DNTF_AP_Al+体系炸药的能量特性分析.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2014. 05. 003 DNTF/ AP/ Al 体系炸药的能量特性分析 ❋ 杨 斐 王建灵 罗一鸣 严家佳 高 赞 李鸿宾 西安近代化学研究所陕西西安,710065 [摘 要] 为了研究 DNTF3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱 / AP/ Al 体系炸药的能量特性,选取了质量比为 DNTF/ AP/ Al35/35/30的试样进行了水下爆炸能量测定和爆热测试,并将试验结果与 TNT 和 RS211 进行了对比。 结果 表明试样的比冲击波能是 TNT 的1. 38 倍,与 RS211 相当;比气泡能分别为 TNT 和 RS211 的4. 56 倍和2. 91 倍;总 能量为 TNT 和 RS211 的 3. 56 倍和 2. 26 倍。 经计算发现试样的能量利用率高达 98%。 为了研究造成该配方试样 高气泡特性和高能量利用率的原因,通过分析对比试样、DNTF 和 DNTF/ Al70/30体系的水下爆炸试验结果发现, Al 粉的加入显著提高了比气泡能,降低了热损失能;Al 粉和 AP 的联用进一步提高了比气泡能和能量利用率,同时 也提高了比冲击波能。 [关键词] 爆炸力学;DNTF;水下能量;比冲击波能;比气泡能 [分类号] TD235. 2 +1 引言 高能量密度材料是当今含能材料领域的研究热 点,3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱DNTF是我国含能 材料领域具有突出地位的新一代高能量密度材料, 具有熔点低、密度高、威力大、安定性好、感度适中、 爆速高、爆发点高和综合性能良好等特点[1-2],可替 代 TNT 用作熔铸炸药中的液相载体炸药,并能大幅 提高熔铸炸药的能量[3]。 DNTF/ AP/ Al 配方体系具有突出的高能量特 性,理论计算其能量最高可以达到 3 倍以上的 TNT 体积当量;目前已有相关研究验证了 AP、Al 与 DNTF 的相容性良好,配方制备工艺也比较成熟的 结论,故该体系炸药具有广阔的应用前景。 如何发 挥 DNTF/ AP/ Al 炸药的高能量特性,必须对其能量 特性进行深入研究。 目前,国内外在这方面的研究 还比较薄弱, 对其能量特性不太了解, 限制 了 DNTF/ AP/ Al 炸药的应用。 本文根据熔铸炸药配方设计基本原则,选取质 量比为 35/35/30 的 DNTF/ AP/ Al 体系炸药作为典 型研究对象,进行了水下爆炸试验和爆热测试,根据 试验结果深入分析了试样的能量特性,初步了解了 AP 和 Al 粉在体系中的有利作用,为 DNTF/ AP/ Al 体系炸药的深入研究提供参考。 1 试验方案 1. 1 试验样品制备 配方的选取原则是先满足熔铸炸药工艺要求的 条件下,选取理论计算爆热最大的一组配方作为研 究样品。 先将 DNTF 炸药颗粒加热熔化,然后把配比好 的 AP 与 Al 粉加入液态的载体炸药中,充分搅拌 后,浇铸入已预热直径 25 mm 的模具中,冷却成型 后加工成 25 g 的药柱,带 8#雷管孔,样品 DUL 配方 及基本参数见表 1。 表 1 试验样品配方及基本参数 Tab. 1 Formulation and essential parameters of testing samples 样品 配方 质量比 理论密度 ρT/ gcm -3 实测密度 ρ0/ gcm -3 RS211 钝化 RDX/ TNT/ Al64/19/17 1. 6801. 702 DNTFDNTF1001. 9371. 681 DL DNTF/ Al5μm 70/30 2. 1151. 923 DUL DNTF/ AP/ Al5μm35/35/30 2. 1202. 011 1. 2 爆热测试 测试依据为 GJB772A1997 方法 701. 1。 1. 3 水下爆炸试验 112014 年 10 月 DNTF/ AP/ Al 体系炸药的能量特性分析 杨 斐,等 ❋ 收稿日期2014-05-15 基金项目国防科工委计量项目科工计[2010]1425 号 作者简介杨斐1990 ,男,硕士研究生,主要从事混合炸药技术研究。 E-mail461358897@ qq. com 通信作者王建灵1963 ,女,研究员,主要从事炸药性能测试与评估研究 1. 3. 1 试验条件 本试验所用爆炸水池直径为 3. 2 m,水池深度 2. 6 m,池壁和池底用 8 mm 厚的钢板焊接而成。 传 感器测点距爆心 0. 9 m,装药深度 1. 6 m,为总水深 的 2/3来自水面和池底的影响可以抵消[4],保持 传感器与装药同一平面。 整个试验装置与测试系统 如图 1 所示。 1-爆心;2-传感器;3-爆炸水池 图 1 试验装置与测试系统示意图单位m Fig. 1 Illustration of experiment set-up and testing system unit m 试验时采用 8#雷管由端面中心一次引爆。 每 组测试 2 个平行试样,每发药柱取 2 组数据。 1. 3. 2 测试系统 水下试验采用了 Gen5I 型数据采集仪,传感器 采用 压 电 式 电 气 石 水 下 激 波 传 感 器, 型 号 为 PCB138A,灵敏度为 6. 988 MPa/ V,压力测量范围为 0 69 MPa。 2 试验结果与处理 2. 1 爆热测试 样品理论爆热与实测爆热数据如表 2 所示。 表 2 样品爆热参数 Tab. 2 Detonation parameters of samples 样品 理论爆热 Qv/ MJkg -1 实测爆热 Q/ MJkg -1 RS2115. 7755. 757 DNTF6. 0875. 286 DL7. 9837. 092 DUL10. 3349. 011 2. 2 水下爆炸参数的计算 2. 2. 1 比冲击波能 通过测量水中冲击波压力-时间曲线可计算得 到水下爆炸的冲击波能和气泡能,在距爆心为 R 的 测点处,比冲击波能 esMJ/ kg的计算公式为[5-6] es= 4πR2 Wρ0C0ʃ τ 0p 2tdt。 1 式中R 为爆炸中心至测点的距离,m;W 为装药质 量,kg;ρ0为水的密度,取 1000 kg/ m3;C0为水中的 音速,取 1500 m/ s;pt为测点处 t 时刻冲击波压 力,Pa;τ 为积分上限,一般取 6. 7θ,s。 2. 2. 2 比气泡能 小水池由于边界效应的影响,水下爆炸的能量 输出会存在一定偏差,其中气泡能受边界效应的影 响更大,因此,需对气泡能的计算公式进行修正。 修 正后比气泡能 ebMJ/ kg计算公式如下[7] eb= 1 8WC3K3 1 1 +4CTb-1 [] 3; 2 K1=1. 135 ρ1/2 0 p5/6 h ;3 Tb= tb pi+ ph p0+ ph 5/6 。4 式中W 为装药质量,kg;tb为修正前的气泡周期,s; Tb为修正后的气泡周期,s;C 为与实际水池中装药 位置有关的常数,Bjarnholt 等[8]通过实验确定 C 值 为 -0. 4464 s -1;p i为测试时水面实测大气压,Pa;p0 为水面标准大气压,Pa;ph为装药深度处的静水压 力,Pa;ρ0为水的密度,kg/ m3。 2. 2. 3 测点处水下爆炸总能量 测点处水下爆炸总能量 et由比冲击波能 es和 比气泡能 eb组成,为两种能量之和,即 et= es+ eb。5 2. 2. 4 热损失能 由于冲击波在传播过程中对所经之处的水产生 冲击加热,致使一部分能量以热的形式损失在水中, 称为热损失能 er;炸药水中爆炸的总能量接近于炸 药爆炸所释放处的化学能,即爆热 Qv。 则由测得的 es和 eb以及得到的爆热 Qv可以计算得到 er,如下 式所示 er= Qv- es+ eb = Qv- et。6 结合式1 式6计算后,可得几种炸药水中 爆炸试验的比冲击波能 es、比气泡能 eb、测点处的水 下总能量 et以及热损失能 er,如表 3 所示。 3 分析与讨论 3. 1 爆热结果分析 对于 DNTF/ AP/ Al 体系炸药,由表 2 数据可以 看出,DUL 样品的理论爆热和实测爆热值均很高, 实测爆热较 RS211、DNTF 和 DL 大约分别提高了 56. 5%、70. 5%和 27. 1%。 3. 2 DNTF/ AP/ Al 炸药与常用炸药水下爆炸能量 输出的差异 对比表3 中DUL、TNT、RS211 和DNTF4 组数 据,从测点处的总能量来看,DUL最高,达到10. 124 MJ/ kg,分别为TNT、RS211和DNTF的3. 56倍、2. 26 21 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期 表 3 炸药水下爆炸试验能量输出参数 Tab. 3 Energy output parameters of explosives by underwater explosion 样品 es/ MJkg -1 tb/ ms eb/ MJkg -1 et/ MJkg -1 es/ et % eb/ et % er/ MJkg -1 er/ Qv % TNT0. 894[9]84. 4[9]1. 950[9]2. 844[9]31. 468. 61. 38632. 8 RS2111. 42477. 23. 0604. 48431. 868. 21. 29122. 4 DNTF1. 12686. 82. 0483. 17435. 564. 52. 91347. 9 DL1. 112117. 55. 5116. 62316. 873. 21. 36017. 0 DUL1. 232133. 18. 89210. 12412. 281. 80. 2102. 0 倍和 3. 19 倍;从比冲击波能和比气泡能来看,到达 测点时,比冲击波能的差别不太大,基本处于同一水 平,但比气泡能却相差很大,DUL 的比气泡能远远 高于其他炸药,分别为 TNT、RS211 和 DNTF 的 4. 56 倍、2. 91 倍和 4. 34 倍;从气泡周期来看,DUL 修正 前的气泡周期最高,达到了 133. 1 ms;从水中爆炸 能量输出结构来看,到达测点时,4 种炸药的能量都 以气泡能为主, 均超过了总能量的 60%, TNT、 RS211 和 DNTF 的气泡能所占总能量比例均为 65% 左右,相差不大,而 DUL 的气泡能所占总能量比例 超过了 80%,也就是说水下能量大部分是通过气泡 脉动释放;从热损失能来看,在冲击波传播到测点过 程中,DUL 的热损失能最低,为 0. 21 MJ/ kg,仅占总 化学能的 2%,说明 DNTF/ AP/ Al 体系炸药在水下 爆炸的能量利用率高达 98%。 综上所述,DNTF/ AP/ Al 炸药与其他 3 种常用 炸药水中爆炸能量差异主要体现在气泡特性上,其 比气泡能与气泡周期都很高,而冲击波特性差异不 显著。 这也导致 DNTF/ AP/ Al 炸药的水下能量输出 结构也与一般水下炸药不同,气泡能所占的比例很 高,同时其能量利用率也很高,因此 DNTF/ AP/ Al 炸 药具有广阔的应用前景。 3. 3 DNTF/ AP/ Al 炸药水下能量输出特性的原因 由表 3 可以看出,DNTF 单质炸药的水下能量 与 TNT、RS211 的水下能量性能在同一水平上,而加 入一定量的 AP 和 Al 粉后,DNTF/ AP/ Al 的水下能 量性能特别是气泡特性非常突出,其能量输出结构 也发生很大改变。 本文从配方角度分析了造成试验 中 DNTF/ AP/ Al 炸药高气泡特性的原因,通过对比 DNTF、DL、DUL 3 种炸药的水下试验数据分析 Al 粉 及 AP 的加入对体系水下能量释放的影响。 3 种炸 药水下爆炸的压力-时间曲线如图 2 所示。 1由图 2 可以看出,DL的峰值压力低于DNTF, 图 2 3 种炸药的压力-时间曲线 Fig. 2 Pressure-time curves for three different types of explosives 在压力-时间曲线衰减阶段,DL的衰减速度明显低 于 DNTF,气泡脉动周期明显增大。 对比 DNTF 和 DL 的水下试验的数据,DL 的比冲击波能有所降低, 但幅度不大;而气泡周期、比气泡能和总能量均大幅 提高,分别为 DNTF 的 1. 35 倍、2. 69 倍和 2. 09 倍。 同时 DL 中比气泡能占总能量的比例较 DNTF 也增 加了 8. 7%。 这是因为 Al 粉在爆轰反应区内只有少量参与 反应,要吸热和消耗一部分能量,从而降低了爆轰波 阵面的能量,故峰值压力会降低;而大部分 Al 粉反 应是在炸药爆轰产物膨胀过程中完成,并释放出大 量能量,该过程放出的热量对气泡脉动贡献很大,故 大幅增加了比气泡能和脉动周期[10]。 2DUL 与 DL 配方中 Al 粉的含量相同,区别是 DL 中不含 AP,由图 2 可以看出,DUL 的峰值压力介 于 DNTF 与 DL 两者之间,冲击波衰减更慢,气泡脉 动周期进一步增大;分析两组水下能量数据同样发 现,DUL 比 DL 的比冲击波能、气泡周期、比气泡能 和总能量均有所提高,分别提高了 10. 8%、13. 3%、 61. 4%和 52. 9%;同时对能量输出结构也有一定影 响,比气泡能占总能量的比例较 DL 增加了 8. 6%。 这可能是因为 AP 的加入改变了混合炸药体系 312014 年 10 月 DNTF/ AP/ Al 体系炸药的能量特性分析 杨 斐,等 的氧平衡,通过混合炸药氧平衡计算公式计算得 DUL 与 DL 的氧平衡为 -0. 22 和 -0. 41,DUL 更接 近零氧平衡,在爆轰反应区促进了炸药颗粒和少量 Al 粉的充分反应,并使剩余 Al 粉在爆炸产物膨胀 区反应更完全,故比冲击波能、比气泡能均有所提 高,从而提高了炸药水下能量利用率。 其中比气泡 能的变化更大,能量输出结构也进一步发生改变。 综上所述,Al 粉与 AP 的加入使得 DNTF/ AP/ Al 炸药具有一般水下炸药没有的水下能量输出特 性,如高比气泡能、高能量利用率等。 在以后的研究 中,将进一步研究 Al 粉和 AP 对 DNTF/ AP/ Al 炸药 水下能量输出影响规律。 4 结论 通过对 DNTF/ AP/ Al 体系炸药的水下爆炸的试 验研究,得出以下结论 1试样相比 TNT、RS211 具有很明显的能量输 出优势。 试样的实测气泡能分别为 TNT、RS211 的 4. 56 倍和 2. 91 倍;总能量分别为 TNT、RS211 的 3. 56倍和 2. 26 倍;能量利用率高达 98%。 2Al 粉的加入使比冲击波能略有降低,却大幅 提高了比气泡能和总能量,并且能够减少热损失能。 3AP 的加入改善了炸药体系的氧平衡,使爆 轰反应区和膨胀区的反应更加充分,比冲击波能、比 气泡能以及总能量均有所提高。 参 考 文 献 [1] 赵凤起,陈沛,罗阳,等. 含 3,4-二硝基呋咱基氧化呋 咱DNTF的改性双基推进剂[J]. 推进技术,2004,25 6570-572,576. 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The re- sults show that its specific shock wave energy of sample is 1. 38 times of TNT and is equivalent to RS211; its specific bub- ble energy can be 4. 56 and 2. 91 times of TNT and RS211, respectively; and its total energy is 3. 56 and 2. 26 times of TNT and RS211, respectively. The calculation indicates that the sample has an energy efficiency up to 98%. Underwater explosion experimental results were analyzed for DNTF and DNTF/ Al 70/30 system to determine the factors responsible for the high bubble characteristic and high energy efficiency. It was found that the addition of Al powder significantly im- proved the specific bubble energy and reduced the heat losses. The combined usage of Al powder and AP can result in a further increase in specific bubble energy and energy efficiency, and higher specific shock wave energy. [KEY WORDS] explosion mechanics;DNTF;underwater energy;specific shock wave energy;specific bubble energy 41 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期