鋁纖維對黑索今水下爆炸性能的影響＊

林謀金，馬宏昊，沈兆武，焦 龍

（中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥230027）

含鋁炸藥是一種典型的非理想炸藥，炸藥的組分、尺寸、約束條件、鋁粉形狀和尺寸以及鋁含量等對含鋁炸藥的爆炸性能影響顯著。陳朗等［1］對鋁粉直徑從幾十納米到幾十微米的含鋁炸藥進行了小尺寸裝藥條件下炸藥加速金屬板實驗，結果表明在相同條件下鋁粉尺寸大小對含鋁炸藥爆轟性能有明顯影響。丁剛毅等［2］通過圓筒實驗和數值模擬標定了含鋁炸藥的爆轟產物JWL狀態方程，并認為鋁粉在爆轟區內可能參加了反應，在爆轟區外繼續反應，使含鋁炸藥具備較強的驅動做功能力。W.M.Howard等［3］基于WK理論，通過對不同鋁粉尺寸以及不同鋁粉含量的含鋁炸藥進行實驗，發展了含鋁炸藥的動態反應速率模型。R.H.Guiruis等［4］認為含鋁炸藥是非理想炸藥，爆轟時在C－J面外釋放出大量的能量。如果炸藥尺寸太小或約束條件不好，非理想組分鋁將不會完全反應，甚至在特殊情況下根本不反應。廖學燕等［5］通過空中爆炸實驗，研究鋁纖維對爆炸能量輸出的影響，結果表明鋁纖維提高了基體炸藥的爆熱，同時增強了基體炸藥的力學性能。

金屬鋁通常以粒狀或片狀的粉末形式加入到炸藥中，以提高含鋁炸藥的爆炸威力，但加入鋁粉同時也提高了含鋁炸藥的機械感度。本文中將鋁纖維添加到RDX中，得到新型非理想炸藥，并與RDX進行水下爆炸對比實驗，得到2種炸藥在不同位置的壓力時程曲線，經過分析計算，進一步得到2種炸藥在不同位置的沖擊波壓力峰值、沖量、沖擊波能、氣泡脈動周期和氣泡能，并研究鋁纖維對炸藥能量輸出的影響。

1 藥柱制備與實驗設備

研究表明，鋁含量（質量）為20%時，RDX/Al含鋁炸藥的比沖擊波能達到最大值［6－8］，據此設計了2種質量配比的炸藥：配方1，黑索金/石蠟/鋁纖維＝95/5/0；配方2，黑索金/石蠟/鋁纖維＝76/4/20。將10 g炸藥壓制成長徑比相等的圓柱形藥柱，其中，鋁纖維是由熔噴法制成的，其直徑為50～90μm。

實驗中采用的水下爆炸塔直徑D 為5 m，水深H 為5 m，測試裝置包括泰克示波器（TEK DSO8064A）、恒流源（482A22）、水下壓力傳感器（PCB，ICP W138A25），傳感器的敏感元件為電氣石，其直徑為4 mm，通過落錘實驗標定的壓力傳感器靈敏度系數為30 m V/MPa，其置信度為95%。為了滿足沖擊波和氣泡脈動的測試要求，將藥柱和傳感器置于水面下方2 m處，如圖1所示。為了全面對比研究以RDX為基的鋁纖維炸藥與RDX的爆轟性能的差異，分別在距離藥柱的距離R 為0.7、0.9、1.2、1.5 m 處安放傳感器，這樣可測得4個不同位置處的壓力時程曲線。一次實驗中安裝2個不同位置的傳感器，同等條件下重復測試3次，共得到了24組實驗數據。正式實驗前，可將2個傳感器放置在距離藥包相同距離的位置上，通過壓力峰值、沖擊波沖量與比氣泡能等水下爆炸參數相互標定2個傳感器是否一致。

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

2 實驗結果及分析

炸藥在水下爆炸的能量分為沖擊波能和氣泡能2部分：炸藥在水介質中瞬時爆轟轉變為高溫高壓爆轟產物，炸藥能量轉變為爆轟產物的內能并高速向外膨脹，一部分能量壓用于縮水介質形成水中沖擊波，剩余能量以氣泡的形式向外膨脹并形成氣泡脈動，因此炸藥水下做功能力可通過水下爆炸實驗數據計算出的沖擊波能和氣泡能進行評價［9］。實驗中得到R＝0.7 m時的一組壓力時程曲線，如圖2所示。

圖2 2種炸藥壓力時程曲線Fig.2 Pressure－time curves of two different types of explosive

由圖2可得，鋁纖維炸藥的壓力峰值pm低于RDX，說明鋁纖維在破碎前不參與反應，并且鋁纖維在破碎時要消耗掉一部分能量。在壓力時程曲線衰減階段，鋁纖維炸藥壓力值要高于RDX，說明鋁纖維參與后期反應，能夠延緩壓力衰減。實驗中得到鋁纖維炸藥與RDX在不同位置的沖擊波壓力峰值，如圖3所示。

由圖3可知，根據經驗公式計算RDX在不同位置的壓力峰值幾乎落在實驗數據的擬合曲線上，說明實驗得到的數據可靠有效。在相同距離下，鋁纖維炸藥的壓力峰值pm低于RDX的，且兩者的差值不隨R/R0增大而明顯變化。其中R0為藥柱半徑，R為藥柱離傳感器的距離，R/R0為量綱一距離。

炸藥在水中爆炸時沖擊波壓力峰值與距離的關系可用函數描述為［10］

式中：pm為沖擊波壓力峰值，A、α為待擬合系數。

由圖3可知擬合效果較好，說明鋁纖維炸藥壓力峰值與距離的關系可用式（1）描述。對于RDX，擬合系數 的結果為：A ＝1 269.34 MPa，α＝－1.080 46；對于鋁纖維炸藥，A ＝1 241.8 MPa，α＝－1.091 42。

圖3 2種炸藥壓力－R/R0曲線Fig.3 Pressure－R/R0 curves of two different types of explosive

3 炸藥爆轟參數計算

3.1 沖擊波沖量

水下爆炸沖擊波沖量計算公式為［11］

式中：i為沖擊波沖量，Δp（t）為距爆壓中心R處沖擊波壓力隨時間變化的函數，θ為衰減時間常數。由式（2）計算得到鋁纖維炸藥與RDX在水中不同位置的沖擊波沖量如圖4所示。

圖4 2種炸藥沖擊波沖量－R/R0曲線Fig.4 Impulse－R/R0 curves of two different types of explosive

由圖4可得，鋁纖維炸藥與RDX的沖擊波沖量隨著距離R增大而減小，在相同位置下，鋁纖維炸藥的沖擊波沖量高于RDX的沖擊波沖量，其差值隨距離變化不明顯。炸藥在水中爆炸時沖擊波沖量與距離的關系可用函數描述為

式中：a、b為待擬合系數。由圖4可知式（3）對沖量與距離關系的擬合效果較好，對于RDX，擬合系數的結果為：a＝38 780 Pa·s，b＝－1.019 43；對于鋁纖維炸藥，擬合系數的結果為：a＝35 430 Pa·s，b＝－0.988 28。

3.2 比沖擊波能、比氣泡能、總能量

水下爆炸比沖擊波能的計算公式為［11］

式中：Es為比沖擊波能，W 為藥量，ρw為水的密度，cw為水的聲速。

水下爆炸比氣泡能計算公式為［11］

式中：Eb為比氣泡能，Tb是氣泡第1次脈動周期，Ph是測點處流體總靜水壓，C是實驗條件的校正系數，通過不同質量（6～10 g）的RDX在同等條件下進行實驗，確定C值為－0.919 5 s－1。

炸藥總能量計算公式為［11］

式中：E為總能量，μ為沖擊波損失系數，Kf為炸藥的形狀參數，對于球形取1.00，對于非球形取1.02～1.10；ρ0為藥柱的密度，D 為炸藥的爆速，pCJ為C－J壓力，式（8）中pCJ單位為GPa。式（9）適用于單質炸藥pCJ的計算。計算傳統含鋁炸藥pCJ的經驗公式為［12］

本文中假定式（10）也適用于鋁纖維炸藥。式中：β為裝藥密度與最大理論密度的比值，即β＝ρ0/ρT，ρT為藥柱的最大理論密度，對于鋁含量為20% 的含鋁炸藥，ρT＝1.938 g/cm3，ρe，w為除去金屬鋁后的基體炸藥密度。

結合式（4）～（10）計算可得水中爆炸實驗中鋁纖維炸藥與RDX的比沖擊波能Es、沖擊波損失系數μ、比氣泡能Eb和總能量E，見表1。其中，鋁纖維炸藥的爆速由實驗測得DAF＝7 612.32 m/s，RDX的爆速為DRDX＝7 986 m/s，其由文獻［12］插值獲得。

從表1可以得到，不同距離處計算得到的比沖擊波能對總能量影響不大。池家春等［13］認為，μ值不僅與炸藥爆壓pCJ相關，還與測點距離R相關，所以運用Bjarnholt得到的μ－pCJ關系式要滿足R/R0＝60，此時實驗條件才與Bjarnholt的實驗條件相當。本文中在R/R0＝70、90、120、150條件下計算比沖擊波能，結果表明，比沖擊波能隨距離的變化較小，另外張遠平等［14］的實驗數據也顯示比沖擊波能隨距離的變化較小，因此可以認為運用Bjarnholt得到的μ－pCJ關系式不需要嚴格滿足R/R0＝60條件。與RDX相比，鋁纖維炸藥的比沖擊波能降低了2%～5.2%，比氣泡能提高了9.4%～23.36%，總能量平均提高了3.5%。RDX的比氣泡能與總能量比值為50%～53%，鋁纖維炸藥的比氣泡能與總能量比值為55%～60%，說明鋁纖維的加入主要是在提高比氣泡能基礎上提高總能量。RDX的總能量與爆熱比值（89%～95%）接近于理論值（100%），說明通過水下爆炸評估鋁纖維炸藥能量是可行的。鋁纖維炸藥的總能量與爆熱比值為74%～84%，說明熔噴法制成的鋁纖維參與反應不完全。由使用熔噴鋁纖維的鋁纖維炸藥空中爆炸實驗可知，爆炸罐中遺留有鋁纖維碎屑，如圖5所示，說明熔噴鋁纖維參與反應不完全，原因可能是鋁纖維直徑較大（50～90 μm），另外，由熔噴法在高溫下制成的鋁纖維表面Al2O3層較厚，造成Al2O3含量較高，也會導致鋁纖維炸藥水下爆炸能量未達到鋁粉炸藥的爆炸能量。

圖5 空中爆炸后遺留的鋁纖維碎屑Fig.5 Al fiber debris after air explosion

4 結 論

（1）由于鋁纖維炸藥中鋁纖維在破碎前不參與反應，并且鋁纖維在破碎時要消耗掉一部分能量，因此其壓力峰值pm低于RDX。由于鋁纖維參與后期二次反應，能夠延緩壓力衰減，因此鋁纖維炸藥在壓力衰減階段的壓力值要高于RDX。

（2）與RDX相比，鋁纖維炸藥的比沖擊波能降低了2%～5.2%，但比氣泡能提高了9.4%～23.36%，說明鋁纖維的加入主要是在提高比氣泡能基礎上提高總能量。在離藥柱相同距離處，鋁纖維炸藥的沖擊波沖量高于RDX的沖擊波沖量。

（3）RDX的總能量與爆熱比值（89%～95%）接近理論值（100%），說明通過水下爆炸評估炸藥能量是可行的。鋁纖維炸藥的總能量與爆熱比值為74%～84%，另外爆炸罐在鋁纖維炸藥空中爆炸實驗后遺留有鋁纖維碎屑，說明熔噴鋁纖維參與反應程度不完全，主要原因可能是鋁纖維直徑較大以及鋁纖維由熔噴法（高溫下）制成造成其表面Al2O3層較厚，導致鋁纖維活性下降。

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