xiàn)有工藝條件制備出的炸藥其密度值有一個誤差，藥柱密度的誤差對炸藥的性能參數(shù)影響很小。

表1 炸藥的配方Tab.1 Formulation of explosives

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓力時程的比較

選擇在測點距離為0.7 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m等位置處比較鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的爆炸性能。鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥在測點距離為1.2 m處的壓力時程如圖2所示，其它測點實驗曲線均與之類似。從圖2可以看出，兩種炸藥的壓力時程曲線基本重合，但鋁纖維炸藥的壓力峰值低于鋁粉炸藥，這與鋁纖維的先破碎后反應(yīng)造成耗時耗能有關(guān)，而鋁粉是直接與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)甚至部分參與RDX反應(yīng)，所以在壓力時程的有效持續(xù)時間內(nèi)，鋁纖維反應(yīng)程度不如鋁粉。

2.2 壓力峰值、沖量隨比例距離的變化

將三種炸藥水下爆炸沖擊波壓力峰值進(jìn)行曲線擬合，壓力峰值隨比例距離的變化如圖3所示，RDX在不同位置根據(jù)公式［9］計算的壓力峰值理論值接近擬合曲線，說明了實驗數(shù)據(jù)的有效性。鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的壓力峰值在比例距離較大的位置趨于相當(dāng)，說明鋁纖維炸藥的壓力峰值衰減速率低于鋁粉炸藥。對三種炸藥水下爆炸沖擊波沖量根據(jù)公式［10］計算并進(jìn)行曲線擬合如圖4所示，實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性與曲線擬合效果較好，鋁纖維炸藥和鋁粉炸藥相對RDX的沖擊波沖量都有很大提高，鋁纖維炸藥的沖擊波沖量在測點較近的位置略低于鋁粉炸藥，在測點較遠(yuǎn)的位置與鋁粉炸藥趨于相當(dāng)。壓力峰值與沖量的曲線擬合可用同一個函數(shù)形式表示為［11］：

其中：f（R/R0）表示壓力峰值、沖量關(guān)于比例距離的函數(shù)，k、α為擬合系數(shù)，如表2所示。

表2 三種炸藥的壓力峰值、沖量擬合系數(shù)Tab.2 Fitted coefficient of peak pressure and im pulse of th ree d ifferent types of exp losives

圖2 鋁纖維炸藥與傳統(tǒng)含鋁炸藥的壓力－時程Fig.2 The pressure-time curves of Aluminum fiber explosive and traditional alum inized explosive

圖3 沖擊波壓力峰值隨比例距離的變化關(guān)系Fig.3 The shock wave peak pressure versus scaled distance

圖4 沖量隨比例距離的變化關(guān)系Fig.4 The impulse versus scaled distance

2.3 比沖擊波能、比氣泡能的計算

炸藥水下爆炸比沖擊波能計算公式為［10］：

其中：Es為比沖擊波能（MJ/kg），R為傳感器離藥柱中心的距離（m），W為裝藥量（kg）；ρw為水的密度（g/cm3），Cw為水的聲速（m/s），θ為衰減時間常數(shù)（ms），Δp（t）為測點處沖擊波壓力隨時間變化函數(shù)。

炸藥水下爆炸比氣泡能計算公式為［10］：

其中：Eb為比氣泡能（MJ/kg），Tb是氣泡第一次脈動周期（s），ρw為水的密度（g/cm3），W為裝藥量（kg），Ph是測點處流體總靜水壓（Pa），C是邊界效應(yīng)校正系數(shù)。林謀金等［12］通過類似實驗確定C＝－0.919 5 s－1。計算的比沖擊波能、比氣泡能分別列于表3、表4中。從表中數(shù)據(jù)可以得出，鋁纖維炸藥的比沖擊波能相對于RDX提高了9.56～15%，相對于鋁粉炸藥降低了1.19～2.4%，三種炸藥的比沖擊波能都隨比例距離增大逐漸減小。鋁纖維炸藥的比氣泡能相對于RDX提高了44～47.35%，相對于鋁粉炸藥提高了3.07～3.6%，說明鋁纖維與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)主要貢獻(xiàn)于炸藥比氣泡能的增加。鋁纖維炸藥的比氣泡能略高于鋁粉炸藥，這與鋁纖維的比表面積比鋁粉小，未被氧化的鋁含量比鋁粉高有關(guān)。比氣泡能與比沖擊波能不同，隨測點距離的變化基本不受影響。

表3 三種炸藥的比沖擊波能Tab.3 Specific shock wave energy of three different types of exp losives

表4 三種炸藥的比氣泡能Tab.4 Specific bubble energy of three differen t types of exp losives

2.4 總能量的計算

炸藥在水下爆炸時總能量分為近距離的初始沖擊波能和遠(yuǎn)距離的氣泡能兩部分，實驗測試得到的是經(jīng)過傳播衰減的遠(yuǎn)場沖擊波能ES，工程實踐中發(fā)現(xiàn)ES與初始沖擊波能ES0存在一定的比例關(guān)系［13］：

式中：μ為沖擊波損失系數(shù)，可由C－J壓力PCJ準(zhǔn)確地計算［10，14］：

式中：PCJ為C－J壓力（Pa），式（7）中PCJ單位為GPa，β為裝藥密度與最大理論密度的比值，即β＝ρ0/ρT，對于含鋁20%的炸藥取ρT＝1.84 g/cm3，ρ0為藥柱的密度（kg/m3），ρe，w為除去金屬鋁后的炸藥與蠟的基體密度（kg/m3），取ρe，w＝1.60 g/cm3，vD為炸藥的爆速（m/s），由爆速實驗測得鋁纖維炸藥的爆速為7 803 m/s，鋁粉炸藥的爆速為7 489 m/s，而基體炸藥RDX的爆速（7 896 m/s），這也說明了含鋁炸藥相對于非含鋁炸藥的低爆速爆壓性能。于是炸藥水下爆炸總能量為［10］：

式中：Kf為炸藥的形狀參數(shù)，對于球形取1.00，非球形取1.02～1.10，本試驗藥柱長徑比接近1∶1，故Kf取值1.00。將計算的總能量、比氣泡能占總能量的百分比、相關(guān)文獻(xiàn)［14－15］中炸藥爆熱、總能量與爆熱比值等參數(shù)列于表5中。

表5 三種炸藥水下爆炸能量輸出的相關(guān)參數(shù)Tab.5 Energy output parameters of three different types of explosives at underwater explosion

從表5中數(shù)據(jù)可以得出：鋁纖維炸藥的總能量相對于RDX提高了24.85～29.18%，相對于鋁粉炸藥提高了0.95～1.62%。可以認(rèn)為，鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的總能量相當(dāng)。鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的比氣泡能占總能量比值相對于RDX得到顯著提高，說明其與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)熱主要貢獻(xiàn)于炸藥比氣泡能的增加。炸藥總能量與炸藥爆熱的比值接近100%，說明通過水下爆炸評估鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥能量輸出的可行性。用鋁纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)含鋁炸藥中的鋁粉，鋁纖維的破碎耗時耗能，且炸藥壓力時程的有效持續(xù)時間很短，導(dǎo)致鋁纖維炸藥的壓力峰值、沖擊波沖量、比沖擊波能低于鋁粉炸藥，但鋁纖維的比表面積比鋁粉小，未被氧化的鋁含量比鋁粉高，且第一次脈動周期時間相對較長，導(dǎo)致鋁纖維炸藥的比氣泡能略高于鋁粉炸藥，從而使鋁纖維炸藥的總能量與鋁粉炸藥相當(dāng)。綜上所述，鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的水下爆炸性能相近，但鋁纖維炸藥相對鋁粉炸藥增強(qiáng)了力學(xué)性能并降低了機(jī)械感度，提高了炸藥安全性，避免了生產(chǎn)加工鋁粉帶來的粉塵污染、粉塵爆炸等危害以及鋁粉活性隨貯存時間增長而降低等缺點。

3 結(jié) 論

（1）鋁纖維在破碎后才與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)，而鋁粉是直接與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)甚至部分參與RDX反應(yīng)，由于鋁纖維破碎耗時耗能，引起鋁纖維反應(yīng)速率低于鋁粉，且壓力時程的有效持續(xù)時間很短（約300μs），導(dǎo)致鋁纖維炸藥的壓力峰值、沖擊波沖量、比沖擊波能低于鋁粉炸藥。

（2）鋁纖維的比表面積比鋁粉小，未被氧化的鋁含量比鋁粉高，且鋁纖維炸藥第一次脈動周期相對較長（約65 ms），使得鋁纖維炸藥的比氣泡能略高于鋁粉炸藥，從而使鋁纖維炸藥的總能量與鋁粉炸藥相當(dāng)。

（3）鋁纖維炸藥與鋁粉炸藥的水下爆炸性能相近，但鋁纖維炸藥相對鋁粉炸藥增強(qiáng)了力學(xué)性能并降低了機(jī)械感度，提高了炸藥安全性。用鋁纖維代替鋁粉，提高了含鋁炸藥的綜合性能，為含鋁炸藥的發(fā)展提供一條參考途徑。

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Com parison of underwater denotation performance of RDX-based alum inum fiber exp losive and that of alum inum particle exp losive

WAN Xiao-zhi，MAHong-hao，SHEN Zhao-wu，LIN Mou-jin
（Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

In order to improve comprehensive performance of the traditional aluminized explosive，a new non-ideal composite explosive was obtained putting aluminum fiber instead of aluminum powder in the traditional aluminized explosive.The pressure-versus time curves at different positions of aluminum fiber explosive，traditional aluminized explosive and RDX were measured with underwater explosion tests，the parameters，such as，peak pressure of shock wave，impulse，specific shock wave energy，and specific bubble energy，and specific explosion energy，of three types of explosiveswere obtained by analyzing the curves.The results showed that the peak pressure，impulse，and specific shock wave energy of aluminum fiber explosive are lower than those of traditional aluminized explosive because the reaction rate of aluminum fiber is slower than that of aluminum particle；the specific bubble energy of aluminum fiber explosive is slightly greater than that of traditional aluminized explosive because the specific surface area of aluminum fiber is less than that of aluminum particle，the contentof Al ofaluminum fiber is higher than thatof aluminum powder，and the duration of the firstbubble pulsation period of the former is longer，so the both's reaction levels are almost equal，thus the total energy of aluminum fiber explosive is closely equal to traditional aluminized explosive's.

aluminum fiber explosive；aluminum particle explosive；peak pressure；specific shock wave energy；specific bubble energy

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.021

國家自然科學(xué)基金重點項目（51134012）；國家自然科學(xué)基金面上項目（51174183）

2013－11－08 修改稿收到日期：2014－01－02

萬曉智男，碩士生，1986年生

馬宏昊男，博士，副教授，1980年生