铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2015. 06. 007 铝粉粒度对 RDX 基含铝炸药水中爆炸 近场特性的影响 * 任新联 王 辉 徐司雨 沈 飞 西安近代化学研究所陕西西安, 710065 [摘 要] 为研究铝粉粒度对 RDX 基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响,采用转镜式高速扫描相机对含 30% 质量分数微米铝粉、20%质量分数微米铝粉与 10%质量分数亚微米铝粉的 2 种 RDX 基含铝炸药水下近场 爆炸过程进行了观察记录,获得了沿装药径向的爆炸冲击波传播轨迹扫描底片。 通过对 2 种含铝炸药水中近场爆 炸扫描底片进行判读分析,获取了沿装药径向的爆炸冲击波传播迹线与爆轰产物膨胀迹线,由此分析得出 2 种含 铝炸药爆炸冲击波传播速度、波阵面压力和爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律,并对 2 种含铝炸药相关 参数进行了对比分析。 结果表明,在 10%质量分数微米铝粉替换为亚微米铝粉后,含铝炸药冲击波的初始传播 速度及波阵面压力减小且能量衰减速率也降低,冲击波传播距离为 40 mm 左右时,2 种炸药的阵面压力便较为相 近,并且在爆轰产物气泡膨胀阶段,由于亚微米铝粉反应较快,其释放的能量导致气泡膨胀速率增长较快。 [关键词] 铝粉粒度;亚微米铝粉;含铝炸药;水中爆炸;高速扫描 [分类号] TD235. 2 +1;TQ564. 4 引言 含铝炸药是一类高密度、高爆热、高威力的混合 炸药,可以增大对目标的破坏作用,在水中兵器、对 空武器及破甲装药中具有重要应用[1],尤其在水中 爆炸中,含铝炸药冲击波能和气泡能明显高于非含 铝炸药。 在含铝炸药爆轰过程中,由于有铝粉参与 反应,因而其爆轰过程是非理想的[2],铝粉的含量、 颗粒度、形状及活性都会对装药的爆轰过程产生较 大影响[3-4],针对铝粉粒度对含铝炸药爆炸特性的影 响研究,成为国内外研究的热点之一。 研究铝粉粒 度对含铝炸药水下近场爆炸特性的影响,可以为水 中武器设计、威力评估等提供重要参考。 针对铝粉粒度对含铝炸药爆炸特性影响及含铝 炸药水下爆炸特性研究,前人开展了很多工作。 黄 辉等通过激光速度干涉仪对含微米铝粉与纳米铝粉 复合炸药加速金属平板能力进行了观察研究,结果 表明,铝粉的粒度直接影响含铝炸药的爆轰性能和 作功能力[5];沈飞等研究了不同含铝炸药水中近场 冲击波传播规律,并且与 TNT 的结果进行了对比, 表明在压力衰减过程中,铝粉的反应使得冲击波的 压力衰减速率得到了降低[6];周霖等通过对不同类 型含铝炸药在水中爆炸能量输出参数的测定与分 析,给出了不同类型含铝炸药水中爆炸能输出特 性[7]。 然而,针对铝粉粒度对含铝炸药水中爆炸特 性研究的相关文献报道很少。 本研究通过转镜式高速扫描相机,对 RH-1、 RH-2 两种以 RDX 为基的含铝炸药水中爆炸近场冲 击波传播轨迹进行了观察记录,分析了铝粉粒度对 含铝炸药爆炸近场冲击波压力衰减及气泡膨胀速度 的影响。 1 试验部分 1. 1 试验样品 RH-1、RH-2两种含铝炸药配方质量分数如 表1所示,其中微米铝粉颗粒度尺寸为5 50 μm, 亚微米铝粉颗粒尺寸为100 200 nm,活性为80% 左右。药柱均采用压装成型,每节药柱尺寸为⌀30 mm 30 mm,主装药由6节药柱粘结而成,总药柱 表 1 含铝炸药样品配方 Tab. 1 Sample composition of aluminized explosives 代号 RDX/ % 微米 Al/ % 亚微米 Al/ % 黏结剂/ % 密度/ gcm -3 RH-1653051. 80 RH-265201051. 80 922015 年 12 月 铝粉粒度对 RDX 基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响 任新联,等 * 收稿日期2015-04-08 作者简介任新联1986 ,男,硕士,工程师,主要从事爆炸力学的研究。 E-mailxinlian ren@163. com 长度 180 mm。 采用 ⌀25 mm 25 mm、压装密度为 1. 67 g/ cm3的 JH-14 作为扩爆药柱,扩爆药柱粘贴 于主装药一端中心位置处。 1. 2 试验测试原理 炸药在水中爆炸所产生的强冲击波,会对其传 播处的水介质产生猛烈压缩,使其密度增大,导致透 光率大大减小。 冲击波所到之处,会在水介质中形 成一个暗层。 在水箱后方放置一个氩气弹作为爆炸 光源,在冲击波所到之处,暗层挡住了光源发出的强 光,同时暗层移动的轨迹即为水中冲击波传播的 轨迹被记录在高速扫描相机的底片上[8]。 1. 3 试验设置及布局 试验所使用的水箱规格为边长 400 mm 的立方 体,炸药与水箱盖板之间通过铁丝连接,调节铁丝长 度,使药柱平行于水箱底面,并位于水箱中部。 试验 采用 SJZ-15 型转镜式高速扫描相机,扫描速度设定 为 3 mm/ μs,药柱轴线与高速相机光轴及狭缝均垂 直。 ⌀200 mm 300 mm 的氩气弹,作为试验光源, 氩气弹轴线与相机光轴重合,并且位于水箱后方。 试验布局及照片如图 1 所示。 a示意图 b照片 图 1 试验布局图 Fig. 1 Layout of the experiment 2 试验结果及讨论 2. 1 试验数据处理 典型水下滑移爆轰底片扫描图像时间为横 向,运动距离为纵向如图2 所示,从图2 可以看出, 由试验得到了两条运动迹线,冲击波的运动轨迹为 传播速度较快的迹线,爆轰产物气泡边界的移动轨 迹为运动速度较慢的迹线。 综合图片放大比率和相 机扫描速度对底片图像进行判读分析,可获得一系 列数据点来描述两条迹线见图 3。 从图 3 中可以 看出,RH-1 的冲击波传播较 RH-2 稍快,但产物气 泡的膨胀曲线较 RH-2 稍慢。 图 2 典型扫描迹线RH-1 Fig. 2 Typical scanning trajectoryRH-1 图 3 冲击波和爆轰产物径向运动 Fig. 3 Radial distance-time history of shock waves and detonation products 2. 2 冲击波运动迹线分析 对冲击波传播迹线试验数据可使用下面的非线 性函数进行拟合[9],函数具体形式如下 y1= A1[1 - exp - B1t] + A2[1 - exp - B2t] + c0t。1 式中y1表示冲击波沿装药轴向的传播距离,mm;c0 =1. 483 mm/ μs,为水中声速;t 为时间,μs;A1、A2、 B1、B2代表试验拟合参数。 式1能够较好地反映 冲击波在水中传播的规律,表 2 给出了其拟合系数。 表 2 拟合系数 Tab. 2 Fitting coefficients 炸药名称 A1/ mm B1/ μs -1 A2/ mm B2/ μs -1 RH-18. 4262. 141 10 -1 83. 0591. 619 10 -2 RH-28. 2692. 089 10 -1 82. 6891. 596 10 -2 为获得冲击波的传播速度 us,将式1对时间 t 求导 us= dy1/ dt = A1B1exp - B1t + A2B2exp - B2t + c0。2 冲击波的波阵面压力 ps可由水的冲击绝热方 程及动量守恒关系获得 us= c0+25. 306 lg1 + up/5. 19;3 ps= ρw0usup。4 03 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 44 卷第 6 期 式中up为波后粒子速度,mm/ μs;ρw0为水的初始密 度,值为 1. 0 g/ cm3。 采用式2 式4可计算出 冲击波沿装药径向的传播速度 us及阵面压力 ps在 水中爆炸近场范围内随传播距离的变化规律,其曲 线分别如图 4 和图 5 所示,同时,将这些参量的初始 值即 y =0 时水中的初始冲击波阵面压力、传播速 度和波后的粒子速度,且分别用 ps0,us0和 up0表示 列于表 3 中。 图 4 冲击波传播速度随传播距离的变化曲线 Fig. 4 Velocity-distance history of shock waves 图 5 径向冲击波阵面压力随传播距离的变化曲线 Fig. 5 Pressure-distance history of the radial shock waves 表 3 装药径向冲击波的初始参数 Tab. 3 Initial parameters of radial shock waves 炸药 us0/ mmμs -1 up0/ mmμs -1 ps0/ GPa RH-14. 631. 727. 97 RH-24. 531. 667. 51 水中冲击波的初始阵面压力主要受炸药的爆压 影响,而传播速度主要由阵面压力的大小决定,由于 RH-2 中含有亚微米铝粉,其爆速和爆压较 RH-1 均 有所下降,因此在水中爆炸初期,RH-2 的冲击波阵 面压力与传播速度均略低于 RH-1。 然而,伴随着冲 击波的传播波阵面上存在能量耗散,主要是冲击波 部分动能不可逆地转换成了介质的热能,且冲击波 的阵面压力越高,能量耗散越大。 从图 4 和图 5 可以看出,RH-1 的曲线值虽然初 始时期高于 RH-2,但其能量损耗也高于 RH-2,经过 很短的传播距离后,两条曲线值便非常接近了。 图 6 所示的阵面压力衰减速率曲线也显示了这一点, 传播距离为 40 mm 左右时,阵面压力的衰减速率便 几乎一致。 图 6 径向冲击波阵面压力衰减速率曲线 Fig. 6 Pressure attenuation rate of radial shock waves 2. 3 爆轰产物膨胀迹线分析 从图 3 可以看出,在 0 10 μs 时间段,气泡的 膨胀速度较高,尤其是起始阶段,由于冲击波和产物 没有明显分开,产物气泡的边界线出现一个突跃,在 底片判读的时候有一些困难,这从图 2 所示的扫描 底片中也可以看出。 在 15 50 μs 时间段,随着时 间的变化,气泡膨胀速度近似线性增长,变化不大。 如图 7 所示。 图 7 RH-1 产物气泡边界运动曲线 Fig. 7 Displacements-time history of bubble boundary of RH-1 products 将该线性函数向左延伸至 0 10 μs 范围内时, 以 RH-1 为例,可用如下指数函数描述试验曲线与 该线性曲线的差距随时间的变化规律[10] y2= a1+ a2t - a3exp - a4t。5 式中y2为爆轰产物气泡沿炸药径向的膨胀距离, mm;t 为时间,μs;a1、a2、a3、a4均为试验数据的拟合 参数。 基于试验数据得到的曲线拟合系数如表 4 所示。 图8为2种炸药的爆轰产物气泡边界的移动轨 迹曲线。可以看出,在初始阶段,RH-1的气泡膨胀 132015 年 12 月 铝粉粒度对 RDX 基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响 任新联,等 表 4 爆轰产物气泡边界运动轨迹拟合系数 Tab. 4 Trajectory fitting coefficients of bubble boundary of detonation products 炸药名称 a1/ mm a2/ mmμs -1 a3/ mm a4/ μs -1 RH-118. 7692. 642 10 -1 14. 5955. 102 10 -2 RH-217. 4752. 924 10 -1 14. 0405. 963 10 -2 图 8 产物气泡边界的运动轨迹图 Fig. 8 Trajectory of bubble boundary of detonation products 速度较 RH-2 快。 这主要是由于在这一阶段爆轰产 物与冲击波并没有完全脱离,冲击波阵面过后,水介 质存在一定的粒子速度,其大小主要与冲击波的传 播速度有关,气泡边界的初始膨胀速度受到这一因 素的影响;RH-2 虽然在气泡膨胀的初始阶段其速度 相对最低,但由于其所含的亚微米铝粉的点火温度 较低,反应速率相对微米铝粉较快,使得气泡膨胀的 能量可以提前得到补充,在 13 μs 左右时,其气泡的 膨胀距离已经超过了 RH-1。 将式5对时间求导,可得到气泡膨胀速度的 计算公式 u2= dy2/ dt = a2+ a3a4exp - a4t。6 式中u2表示爆轰产物气泡沿装药径向的膨胀速 度,mm/ μs。 图 9 为 2 种炸药的爆轰产物气泡的膨胀速度随 膨胀距离的变化曲线,从图中也可以看出在相同膨 胀位移处,RH-2 的气泡膨胀速度一直高于 RH-1。 但在本试验中,测试时间较短,不能观察到铝粉完全 反应时气泡的膨胀能力,进一步的研究还需要利用 其他类型的传感器进行。 3 结论 1铝粉粒度直接影响含铝炸药水下爆炸近场 特性,含有亚微米铝粉的 RH-2 炸药相比 RH-1 炸 药,其冲击波的初始传播速度及阵面压力均偏小,但 其能量损耗及压力的衰减速率也偏低,导致传播距 离为 40 mm 左右时,2 种炸药的阵面压力较为相近。 2在爆轰产物气泡膨胀的0 10 μs时间段,爆 图 9 产物气泡边界移动速度随位移的变化曲线 Fig. 9 Velocity-distance history of bubble boundary of detonation products 轰产物与冲击波并没有完全脱离,气泡的膨胀速度 也受到冲击波导致的粒子速度的影响,使得 RH-1 的速度相对较快;随着气泡的进一步膨胀,由于 RH- 2 中的亚微米铝粉反应较快,其释放的能量导致 RH-2 的气泡膨胀速率在 13 μs 左右时超越 RH-1。 但受试验方法所限,不能观察到铝粉完全反应时气 泡的膨胀能力。 参 考 文 献 [1] 关立峰, 兰昌义, 李尚斌, 等. 水下武器用含铝炸药 性能研究[J]. 含能材料, 2005,13增刊 10-12. 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Photographs about under- water explosion of the two different aluminized explosives have been analyzed, and the shock wave curves and expand curves of detonation products were derived. Furthermore, the change rules of shock waves propagation velocity, shock front pres- sure and expansion of detonation products of the two aluminized explosives were investigated, and also the parameters of two aluminized explosives were compared. Results show that, after 10% mass fraction micron aluminum is substituted by submicron aluminum, the initial shock waves pressure propagation velocity and shock front pressure of the aluminized explo- sive become smaller, and the energy attenuation rate is also decreased. When propagation distance of shock wave is about 40 mm, front pressures of the two explosives are relatively close . At the bubble expansion stage, the submicron aluminum has a high reactive characteristic, leading to a fast increase rate in the detonation products expansion because of its released energy. [KEY WORDS] particle size of aluminite powder; submicron aluminite powder; aluminized explosives; underwater ex- plosive; high speed scanning camera 上接第 28 页 Influences of Recrystallization on the Morphology of DNTF and Detonation Performance of Aluminized Explosive YAO Lina①, WANG Cailing①, ZHAO Shengxiang①, DAI Zhixin①, Wang Haiqing② ①Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Shaanxi Xi’an, 710065 ②Xi’an Qinghua Company,North Special Energy Group Co. , Ltd. Shaanxi Xi’an, 710062 [ABSTRACT] DNTF explosive was pretreated by solvent-anti-solvent recrystallizing method. Crystal shape and DNTF granularity of pre-treatment were analyzed by SEM and laser particle size analyzer. Meanwhile, impact sensitivity,form- ability, detonation heat and detonation velocity of aluminized explosive were discussed. The experimental results show that recrystallized DNTF, pretreated by ethyl-acetate as solvent and H2O as anti-solvent, is of little granularity and has narrow particle size distribution, regular crystal shape, and low impact sensitivity. The formation density, detonation heat and det- onation velocity of aluminized explosive contained pretreated DNTF are obviously higher than aluminized explosive contai- ning DNTF, and pretreated DNTF improves the detonation characteristics of aluminized explosives to some extent. [KEY WORDS] Recrystallized, DNTF, Crystal Morphology, Aluminized explosives, Detonation Performance 332015 年 12 月 铝粉粒度对 RDX 基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响 任新联,等