密闭环境下含铝炸药爆炸场温度与压力特征.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001 ̄8352. 2014. 02. 001 密闭环境下含铝炸药爆炸场温度与压力特征 ❋ 李媛媛 徐洪涛 西安近代化学研究所陕西西安ꎬ710065 [摘 要] 通过对不同铝粉质量分数的炸药爆炸场温度、压力参数的测量ꎬ研究了在密闭条件下ꎬ炸药爆炸场温 度、压力的响应特征及响应规律ꎮ 结果表明ꎬ在密闭条件下ꎬ含铝炸药爆炸场温度高于理想单质炸药ꎬ铝粉质量分 数的增加可提高爆炸场温度及延长温度持续时间ꎮ 当铝粉质量分数为 40% 时ꎬ爆炸温度出现最大值ꎬ其值大约在 850℃左右ꎮ 相比之下ꎬ含铝炸药的爆炸场压力虽远不及理想单质炸药ꎬ但当铝粉质量分数为 40% 时ꎬ其超压存在 一个较大值ꎮ [关键词] 含铝炸药ꎻ爆炸场ꎻ温度ꎻ压力 [分类号] TJ55ꎻTJ530. 6 引言 含铝炸药作为毁伤能源ꎬ在不同使用环境中会 表现出不同的能量性能ꎮ 在开放空间条件下ꎬ爆炸 产物瞬间扩散ꎬ铝粉来不及与产物反应或反应不完 全ꎬ使得高温高压持续时间较短ꎮ 而在密闭情况下ꎬ 周围的限制条件使得炸药反应更加充分和完全ꎬ炸 药爆炸产生的温度和压力的杀伤效应持续时间延 长ꎬ并且通过特殊的配方设计可得到特殊的爆炸效 果 “温压效应” [1]ꎮ 如何合理设计炸药以适合 这类环境ꎬ达到高效毁伤的目的ꎬ成为这种武器发展 的重要研究内容[2 ̄5]ꎮ 该类炸药的能量释放主要体 现在炸药爆压和爆温上ꎬ但目前的测量手段对于两 者的测量都存在一定的难度ꎬ且测量结果的准确性 不高ꎬ尤其是爆温的测量存在相当的难度[6]ꎮ 而测 量距爆心一定距离处爆炸场的压力和温度则显得容 易一些ꎬ而且在炸药能量释放评估中也存在实际意 义[7]ꎮ 在采取一定的防护措施后ꎬ一般的测压和测 温方法也能获得较好的测试效果ꎮ 本文通过传感器直接测量的手段ꎬ测量了含铝 炸药在密闭环境下的爆炸场温度和压力ꎬ研究了含 铝炸药在有限密闭空间内能量释放规律和特点ꎬ为 应用于该类环境下的炸药配方设计提供参考ꎮ 1 试验部分 1. 1 试验装置 为模拟密闭环境ꎬ采用一种大型密闭罐爆炸装 置ꎬ如图 1 所示ꎮ 该装置内径为 1. 7 mꎬ长 2. 35 mꎮ 最大使用药量为1 kg TNT 当量ꎬ真空度 10 Paꎮ 装 置底部预留孔用于连接点火装置、温度传感器和压 力传感器ꎮ 图 1 大型密闭装置 Fig. 1 Large confined device 试验装置采用法兰圈密封ꎬ并开有空气口以及 气 体控制阀ꎮ样品安装示意图如图2ꎬ传感器离爆 心0. 8 mꎬ采用横向定位起爆的方式ꎬ用JH ̄14做传 图 2 样品安装示意图 Fig. 2 Sample installation diagram 12014 年 4 月 密闭环境下含铝炸药爆炸场温度与压力特征 李媛媛ꎬ等 ❋ 收稿日期 2013 ̄10 ̄19 基金项目 国防科技工业基础产品创新计划火炸药基础专项 作者简介 李媛媛1981 ꎬ硕士ꎬ助理研究员ꎬ主要从事混合炸药配方及工艺研究ꎮ E ̄mailliyuan204@126. com 爆药ꎮ 1. 2 测试设备 1测温仪器ꎮ K 型钨铼热电偶[8]ꎬ距离被测炸 药爆心 0. 8 mꎻ采样时间 10 sꎬ采样速率 20 kb/ sꎮ 2测压仪器ꎮ PCB ̄135A 系列压电压力传感 器ꎬ距离被测炸药爆心 0. 8 mꎻ采样时间 0. 25 sꎬ采 样速率1 Mb/ sꎻ记录设备为 HR1020 数字化示波器ꎬ 采用起爆器产生的电磁感应脉冲信号ꎮ 1. 3 试验样品 为了和非含铝炸药做比较ꎬ本试验采用 6 种配 方ꎬ其中含铝炸药配方有 5 种ꎮ 采用目前常用的直 接工艺法将 HMX、Al 和黏结剂在一定温度下ꎬ用石 油醚做溶剂进行混合造粒ꎬ干燥后在一定比压下压 制成试验药柱ꎮ 考虑到爆炸装置的承受能力ꎬ试验用样品质量 为 370 gꎮ 为了使试验用药柱爆炸近似于球形起爆ꎬ 其长径比越接近 1ꎬ测量的结果准确性越好ꎮ 取直 径为 ϕ60 mmꎬ所制样品的长径比基本在 1. 0 1. 2 之间ꎮ 试验样品和初始参数如表 1 所列ꎮ 表 1 试验样品的初始参数 Tab. 1 Initial parameters of the test samples 编号组成质量比密度/ gcm -3 1HMX/ 黏结剂95/51. 68 2HMX/ Al/ 黏结剂75/20/51. 86 3HMX/ Al/ 黏结剂65/30/51. 91 5HMX/ Al/ 黏结剂55/40/51. 97 6HMX/ Al/ 黏结剂50/45/52. 01 2 结果与讨论 利用图 1 装置对表 1 中的样品爆炸后爆炸场的 温度和压力进行测量ꎬ结果见表 2ꎮ 表 2 爆炸场的温度和压力测试 Tab. 2 Temperature and pressure test of blast field 编号压力/ MPa峰值温度/ ℃平台温度/ ℃ 113. 64410100 25. 63660145 34. 02735185 54. 65847200 63. 19687137 炸药装药中心位于传感器的正上方ꎬ在爆炸罐 体底部受封闭端的反射作用ꎬ所测压力是炸药爆炸 后遇到壁面的反射压ꎬ此反射压与炸药爆炸后的入 射压力成正比[9]ꎻ所测温度是传感器的响应温度ꎮ 因此ꎬ可以根据此压力和温度值比较不同含铝炸药 的爆炸性能ꎮ 2. 1 温度测量分析 图 3 是温度传感器被触发后所记录的温度时 间曲线ꎬ反映的是爆炸场温度测量结果ꎬ根据此趋势 可以分析爆炸反应的过程ꎮ 图 3a为不含铝的炸 药的温度曲线ꎬ图 3b和图 3c分别为铝质量分 数在 30%和 40%的炸药爆炸场温度曲线ꎮ a b c aHMX/ 蜡ꎻb铝质量分数为 30%ꎻ c铝质量分数为 40% 图 3 温度时间曲线 Fig. 3 Curves of temperature changing with time 比较含铝炸药和非含铝炸药的温度曲线可以看 出ꎬ非含铝炸药的爆炸场温度比含铝炸药的温度下 降快ꎮ 而且电压输出值前者较后者低ꎬ这说明前者 温度较后者低ꎮ 图 4 是爆炸场温度和铝粉质量分数 的关系曲线ꎮ 从图 4 可以看出ꎬ峰值温度和平台温 度[10]随铝粉质量分数的增加而增高ꎬ当铝粉质量分 数达到 40%后ꎬ温度出现下降趋势ꎮ 按照全氧氧化 2 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期 法[11]ꎬ充分考虑增大燃烧效应ꎬ理论计算含铝炸药 中 Al 粉的最大加入质量分数一般在 30% 35% 左 右ꎬ此时炸药的能量也最高ꎮ 而试验所测温度最高 值出现在铝粉质量分数为 40% 时ꎬ这说明密闭环境 中的氧气以及爆炸产生的大量气体支持了铝粉的后 续燃烧ꎬ产生了较高的温度ꎮ 当铝粉质量分数超过 40%时ꎬ铝粉过量ꎬ体系中的氧气不足ꎬ铝粉反应不 完全ꎬ从而导致体系的温度随之下降ꎮ 图 4 爆炸场温度和铝粉质量分数的关系曲线 Fig. 4 Curves of temperature in blast field varing with aluminum content 2. 2 爆炸场温度和压力的关系 从表 2 中数据看出ꎬ不含铝的理想炸药爆炸后 超压值较高ꎬ含铝炸药的超压值相对较低ꎮ 这是因 为非含铝炸药爆炸后的能量全部用来支持爆轰波的 传播ꎮ 根据二次反应理论[11]ꎬ含铝炸药的铝粉在炸 药爆轰时没有参加 C ̄J 面前的反应或在 C ̄J 面远未 反应完全ꎬ它在动力学上对反应的浓度起稀释作用ꎬ 因而导致爆速、爆压以及波阵面上的化学能降低ꎮ 而比较含铝炸药体系ꎬ铝粉质量分数为 40% 的炸 药ꎬ因其铝粉质量分数较高ꎬ在密闭环境的约束条件 下ꎬ炸药爆炸后ꎬ铝和爆轰产物中氧原子的接触比较 充分ꎬ支持了铝粉的后燃烧反应ꎬ故温度值较高ꎬ从 而压力值较高ꎻ在此氛围中ꎬ高温高压互助互增ꎬ使 得爆炸场温度和压力持续时间较长ꎮ 图 5 分别为 HMX 炸药与含铝质量分数为 20%、30% 和 40% 时所测量的一组压力时间图 形ꎮ 从图中可以清楚直观地看出ꎬ在密闭环境下ꎬ由 于装置壁面的约束和阻挡ꎬ爆炸超压反射明显加强ꎬ 使得图形中的波峰数量超过 1 个ꎬ图形不是很平滑ꎮ 另外ꎬ非含铝炸药超压值较高ꎬ但是压力下降较快ꎬ 持续时间较短ꎮ 含铝炸药的情况与其相反ꎮ 随含铝 的增加ꎬ超压值下降缓慢ꎬ铝质量分数为 40% 时压 力下降较之铝粉质量分数较低时缓慢ꎬ而且在最大 波峰后 200 μs 左右还有较明显的超压峰ꎮ 导致出 现二次峰的原因可能有两点一是说明此时可能有 后续反应ꎬ使得在同一时间比其它组成的炸药的超 a b c d aHMX/ 黏结剂95/5ꎻb铝质量分数为 20%ꎻ c铝质量分数为 30%ꎻd铝质量分数为 40% 图 5 炸药爆炸场压力时间曲线 Fig. 5 Curves of pressure in blast field changing with time 压值高ꎻ二是由于爆炸罐中存在反射压力波ꎬ而此时 传感器恰好捕捉到此压力信号ꎬ导致出现了二次压 力峰ꎮ 要想究其确切原因ꎬ还需要更深入的理论和 试验研究ꎮ 从整体趋势来看ꎬ炸药爆炸后对于冲击波和热 32014 年 4 月 密闭环境下含铝炸药爆炸场温度与压力特征 李媛媛ꎬ等 这两种能量分配是此消彼长的ꎮ 爆炸后超压值较大 时ꎬ爆炸场温度就较低ꎬ反之ꎬ温度较高ꎮ 但对于铝 质量分数为 40% 的炸药ꎬ爆炸场温度值最高ꎬ但是 超压值不是很低ꎮ 说明了密闭环境下ꎬ含铝量较高 时ꎬ由于爆炸产物无法瞬间扩散ꎬ铝粉与产物以及周 围环境中氧气存在较好的反应ꎬ释放的热量使得爆 炸场的温度升高ꎬ从而使冲击波压力维持较长时间 不衰减[12]ꎬ高温高压互助互增ꎮ 但是铝粉质量分数 过高时ꎬ过量的铝粉没有参加反应ꎬ反而降低了爆炸 场的温度和压力ꎬ使其温度和超压均处于最低ꎮ 3 结论 通过测量炸药在密闭环境中爆炸场温度和压 力ꎬ研究了含铝炸药在密闭环境中的能量释放特点ꎮ 结果表明ꎬ在密闭空间内ꎬ含铝炸药较非含铝炸药爆 炸场温度高ꎬ持续时间较长ꎬ但前者爆炸场压力明显 偏低ꎻ铝的加入量较高时ꎬ其爆炸场温度值较高ꎬ铝 粉质量分数达到 40% 时ꎬ爆炸场温度存在最大值ꎬ 持续时间较长ꎬ与此同时ꎬ超压值也相对较高ꎬ高温 高压互助互增ꎻ但铝粉质量分数达到 45% 时ꎬ过量 的铝粉无法参与反应ꎬ成为惰性物质ꎬ导致爆炸场温 度和超压均处于最低ꎮ 参 考 文 献 [1] Schaefer R A. 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Chinese Journal of Explosives and Propellantsꎬ 2013ꎬ 36359 ̄61. Characteristics of Blasting Temperature and Pressure of Aluminized Explosive in Confined Conditions LI Yuanyuanꎬ XU Hongtao Xian Modern Chemistry Research InstituteShaanxi Xianꎬ 710065 [ABSTRACT] The temperature and pressure parameters of explosives at different aluminum contents in blast fields were measuredꎬ and the blast performance of explosive in terms of blast temperatureꎬ pressure response characteristic and response rules in confined condition was investigated. The results show that the blast temperature of aluminized explosive is much higher than that of ideal single explosive in confined conditionꎬ and the temperature is higher and the duration is longer when increasing the aluminum content. When the proportion of Al is 40%ꎬ the blasting temperature reaches a maxi ̄ mum value of about 850℃. On the other handꎬ the pressure of aluminized explosive is obviously low compared to the ideal single explosivesꎬ howeverꎬits overpressure can attain to a higher valuein the addition of 40% Al powder. [KEY WORDS] aluminized explosiveꎻ blast fieldꎻ temperatureꎻ pressure 4 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期