奥托-Ⅱ推进剂的冲击波感度和能量输出特性.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2015. 05. 003 奥托-Ⅱ推进剂的冲击波感度和能量输出特性 ❋ 胡宏伟① 鲁忠宝② 杨 睿② 宋 浦① 吕汝信② ①西安近代化学研究所陕西西安,710065 ②水下信息与控制国防科技重点实验室陕西西安,710075 [摘 要] 为了研究奥托 ̄Ⅱ[m1,2 丙二醇二硝酸酯 / m癸二酸二丁酯 / m邻二硝基二苯胺76. 0/23. 5/ 0. 5]推进剂的安全性和能量输出特性,利用大隔板试验和空中爆炸压力测试系统分别测试了奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲 击波感度和能量输出特性。 结果表明奥托 ̄Ⅱ推进剂的临界隔板厚度L50为 17. 5 mm,临界起爆压力约为 11. 03 GPa,与铸装 TNT 接近,具有较好的安全性。 与 1. 0 kg A ̄IX ̄I[mRDX / m钝感剂95. 0/5. 0]炸药相比,1. 0 kg 的 A ̄IX ̄I 和 1. 96 kg 的奥托 ̄Ⅱ推进剂耦合爆炸产生的冲击波超压和冲量分别提高了 62. 8% 和 25. 9%,主发装药 和推进剂的耦合爆炸是提高鱼雷爆炸威力的一种新型设计思路。 [关键词] 奥托 ̄Ⅱ推进剂;大隔板试验;冲击波感度;爆炸威力;耦合爆炸 [分类号] TJ55;O389 引言 奥托 ̄Ⅱ推进剂是一种性能优良的单元液体鱼 雷推进剂,也是目前热动力鱼雷使用较多的一种推 进剂,其组成质量分数为 1,2 丙二醇二硝酸酯 76. 0%、癸二酸二丁酯23. 5%和邻二硝基二苯 胺0. 5%的混合物。 奥托推进剂能量大、安全,所 以被热动力鱼雷大量采用,美国海军一直将其用于 MK ̄46、MK ̄48 等鱼雷[1]。 自美国海军率先公布不敏感弹药IM政策以 来,世界范围内弹药设计基本都要求弹药具有较好 的安全性或低易损性。 冲击波感度作为弹药性能评 估的一项重要内容,在安全和冲击起爆方面都具有 十分重要的意义。 目前弹药的冲击波感度研究主要 集中在炸药的冲击波感度[2 ̄4],然而鱼雷作为一个系 统,推进剂的安全性也是必须考虑的。 推进剂发生 燃烧或爆炸,可能导致弹药的主装药发生爆炸,弹药 的主装药爆炸引发推进剂同时爆炸,也会增大弹药 的破坏威力。 本文针对奥托 ̄Ⅱ推进剂进行了冲击波感度试 验,获得了其临界隔板厚度和爆炸能量输出性能,既 能为鱼雷的安全性设计提供依据,还可为提高鱼雷 威力提供一种新的设计思路。 1 试验 1 . 1 试验样品 主发装药为压装 A ̄IX ̄I,尺寸⌀95 mm 95 mm,质量 1. 0 kg。 被发装药为奥托 ̄Ⅱ推进剂,质量 1. 96 kg,奥托 ̄Ⅱ推进剂装填在外径 95 mm、内径 85 mm、长 280 mm 的钢筒内。 传爆药柱为带 8#雷管孔 的 JH ̄14 药柱,尺寸⌀30 mm 32 mm,质量 40 g。 试验样品的性能参数见表 1。 表 1 试验样品的配方和性能参数 Tab. 1 Formulations and performance parameters of test samples 炸药配方质量比ρ/ gcm -3 Qv/ kJkg -1 D/ ms -1 A ̄IX ̄IRDX/ 钝感剂 95. 0/5. 01. 645 1808 271 JH ̄14RDX/ 黏结剂 96. 5/3. 51. 735 6448 428 奥托 ̄Ⅱ 1,2 丙二醇二硝酸酯/ 癸二酸二丁酯/ 邻二硝基二苯胺 76. 0/23. 5/0. 5 1. 232 934- 01 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 5 期 ❋ 收稿日期2014 ̄12 ̄22 基金项目水下信息与控制国防科技重点实验室基金项目705JHC2012 ̄6. 1 作者简介胡宏伟1982 ,男,硕士,工程师,主要从事爆炸力学和战斗部技术研究。 E ̄mailhhw505@163. com 通信作者宋浦1973 ,男,研究员,主要从事爆炸力学和战斗部技术研究。 E ̄mailsongpu73@163. com 1. 2 测试装置 采用⌀90 mm 的大型隔板试验装置[5]测量奥 托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度,隔板为有机玻璃板 ⌀95 mm,见证板为长 200 mm、宽 200 mm、厚 20 mm 的 Q235 钢板。 主发装药爆炸产生的冲击波,经 有机玻璃隔板衰减后,作用于被发装药,根据见证板 的破坏情况和冲击波超压判定被发装药是否发生爆 轰。 利用兰利法确定出被发装药 50% 起爆的隔板 厚度值L50来表征试样的冲击波感度。 临界隔板厚度L50的计算方法为 L50= L100+ L0 /2。1 式中L100为能使被发装药 100% 发生爆轰的最大隔 板厚度,mm;L0为能使被发装药100%不发生爆轰的 最小隔板厚度,mm。 试验装置如图 1 所示。 1 - 雷管;2 - 传爆药;3 - A ̄IX ̄1;4 - 有机玻璃隔板; 5 - 钢筒壁;6 - 奥托 ̄Ⅱ推进剂;7 - 见证板 图 1 大隔板试验装置 Fig. 1 Schematic diagram of large scale gap test 在距离爆心水平距离 3. 0 m 处,并排放置 2 个 冲击波压力测量装置,冲击波压力测量装置和传感 器敏感面均与地表齐平。 1. 3 测试仪器 测试仪器包括微测公司的 VXI 1115型多通道 波形记录仪,F482A 型 ICP 传感器专用适配器, PCB113B21 壁面压力传感器。 冲击波压力采集频 率 1 MHz。 2 结果与讨论 2. 1 奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度 奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度试验结果见表 2。 见证板的破坏情况见图 2。 表 2 和图 2 可知,奥托 ̄Ⅱ推进剂的临界隔板厚 度L50为 17. 5 mm。 冲击波压力在有机玻璃隔板 中的衰减模型[6]为 表 2 奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度试验 Tab. 2 Gap test results of OTTO ̄Ⅱpropellent L/ mmΔp/ MPa见证版爆轰 00. 397破碎是 100. 404破碎是 150. 382破碎是 170. 391破裂、弯曲是 180. 239弯曲否 200. 245弯曲否 图 2 见证板的破坏情况 Fig. 2 Witness plate after gap tests p = Keax。2 式中p 为冲击波压力,GPa;x 为隔板厚度,mm;K、a 为常数。 对于⌀95 mm 的 A ̄IX ̄1 炸药,经试验数据[7]拟 合得到 K =15. 38,a = - 0. 019。 通过公式2计算 得到,L50为17. 5 mm 的临界起爆压力为11. 03 GPa。 表 3 对比了奥托 ̄Ⅱ推进剂与几种典型炸药的 临界起爆压力。 由表 3 可知,奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度与铸 装 TNT 接近,较为钝感,安全性好。 2. 2 奥托 ̄Ⅱ推进剂的能量输出特性 2 种试样的冲击波超压和冲量见表 4。 由表4 可知,测距为3. 0 m 时,1. 0 kg A ̄IX ̄I 炸 药的冲击波超压和冲量分别为 0. 242 MPa 和 145. 1 Pas,1. 0 kg 的 A ̄IX ̄I 和1. 96 kg 的奥托 ̄Ⅱ推进剂 耦合爆炸产生的冲击波超压和冲量为0. 394 MPa 和 112015 年 10 月 奥托 ̄Ⅱ推进剂的冲击波感度和能量输出特性 胡宏伟,等 表 3 奥托 ̄Ⅱ推进剂与几种典型炸药的 临界起爆压力 Tab. 3 Critical initiation pressure of OTTO ̄Ⅱ propellent and several typical explsives 试验样品装药工艺ρ/ gcm -3 pc/ GPa RDX压装1. 741. 50 TNT 压装 铸装 1. 63 1. 62 2. 20 11. 50 硝化甘油1. 608. 50 硝基甲烷1. 149. 00 mTNT / mRDX 50/50 压装 铸装 1. 70 1. 63 2. 00 3. 00 奥托 ̄Ⅱ1. 2311. 03 表 4 2 种试样的冲击波超压和冲量 Tab. 4 Shock overpressure and impulse of two test samples 试验样品Δp/ MPaI/ Pas 1. 0 kg A ̄IX ̄I0. 242145. 1 1. 0 kg A ̄IX ̄I 和 1. 96 kg 奥托 ̄Ⅱ 0. 394182. 5 增益/ %62. 825. 9 182.5 Pas,冲击波超压和冲量分别提高了 62. 8% 和 25. 9%,主发装药和推进剂耦合爆炸会大大提高 弹药的爆炸威力。 利用刚性地面上爆炸的冲击波超压公式 Δpr= 0. 106 r + 0. 43 r2 + 1. 4 r3 。3 式中Δpr为地面冲击波超压,MPa;r 为比例距离,r = r/ w1/3,m/ kg1/3。 计算得到测距 3. 0 m 处冲击波超压由 0. 242 MPa 增大到 0. 394 MPa 时,炸药质量由 1. 27 kg 增 加到 2. 39 kg,相当于增加了近一倍的装药量。 A ̄IX ̄I 炸药和奥托 ̄Ⅱ推进剂耦合爆炸的冲击 波超压增益较高,冲量增益较低,可以用以下分析来 解释 1奥托 ̄Ⅱ推进剂的主成分 1,2 丙二醇二硝酸 酯是爆炸性物质,奥托 ̄Ⅱ推进剂可认为是一种均质 液体炸药; 2主发装药 A ̄IX ̄I、有机玻璃隔板与装填奥托 ̄ Ⅱ推进剂的钢管外径均相同,经过有机玻璃板后,奥 托 ̄Ⅱ推进剂相当于受到了一个平面冲击波的作用, 提高了对奥托 ̄Ⅱ推进剂的起爆能力; 35 mm 钢管的强约束条件以及钢管中向奥托 ̄ Ⅱ推进剂中传播的冲击波作用钢管中的冲击波波 速为 5 200 m/ s,大于冲击波在奥托 ̄Ⅱ推进剂的传 播速度,增强了奥托 ̄Ⅱ推进剂的爆轰性能。 在较强的起爆能力和强约束条件下,奥托 ̄Ⅱ液 体推进剂中产生高速爆轰例如结构和性质与 1,2 丙二醇二硝酸酯相似的乙二醇二硝酸酯,其稳定爆 轰速度可达 7 300 m/ s,而不是人们通常认为的低 速爆轰,导致奥托 ̄Ⅱ推进剂的大部分爆轰能量在 C ̄ J 面内快速释放,近似于理想炸药的爆轰,因此具有 较高的冲击波超压。 冲量由于超压衰减较快、持续 时间较短而较低。 3 结论 1奥托 ̄Ⅱ推进剂的临界隔板厚度L50为 17. 5 mm,临界起爆压力约为 11. 03 GPa,与铸装 TNT 接 近,具有较好的安全性。 2主发装药和推进剂耦合爆炸会大大提高鱼 雷的冲击波超压和冲量,是一种提高鱼雷毁伤威力 的有效途径。 致谢衷心感谢郭炜高级工程师、任松涛工程师 和高赞工程师在试验方面的帮助。 参 考 文 献 [1] 崔绪生. 国外鱼雷技术进展综述[J]. 鱼雷技术, 2003, 1116 ̄11. 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A good relation, which is in agreement with experiment results and can represent the correlation of Eawith the mass ration of Al ̄RDX, is derived from theory. Additionally, it is found that a compensation effect exits between the DSC decomposition kinetic parameters lnA and Ea for all the Al ̄RDX samples. [KEY WORDS] physical chemistry; RDX; aluminized explosives; DSC; thermal decomposition 上接第 12 页 Wang Zuoshan, Liu Yucun, Zheng Min,et al. Study on the attenuating model of detonation shock wave in the PMMA gap [ J].Journal of Basic Science and En ̄ gineering, 2001,94316 ̄319. [7] United Nations. Transport of dangerous goodsmannal of tests and criteria[M]. 5th ed. New York and Geneva United Nations,2009185. Shock Sensitivity and Energy Output of OTTO-Ⅱ Propellant HU Hongwei①, LU Zhongbao②, YANG Rui②, SONG Pu①, L Ruxin② ①Xian Modern Chemistry Research Institute Shaanxi Xian, 710065 ②Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory Shaanxi Xian, 710075 [ABSTRACT] In order to study the safety and energy output of OTTO ̄Ⅱ propellant, the shock sensitivity and the energy output were measured by large scale gap test and air explosion pressure test system, respectively. The results show that the critical gap thicknesses L50of OTTO ̄Ⅱ propellant is 17. 5 mm and the critical initiation pressure is about 11. 03 GPa, that presents a similar security to cast TNT. Compared with those of A ̄IX ̄I explosive, the shock overpressure and impulse of 1. 0 kg A ̄IX ̄I explosive and 1. 96 kg OTTO ̄Ⅱ propellant increase 62. 8% and 25. 9% independently. The main charge and propellant coupled explosion will greatly improve ammunition explosion power. [KEY WORDS] OTTO ̄Ⅱ propellant; large scale gap test; shock sensitivity; explosion power;coupling explosion 712015 年 10 月 不同比例 Al ̄RDX 混合炸药的热分解活化能研究 郑亚峰,等