乳化炸药圆筒试验研究.pdf

2 0 0 7 年4 月 乳化炸药圆筒试验研究宋锦泉等 乳化炸药圆筒试验研究 宋锦泉汪旭光 北京矿冶研究总院 北京，1 0 0 0 4 4 李三红 阳城县诺威化工有限责任公司 山西阳城，0 4 8 1 0 0 [ 摘要] 对乳化炸药进行了j 2 f 2 5 ．4m m 的圆筒试验，测试了圆筒在乳化炸药爆轰产物驱动下的膨胀过程R f 关 系。在圆筒的初始膨胀阶段0 1 5 肛s ，圆筒筒壁膨胀较为缓慢，此后筒壁膨胀半径与时间几乎呈直线增长关系。随 着膨胀半径的增大，圆筒壁膨胀速度有着显著的变化，在5 ～1 0 m m 内，筒壁膨胀速度从o ．7 7m m ／肛s 迅速增大至 o ．8 4m m ／p s ，而后增速明显变缓。2 4m m 以后，膨胀速度几乎不再增大。在开始阶段，随着膨胀半径的增大，筒壁的 膨胀加速度急剧下降，乳化炸药爆炸能量的释放速度或传递速度急剧下降。此后筒壁加速度下降的趋势变缓，直到 零。筒壁的比动能、炸药的能量利用率随膨胀半径及膨胀时间的变化趋势与速度随膨胀半径及膨胀时间的变化趋 势基本一致，各变化阶段与速度的变化阶段完全相同。炸药能量利用率在膨胀半径为1 9m m 时维持在约5 1 ％的最 二 哀值，剩余的4 9 ％的能量主要消耗在爆轰产物的动能和位能上。 [ 关键词] 乳化炸药圆筒试验膨胀过程能量利用率 [ 分类号] 0 3 8 4 乳化炸药爆轰时，由于其爆轰反应时炸药能量 释放速率逐步降低，导致其作功能力逐渐下降，所以 乳化炸药的非理想爆轰性能与其作功能力是密切相 关的。作为评判炸药作功能力的圆筒试验，为乳化炸 药爆轰性能的理论分析提供了很好的试验依据。因 此，对乳化炸药进行加速金属的圆筒试验研究，进而 揭示其作功能力与其爆轰性能之间的关系有着重要 的现实意义。 1 乳化炸药圆筒试验 圆筒试验是专门用于详细记录炸药的爆炸过 程，测量炸药加速金属能力和评估炸药作功能力的 标准化试验，它可以很好地描述炸药爆炸时数十微 秒内的能量输出特性。该试验首先由K u r y 等人提 出和应用[ 1 ] 。圆筒试验具有试验数据精确，分辨能力 强，而且便于理论分析。标准圆筒试验[ 2 1 是在铜质圆 筒中装填一定密度的被测炸药，在炸药的一端起爆， 圆筒壁在炸药爆轰产物的压力的作用下发生膨胀， 用高速摄影机记录距起爆端2 0 0m m 截面处的圆筒 膨胀过程。圆筒试验的装置如图1 所示。试验装置 和测试系统由高压电雷管、传爆药柱、乳化炸药、电 探针、圆筒、背景光源、有狭缝的金属板和高速扫描 相机等元件组成。以氩气弹的爆炸发光作圆筒的背 景光源，高速扫描相机通过金属板狭缝，记录炸药稳 定爆轰段圆筒膨胀距离。记录底片为圆筒径向膨胀 半径帜一R o 和对应时间 z 的关系。标准圆筒的几何 条件为筒身长3 0 0m m ，圆筒内径2 5 ．4 0m m ，筒壁 厚2 ．5 4m m 。还有其他尺寸的圆筒试验，不同标准 基金项目t 国家自然科学基金 5 0 1 7 4 0 0 8 ． 圆筒的尺寸符合几何相似性。 1 一被测炸药 乳化炸药 ；2 ，5 一测速探针；3 一狭缝 位置；4 一标准圆筒铜管’6 ，1 4 一扩爆药柱 8 7 0 1 ； 7 一高速摄影机} 8 ，1 2 一雷管脚线；9 ，1 3 一高压电雷 管} 1 0 一氩气弹或光源药柱，1 1 一导爆索 图1 标准圆筒试验示意图 计算圆筒壁速 口 、加速度 a 、比动能 E 和炸 药能量利用率 7 的方法是先将圆筒膨胀半径和对 应时间 f 原始数据按照式 1 进行拟合，得出拟合 曲线系数，然后用式 2 ～ 5 进行计算。 f A B R R o C I e D ‘R 一足o ’ 1 口 [ B c D e D ‘R R o ’] 一1 2 a C D 2 刁3 e D R R 0 ’ 3 1 E 一口2 4 厶 。．2 7 一凌 5 万方数据 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 式中A 、B 、C 、D 曲线拟合系数； R 、R 。分别为圆筒膨胀的外壁半径 及其初始值，m m ； 口圆筒外壁的运动速度， m m ／肛s ； 叩被测炸药的能量利用率； 口。圆筒外壁的最大速度， m m ／p s ； 卢炸药装填比即炸药质量与 圆筒质量之比； Q 。被测炸药的爆热 产物中 H O 为气态 ，经计算这种配 方的乳化炸药的爆热为 2 ．5 5 1k J ／g 。 本圆筒试验的试验条件为乳化炸药密度1 ．1 4 5 g ／c m 3 ，圆筒外径为3 0 ．3 8m m ，内径为2 5 ．1 2m m ， 该乳化炸药在这样的圆筒中的爆速经测试为5 1 4 1 ．4 m ／s 。 2 实验数据处理 扫描图像的放大倍数由式 6 得出 ， 忌 ≥ 6 ‘2 式中五图像放大系数； Z 。底片上得到的圆筒像的直径，这里 为4 ．4 8 m m ； Z 。圆筒实际外径，这里为3 0 ．3 8 m m 。 由图像放大系数、高速摄影机扫描速度及扫描 各点在底片上的坐标 z ，，∞ ，即可计算出圆筒筒壁 的径向膨胀半径 R 一尺。 及其对应的时间友 岛；坚二型 7 V O 式中圆筒筒壁膨胀时间，弘s ； z t 圆筒筒壁膨胀至i 点z 方向的坐标， m m z o - - 一圆筒壁膨胀起始点z 方向的坐标， m m ； F 。高速摄影机的扫描速度，取1 ．8 59 m m ／弘s 。 圆筒外壁径向膨胀半径 R R 。 R R 。 掣 8 式中R 圆筒外壁膨胀半径，m m ； R o 圆筒外壁原始半径，m m ； 弘圆筒外壁膨胀至i 点y 方向的坐标， m m l 蛳圆筒外壁膨胀起始点y 方向的坐标， 1 1 1 I I l 是同式 6 。 由试验数据及式 6 、 7 和 8 可以得到圆筒外 壁的膨胀半径与时间的关系。由于各圆筒的试验条 件不能完全一致，为便于比较，将膨胀时间按修正公 式修正到标准圆筒 内径2 5 ．4 0m m 、壁厚2 ．5 4 m m 条件下的值。 在相同条件下，对乳化炸药进行3 发实验，取3 发实验的平均值作为实验结果。3 发实验平均的时 间与圆筒筒壁膨胀距离关系如图2 所示。 昌 ≥ 士 搿 * 警 遮 翻 坦 图2 圆筒筒壁膨胀半径随时问变化关系 根据两壁实际膨胀半径的平均值与修正膨胀时 间的关系，按式 1 进行非线性拟合可得拟合曲线， 两壁膨胀平均值与膨胀时间的关系曲线及其拟合曲 线如图3 。 图3 圆筒外壁膨胀半径与时问关系及其拟合曲线 由式 1 拟合得到表1 中拟合曲线的系数 A 、 B 、C 、D ，圆筒中乳化炸药的装填比如表1 所示。 由拟合得到A 、B 、C 、D ，按照公式 1 ～ 5 即 可得到膨胀时间 f 与圆筒外壁膨胀各参数的关系。 筒壁膨胀的初始阶段，由于压力的振荡作用，壁速的 波动很大。当筒壁的的膨胀半径小于5m m 时，不易 比较各炸药加速金属的能力。而当圆筒体积膨胀到 万方数据 2 0 0 7 年4 月乳化炸药圆筒试验研究宋锦泉等 表1乳化炸药圆筒试验的拟合系数及炸药装填比 一定值后，爆轰产物的膨胀速度减慢，已赶不上筒壁 的膨胀速度。筒壁的膨胀速度不再增加。因此本拟 合中取膨胀半径为5 ～3 5 弘s ，各指标的计算值分别 与膨胀时间及筒壁膨胀半径的关系如图4 ～图1 1 所示。 3 结果与分析 由图2 可知，在圆筒的初始膨胀阶段 z 1 8 p s 时，圆筒筒壁膨胀较为缓慢，此后筒壁膨胀半径与时 间几乎呈直线关系，即筒壁的膨胀速度几乎相同，图 5 亦可得出这样的关系。由图4 可知，在乳化炸药对 圆筒的加速过程中，随着膨胀半径的增大，圆筒壁速 有着显著的变化，在5 ～1 0m m 内，筒壁膨胀速度从 童 ● 喜 髓 嘲 遴 遴 塑 瓤 圣 ● 喜 憾 潮 警 渣 型 外壁膨胀距离R ．v 衄 图4 乳化炸药圆筒试验 圆筒壁速与膨胀半径的关系 膨胀时间t ／ps 图5 乳化炸药圆筒试验 筒壁膨胀速度与膨胀时间的关系 荔 } 逞 ≈ 越 恻 翼 酱 龄 剖 捏 0 争 逞 勺 趟 锻 最 餐 遴 到 坦 ● ， 卜， j ‘ 啬 疆 督 丑 捌 控 筒壁膨胀半径J l 卜R ／珊 图6 乳化炸药圆筒试验 筒壁膨胀加速度与膨胀半径关系 膨胀时间t ／ps 图7 乳化炸药圆筒试验 筒壁膨胀加速度与膨胀时间关系 筒壁膨胀距离_ I 卜R ／唧 图8 乳化炸药圆筒试验 筒壁比动能与膨胀半径的关系 O ．7 7m m ／p s 迅速增大至O ．8 4m m ／p s ，且R R o 5 m m 时圆筒壁已获得R R 。一2 4 m m 时壁速的 9 0 ．3 ％。而在1 0 ～2 4 m m 内，膨胀速度还在增大，但 增大速度明显变缓，2 4m m 以后，膨胀速度维持在 O ．8 5m m ／弘s 左右，几乎不再增大，这说明从这以 后，筒壁已不再受到炸药爆炸能量的作用。对应时间 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e “a I s第3 6 卷第2 期 k ‘ l 宙 避 幅 丑 剖 埋 管 瓣 暖 熏 嘲 拦 斌 嫒 晕 辞 膏 褥 罡 藻 嘲 器 椽 竣 甚 辞 筒壁膨胀时问t ／us 图9 乳化炸药圆筒试验 筒壁比动能与膨胀时间的关系 膨胀半径J 卜鼬7 咖 图1 0 乳化炸药圆筒试验 炸药能量利用率与膨胀半径关系 筒壁膨胀时间t ／us 图1 1 乳化炸药圆筒试验 炸药能量利用率与膨胀时间关系 上的关系为 图5 在1 5p s 以内，炸药膨胀速度增 长很快 从O 增大到约O ．8 4m m ／弘s ，而此后速度增 长的趋势变缓，在2 4p s 以后筒壁的膨胀速度大约 维持在O ．8 5m m ／p s 的水平。炸药对圆筒已不再加 速。 筒壁膨胀的加速度变化的快慢反映了爆炸能量 释放的快慢和能量传递过程的快慢[ 3 ] 。由图6 和图 7 可知，在开始阶段 R R o 1 0 m m ，￡ 1 5 弘s 时，随 着膨胀半径的增大，筒壁的膨胀加速度急剧下降，这 说明在这一阶段，乳化炸药的爆炸能量的释放速度 或传递速度急剧下降。而此后到2 4 弘s R R 。 1 9 m m ，加速度下降的趋势变缓，直到零。约2 4 弘s 以后，筒壁膨胀的加速度维持在。的水平。这说明此 时乳化炸药的能量释放或传递速度不再发生变化。 筒壁的比动能随膨胀半径及膨胀时间的变化趋势， 与速度随膨胀半径及膨胀时间的变化趋势基本一 致。在R R 。 5 m m 处，圆筒壁已获得了R R 。一 2 4 m m 时的8 1 ．5 5 ％的动能。各变化阶段与速度的 变化阶段完全相同，如图8 和图9 所示。 由于圆筒的炸药装填比、装药的爆热已定，由式 7 可知，在乳化炸药圆筒试验中，炸药的能量利用 率随圆筒膨胀半径及膨胀时间的变化趋势与速度的 变化趋势完全一致。各阶段的划分也完全相同，如图 1 0 和图1 1 所示。炸药能量利用率在膨胀半径为1 9 m m 膨胀时间约为2 4 弘s 以后，维持在约5 1 ％的最 高值。而剩余的4 9 ％的能量主要消耗在爆轰产物的 动能和位能上。由此可见，圆筒试验中乳化炸药的很 大一部分能量并没有用来加速圆筒，其能量利用率 是不高的，低于军用炸药圆筒试验5 8 ％～7 0 ％[ 4 ] 的 水平。筒壁的运动是由于爆炸反应的化学能的释放 和爆轰产物与圆筒外的介质之间存在压力差所造成 的。因此，根据牛顿第二定律，只要能量释放未终止， 或压力差还存在，就有加速的存在，并且它与作用在 圆筒壁上的压力变化是一致的。 4 结论 1 乳化炸药圆筒试验中圆筒膨胀起始阶段，膨 胀半径随时间增长缓慢，此后不断加快，最后几乎呈 直线关系。膨胀速度随时间开始增长很快，后逐渐减 缓，最后其最大值不再增长，此时炸药的爆轰产物对 筒壁已不再加速。 2 随着膨胀的开始及进行，筒壁的加速度由大 到小呈指数递减，十余微秒后减小到零，最后维持此 水平。 3 从简壁开始膨胀到膨胀进行了约1 0 肛s ，筒 壁的比动能及乳化炸药的能量利用率增大迅速，此 后到1 9 弘s 的范围内，二者增长势头变缓。约1 9p s 以后，筒壁的比动能和炸药的能量利用率不再增长。 4 筒壁的比动能、炸药的能量利用率随膨胀半 径及膨胀时间的变化趋势，与速度随膨胀半径及膨 胀时间的变化趋势基本一致，各变化阶段与速度的 变化阶段完全相同。炸药能量利用率在膨胀半径为 万方数据 2 0 0 7 年4 月 乳化炸药圆筒试验研究宋锦泉等 5 1 9m m 膨胀时间约为2 4 弘s 以后，维持在约5 1 ％的 最高值，而剩余的4 9 ％的能量主要消耗在爆轰产物 的动能和位能上。 参考文献 1 K u r yJW ，e ta 1 ．M e t a lA c c e l a r a t i o n b yC h e m i c a lE x p l o s i v e s ．4 t hS y m p ．o nD e t o n a t i o n ，1 9 6 5 2 G J 7 7 2 A - 9 7 ．炸药试验方法[ S ] ．国防科学技术工业委 员会，1 9 9 7 3B a y M ．o ．A ．，M 皿p ．中H 3 I I l c aB 3 p l l l B a ．M 0 c K B a ，1 9 7 5 4 董海山，周芬芬．高能炸药及相关物性能[ M ] ．北京科 学出版社，1 9 8 9 S t u d yo nC y U n d e rT e s tf O rE m u l s i o nE x p l o s i v e s S o n gJ i n q u a n ，W a n gX u g u a n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l I u r g y B e i j i n g ，1 0 0 0 4 4 L iS a n h o n g Y a n g c h e n gN u o w e iC h e m i cE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o r p S h a n x iY a n g c h e n g ，0 4 8 1 0 0 [ A B s T R A c T ]c y l i n d e rt e s tf o re m u l s i o ne x p l o s i v e ，w i t hi n n e rd i a m e t e ro f 髟2 5 ．4m m ，w a sc a r r i e do u ts oa st o m e a s u r et h eR t r e l a t i o n s h i po fc y l i n d e re x p a n s i o np r o c e s sd r i v e nb yd e t o n a t i o np r o d u c t s ．A tf i r s tc y l i n d e rw a l l e x p a n d e ds l o w l yw i t ht h et i m e f ‘ 1 5 p s ，a n dt h e nt h ee x p a n s i o nr a d i u so fc y l i n d e rw a l li n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h e t i m e ．T h ev e l o c i t yo fc y l i n d e rw a l lc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e a s ei ne x p a n s i o nr a d i u s ．T h ee x p a n s i o nV e 一 1 0 c i t yo fc y l i n d e rw a l li n c r e a s e dr a p i d l yf r o mO ．、、7 7 m m ／p st o0 ．8 4 m m ／p s ，a n dt h e ns l o w e dm a r k e d l yw i t h i nt h e r a n g eo f5 m m ～l O m m ．T h ee x p a n s i o nv e l o c i t yh a r d I yi n c r e a s e db e h i n dt h e2 4 m mo fc y l i n d e r ．I n i t i a U y ，t h ee x p a n s i o na c c e l e r a t i o no fc y l i n d e ra n dt h er e l e a s eo rt r a n s m i s s i o nv e l o c i t yo fe n e r g yf r o me m u l s i o ne x p l o s i v ed e c r e a s e d d r a m a t i c a l l yw i t ht h ei n c r e a s ei ne x p a n s i o nr a d i u s ，a n dt h e nt h ea c c e l e r a t i o no fc y l i n d e rd e c r e a s e ds l o w l yt oz e r o ． T h ec h a n g et e n d e n c i e st os p e c i f i ck i n 毛t i ce n e r g yo fc y l i n d e ra n de n e r g yu t i “z a t i o nr a t i ow i t ht h ee x p a n s i o nr a d i u s a n dt i m ew e r ei na l m o s ta g r e e m e n tw i t ht h o s et ot h ev e l o c i t yc h a n g e ．E v e r yc h a n g es t a g ew a st h es a m ea sv e l o c i t y c h a n g e ． T h ee x p l o s i v ee n e r g yu t i l j z a t i o nr a t i os u s t a i n e dt h em a x i m u mo fa b o u t5 1 ％a tt h ee x p a n s i o nr a d i u so f 1 9 m m ．T h er e t a i n i n ge n e r g y 4 9 ％ w e r em a i n l yc o n s u m e db yk i n e t i ce n e r g ya n dp o t e n t i a le n e r g yo fd e t o n a t i o n p r o d u c t s ． [ K E Yw 0 R D S ]e m u l s i o ne x p l o s i v e s ，c y l i n d e rt e s t ，e x p a n s i o n h i s t o r y ，e n e r g yu t i l i z a t i o n 关于开展征集第2 5 届国际弹道大会标识活动的通知 根据中国兵工学会兵学字[ 2 0 0 7 ] 第1 2 号文的通知精神，民爆器材专业委员会目前正在配合中国兵工学会总会，组织有关 科技工作者参与“征集第2 5 届国际弹道大会标识活动”。 中国兵工学会经过多年的努力，于2 0 0 5 年1 1 月在加拿大温格华召开的第2 2 届国际弹道大会上，成功地申办了2 0 1 0 年 在北京举办第2 5 届国际弹道大会。为了筹备召开这次大会，经中国兵工学会第2 5 届国际弹道大会先期筹备工作领导小组研 究决定，从即日起面向社会征集大会标识 L O G O 。征集活动于2 0 0 7 年9 月3 0 日结束，投稿邮箱L o g o m a i l ．2 1 d n n ．c o m 。 1 标识作用标识一旦确定，有关第2 5 届国际弹道大会的所有正式文件，包括征文通知、宣传海报、会议资料、会议指南、 论文集、代表证以及会场布置等，均要在显要处使用该标识。标识作为本次大会的象征性标志，将体现在所有的场合和文件 中。 2设计要求 1 要突出第2 5 届国际弹道大会的英文全称字样“2 5 t hI N T E R N A T l 0 N A LS Y M P O S I U Mo NB A L L I s - T I C S ，并同时出现“2 0 1 0 ”、“C H I N AB E U I N G ”字样。 2 要适当表现出中国历史和文化特征。 3 要有具有动感的兵器 火器 或发射、运载战斗部的象征性图形。 4 要突出主题，造型简捷、流畅，国防特点鲜明，既有传统特征，又有现代特色。 5 标识所 表达的意义，请附详细文字说明。 3 应征对象和征集方式应征对象广大兵器和国防科技工作者、武器爱好者、从事广告设计、包装设计、造型艺术设计 的专业人士，以及热心网友。征集方式本次活动由千龙网军事频道负责组织实施。应征者将作品以附件形式 要求J P G 格式， 1 0 0 k 以内 发至邮箱l o g o m a i l ．2 1 d n n ．c o m 。主题；标识征集，并在邮件中注明设计说明，字数不限，同时注明投稿人联系方式 座机、手机、通讯地址 。 4 入选程序和奖励办法入选程序所有应征作品，均由千龙网军事频道负责收集。至征集结束，由中国兵工学会第2 5 届 国际弹道大会筹备工作办公室汇总、整理，从中确定出5 0 件入围作品} 入围作品经筹备工作办公室组织有关专家评选，提交领 导小组审议，最终确定出中选作品即大会标识。奖励办法中国兵工学会将向所有入围作品作者颁发纪念证书并奖励现金1 0 0 元；对选中作品作者颁发纪念证书和奖励现金2 0 0 0 元。 国际弹道大会 I S B 是由国际弹道委员会 I B C 主办的以常规武器为研究背景的世界公认的最高水平、最具影响力的学 术交流盛会，历届国际弹道大会从未在亚洲国家举办。中国兵工学会民爆器材专业委员会希望从事民爆器材行业的科技工作 者积极参与第2 5 届国际弹道大会标识活动。 民爆器材专委会秘书组 万方数据