基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法

高正明，趙 娟

(荊楚理工學院 a.計算機工程學院; b.電子信息工程學院，湖北 荊門 448000)

炸藥的出現，結束了冷兵器時代靠人數、靠個人力量的戰爭方式，從此戰爭對技術的信賴多于人力，并使遠距離突襲成為可能，直接改變了戰爭的形態。隨著技術的發展，人們又研制出更高能量密度的高能炸藥(或猛炸藥)，在進一步提升戰爭破壞力的同時，也大大改進了人類的生存和生活方式。高能炸藥在爆炸工程、航空航天和現代武器系統中日益發揮著不可替代的作用。但是由于高能炸藥為有機化合物/混合物，存在老化[1]、分解、變性等各種有機化合物常規劣性[2]，因此其質量性能，尤其是與能量密度密切相關的密度參數，倍受航天工程和軍工部門的重視。公開文獻資料表明，高能炸藥密度的檢測與測量，一直是世界各國爆炸工程和現代武器工程領域相關研究的重點內容之一[3]。

高能炸藥的密度受加工條件影響[4]，其均勻性、穩定性等，在軍事應用中具有特別重要的意義，影響著高能炸藥各組分的構成[5]、爆轟效能[6-7]等。在高能炸藥密度檢測方面，美國Lawrence Livermore國家實驗室于20世紀70年代通過專門的研究提出利用物質的克分子體積的基團加和法來計算炸藥及相關物的真密度值[8]。國內外一些單位開展了基于X或γ射線[9]、快中子活化法測量高能炸藥密度的研究工作[10]。為實現在線檢測，北京理工大學還探索了動態稱重法和超聲波法[11]等。由于高能炸藥對靜電、撞擊敏感，且存在老化、分解等現象，因此高能炸藥密度的測量存在較多的限制，尤其是在長期貯存過程中以密度參數來衡量高能炸藥實體質量特性的情況下，需要在整個貯存周期開展重復性測量。此時X或γ、中子等微觀粒子的能量沉積作用、核反應等使射線檢測技術的安全性存在疑慮[12]，超聲波法也因應力波的存在和潛在的加速分解能力[13]未被列入常規檢測技術手段。工程上常用的基于阿基米德原理的密度測量法在國內簡稱作液浸法或浸液法(媒介液體包括水、油、汞等)，是高能炸藥密度測量的重要手段。該方法應用于高能炸藥實體密度檢測時，需要采用包裹物將高能炸藥和液體隔離，需要仔細排除氣泡或抽真空，機械操作步驟繁瑣，升降移動復雜，安全隱患較多，更是存在液污風險。因此，尋找一種縮短測量時間、安全可靠有效的替代方法，一直是高能炸藥相關工程領域關注的一個重要方面。

為此，于2011年提出了基于玻意爾-馬略特氣體定律的高能炸藥密度的檢測方法，并進行了充分論證[14-15]。該方法在顯著消減密度測量過程中高能炸藥機械操作數量，保證測量精度的同時，進一步提升了密度測量作業的自動化、信息化、智能化和通用化水平。本研究進一步介紹了這種新型測量方法的基本原理，推導了技術指標和應用范圍，并與傳統的排水法進行了對比分析。

1 高能炸藥密度測量方法

高能炸藥密度的測量，可區分為生產或使用前后的常規檢測和生產過程中的連續監測，前者為一次性測量，用于評估炸藥密度質量、密度分布均勻性等。而連續監測方法主要用于生產過程中的在線監測評估。

1.1 基于阿基米德定律的測量方法

基于阿基米德定律的密度測量方法是目前國內外高能炸藥密度的主要測量手段。該方法測量精度高，誤差可小于0.1 kg/m3[16]。測量的基本原理是根據密度公式ρ=m/V(ρ：密度，m：質量，V：體積)，通過直接或間接的手段測量得到高能炸藥的質量和體積，計算得到密度數值。

采用密度瓶法測量炸藥密度的基本原理是[16]

(1)

式中：m1為空密度瓶質量；m2為注滿液體的密度瓶質量；m3為注滿液體和炸藥實體的密度瓶質量；ρw為液體在溫度t時的密度。通過3次測量計算得到指定溫度下的炸藥密度數值。國軍標中對黑火藥的密度測量標準中，使用的參考液體是水銀，毒性強、染污大，景銀蘭等提出采用空氣、無水乙醇、飽和銷酸鉀+氯化鈉溶液以及純水替代水銀的方案，并進行了試驗驗證[17]。結果表明采用空氣或其他液體作為測量媒介時，測量對象密度數值變化較大，影響測量密度的主要原因包括附著氣泡、炸藥實體內部氣體殘留、質量測量誤差以及媒介密度基準誤差等。

改善測量技術方案有助于進一步提升測量結果的準確度，但同時也增加了測量對象操作頻度。高維權等在測量纖維密度[18]時，采用的密度計算公式為

(2)

式中，m4為密度瓶和待測對象的質量，試驗中給出的相對測量誤差約1%。

采用基于阿基米德定律的密度測量方法測量高能炸藥密度時，為保證高能炸藥實體質量性能，需要采用不溶于液體的包裹物包裹，以防止液體污染，為減少附著氣體，需要抽真空或排氣泡。同時，該方法需要多次移動高能炸藥實體到質量測量儀器臺上。在高能炸藥實體質量較大、爆炸危害嚴重的情況下，存在著突出的安全隱患。

1.2 連續監測方法

為滿足生產過程中高能炸藥質量和軍工產品裝藥均勻性監測技術需求，國內外工程技術人員根據物理學、力學等學科知識，提出了高能炸藥密度的連續監測方法。包括動態稱重法、超聲波法[11]、X或γ射線檢測法[19-20]、中子活化法[10]等。這些方法僅適用于生產過程中高能炸藥密度的連續監測，由于這些方法或多或少地對高能炸藥力學狀態、化學穩定性等產生影響，尚未應用于高能炸藥貯存質量管理過程中。

2 基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量方法

2.1 高能炸藥密度測量技術需求

高能炸藥密度約在1 400～2 000 kg/m3之間。基于阿基米德定律的密度測量方法中測量精度影響因素是水的密度、附著氣體以及質量的測量精度，在采用蒸餾水和高精度天平測量的條件下，目前工程上該方法的測量誤差約為1 kg/m3。為替代現有測量方法，新的高能炸藥密度測量方法應具有更優異的性能，其測量精度應不低于這一指標，即δ≤1 kg/m3。同時，測量作業時，應減少高能炸藥實體轉載移動頻度和幅度，以增強操作安全性。

2.2 密度測量基本原理

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量原理是采用如圖1所示的體積的非接觸式測量系統測量確定高能炸藥實體的體積，采用電子天平測量高能炸藥質量。基于一體化設計原則進行結構設計，測量裝置主要有3個功能模塊，體積測量模塊、質量測量模塊和輔助系統模塊，整個測量過程由計算機或單片機實現自動化控制，采用信息技術手段進行數據處理與輸出。

圖1 測量原理示意圖

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量公式為

(3)

式中:V0為測試箱體體積；V1為加載氣體體積；p0為當地大氣壓力；p為通過壓力傳感器測量加載氣體后測試箱內氣體壓力；m0、m1為測試箱加載高能炸藥實體前后質量。

2.3 測量儀器技術指標

基于玻意爾-馬略特定律的高能炸藥密度的測量裝置組成如文獻[14]所示，根據誤差傳遞理論，該方法的測量誤差為

(4)

由式可知，基于氣體定律的高能炸藥密度的測量誤差取決于體積、氣體壓力的測量誤差的傳遞與分配。因此在各功能模塊設計時，應盡可能提升體積、氣體壓力的測量精度。經調研提出模塊功能設計要求為：測量系統容器體積采用二等標準金屬量器計量方法，相對誤差不大于2.5×10-4；電子天平測量質量上限由高能炸藥總質量決定，盡量采用高精度電子天平，如目前測量質量上限為100 kg時，測量誤差可取1 g(沈陽龍騰ES100K-1型電子天平)，壓力測量采用諧振式擴散硅集成壓力傳感器，氣體壓力的測量誤差不大于0.01%(Gruck DPS/RPS 8000壓力傳感器)，即δV=2.5×10-4，eM=1 g，δp=0.01%。

測試箱放入高能炸藥實體后，剩余體積(V0-V)越小，測量精度越高，若取V1/V0=1，則絕對測量誤差Δρ小于 1 kg/m3，相對誤差小于0.1%，測量精度很高。密度的測量誤差隨加載氣體體積的增大而減小，且密度越小的實體測量精度越高。加載氣體越多，測試箱內終態壓力越高，測試箱氣密性要求也增高，增大了測量裝置制造與維護難度；給定初始質量，隨著固體密度的增大，誤差逐漸增大；待測量物質質量對測量誤差的影響顯著，質量越小，密度測量誤差也越小。在給定測試箱箱體體積的條件下，待測物質密度必須足夠小才能保證測量誤差較小。若許可誤差δ≦1 kg/m3，則可推算待測實體密度應滿足：ρ≦2 550 kg/m3，因此該測量系統的檢測范圍是ρ≦2 550 kg/m3。

為確保安全，在高能炸藥密度的檢測過程中，一般情況下轉載移動操作和排氣泡操作所占時間約占整個測量時間的90%以上。采用液浸法測量高能炸藥密度時，由于需要多次測量高能炸藥實體及其包裹物的質量，轉載移動次數較多，測量時間相應的也很長。而基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法只需要轉載移動高能炸藥實體一個來回，顯著縮短了測量時間。

2.4 對比分析

表1中列出了新的測量方法測量高能炸藥密度與排水法的對比情況，可見，基于氣體定律的高能炸藥密度的測量方法具有更突出的性能。且可采用計算機接收和處理相關數據，通過程控方式實現密度的批量測量，自動化、信息化程度高，測量原理簡單，作業程序少，操作安全，且避免了排水法測量過程中可能造成的水污風險。

表1 新的高能炸藥密度測量方法與傳統測量方法比較分析

3 結論

根據高能炸藥貯存質量管理需要提出了基于氣體定律的密度測量新方法，并給出了測量原理，明確了該方法的技術指標。研究結果表明：在現有條件下開展基于氣體定律的高能炸藥密度的測量，其測量誤差與傳統的排水法測量誤差相當，但可大大提高高能炸藥密度測量的自動化、信息化和智能化水平，顯著縮短測量時間，大幅縮減高能炸藥轉載移動次數，減少操作安全隱患。