一种评估炸药作功能力的新测试方法.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001 ̄8352. 2014. 02. 008 一种评估炸药作功能力的新测试方法 ❋ 冯海云 胡宏伟 赵向军 安 华 王 钢 张立建 宋 浦 西安近代化学研究所陕西西安ꎬ710065 [摘 要] 建立了一种评估炸药作功能力的新测试方法 金属薄板炸坑法ꎬ对典型高爆炸药、含铝炸药及含铝 和高氯酸氨AP的混合炸药的作功能力进行了测试ꎬ并研究了铜薄板变形与炸药爆轰参数之间的关系ꎮ 结果表 明金属薄板炸坑法能很好地测试各类炸药的作功能力ꎬ金属薄板深度和体积的 TNT 当量和综合考虑爆速和爆热 贡献计算得到 TNT 当量的排序一致ꎬ 测试相对标准偏差最大仅为 1. 17%ꎮ 该方法简便、准确、实用ꎬ可广泛用于各 种炸药的作功能力的测试与评估研究ꎮ [关键词] 爆炸力学ꎻ作功能力ꎻ测试方法ꎻ金属薄板炸坑法 [分类号] O383ꎻTJ55 引言 炸药作功能力是评价炸药威力的重要参数ꎬ它 是指炸药爆炸时对周围介质各种机械作用的统 称[1]ꎮ 如何衡量和评价炸药的威力ꎬ以及如何才能 准确地进行评价ꎬ一直是各国爆炸力学工作者关注 的热点问题[2 ̄8]ꎮ 目前ꎬ国内外炸药作功能力的测试 标准方法有铅壔扩孔法和弹道臼炮法ꎮ 然而其试验 药量仅限于 10 gꎬ试样的装填密度与实际偏差很大ꎬ 对于临界直径大、爆轰感度低的新型炸药不适用ꎮ 随着弹药技术的飞速发展ꎬ新型非理想、钝感炸 药不断增加ꎬ上述两种方法已经不适应当前科研的 需要ꎬ其结果很难为进一步改进炸药配方和定量估 计实际爆炸效果提供很多有用的信息ꎮ 科研工作者 又提出了爆炸漏斗法和水下爆炸试验法等适用于大 药量、爆轰感度较低炸药的作功能力测试方法ꎮ 爆 炸漏斗法试验药量较大ꎬ不需要专门的仪器设备ꎬ易 于普及ꎬ但其结果受介质条件的影响较大ꎬ重复性不 好ꎮ 水下爆炸试验法能够适用于几十克到几十公斤 的药量ꎬ理论比较严谨ꎬ数据重复性也较好ꎬ但水下 爆炸测试法不仅需要建立大型试验水池ꎬ而且还需 要昂贵的试验仪器设备ꎬ大大限制了其普及性ꎮ 本文研制了一套金属薄板测量装置ꎬ利用爆炸 载荷作用下金属薄板的形变值衡量炸药的作功能 力ꎬ此法操作简便ꎬ性能稳定ꎬ性价比高ꎬ测试样品参 数和实际相同ꎬ比较实用ꎮ 文中对典型炸药进行了 作功能力测试研究ꎮ 1 试验 1. 1 试验装置 金属薄板测量装置主要由金属薄板、底架、压紧 板及连接件螺栓螺母组成ꎬ如图 1 所示ꎮ 薄板的材 料为铜ꎬ长宽尺寸为 390 mm 390 mmꎬ厚度为 3 mmꎬ公差为 +0. 05ꎮ 试验前将薄板通过连接件螺母 和螺栓压紧固定于压紧板和底架之间ꎬ中间有效受 载面积为直径 300 mm 的圆形ꎮ 炸药爆炸载荷作用 于薄板上ꎬ使其产生塑性变形ꎬ根据变形情况评估炸 药的威力ꎮ 图 1 金属薄板测量装置示意图单位mm Fig. 1 Sketch map of sheet metal measuring deviceunitmm 1. 2 试验样品 试验炸药为 TNT、JO ̄8、JH ̄14、WY ̄1 和 HL ̄01ꎬ 样品为圆柱形药柱ꎬ全部为压装ꎬ质量均为 400 gꎬ长 径比为 1. 2︰1. 0ꎬ具体参数见表 1ꎮ 采用一端带 8# 雷管孔的 JH ̄14 传爆药端面中心起爆ꎮ 每种炸药进 行 3 发以上平行性试验ꎮ 1. 3 测试方法 332014 年 4 月 一种评估炸药作功能力的新测试方法 冯海云ꎬ等 ❋ 收稿日期 2013 ̄09 ̄03 基金项目 国防科技工业新产品创新计划火炸药科研专项ꎻ国家安全重大基础研究61314303ꎻ总装预研专项00404010201 作者简介 冯海云1981 ꎬ女ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ主要从事爆炸作用与毁伤技术研究ꎮ E ̄maildahai99 ̄2005@163. com 通信作者 宋 浦1973 ꎬ男ꎬ研究员ꎬ主要从事爆炸作用与毁伤技术研究ꎮ E ̄maildahai99 ̄2005@163. com 表 1 试验样品 Tab. 1 Experimental samples 样品 名称 配 方 质量分数 密度/ gm -3 爆速/ ms -1 爆热/ Jkg -1 TNTTNT1. 576 9004 522 JO ̄8 HMX95% / 塑料/ 聚四氟 乙烯/ 蜡 1. 828 7655 939 JH ̄14 RDX96. 5% / 黏 结剂/ 石墨 1. 718 4285 644 WY ̄1 HMX60% / Al26% / 黏结剂 1. 887 4107 856 HL ̄01 HMX26% / AP30% / Al30% / 黏结剂 1. 946 2118 500 将待测炸药装药放置于金属薄板测量冲击装置 的正上方ꎬ炸药下端面与金属薄板面平行ꎬ炸药装药 的轴线过金属薄板的中心ꎬ调节炸药装药中心到金 属薄板面的垂直距离简称炸高为 50 cmꎮ 放置金属薄板测量装置应选坚硬地面ꎬ要求距 金属薄板测量装置 3 m 范围内地面平坦无障碍物ꎬ 以免影响金属薄板成型效果ꎬ引起测量误差ꎮ 炸药爆炸后ꎬ金属薄板在爆炸载荷作用下ꎬ向下 产生塑性变形形成炸坑ꎮ 回收已变形的金属薄板ꎬ 测量记录炸坑的体积和中心深度ꎮ 按同样的方法每 种炸药至少再做 2 发平行试验ꎬ试验结果的差值不 大于 0. 1 Lꎬ计算试验炸坑体积的平均值ꎬ将该值作 为炸药的作功能力值ꎮ 2 结果与讨论 2. 1 沿径向挠曲线和凹坑深度 将一等厚度的垫板置于变形的薄板上ꎬ垫板与 薄板的直径重合ꎬ并以一端边缘为零点ꎬ用深度尺沿 薄板径向每隔 1 cmꎬ测量一个深度值ꎬ如图 2 所示ꎮ 共测量两个直径方向的深度值ꎬ然后取平均值ꎬ就可 得到薄板直径方向各个位置的挠度ꎬ进而亦可得到 炸坑的最大深度ꎮ 图 2 深度测量示意图单位cm Fig. 2 Depth measurement chart unitcm 将数据沿径向绘制成挠曲线图ꎬ如图 3 所示ꎬ图 中横坐标 x 表示薄板的径向位置ꎬ零点为薄板直径 的任一端边缘ꎬ纵坐标 ω 表示薄板的挠度ꎮ 由图 3 可直观地看出质量相同、炸高相同时不同炸药爆炸 载荷作用下ꎬ铜薄板的变形情况ꎮ 可以按炸药爆炸 对铜薄板作用大小ꎬ分成 3 个等级ꎮ 第 1 等级 JO ̄8 和 JH ̄14ꎬ这类在高爆速猛炸药作用下铜薄板的变 形最大ꎬ且形变值与其它炸药相比要高出很多ꎮ 第 2 等级 WY ̄1 炸药和 TNTꎬ它们之间的区别不大ꎮ 最 低的是含铝和 AP 的混合炸药 HL ̄01ꎮ 图 3 不同炸药爆炸作用下铜薄板的径向挠曲线图 Fig. 3 Radial deflection curves of copper sheet by different explosives 表 2 列出了质量相同、炸高相同时不同炸药爆 炸载荷作用下ꎬ铜薄板炸坑的最大深度ꎮ 由表 2 可 以看出如果以 TNT 对铜薄板作用为基准ꎬJO ̄8 和 JH ̄14高爆速炸药是 TNT 的 1. 5 1. 6 倍ꎻWY ̄1 炸 药和 TNT 的作用效果差不多ꎬ仅有 TNT 的 1. 12 倍ꎻ HL ̄01 炸药比 TNT 的效果差ꎬ仅是 74%ꎮ 表 2 不同炸药炸坑的最大深度 Tab. 2 Maximum depths of crater by different explosives 炸药名称炸坑最大深度/ mmTNT 当量 JO ̄861. 79161 JH ̄1459. 96156 WY ̄142. 93112 TNT38. 36100 HL ̄0128. 5374 2. 2 炸坑的体积 表 3 列出炸坑体积的结果ꎮ 由表 3 可以看出 如果以 TNT 对铜薄板作用为基准ꎬJO ̄8 和 JH ̄14 高 爆速炸药大约是TNT的1. 6倍ꎻWY ̄1和TNT的作 表 3 不同炸药的炸坑体积 Tab. 3 Crater volumes by different explosives 炸药名称炸坑体积/ mLTNT 当量 JO ̄82 298163 JH ̄142 186155 WY ̄11 562111 TNT1 410100 HL ̄011 05875 43 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期 用效果差不多ꎬ仅有 TNT 的 1. 1 倍ꎻHL ̄01 炸药比 TNT 的效果差ꎬ仅是 TNT 的 75%ꎮ 2. 3 铜薄板变形与炸药爆轰参数的关系 根据空中爆炸理论ꎬ爆轰过程中爆轰产物所产 生冲击波初始压力的计算公式为[9] p = 2ρaD2 γ +1 ꎮ1 式中p 为冲击波压力ꎻD 为炸药爆速ꎻρa为空气的 初始密度ꎻγ 为绝热指数ꎮ 从式1可以看出ꎬ冲击 波初始压力与炸药爆速的平方成正比ꎮ 另外从能量的角度看ꎬ根据能量守恒ꎬ在空爆过 程中ꎬ有公式[9] Δp = 3γ -1ρ0Q 2 r0 rH 3 + pa 2 ꎮ2 式中Δp 为冲击波超压ꎻr0为装药半径ꎻrH为距爆心 距离ꎻρ0为炸药的密度ꎻQ 为炸药爆热ꎻγ 为绝热指 数ꎻpa为大气压力ꎮ 综上所述ꎬ空气中冲击波超压与炸药爆速和爆 热有关ꎬ是爆速和爆热的函数ꎬ根据量纲关系ꎬ可以 表示为 Δp = fDꎬQ = αD2+ βQꎮ3 式中α、β 为待定系数ꎮ 以往 TNT 当量是其它炸药的爆热与 TNT 爆热 的比值ꎬ这种换算没有考虑爆速ꎬ然而很多的试验结 果表明爆速对超压的影响很显著ꎬ特别是对于含铝 的非理想炸药而言ꎬ用以往的方法计算出的数据偏 差较大ꎮ 所以有必要从爆速、爆热两个角度对非理 想炸药超压进行计算ꎮ 下面确定待定系数 α 和 βꎮ 炸药的空爆能量一 般包括 3 部分一次反应的爆轰热ꎬ二次反应的无氧 燃烧热以及有氧后燃烧反应的后燃烧热ꎮ 后燃烧热 在自由场环境中对爆炸初始冲击波不起作用ꎮ 炸药 的作功能力与爆破热有着密切的关系ꎬ用于提供给 爆破作用的爆破热为爆轰热和部分无氧燃烧热的总 和[1ꎬ9]ꎬ即 Qb= Qd+ xQ2ꎮ4 由于 Qv= Qd+ Q2ꎬ5 所以 Qb= 1 - xQd+ xQvꎮ6 式中Qv为爆热ꎻQb为爆破热ꎻQd为爆轰热ꎻQ2为 无氧燃烧热ꎬx 为小于 1 的系数ꎮ 爆轰热与爆速的函数关系为[9] Qd= D2/ [2γ2-1]ꎮ7 因此 Qb= 1 - xD2 2γ2-1 + xQvꎮ8 那么ꎬ综合考虑爆速和爆热的 TNT 当量的表述 见下式 w = 1 2γ2-1D 2 + x 1 - xQ 1 2γ2-1D 2 TNT+ x 1 - xQTNT ꎮ9 式中w 为 TNT 当量ꎻγ 为绝热指数ꎻD 和 Q 分别为 被测炸药的爆速和爆热ꎻDTNT和 QTNT分别为参比炸 药 TNT 的爆速和爆热ꎮ 令 η =2γ2-1x/ 1 - xꎻ10 则 w = D2+ ηQ D2 TNT+ ηQTNT ꎮ11 假定各种炸药无氧燃烧热对空爆冲击波超压的 贡献比例相同ꎬ即 x 相同ꎮ 通过对过去大量的炸药 空爆超压试验结果归纳整理ꎬ显示当 x = 0. 6 0. 8 时ꎬ计算结果与试验结果很接近ꎮ 取 x =0. 7ꎬγ =3ꎮ 将炸药的爆速、爆热数据代入式11ꎬ便可得到综 合考虑爆速和爆热的 TNT 当量ꎬ见表 4ꎮ 表 4 不同炸药的 TNT 当量 Tab. 4 TNT equivalent of different explosives 炸药 综合爆速和爆热 的 TNT 当量 深度 TNT 当量 体积 TNT 当量 JO ̄81. 611. 611. 63 JH ̄141. 491. 561. 55 WY ̄11. 161. 121. 11 TNT1. 001. 001. 00 HL ̄010. 810. 740. 75 2. 4 试验方法的可靠性和精度 表 4 列出了综合考虑爆速和爆热贡献得出不同 炸药的 TNT 当量及本文试验得出的炸坑最大深度 和体积的 TNT 当量ꎮ 分析表 4 数据可得到综合考虑爆速和爆热贡 献 TNT 当量的计算值与本次试验得到的深度和体 积的 TNT 当量排序基本一致ꎮ 说明金属薄板炸坑 法是一种简便、可靠的炸药作功能力的测试方法ꎮ 为了考察试验方法的精度ꎬ对不同的炸药试样 进行了 5 次平行性测试试验ꎬ试验结果见表 5ꎮ 由表 5 可看出用金属薄板炸坑法测试不同炸 药的威力ꎬ相对标准偏差最大仅为 1. 17%ꎬ说明该 测试方法具有很好的精度ꎮ 3 结论 1综合考虑爆速和爆热的贡献ꎬ计算得到 TNT 当量的计算值与本次试验得到的深度和体积的 TNT 当量排序基本一致ꎮ 说明用铜薄板炸坑法作为评价 炸药威力的测试方法是准确可靠的ꎮ 2金属薄板炸坑法测试不同炸药的威力ꎬ相对 532014 年 4 月 一种评估炸药作功能力的新测试方法 冯海云ꎬ等 表 5 金属薄板炸坑法测试精密度试验结果 Tab. 5 Precision test results of sheet metal crater method 炸药 深 度 炸坑深度/ mm 平均深度/ mm 相对标准 偏差/ % 体 积 炸坑体积/ mL 平均体积/ mL 相对标准 偏差/ % JO ̄8 62. 44ꎬ60. 70ꎬ 61. 83ꎬ62. 27ꎬ61. 71 61. 791. 10 2 326ꎬ2 259ꎬ2 304ꎬ 2 312ꎬ2 289 2 2981. 11 WY ̄1 42. 56ꎬ43. 23ꎬ43. 65ꎬ 42. 45ꎬ42. 76 42. 931. 17 1 548ꎬ1 576ꎬ1 585ꎬ 1 543ꎬ1 558 1 5621. 15 TNT 38. 41ꎬ38. 61ꎬ37. 60ꎬ 38. 72ꎬ38. 46 38. 361. 15 1 416ꎬ1 420ꎬ1 398ꎬ 1 428ꎬ1 388 1 4101. 17 HL ̄01 28. 81ꎬ28. 73ꎬ28. 60ꎬ 28. 11ꎬ28. 40 28. 530. 99 1 071ꎬ1 064ꎬ1 059ꎬ 1 043ꎬ1 053 1 0581. 01 标准偏差最大仅为 1. 17%ꎬ该测试方法具有很好的 精度ꎮ 3金属薄板炸坑法是一种简便、准确、实用的 测试炸药作功能力的方法ꎮ 参 考 文 献 [1] 惠君明ꎬ陈天云. 炸药爆炸理论[M] . 南京江苏科学 技术出版社ꎬ1995. 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The results show that the metal sheet crater method can be a good test for evaluating the work ability of various explosives. The TNT equivalent of depth and volume of the metal sheet crater sorts the same order with the TNT equivalent calculated by detonation velocity and heatꎬwith a lower relative standard deviations by 1. 17%. The method is simpleꎬ accurateꎬ and practical which could be applied with satisfaction to the power determination of a variety of high explosives. [KEY WORDS] explosion mechanicsꎻ acting abilityꎻ test methodꎻ metal sheet crater method 63 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 2 期