高含铝炸药爆炸过程中的能量分析.pdf

爆破器材E 。p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 _ 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 2 ．帅3 高含铝炸药爆炸过程中的能量分析。 李静王伯良赵新颖滕婉婷 南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]在野外静爆实验中，利用高分辨率、高精度冲击波超压系统分别测试了高含铝炸药和T N T 的爆炸场冲 击波超压，根据试验数据，计算该含铝炸药的爆炸场冲击波超压的T N T 当量，利用T N T 当量评价该高含铝炸药的 威力，用能量反演方法分析该含铝炸药中可燃组分的反应程度和可能的反应模式．计算可得该含铝炸药爆炸反应 释放能量的有效利用率为6 5 ．4 1 ％，为高含铝炸药配方优化设计提供新的研究方法。 [ 关键词]含铝炸药冲击波超压T N T 当量能量分析 『分类号] T J 5 5T D 2 3 5 ．2 1 引言 含铝炸药中一般添加金属可燃剂铝粉，利用铝 粉在加热状态下燃烧释放出大量的热来增强其燃烧 效应，同时其中含有的高能炸药可以用来增强其爆 炸效应，因此其爆炸反应机理是分阶段进行的，属非 理想爆炸。。J 。高含铝炸药在起爆后首先发生爆轰 反应，在爆轰反应区之后，一些还没有发生反应的可 燃组分以及爆轰中间产物以云团的形式向周围抛 撒，大约在同一时问，云团中各个组分，以及云团与 周围空气，在高温条件下继续开展快速剧烈的燃烧 反应，究竟有多少金属可燃剂参与反应，爆炸过程中 能量释放了多少等问题是很重要的，但目前文献涉 及到的很少。 本文借助冲击波超压爆炸相似律，计算某含铝 炸药的超压T N T 当量，采用能量反演研究方法初步 计算出该含铝炸药爆炸反应的能量利用情况，为高 含铝炸药设计提供客观依据。 1 含铝炸药爆炸冲击波超压规律 常规炸药空中爆炸产生的冲击波超压遵循爆炸 相似律。2J ，大量试验数据显示，球形或形状相似的 T N T 装药在空气中爆炸时产生的空气冲击波超压计 算表达式见公式 1 。 P ．P ．P ， 一 卸2 ≠ 季 磊 1 ≤尺≤1 0 “5 1 式中瓦为对比距离 n ∥k g Ⅳ3 ，且瓦 告；△p 为无 0W 限空中爆炸时冲击波峰值超压，k P a ；形为T N T 质 量，k g ；尺为距爆心的距离，m ；P 。、P 2 、P 3 为常数，容 易受环境条件影响，通常利用试验数据拟合得到。 高含铝炸药在空中爆炸，由于体积爆炸的面作 用效应，在云团及其外边界附近一定范围内，冲击波 峰值超压并不符合衰减相似律，但在中远场，高含铝 炸药爆炸产生的冲击波峰值超压仍然服从冲击波衰 减相似律。4 j 。因此，T N T 标定的空气冲击波衰减相 似律仍然适用于高含铝炸药远场。 2 实验 2 ．1 冲击波超压测试系统简介 炸药爆炸后产生冲击波，冲击波压力使压力传 感器产生触发信号，然后在传感器内部将信号转换 为电信号并放大，由数据采集系统和计算机处理系 统对其进行转换、处理与分析，最后得到爆炸场冲击 波各参数值。5J 。测试系统如图l 所示。 雠源 图l 测试系统示意图 F i g ．1 M e a s u r e m e n ts y s t e mc h a r t 试验中采用的冲击波参数测试系统主要是由数 据采集系统、压力传感器、联动控制仪、信号调理仪 及计算机控制处理系统等几部分组成，具体工作过 } 收稿日期2 0 1 2 一l l _ 0 5 作者简介李静 1 9 8 9 ～ ，女，在读硕士，主要从事含铝炸药爆炸参数方面的研究。 通信作者土伯良 1 9 6 4 ～ 男，教授，博l 一，主要从事爆炸安全技术的研究。E a i l b l w a n g m a i l ．n j u s t ．e d u ．c - n 万方数据 2 0 1 3 年4 月高含铝炸药爆炸过程中的能量分析李静等 程可以简单描述为联动控制仪同步引爆炸药后产 生冲击波，压力传感器检测到冲击波压力信号，在压 力作用下传感器表面晶体发生形变，内部产生“极 化现象”，在电轴的垂直表面产生电荷，其内置的电 荷放大器会将信号放大，然后传给信号调理仪，信号 调理仪与联动控制仪将接收的信号送到V x I 总线 型数据采集系统，最后由计算机控制系统进行分析 处理∞。。 2 ．2 爆炸场布置 将炸药样品放在距地面0 ．9 m 的支架上，1 2 只 压力传感器布置在互成9 0 。的3 条测试线上，距爆 心分别为4 、5 、7 、9 m 。 2 ．3 样品 实验样品包括两种不同配方的高含铝炸药A 、B 以及T N T 药柱，中心装药均为4 0 9 ，总装药量均为 8 0 0 9 ，每种药柱各试验2 发，用8 号雷管上端起爆。 3 结果与分析 3 ．1 数据分析 将不同距离处3 个测点所测得的冲击波超压数 据取平均值列于表1 中。 表l超压测试数据 T a b ．1M e a s u r e do v e r D r e s s L l r e k P a 图2 所示的是A 、B 及T N T 在不同距离处的冲 击波超压曲线。将高含铝炸药与T N T 的冲击波超 图2T N T 与含铝炸药的超压对比 F i g ．2 T h eo v e r p r e s s u r ec o m p a r i s o no fT N T w i t ha l u m i n i z e de x p l o s i v e 图3含铝炸药与T N T 的入射超压拟合曲线 F i g ．3 T h ei n c i d e n to v e I ’p r e s s u r en t t i n gcurveo f a l u m i n i z e de x p l o s i V ea n dT N T 压换算为人射超压后进行拟合，拟合曲线见图3 。 由表l 、图2 和图3 可以看出，2 发药柱的重复 率较好，随着距离的逐渐增大，高含铝炸药和T N T 的爆炸场冲击波超压是不断减小的，其超压具有相 似的衰减规律，但高含铝炸药的衰减速度比T N T 的 慢。在不同距离处，高含铝炸药的超压值均高于 T N T 的超压值，说明高含铝炸药爆炸后的威力比 T N T 的高，并且这种优势在近场表现得尤为明显。 高含铝炸药入射超压拟合公式 卸圳．9 。旧棚8 ．8 2 镉‘ 1 0 0 1 ．6 8 警 2 拟合精度为9 9 ．8 6 ％。 T N T 入射超压拟合公式 卸玫3 旧例7 ．5 3 再 1 2 6 9 7 _ 1 1 华 3 拟合精度为9 9 ．4 8 ％。 将测得的高含铝炸药A 的冲击波入射超压值 代人T N T 拟合公式，计算A 炸药爆炸场超压的T N T 当量，2 发药柱的爆炸威力数据列于表2 。 表2 爆炸场超压威力 T N T 当量／k g T a b ．2T h ee x p l o s i o n 矗e l do v e r p r e s s u r ep o w e r T N Te q u i v a l e n c e ／k g 2 发试验样品的平均T N T 等效当量为1 ．4 1 k g ， 实际含铝炸药量为0 ．8 k g ，则该含铝炸药的T N T 当 万方数据 爆 破 器 材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第2 期 量比为1 ．7 6 。 3 ．2 能量分析 高含铝炸药的释能反应分3 个阶段【7 | 1 第一阶段高能炸药内分子化合物的反应，没 有氧气参与，持续时间在l 斗s 之内； 2 第二阶段第一阶段反应生成的爆轰产物 c O 、c O 和H O ，在高温高压条件下与铝粉发生燃 烧反应，此阶段内也没有空气中的氧气参与反应，持 续时间在1m s 之内，通常在十到几百微秒之问； 3 第三阶段炸药中的可燃元素A l 、H 、c 、c O 等与空气中的氧气发生快速燃烧反应，持续时间达 到数百毫秒级。 由此可确定高含铝炸药的基本性能第一阶段 和第二阶段的反应使其具有较高的猛炸作用和威 力，体现了其压力性能；第三阶段与氧气的燃烧反应 对空气冲击波有一定的加强作用，体现了其高热性 能，增强了对人员等软目标的毁伤威力。因此高含 铝炸药的爆炸特性主要是利用与空气的后续燃烧反 应释能来增强其毁伤威力坤j 。 高含铝炸药中的大量铝粉的燃烧潜能能否高效 率的释放，取决于多种因素，例如组分配比、铝粉粒 度、铝粉活性、颗粒级配及混制工艺等。在8 0 0 ℃ 时，铝粉在空气中能够被点燃，在1 7 5 0 ℃的温度下， 铝粉能够快速彻底地燃烧，因此铝粉的有效燃烧过 程需要保持高温环境四J 。常用的高能炸药如R D x 的爆轰温度为3 3 8 0 ℃，T N T 的爆轰温度为 2 8 7 7 ℃0 | ，理论上能够使铝粉被点燃并完全燃烧， 但当组分中高能炸药含量较少，或其与铝粉无法完 全充分接触，高能炸药爆轰产生的热量就会在传递 过程中损失一部分。另外，高能炸药的爆轰时间非 常短，一般小于0 ．1 恤s 1 | ，若在这段时间内无法达 到铝粉的点火温度，则铝粉不能被点燃，因此本文的 高含铝炸药中加入活化剂A P ，它比铝粉更容易点 燃，A P 的爆燃点为4 5 0 ℃2 | ，在R D x 爆轰的同时， A P 即受热开始分解发生反应，生成的氧气支持铝粉 的前期反应，并且反应产生的高温产物和热量能够 使铝粉的后续燃烧快速高效地进行。 实验中采用8 0 0 9 的含铝炸药的分子式为 c 8 1 8 H 2 0 ．8 1 2 N l o ．7 0 50 1 50 1 8A 1 8 9c l l4 3 8 ，为严重负氧平衡 的炸药，根据与爆炸产物实测值比较一致的改进 吕一查德里法列写出一次反应的爆炸反应方程式 为 假设A l 不参加一次反应 C 8 ．1 8 H 2 0 ．8 1 2 N l o ．7 0 5 0 1 5 ．0 1 8 C 1 1 ．4 3 8 斗1 ．4 3 8 H C l 7 ．8 0 5 H 2 0 3 ．6 0 7 C O 1 ．8 0 3 C 0 2 2 ．7 7 C 1 ．8 8 2 H 2 5 ．3 5 3 N 2 爆炸产物生成焓 爿 1 ．4 3 8 1 8 3 7 ．8 0 5 2 4 1 ．8 3 ．6 0 7 1 1 0 ．5 1 ．8 0 3 3 9 3 ．5 ／0 ．8 4 0 7 3 ．0 7 k J ／k g 反应物生成焓 日1 4 8 1 ．7 5 k J ／k g 则爆炸过程中生成焓变化 △H 月j 一Ⅳl 3 5 9 1 ．3 2 k J ／k g 铝粉主要在c J 面后与爆轰产物进行反应，主要 反应式有 2 A l 3 C 0 2 一A 1 2 0 3 3 C 0 △毋 一8 2 6 k J ／m 0 1 2 A l 3 H 2 0 ’A 1 2 0 3 3 H 2 △母 一9 3 9 k J ／m 0 1 根据所用O ．8 k g 含铝炸药，可得一次反应的爆 轰产物中H O 和C O 的量，将其全部与铝粉反应， 可消耗6 ．4 0 5 m o l 铝粉，生成1 ．8 0 3 m o lC O 及7 ．8 0 5 m o lH ，同时产生热量2 9 3 9 ．2 3 k J ／k g ，加上一次反应 爆轰产生的热量3 5 9 1 ．3 2 k J ／k g ，得到含铝炸药自身 爆炸反应所能释放的能量为6 5 3 0 ．5 5 k J ／蚝。T N T 的 实测爆热为4 2 2 2 k J ／k g L 14 I ，则试验所得含铝炸药的 1 ．7 6 倍的T N T 当量热值为7 4 3 0 ．7k J ／k g ，大于自身 所能释放的能量6 5 3 0 ．5 5 k J ／k g ，说明除了铝粉与爆 轰产物中的H O 、c 0 反应之外，铝粉、c O 、H 也与 空气中的氧气发生反应。 若将剩余的铝粉2 ．5 m o l 全部与氧气反应，生成 热量为2 0 8 6 ．7 4 k J ／k g ，若C O 、H 全部与氧气反应， 共生成热量为2 7 4 2 ．4 8k J ／k g ，加上之前的释能 6 5 3 0 ．5 5 k J ／k g ，则有空气中的氧参与后该含铝炸药 爆炸反应释能应达到1 1 3 5 9 ．7 7 k J ／k g ，大于其1 ．7 6 倍的T N T 当量热值，说明铝粉、c O 、H ，并没有反应 完全。 上述方法计算可得的1 1 3 5 9 ．7 7 k J ／k 是当炸药 中可燃元素接近完全燃烧时放出的热量，实际不可 能达到完全反应。对于T N T ，通常认为它没有后燃 反应，因此将爆热作为T N T 完全反应时放出的热 量，故实测该含铝炸药的1 ．7 6 倍T N T 当量热值 7 4 3 0 ．7 2l 彤k g ，占该含铝炸药完全反应放出热量 1 1 3 5 9 ．7 7 k J ／k g 的6 5 ．4 1 ％。所以该含铝炸药爆炸 反应所释放的能量利用了其潜在能量的6 5 ．4 1 ％。 其中所含的可燃元素 A l 、c 、H 并没有反应完全，还 有一部分能量没有得到充分发挥，可以为今后配方 设计提供一个优化方向。 4 结论 本文通过静爆试验分别测试了高含铝炸药与 T N T 的爆炸场参数，并将其进行了对比；利用能量反 万方数据 2 0 1 3 年4 月高含铝炸药爆炸过程中的能量分析李静等 1 3 演方法对铝粉的反应程度和能量的有效利用率进行 了分析，得到以下结论 1 由冲击波参数测试结果可见，高含铝炸药和 T N T 的冲击波超压具有相似的衰减规律。与T N T 相比，含铝炸药具有较高的超压峰值，其空中超压爆 炸威力可达1 ．7 倍T N T 当量以上。 2 在保证铝粉能够快速和高效率燃烧前提下， 对高含铝炸药爆炸后释放的有效能量进行分析，结 果表明，含铝炸药中的可燃元素并没有完全反应，其 能量利用率约为6 5 ．4 1 ％。 3 分析可知，药剂中的铝粉除了与爆轰产物中 的H 0 和c O 反应外，还有一部分剩余铝粉与空气 中的氧反应而产生高热值。 参考文献 [ 1 ]李秀丽，惠君明．温压炸药的爆炸温度[ J ] ．爆炸与冲 击，2 0 0 8 ，2 8 5 4 7 1 4 7 5 ． “X i u l i ，H u iJ u n m i n g ． D e t o n a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h e 咖。一 b 莉ce x p l o s i v e s [ J ] ． E x p l o s i o na J l ds h o c kw a v e s ，2 0 0 8 ， 2 8 5 4 7 1 4 7 5 ． [ 2 ] G i l b e r tF ，K i n n e y ，K e n n e t hJ ，e ta 1 ．E x p l o s i v es h o c k si n a i r [ M ] ．s e c o n de d i t i o n ．s p i n g e 卜V e r l a gN e wY o r kI n c ， 1 9 8 5 1 0 7 1 1 7 ． [ 3 ]H e n r y c hJ ．T h ed y n a m i c so fe x p l o s i o na n di t su s e [ M ] ． E l s e v i e rs c i e n t i 6 cp u b l i s h i n gc o m p a n y ，1 9 7 9 1 2 4 - 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