炸藥在等離子體起爆下的能量輸出特性

薛樂星，馮 博，趙 娟，封雪松，馮曉軍

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

炸藥在等離子體起爆下的能量輸出特性

薛樂星，馮 博，趙 娟，封雪松，馮曉軍

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為了得到炸藥在等離子體起爆下的能量輸出特性，選擇空氣中炸藥沖擊波超壓和爆熱作為能量輸出的特征參數，金屬絲電爆炸作為等離子體產生源，測定了TNT在鎳鉻合金絲(Ni-Cr)、鎢絲(W)、鉬絲(Mo)和銅絲(Cu)等離子體起爆下的空氣中沖擊波超壓曲線，分析了金屬材質對沖擊波超壓的影響；基于爆熱量熱儀和等離子體發生裝置測定了TNT、RDX和HMX的爆熱。結果表明，各類等離子體均可以起爆TNT，合金絲在等離子體起爆下的沖擊波超壓明顯高于單質金屬絲，沖擊波峰值超壓大小順序為Ni-Cr > W > Mo > Cu；TNT、RDX和HMX在Ni-Cr等離子體起爆下的爆熱值分別是4304.1、5491.7和6254.8J/g，爆熱值均大于裝藥密度超過80%理論最大密度下的文獻值，表明等離子體起爆有助于提高炸藥的能量釋放效率和爆轟完全性。

爆炸力學；等離子體起爆；能量輸出；沖擊波超壓；爆熱

引 言

炸藥的能量輸出是武器彈藥毀傷效應的基礎，通常采用爆熱來評價炸藥能量輸出的潛能，但是爆熱只能反映炸藥的總能量，在實際毀傷中往往需要炸藥具有不同類型的能量輸出形式，沖擊波是炸藥重要的毀傷形式之一，常通過測定空氣中沖擊波超壓來評價。隨著新型含能材料的不斷研發，適用于少量炸藥能量輸出的評價技術變得越來越重要。

等離子體起爆技術是一種新型高能低感起爆方式，國內外對等離子體起爆技術的研究主要集中在太安等高感度炸藥[1-4]，研發了許多等離子體起爆器[5-7]，利用等離子體起爆的高同步性，研究了同步起爆裝置[8]，但是對等離子體直接起爆高能炸藥的研究較少，仍然停留在起爆可靠性方面的研究。國內最早在20世紀80年代由潘邦金[9]研究了金絲電爆炸對高能炸藥的起爆能力，但由于儲能較小導致對壓裝HMX、RDX的起爆可靠性較差。目前尚未有炸藥在等離子體起爆下性能研究的報道。本課題組前期研究了電爆炸等離子體的起爆能力，可以可靠起爆傳統高能炸藥HMX、RDX及不敏感炸藥LLM-105、FOX-7等，以臨界起爆電壓為標度，得到了部分炸藥的等離子體感度順序[10]。

為了得到炸藥在等離子體起爆下的能量輸出性能參數，本研究采用金屬絲電爆炸作為等離子體發生源，以空氣中沖擊波超壓和爆熱值作為炸藥的能量輸出形式，對炸藥在等離子體起爆下的能量輸出進行了研究，以期為含能材料在等離子體起爆下的能量評價提供參考。

1 實 驗

1.1 材料和儀器

TNT，粒徑21～125μm，湖北東方化工有限公司；RDX、HMX，粒徑均為21～125μm，甘肅銀光化學工業集團有限公司；鎳鉻合金絲(Ni-Cr，其中Ni和Cr質量比為80∶20)，鎢絲(W)、鉬絲(Mo)和銅絲(Cu)，直徑均為0.3mm，株洲杰隆有色金屬科技有限公司。

PCB137A23型壓力傳感器，靈敏度14.5mV/kPa，美國PCB Piezotronics公司；Tektronix DPO 7104C型示波器，美國Tektronix公司。

1.2 炸藥在等離子體起爆下的能量特性測量

1.2.1 沖擊波超壓測量

本研究采用金屬絲電爆炸激發等離子體，因此在測量爆熱前需要先研究金屬絲種類對等離子體起爆能力的影響規律。采用壓力傳感器測定炸藥在等離子體起爆下的沖擊波壓力-時間曲線。試樣管采用內徑6mm、外徑10mm、長50mm的有機玻璃管，兩端有厚6mm的聚四氟乙烯帽約束。起爆電壓為20kV，裝藥質量為1g，密度為0.8g/cm3。

將試樣裝配好后豎直懸掛，試樣中心與超壓傳感器置于同一水平高度，測定距試樣中心300mm處的沖擊波壓力曲線，試驗裝置如圖1所示。

圖1 沖擊波壓力測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of shockwave pressure measuring

1.2.2 爆熱測量

選擇TNT、RDX和HMX作為等離子體起爆下能量輸出的研究對象。試樣管采用內徑10mm、外徑13mm、長30mm的陶瓷殼。起爆電壓為25kV。由于炸藥在等離子體起爆下的響應受到裝藥空隙率的影響[10]，因此裝藥密度均為60%理論最大密度，TNT、RDX和HMX的裝藥質量分別為1.9、2.1和2.2g。

首先利用量熱儀對裸金屬絲電爆炸過程的熱效應進行測量，代替傳統爆熱測量中的雷管起爆能量，通過式(1)計算待測炸藥的爆熱，試驗裝置如圖2所示。

(1)

式中：Qv為炸藥的爆熱，J/g；Cv為量熱儀的系統熱容，J/℃；T為試驗結束時的內桶溫度，℃；T0為試驗開始時的內桶溫度，℃；EP為等離子體的能量，J；m為炸藥的質量，g。

圖2 爆熱測量裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device of heat of detonation

2 結果與討論

2.1 炸藥在等離子體起爆下的沖擊波超壓

空氣中炸藥在等離子體起爆下的沖擊波超壓，可反映炸藥在等離子體起爆下的能量輸出，同時對金屬絲材質進行篩選，可用來準確評價炸藥的爆熱。

TNT在不同金屬絲等離子體起爆下的沖擊波壓力-時間曲線如圖3所示，沖擊波峰值超壓數據見表1，沖擊波峰值超壓為兩次平行試驗的平均值。

表1 等離子體起爆下TNT的沖擊波超壓

圖3 TNT在不同金屬絲等離子體起爆下的沖擊波超壓-時間曲線Fig.3 Curves of shockwave overpressure vs.time of TNT under plasma initiation with different metal wires

從圖3可知，TNT在不同金屬絲等離子體起爆下的沖擊波超壓-時間曲線的波形較為相似，而峰值超壓差異較大。從表1可知，TNT在不同金屬絲等離子體起爆下的峰值超壓大小順序為Ni-Cr>W>Mo>Cu。Ni-Cr合金絲在等離子體起爆下TNT的沖擊波超壓明顯高于單質金屬絲W、Mo和Cu,比鎢絲起爆下的峰值壓力高約38.7%。單質金屬中W和Mo等離子體起爆下TNT的沖擊波峰值超壓較為接近，而銅絲的峰值超壓則相對較小。

通過等離子體起爆測定了少量TNT炸藥在空氣中的沖擊波超壓-時間曲線，表明等離子體可以起爆TNT。利用金屬絲電爆炸產生等離子體時，金屬材質可分為兩類：一類是高熔沸點、汽化熱的重金屬，如鎢和鉬；另一類則是低熔沸點、汽化熱的金屬，如Cu。而Ni-Cr合金絲主要用于電發熱，具有較大的電阻率。據此初步認為等離子體起爆TNT時主要通過熱作用激發，仍有待進一步研究。

2.2 炸藥在等離子體起爆下的爆熱

在目前常用的絕熱法爆熱量熱儀的基礎上，設計了小型爆熱量熱儀(圖2)，按照目前的測量方法，量熱儀內筒水溫度在15min內波動極限不超過0.003℃即表示處于熱平衡狀態。利用實驗裝置進行裸金屬絲的爆熱測量，結果在15min內，量熱儀內筒水溫度升高不足0.003℃，即等離子體的能量小于量熱儀的測量精度，可忽略不計，因此，式(1)中可近似處理為EP=0。

TNT、RDX和HMX在等離子體起爆下的爆熱測量值及文獻值見表2，每種炸藥平行重復3次，取平均值。

表2 等離子體起爆下炸藥爆熱測量值及文獻值

由表2可知，TNT、RDX和HMX的爆熱3次測量平均值分別為4304.1、5491.7和6254.8J/g。等離子體起爆下的爆熱測量所用的裝藥密度為60%理論最大密度(ρTMD)，對于TNT，在相近的裝藥密度下，等離子體起爆下的爆熱值明顯高于文獻值。TNT、RDX和HMX在等離子體起爆下的爆熱值大于裝藥密度超過80%ρTMD條件下的文獻值，表明等離子體起爆下，低密度裝藥可達到傳統高密度裝藥的能量釋放效率。HMX在等離子體起爆下的爆熱值略高于傳統起爆方式下裝藥密度接近理論最大密度時測得的文獻值，表明HMX在等離子體起爆下的能量釋放效率明顯高于傳統起爆方式，同時也高于TNT和RDX。

3 結 論

(1)等離子體可實現單質炸藥的起爆，通過沖擊波超壓可以快速評價炸藥的爆轟性能。TNT在等離子體起爆下的沖擊波輸出受金屬絲材質的影響，Ni-Cr合金絲起爆下的沖擊波超壓比單質金屬鎢高約38.7%。

(2)通過等離子體起爆可實現少量炸藥在低密度非成型狀態下的爆熱評價，等離子體起爆下的爆熱值大于同等條件下采用傳統雷管起爆的爆熱值，提高了炸藥的能量輸出效率和爆轟完全性。

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Energy Output Characteristics of Explosives under Plasma Initiation

XUE Le-xing, FENG Bo, ZHAO Juan, FENG Xue-song, FENG Xiao-jun

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To obtain output release properties of explosives under plasma initiation, shockwave overpressure in air and heat of detonation were selected as characterization parameters of energy release, and metal wire electrical exploding was used as a plasma source. Shockwave overpressure curves in air of TNT were measured under Ni-Cr alloy, W, Mo, and Cu plasma initiation. The effect of metal material on shockwave overpressure was analyzed. The heats of detonation of TNT, RDX and HMX were detected based on the calorimeter of measuring the heat of detonation and plasma generator. The results show that all kinds of plasma can initiate TNT, and shockwave overpresure initiated by alloy wire is significantly higher than that initiated by elemental metal wires. Shockwave peak overpressure order was Ni-Cr > W > Mo > Cu. The heats of detonation of TNT, RDX and HMX under Ni-Cr plasma initiation are 4304.1, 5491.7 and 6254.8J/g respectively. The values of heat of detonation are higher than literature values under detected condition of charge density of over 80% theoretical maximum density, indicating that plasma initiation is helpful to improve the energy release efficiency and detonation integrity of explosive.

explosion mechanics;plasma initiation; energy output; shockwave overpressure; heat of detonation

2017-08-02；

2017-09-03

火炸藥燃燒國防科技重點實驗室基金(No.61426030402)

薛樂星(1991-)，男，碩士，從事炸藥爆轟性能研究。E-mail:xue_l_x@163.com

馮曉軍(1976-)，男，博士，研究員，從事炸藥爆轟及爆炸性能評估技術研究。E-mail:bingqi204suo@163.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.014

TJ55;O38

A

1007-7812(2017)06-0083-04