温压炸药爆炸释热特性研究 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2014. 03. 001 温压炸药爆炸释热特性研究 磁 金朋刚 王晓峰 郭 炜 任松涛 王建灵 高 赞 西安近代化学研究所(陕西西安,710065) [摘 要] 为了研究 RDX 基温压炸药的爆炸热量释放历程,对自由场和半密闭条件下的 TNT、852 及 G- 1 温压炸 药爆炸过程进行了空爆试验,采用热通量传感器记录了 3 种炸药在两种试验环境下爆炸过程中的热通量时间历 程。 结果表明,热通量传感器可以获得炸药爆轰、无氧燃烧及有氧燃烧3 个阶段的热历程时间曲线;在半密闭空间 中爆炸时,G- 1 温压炸药有 3 个明显的热量释放历程爆轰、无氧燃烧和有氧燃烧;TNT 和 852 炸药只有爆轰和有氧 燃烧过程。 结合852 及 G- 1 温压炸药配方组成,对比分析热量释放时间历程曲线认为,铝粉均参与了 G- 1 温压炸药 的3 个反应阶段。 对比自由场和半密闭条件试验结果发现,试验环境对温压炸药反应历程影响较大,半密闭条件 有利于提高温压炸药的热量输出。 [关键词] 温压炸药;热辐射通量;爆轰;后燃烧;无氧燃烧;有氧燃烧 [分类号] TQ560 引言 炸药爆炸是一个高温高压的剧烈化学反应 [1] , 产生的高压以冲击波的形式向外传播,高温主要以 热辐射的形式向外传播 [2- 3] ,因此,热辐射的变化过 程中含有大量的爆炸化学反应的微观信息。 温压炸药是一种能够利用环境中氧气提高炸药 自身能量释放量的新型炸药,其爆炸热效应较常规 高爆炸药更显著 [4- 5] ,热量释放过程更复杂;大量的 研究表明,温压炸药的爆炸过程可能存在多阶段的 燃烧过程 [6- 8] 。 因此,对温压炸药爆炸过程中热量输 出的研究成为本领域新的热点。 德国科学家 [9] 在 非理想体系温压炸药三阶段反应理论假设的基础上 建立了温压炸药能量输出的计算模型,得到的温压 炸药准静态压力与试验结果非常吻合,因此,推断温 压炸药的反应过程分为爆轰、无氧燃烧和有氧燃烧 3 个阶段。 国内在含铝温压炸药多阶段热输出特性 研究方面也主要利用仿真技术,徐更光等 [10- 11] 通过 改进的点火增长模型及 KHT 和 BKW 方程计算了含 铝温压炸药的爆轰参数,并认为可能有部分铝粉参 与了爆轰反应,并释放热量。 由于试验技术的限制, 温压炸药三阶段热量输出的试验研究还未见报道。 本文通过热辐射通量传感器表征了 3 种炸药在 自由场和半密闭两种试验条件下的热通量时间历 程,从热量释放的角度分析了温压炸药的反应特性。 1 试验部分 1. 1 试验样品及仪器 试验样品信息见表1。 样品质量均为 200 g,炸 高为 1. 7 m。 试样均采用8 #雷管起爆。 用成都南汇 科技生产的 VXI 数据采集器记录 HFM 型热通量传 感器信号和 PCB 压力传感器信号,采样频率为 1 10 6 s - 1。 表1 试样组分、质量及制造工艺 Tab. 1 Information about samples 试样名称 组成 (质量分数)/ % 制药工艺 质量/ g 直径/ mm TNTTNT100湝压装200 60b 852刎RDX/ 黏结剂96/ 4压装200 60b G- 1儋 RDX/ Al/ 黏结剂 64/ 20/ 16Ζ 浇注200 50b 1. 2 试验布局 温压炸药在自由空间、密闭及半密闭条件下的 反应特性不同,为了对比环境对温压炸药反应过程 的影响,设计了自由场和半密闭两种试验条件。 自由场条件将试样悬挂在距地面1. 7 m 处,在 距离爆心 2. 0 m 处安装热通量传感器和 PCB 压力 传感器(距地面均 1. 7 m),压力传感器作为系统触 发装置;热通量传感器与压力传感器共用同一支架。 12014 年 6 月 温压炸药爆炸释热特性研究 金朋刚,等 磁 收稿日期2013- 08- 28 基金项目 国防重大基础专项项目 作者简介 金朋刚(1978 ~ ),男,副研究员,硕士,主要从事炸药性能评估技术研究。 E- mailjinpenggang204@126. com 通信作者 王晓峰(1964 ~ ),男,研究员,中国兵器工业集团公司首席科学家,主要从事炸药及装药技术研究。 半密闭条件在自由场条件的基础上,距试样两 侧1. 0 m 处安装4 mm 厚钢板,钢板尺寸为4. 0 m 4. 0 m(图 1);在半密闭空间轴线上距爆心水平距离 2. 0 m 处布置热通量传感器和 PCB 压力传感器,压 力传感器作为系统触发装置(图2)。 图1 半密闭试验示意图(单位m) Fig. 1 Sketch of test in semi- enclosed condition(unitm) 图2 传感器布局俯视图(单位m) Fig. 2 Vertical view of the layout of sensors(unitm) 2 结果与讨论 2. 1 热通量时间曲线 图3 是 G- 1 炸药在自由场条件下的热通量及压 力时间曲线。 由于爆轰、无氧燃烧和有氧燃烧 3 个 阶段的时间跨度很大,难以在同一图中清楚地绘制 出,因此将图形分为图 3(a)和图3(b)。 TNT/ Al 的 爆轰反应时间约小于1 ms [12] ;结合热通量传感器光 辐射测量原理 [13] 可以判定,热通量第一个峰为 G- 1 炸药爆轰过程热通量时间曲线。 另从图 3 可知,当 冲击波压力信号还未到达时,热通量传感器已有信 号输出,两者时间差约为2. 8 ms,这一时间段是图 3 (a) 中1和2区域。图3(a) 中区域1时间约为0. 7 ms,区域2的时间约为2. 1 ms,且此时冲击波还未 到达传感器附近,冲击波将空气沿爆心方向向外推 动,爆心区域形成负压区,此时的空气量很少,爆炸 反应产物的温度非常高,主要是高温的爆炸产物之 间的放热化学反应在进行,也叫无氧燃烧阶段 [12] 。 无氧燃烧阶段还未完成时,冲击波传播至热通量传 (a)10 ms 内 (b)60 ms 内 图 3 G- 1 炸药自由场条件下热通量及压力时间曲线 Fig. 3 Curves of heat flux and pressure changing with time for G- 1 in free field 感器附近,在传感器支架、安装管等硬介质处发生反 射(热通量传感器安装在钢管内),形成反射压,在 热通量传感器敏感面前压缩空气,导致空气温度骤 然升高,严重干扰了热辐射传感器对爆炸反应过程 中热输出的测量 [13] ,这种干扰体现在图 3(a)中 3 区域,干扰持续的时间从图 3(b)中可以读出,约为 6 ms。 当冲击波及其反射压掠过热辐射通量传感器 后,G- 1 炸药的反应过程还在持续,并仍存在一个放 热过程(40 ms),如图 3(b)中 4 区域,这与冯晓军 等 [14] 测量结果相近。 这一时间段内,G- 1 炸药主要 进行有氧燃烧反应 [9] 。 TNT 和852 炸药的热释放过 程与 G- 1 炸药的热释放过程有一定相似性。 2. 2 环境对温压炸药反应过程的影响 图4 和图5 分别是两种条件下3 种炸药热通量 时间曲线。 由图4(a)和图5(a)可以看出,G- 1 炸药 无氧燃烧阶段的热量释放随环境条件的变化而改 变半密闭条件下热量释放有明显的持续增长过程。 环境的改变不会影响 TNT 和 852 炸药无氧燃烧阶 段的热量释放过程。 温压炸药的后燃烧过程中有氧 燃烧阶段对环境的依赖程度更高 [9] ,比较图 4(b)和 图5(b)可以看出,自由场条件下,G- 1炸药的爆炸 过程中存在一个不明显的有氧燃烧阶段;半密闭条 件 下,G- 1炸药的爆炸过程中存在明显的有氧燃烧 2 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第3 期 (a)10 ms 内 (b)60 ms 内 图4 自由场条件下的热通量时间曲线 Fig. 4 Heat flux- time curves of three explosives in free field (a)10 ms 内 (b)60 ms 内 图5 半密闭条件下热通量时间曲线 Fig. 5 Heat flux- time curves of three explosives in semi- closed space 阶段,这是因为自由场条件中有地面的反射,并非理 想的自由场条件,该条件下的 G- 1 炸药虽存在有氧 燃烧过程,但其热通量值却小于半密闭条件下的热 通量,因此,从热释放的角度可以认为,G- 1 炸药的 反应过程受环境的密闭程度影响较大。 TNT 和 852 炸药在半密闭试验条件下均未出现明显的有氧燃烧 过程。 2. 3 从热输出分析温压炸药配方中铝粉的燃烧 从图4 和图 5 中均可以看出,G- 1 与 852 爆轰 过程中的热释放量差别较大,852 炸药爆轰过程中 的热通量约为 G- 1 炸药的 1/ 3,这说明有铝粉参与 了 G- 1 炸药的爆轰反应,释放出大量的热;同时,G- 1 炸药的爆轰反应持续时间比 852 及 TNT 长。 半密 闭空间中 G- 1 炸药的无氧燃烧过程中出现了热量释 放的增加过程,如图 5(a)中 3 区域所示,与 852 的 反应过程比较可知,在无氧燃烧阶段,有铝粉或者未 完全氧化的铝粉(AlO)参加了爆炸化学反应 [15- 16] , 增加了无氧燃烧过程中的热通量输出。 在有氧燃烧 阶段,如图5(b)所示,铝粉或者未完全氧化的铝粉 (AlO)继续反应释放热量。 TNT 及 852 炸药有氧燃 烧阶段的热通量时间曲线还说明,爆轰及无氧燃烧 后未完全氧化的产物(如 C 粉等)在本试验条件下 无法发生明显的有氧燃烧。 当环境条件为全密封 时,TNT 爆轰产物也能够发生明显的有氧燃烧过 程 [12] 。 3 结论 1)热通量传感器可以表征毫秒级爆炸反应的 热量释放过程,能够用于温压炸药不同反应阶段热 量输出特性的表征。 2)在有约束条件下,温压炸药的爆炸反应热量 释放的 3 个过程从时间尺度上能够与温压炸药的爆 轰、无氧燃烧和有氧燃烧对应。 3)对比852 炸药与 G- 1 炸药的配方及热辐射通 量曲线可知,Al 参与了 G- 1 温压炸药爆轰、无氧燃 烧和有氧燃烧 3 个阶段的爆炸反应。 4)温压炸药爆炸反应的热量释放依赖于环境 条件,封闭条件有利于提高爆炸反应后的燃烧热量。 参 考 文 献 [1] 惠君明,陈天云. 炸药爆炸理论[M]. 南京江苏科学 技术出版社,1995. 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Research on the Heat Release Characters of TBX Explosion JIN Penggang, WANG Xiaofeng, GUO Wei, REN Songtao, WANG Jianling, GAO Zan Xi摧 an Modern Chemistry Research Institute (Shaanxi Xi摧 an, 710065) [ABSTRACT] In order to study the heat release process of RDX based thermal - baric explosive (TBX), heat radiation flux sensor was used to measure the heat radiation flux histories of TNT , 852 and G- 1 TBX under free- field and semi- enclosed conditions, respectively, in air blast experiments.The results shows that heat flux- time curves of detonation, an- aerobic combustion and aerobic combustion could be obtained from the heat radiation sensor .In semi- enclosed condition, G- 1 presents three distinct heat release processes including detonation , anaerobic combustion and aerobic combustion , while TNT and 852 have only two heat release processes of detonation and anaerobic combustion . Taking the compositions of 852 and G- 1 into account, comparative analysis of the heat radiation - time curves revealed that Al is involved in the three re- action stages of G- 1.The experimental results under free- field and semi- enclosed conditions show that the reaction process of TBX is strongly affected by the test conditions , in that the semi- enclosed condition facilitates raising the heat release volume of TBX. [KEY WORDS] thermal- baric explosive; heat radiation flux;detonation;after- burning; anaerobic combustion;aerobic combustion 4 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第3 期