不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥深水爆炸能量輸出特性

闞潤哲， 聶建新， 郭學永， 閆石， 焦清介， 張韜

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081)

0 引言

深海蘊含著豐富的資源，同時也具有極其重要的軍事價值。近年來，世界各主要海洋國家充分認識到深海在未來國家經濟和國土安全中的重要地位，紛紛加大了相關領域的資金和人力投入。目前，各國潛艇潛深一般在500～650 m，最大可達1 000 m，而2019年美國海軍戰略研究小組認為900 m至海床為其作戰空間。因此，未來無論是力爭在深海資源開發中占得先機，還是力求在未來深海空間防衛中占據主動，都使得深水爆炸研究變得極為迫切，同時也具有重要意義。

深水環境中，受水深導致的靜水壓力的變化，爆炸載荷以及能量結構將發生一定的改變。國外在20世紀中期便開展了不同水深下炸藥爆炸特性的研究。Cole等作為水下爆炸理論的奠基人，除進行水下爆炸理論研究外，還記錄了260 m水深內的大量實驗結果。Slifko在大西洋開展了水深500～14 000英尺的海上實驗，得到水深對炸藥沖擊波超壓、沖量以及氣泡脈動周期等爆炸參數的影響規律，這是目前最早也是最完整的深海實驗研究。國內深水爆炸研究雖然起步較晚但近年來成果豐碩，馬坤等通過密閉水箱測試系統開展了小當量藥球100 m水深條件內的深水爆炸實驗，獲得的氣泡脈動周期及最大半徑隨水深增加而降低。Xiao等在南海深海海域開展了TNT藥包在300 m深度內的爆炸實驗，獲得的沖擊波峰值壓力隨水深增加而降低。梁浩哲等應用AUTODYN軟件研究了100～2 000 m水深環境下TNT裝藥水下爆炸沖擊波壓力衰減過程和氣泡脈動過程，發現深水爆炸氣泡最大半徑和脈動周期均變小，并且隨著水深的增加，比沖擊波能減少、比氣泡能增加。王長利等對50～300 m水深條件下耐壓艙體結構在聚能裝藥作用下的毀傷效應進行研究，獲得的沖擊波壓力峰值受水深的影響較小。Liang等使用壓力容器研究200 m、300 m和350 m深水爆炸氣泡脈動過程中發現，在深水爆炸中較難形成球形氣泡，氣泡最大半徑和脈動周期都隨著水深的增加而減小，水深變化改變了深水爆炸能量釋放過程。

鋁氧比作為影響復合炸藥水下爆炸能量輸出特性的重要因素，成為研究者關注的熱點。楊斐等研究發現3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱/Al/高氯酸銨(AP)炸藥隨著鋁氧比的增加，比沖擊波能在0.3時最大，比氣泡能一直增加，鋁氧比0.6左右時，炸藥能量利用率最高。Zhao等通過水下爆炸實驗發現黑索今(RDX)含量一定時，比沖擊波能、比氣泡能和總能量隨鋁氧比的增加而增加，更多的鋁反應產生的能量被用來增加氣泡的能量。Xiang等通過不同鋁氧比奧克托今(HMX)基和RDX/AP基含鋁炸藥水下爆炸實驗發現，隨著鋁氧比的增大，沖擊波峰值壓力、比沖擊波能以及比氣泡能均先增大后減小，并通過調整鋁氧比實現了水下能量輸出結構的調控。此外，Xiao等對不同粒徑和鋁氧比RDX/AP基含鋁炸藥水下爆炸能量輸出特性的研究結果表明，鋁氧比對炸藥的比沖擊波能和比氣泡能有較大的影響，使用小粒度鋁粉有利于爆炸總能量的提高。在CL-20炸藥水下爆炸研究中，Feng等、馮凇等通過實驗水箱首次直觀地拍攝到CL-20基含鋁炸藥水下爆炸的二次反應放熱現象，即CL-20基含鋁炸藥的氣泡半徑、脈動周期較明顯升高，但沖擊波峰值壓力略有下降。王秋實等和孫曉樂等進行了不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥淺水爆炸實驗并獲得了相同結論，即比沖擊波能、比氣泡能與總能量先增加后減少，改變鋁氧比可調節水下爆炸能量輸出結構。機理研究方面，胡宏偉等、Hu等研究了CL-20基含鋁炸藥水下爆炸反應機理后發現，CL-20基含鋁炸藥中只有少部分鋁粉參與了早期爆轟反應，鋁粉含量和粒徑對炸藥的二次反應有顯著影響，納米鋁粉增強了早期爆轟反應，提高了沖擊波峰值壓力，而微鋁粉保持了較高的比氣泡能。

綜上所述，近年來國內外針對多種含鋁炸藥淺水爆炸特性的研究較充分，獲得了大量鋁氧比對水下爆炸能量輸出特性影響規律。但高靜水壓環境使得深水爆炸比沖擊波能、比氣泡能以及氣泡半徑等參數相對淺水爆炸發生變化，導致含鋁炸藥深水爆炸能量輸出規律與淺水條件獲得的規律差異較大，故對于深水環境中炸藥能量輸出特性的研究具有重要意義。

本文利用深水爆炸壓力罐模擬500 m水深條件，進行不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥深水爆炸實驗，基于深水爆炸實驗數據系統地分析高靜水壓條件下鋁氧比對含鋁炸藥爆炸能量輸出結構的影響規律，以期為CL-20基含鋁炸藥深水爆炸能量輸出調控提供理論依據。

1 深水爆炸實驗

1.1 實驗裝置

本文實驗采用直徑為7 m的球殼型結構深水爆炸壓力罐，通過外置加壓系統對罐體內部進行加壓以模擬深水環境，靜水壓力使用蘇州天康自動化有限公司生產的CYB-20S型電子水下傳感器測量。實驗時，待測藥包位于壓力罐中心，藥包周圍共布置3個壓力傳感器，距藥包分別為0.625 m、1.0 m和2.0 m。實驗選用美國PCB公司生產的138A型電氣石水下傳感器，所有壓力傳感器均安裝在支架上，支架通過纜繩懸吊于壓力罐中，并使傳感器與藥包位于同一水平面上。實驗前對傳感器進行了標定，數據采集儀選用德國HBM公司生產的GEN 7tA型數據采集儀，采樣率均為40 kHz。深水爆炸壓力罐及其實驗布置如圖1所示，實驗在靜水壓5 MPa下進行，使用標準TNT藥包對此壓力環境下的測試系統進行標定。

圖1 深水爆炸壓力罐內藥包及傳感器布放示意圖Fig.1 Schematic diagram of charge and sensor layout in deep-water explosion pressure tank

1.2 實驗方案

深水爆炸實驗使用圓柱形壓裝CL-20基含鋁炸藥，藥柱直徑為50 mm，高度為51.5 mm。鋁氧比是單位質量復合炸藥中鋁元素與氧元素物質的量之比，故本文實驗通過改變樣品中鋁粉含量制備6組不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥實驗樣品，樣品具體參數如表1所示。為保證起爆完全性，每個主藥柱使用50 g尺寸為45 mm×19 mm的JH-14(RDX∶石蠟=95∶5)擴爆藥柱，樣品實物如圖2所示。使用EXPLO 5程序計算樣品理論儲能及JWL狀態方程參數，同時計算初始燃燒溫度，結果記錄于表1中。

表1 CL-20基含鋁炸藥樣品配比及爆轟參數Tab.1 Formulation and detonation parameters of CL-20-based aluminized explosives

圖2 實驗樣品Fig.2 Photo of real charge

1.3 數據處理

炸藥水下爆炸釋放的總能量一般由比沖擊波能、比氣泡能和熱損失能三部分組成，、之和稱為水下爆炸機械能，如(1)式所示：

=+=++

(1)

、可通過測量一定爆距處的壓力時程曲線獲得，計算公式如下：

(2)

(3)

式中：、為測試系統的修正系數，由TNT裝藥計算結果和測試結果的比值標定；為測點到爆心的距離；為藥包質量；、分別為水密度和聲速；為沖擊波到達時間；為時間常數，表示沖擊波壓力從峰值衰減到所需時間，為常數，=2718；()為壓力時程；為氣泡脈動周期。

1.4 實驗結果

深水爆炸壓力罐實驗預置壓力5 MPa，模擬水深為500 m，進行6組實驗，記錄各組深水爆炸壓力時程曲線。根據13節數據處理方式，計算獲得深水爆炸實驗測試結果如表2所示。

2 實驗結果與分析

2.1 深水爆炸壓力時程曲線分析

實驗通過內置壓力傳感器記錄深水爆炸壓力罐中爆炸沖擊波壓力時程曲線，圖3所示為典型壓力時程曲線圖。由圖3可見，樣品起爆后，沖擊波經過水介質傳到壓力傳感器形成壓力信號，之后壓力迅速達到峰值然后快速衰減，緊接著傳感器接收到氣泡脈動波導致的壓力信號，形成氣泡脈動峰值。在這一過程中，由于受到壓力罐壁面反射波的影響，記錄到有規律的反射峰。

選取0625 m處的3組測試結果，對500 m深水環境不同鋁氧比樣品深水爆炸壓力變化規律進行分析，得到壓力時程曲線如圖4所示。由圖4可見：

表2 深水爆炸實驗結果Tab.2 Experimental results of deep-water explosion

圖3 深水壓力罐中典型壓力時程曲線Fig.3 Typical p-t curve in a deep-water pressure tank

鋁氧比為067時沖擊波峰值壓力較低，但衰減較慢，這是因為在C-J面后爆轟產物的快速膨脹初期，少部分鋁粉發生反應，如果其釋放的能量高于鋁粉在爆轟反應區內吸收的熱量，則可以支持沖擊波傳播，當鋁氧比為067時，鋁粉含量較多，爆轟反應區吸熱較多，使得沖擊波峰值壓力降低；當鋁氧比分別為024和046時，沖擊波峰值壓力雖然較高，但由于鋁粉含量較低，缺乏對沖擊波的持續供能，導致沖擊波的衰減速率較快，沖擊波下降沿末端的壓力較低。

圖4 不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥深水爆炸壓力時程曲線Fig.4 p-t curves of deep-water explosion pressure of CL-20-based aluminized explosives with different Al/O ratios

由圖4還可知，鋁氧比的變化對氣泡脈動過程同樣產生了較大的影響。當鋁氧比分別為024和067時，隨著鋁氧比增大，氣泡脈動周期變長，二次脈動壓力峰值降低。其原因是鋁粉在氣泡內的燃燒為氣泡脈動提供了能量，鋁氧比的改變使得氣泡內鋁粉燃燒過程發生變化，導致氣泡脈動壓力與氣泡脈動周期發生改變。

2.2 不同水深壓力時程曲線分析

為了分析水深對水下爆炸的影響規律，在深水爆炸壓力罐中選取鋁氧比為024的CL-20基含鋁炸藥，進行常壓水下爆炸實驗。由于常壓下氣泡受深水爆炸罐剛性壁面的影響較大，只對沖擊波壓力時程曲線前段數據進行分析，研究靜水壓對沖擊波影響規律。

常壓條件下壓力時程曲線如圖5所示，計算獲得距藥包1 m處的沖擊波峰值壓力為3513 MPa，比沖擊波能158 MJ/kg。由圖5可以看出，5 MPa深水條件下與常壓條件下相比，沖擊波峰值壓力略有下降，沖擊波壓力衰減更快，正壓作用時間縮短，水深對沖擊波壓力時程曲線的影響主要在沖擊波衰減段后段。由于沖擊波峰值壓力的降低及衰減速度的加快，由(2)式可知，深水爆炸相對淺水爆炸而言，比沖擊波能有所下降。

圖5 不同水深條件下1 m處壓力時程曲線Fig.5 p-t curves at 1 m under different water depths

2.3 深水爆炸沖擊波峰值壓力分析

根據表2中的沖擊波峰值壓力實驗結果，高靜水壓條件下沖擊波峰值壓力隨鋁氧比的提高總體呈現先升高、后降低的趨勢(0625 m處傳感器距離較近，受到沖擊波及水流影響，測試結果波動較大)。分析其原因，是因為鋁氧比較低時，爆轟產物膨脹初期，少部分鋁粉發生反應釋放的能量高于鋁粉在爆轟反應區內吸收的熱量，沖擊波峰值略微提高，當鋁氧比繼續提高時，鋁粉作為惰性物質在爆轟反應區吸收的能量逐漸增大，稀釋作用越加明顯，并且隨著鋁氧比的不斷提高，炸藥含量不斷降低，爆轟反應強度逐步下降，最終導致沖擊波峰值快速降低。不同測試距離處沖擊波峰值壓力隨鋁氧比的變化關系如圖6所示。

圖6 峰值壓力與鋁氧比的關系Fig.6 Relationship between pmax and Al/O ratio

與淺水爆炸相同，同一樣品的深水爆炸沖擊波峰值壓力隨著距離的增加而逐漸減小。Swisdak將炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力用(4)式表示為

(4)

式中：為峰值超壓指前因子，值越大，水中爆炸參數值越大；為沖擊波衰減因子，的絕對值越小，參數變化速率越小。圖7給出了深水爆炸沖擊波峰值壓力與對比距離的變化關系，對應參數如表3所示。

圖7 沖擊波峰值壓力與比例距離的關系Fig.7 Relationship between peak pressure of shock wave and reduced range

表3 CL-20基含鋁炸藥相似律系數

圖7和表3結果表明，高靜水壓條件下，CL-20基含鋁炸藥的沖擊波峰值壓力符合爆炸相似律。

3 深水爆炸能量輸出分析

3.1 深水爆炸比沖擊波能

圖8為不同測試距離處比沖擊波能變化曲線。由圖8可知，CL-20基含鋁炸藥深水爆炸比沖擊波能隨鋁氧比的增大先升高后降低，在046時達到峰值，并隨著測試距離增加不斷降低。根據(2)式可知，比沖擊波能大小受沖擊波峰值壓力與其壓力衰減速率兩方面影響。隨著鋁氧比的增大，CL-20的含量降低，沖擊波峰值壓力下降。但當鋁氧比從024增加到046時，鋁粉反應釋放的能量支持了沖擊波的傳播，在維持沖擊波峰值壓力的同時，爆轟波后鋁粉的燃燒減緩了沖擊波的衰減，故比沖擊波能得到提高，與沖擊波壓力時程曲線分析結果一致。

圖8 比沖擊波能與鋁氧比的關系Fig.8 Relationship between Es and Al/O ratio

3.2 深水爆炸比氣泡能

圖9為不同測試距離處比氣泡能變化曲線。由圖9可知，隨著鋁氧比的提高，深水爆炸比氣泡能先增加后降低，在鋁氧比067時達到峰值，且不隨測試距離增加而變化。這是因為含鋁炸藥深水爆炸比氣泡能主要來自于鋁粉爆轟波后燃燒釋放的能量，隨著鋁氧比增加，鋁粉燃燒釋放的能量提高，比氣泡能增大。但當鋁氧比大于067后，氣泡內氧含量不足，鋁粉無法完全燃燒，能量釋放不完全，故比氣泡能降低。此外，相同靜水壓環境下，比氣泡能主要由氣泡脈動周期控制，測試距離的變化不會改變氣泡脈動周期，故不同測試距離處比氣泡能未發生明顯變化。

圖9 比氣泡能與鋁氧比的關系Fig.9 Relationship between Eb and Al/O ratio

3.3 深水爆炸損失能

由表2可知，水下爆炸的沖擊波與氣泡能之和總是小于炸藥的理論儲能。對于含鋁炸藥而言，導致損失能提高的原因主要有兩個：1) 沖擊波頭熵增效應引起的機械能耗散，即熱損失能，這部分能量一般以熱的形式散逸到水中，這個過程會受到靜水壓力影響；2) 由于添加的鋁粉含量、粒徑等原因，使得炸藥中鋁粉反應不完全，炸藥儲能未能完全釋放，未釋放能量提高。損失能可由(5)式計算：

=+=-

(5)

圖10所示為不同鋁氧比樣品在各測試距離處損失能的變化規律。由圖10可知：深水爆炸的損失能在鋁氧比為024～088時先升高后降低，在鋁氧比067時到達峰值；隨著鋁氧比的繼續升高，損失能出現快速上升。其原因可能是兩組高鋁氧比樣品中鋁粉含量均高于40，導致初始燃燒溫度較低(見表1)，降低了鋁粉的燃燒速率，使得其燃燒不完全，能量釋放率下降。此外，隨著氣泡膨脹，氣泡內壓力越來越小，鋁粉燃燒反應也越來越弱，大部分鋁粉無法在第1個脈動周期內完全反應，使得比氣泡能降低，損失能增大。

圖10 不同鋁氧比各測點處損失能的變化關系Fig.10 Changing relation of El at each measuring point with different Al/O ratios

為了進一步表明損失能隨測試距離的變化關系，使用(6)式對不同測試距離處的損失能進行擬合，

=+

(6)

式中：、為擬合參數，擬合結果如表4所示。

表4 損失能擬合曲線斜率Tab.4 Slope of fitted curve of El

損失能擬合曲線斜率值表示了損失能隨測試距離變化的快慢。在不考慮上述兩組高鋁氧比樣品情況下，隨著鋁氧比的增加，損失能隨測試距離的變化速率先升高后降低，在鋁氧比046時達到峰值，故可通過改變鋁氧比對深水爆炸遠場能量利用效率進行調控。

3.4 鋁粉二次反應特性

結合爆轟環境鋁粉燃燒時間計算公式，可計算不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥中鋁粉燃燒時間，

(7)

式中：、分別為鋁原子半徑和質量；為鋁粉粒徑；、分別為鋁的密度和氣化焓；為與爆速有關的擴散系數；為玻爾茲曼常數；為普適氣體常量；為初始燃燒溫度。

由圖11中鋁粉燃燒時間及比沖擊波能計算時間可知：當鋁氧比較低時，鋁粉燃燒時間與比沖擊波能積分時間(67)基本一致，鋁粉燃燒釋放的能量支持了比沖擊波能；隨著鋁氧比的增加，鋁粉燃燒時間增加，67時間內鋁粉燃燒釋放能量降低，后續釋放的能量主要用來供給比氣泡能；鋁氧比過高時氣泡膨脹，受氣泡內初始溫度和含氧量下降等因素制約，導致鋁粉燃燒反應不充分，故比氣泡能降低，損失能增加，與實驗結果基本一致。

圖11 鋁粉燃燒時間及比沖擊波能計算時間Fig.11 Combustion time of aluminum powder and calculation time of Es

4 深水爆炸能量輸出結構分析

4.1 總能量及能量利用率分析

深水爆炸能量利用率是衡量炸藥能量輸出效率的關鍵因素，可由(8)式計算：

(8)

不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥在500 m深水條件下爆炸能量利用率及炸藥理論儲能與鋁氧比的關系如圖12所示。由圖12可見，能量利用率隨鋁氧比增大不斷降低，理論儲能隨鋁氧比提高先增大后減小，在067達到峰值。這是因為在環境中的氧不參與反應時，鋁和氧反應在067達到最佳比例，故釋放的能量最大。由于深水爆炸能量釋放率的大小取決于鋁粉后燃反應的程度，鋁氧比較高時，初始燃燒溫度和深水氣泡內氧含量、壓力等制約了鋁粉燃燒反應，導致鋁粉燃燒不充分，能量利用率低。從能量利用率的角度，CL-20基含鋁炸藥最佳的鋁氧比為024 ～ 046。

圖12 1 m處能量利用率及炸藥理論儲能與鋁氧比的關系Fig.12 Relation of η and Ec at 1 m with Al/O ratio

4.2 機械能及其能量結構分析

圖13 1 m處機械能及其能量結構與鋁氧比的關系Fig.13 Relation of Em and its energy structure at 1 m with Al/O ratio

圖13所示為500 m深水條件下測試距離1 m處的機械能及其能量結構圖。由表2和圖13可知：不同測試距離處深水爆炸機械能均隨著鋁氧比不斷提高，先增加后減少，在067時最大；鋁氧比在046～067時，深水爆炸機械能基本維持穩定，變化幅度只有03，但是能量結構發生了明顯變化，其中比沖擊波能降低了6。因此，在維持較高的總機械能不變前提下，通過調節鋁氧比可以對深水爆炸能量輸出結構進行調控，鋁氧比越高，比沖擊波能占比越低，比氣泡能占比越高。

5 結論

本文利用深水爆炸壓力罐模擬500 m深水環境，進行了6組不同鋁氧比CL-20基含鋁炸藥深水爆炸實驗。通過分析得到以下主要結論：

1) 500 m深水環境中，深水爆炸沖擊波峰值壓力隨鋁氧比的提高總體呈現先升高后降低的趨勢，沖擊波峰值壓力符合爆炸相似律。

2) 500 m深水環境中，深水爆炸比沖擊波能和比氣泡能隨鋁氧比的提高先增大后減小。比沖擊波能在鋁氧比為046時最大，隨測試距離的增加而降低；比氣泡能在鋁氧比為067時最大，隨測試距離的變化保持穩定。損失能與其隨測試距離的增加速率在鋁氧比為024～088時均先升高后降低，鋁氧比在067和046時損失能達到峰值，故可以通過改變鋁氧比對深水爆炸遠場能量利用效率進行調控。

3) 500 m深水環境中，隨著鋁氧比的增加，深水爆炸機械能及炸藥理論儲能先增加后減少，能量利用率持續降低。在鋁氧比為046～067時，深水爆炸機械能維持平臺值，該平臺值范圍內，鋁氧比增大，比沖擊波能占比降低，比氣泡能占比升高，故通過調節鋁氧比可對深水爆炸能量輸出結構進行調控。