1 引言

温压炸药中一般添加铝粉等高能添加剂以增强燃烧和爆炸效应, 同时还添加部分高能炸药以增强其起爆性能, 因此药剂兼具高爆炸药、含铝炸药和燃料空气炸药的特点, 其能量输出分为三个阶段:第一阶段是高能炸药内分子化合物的反应; 第二阶段是第一阶段的爆轰产物与铝粉燃烧反应; 第三阶段是炸药中可燃元素与氧气的快速燃烧反应^[1]。

以往对温压炸药的评估多集中在爆炸输出及毁伤效应方面。如Schaefer^[2]进行了半封闭空间和坑道内温压炸药的冲击波超压和冲量性能研究; 陈昊等^[3]通过两个相互连接的密闭和半密闭房间, 测试了在有限空间内距炸点不同距离处的超压; 姬建荣等^[4]采用小型爆炸容器研究TNT/Al炸药后燃烧反应的准静态压力。这些研究集中在温压炸药的应用性能, 且测量参数与常规炸药一致, 无法反映温压炸药的爆炸特性, 不能有效地指导温压炸药的配方设计。

美国Nammo Talley公司基于量热法原理建立了能够反映温压炸药爆炸能量测量的装置和方法, 但实验药量小, 小药量装药条件下温压炸药无法实现完全爆轰, 对温压炸药的能量有一定影响^[5]。裴明敬等^[6]通过氧弹量热计测试含铝温压炸药在氧气、空气和氩气环境中的燃烧热值, 但无法分析温压炸药爆轰时能量。为揭示温压炸药能量与其组分及试验气氛之间联系, 本研究采用文献[7]的实验装置, 在密闭条件下, 通过水下爆炸的试验方法, 以冲击波能、气泡能和总能量为参数分析其影响规律。

2 实验部分 2.1 实验条件

试验主要对温压炸药及TNT进行研究。温压炸药组分见表 1, 装药均为圆柱形压装药, 直径40 mm, 重170 g, TNT密度为1.54 g·cm^-3。为保证起爆的可靠性, 每发主装药均用直径为40 mm、药量为30 g的8701炸药作为传爆药柱, 用8号电雷管起爆; 并以8号雷管起爆8701传爆药柱作为空白试验, 扣除对主装药能量输出的影响。共进行四个系列的试验, 每个系列进行两次平行试验。

2.2 实验装置

采用文献[7]中装置, 如图 1所示。该装置均采用20^#钢无缝焊接而成, 容积为6.024 L。进行水下爆炸测试时, 被测炸药试样被置于该试验装置的内层圆筒形容器中并做好防水处理, 在内、外层容器形成的封闭空腔内充填一定压力的气体。其中Ar不参与后燃反应, 对炸药的能量输出没有影响; 空气中含有氧气, 能够支持炸药的后燃反应, 但空气中氧气含量有限, 故采用纯氧气氛进行试验, 考察氧气含量对炸药能量输出的影响程度。

试验在Φ8 m×8 m的刚性水池中进行, 水池池壁与池底材质均为钢板。试验装置和传感器布放在水面下4.25 m处, 试验装置距池壁水平距离为4 m, 传感器距离试验装置2 m, 试验布置如图 2所示。测试时, 使用PCB138系列的ICP压电水下传感器、PCB482A16型信号调理仪、国产纵横公司JV5200数据采集仪记录压力时程曲线, 采用Jovian软件进行信号采集、存储和处理。

3 计算公式修正 3.1 冲击波能的计算

考虑传感器几何形状对测量波形的影响, 将水下爆炸爆源比冲击波能计算公式乘以系数K_e进行修正, 得出水中测点处比冲击波能修正后的计算公式为^[8]:

$ {e_{\rm{s}}} = {K_{\rm{e}}}\frac{{4\pi {R^2}1}}{{{\rho _{\rm{w}}}{C_{\rm{w}}}W}}\int_0^\tau {{p^2}\left( t \right){\rm{d}}t} $

式中, K_e与压力传感器传感头的直径、冲击波的衰减时间常数和水中音速有关, ${K_{\rm{e}}} = 1 + 0.29\gamma + 0.016{\gamma ^2},\;\gamma = \frac{d}{{{C_{\rm{w}}} \cdot \theta }}$, d为传感器传感头直径, mm, 本试验中为6.35 mm; R为爆心至测点的距离, m; W为装药质量, kg; ρ_w为水的密度, kg·m^-3, 本文取1000 kg·m^-3; C_w为水中音速, m·s^-1, 取1500 m·s^-1; p (t)为测点处t时刻冲击波压力, Pa; τ为积分上限(由于冲击波压力时程曲线衰减较慢, 本文取5.17θ, 此时冲击波压力已降至峰值压力的5%以下); θ为水中冲击波的衰减时间常数, 取压力从峰值p_m首次衰减到p_m/e所需的时间间隔, μs。

3.2 气泡能的计算

有限水域水下爆炸存在边界效应, 气泡脉动周期与药量之间关系稍偏离Willis公式, 因此实际有限水域水下爆炸爆源的比气泡能e_b的计算公式为^[9]:

$ {e_{\rm{b}}} = \frac{1}{{8{C^3}K_1^3}}{\left[ {\sqrt {1 + 4C{T_{\rm{b}}}} - 1} \right]^3} $

式中, C、K₁为与给定水池给定装药位置有关的常数, ${K_1} = 1.135\rho _{\rm{w}}^{\frac{1}{2}}/\rho _{{\rm{hn}}}^{\frac{5}{6}}$, 在本实验条件下, 实测并以最小二乘法计算得到C=0.4147 s^-1。T_b为将实测气泡脉动周期t修正到同一大气压下的总流体静压p_hn下的气泡脉动周期, 修正公式为:

$ {T_{\rm{b}}} = {t_{\rm{b}}}{\left( {\frac{{{p_{{\rm{hi}}}}}}{{{p_{{\rm{hn}}}}}}} \right)^{\frac{5}{6}}} = {t_{\rm{b}}}{\left( {\frac{{{p_{\rm{i}}} + {p_{\rm{h}}}}}{{{p_0} + {p_{\rm{h}}}}}} \right)^{\frac{5}{6}}} $

式中, p_hi为装药深度处的总流体静压, Pa; p_i为测试时水面实测大气压, Pa; p₀为水面标准大气压, 取101325 Pa; p_h为装药深度处的静水压力, Pa。

4 结果与讨论 4.1 气氛对温压炸药能量输出的影响

为考察气氛对温压炸药爆炸能量输出的影响, 分别在Ar、Air和O₂气氛下(2.7 MPa)对3^#温压炸药进行试验, 并与TNT进行对比, 结果见表 2。

RDX的氧平衡为-0.216, 其氧含量不足以氧化可燃元素, 但可使产物完全气化, 属于第二类炸药, 按改进的(M-L)法写出第一阶段爆炸反应方程式^[10]:

$ {{\rm{C}}_{\rm{3}}}{{\rm{H}}_{\rm{6}}}{{\rm{N}}_{\rm{6}}}{{\rm{O}}_{\rm{6}}} \to {\rm{1}}{\rm{.5C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 1}}{\rm{.5CO + 1}}{\rm{.5}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 1}}{\rm{.5}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 3}}{{\rm{N}}_{\rm{2}}} $

(1)

第二阶段反应方程式:

$ {\rm{1}}{\rm{.5C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{ + Al}} \to {\rm{1}}{\rm{.5CO + 0}}{\rm{.5A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} $

(2)

$ {\rm{1}}{\rm{.5}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + Al}} \to {\rm{1}}{\rm{.5}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{ + 0}}{\rm{.5A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} $

(3)

在前两阶段反应过程中, 生成了CO、H₂等可燃气体, 并且还有铝粉尚未参与反应, 该部分继续与氧气发生快速燃烧反应, 假定最终生成物为CO₂、H₂O、Al₂O₃, 则在Air气氛中氧气含量有1.09 mol不足, 在O₂气氛中氧气含量有4.19 mol过量。

由表 2可知, 3^#温压炸药冲击波能、气泡能及总能量随气氛的变化情况均为E_O2 > E_Air > E_Ar, 表明RDX的快速爆轰产物不足以完全氧化铝粉, 剩余的铝粉继续与氧进行快速反应, 因此冲击波能、气泡能及总能量都提高了; 而在纯氧氛围中, 较空气中氧气含量更充足, 可促进后燃反应的进行, 提高了能量输出。TNT的冲击波能、气泡能及总能量随气氛的变化情况均为E_O2 > E_Ar, TNT的氧平衡是-0.74, 为严重负氧平衡炸药, 产物中有固体碳生成, 在密闭空间爆轰能量释放分为两个阶段, 即爆轰和后燃过程^[11], 因此在O₂气氛中其能量输出更高。3^#温压炸药比TNT的能量释放要高得多, 说明含有金属粉的温压炸药后燃效应更为强烈, 释能效能更高。

4.2 组分对温压炸药能量输出的影响

为考察铝含量对温压炸药爆炸能量输出的影响, 在O₂气氛下(2.7 MPa)对5种不同铝粉含量的温压炸药进行试验, 结果见表 3。

该系列的各组试验中氧气均过量。由表 3可见, 随着铝粉含量增加, 冲击波能、气泡能和总能量的总体趋势是先增大后减小(2^#冲击波能较1^#略小可能由于衰减时间常数选取所致), 表明温压炸药中铝粉的加入量有一最佳值。

冲击波能在铝含量为40%时(3^#)达到最大值。当铝粉含量增加到一定程度后, 随着RDX含量的持续减少, 将引起混合炸药总能量和铝粉氧化反应热效应的持续下降, 从而降低冲击波的能量水平。继续提高铝粉含量时, 由于铝粉与爆炸产物及氧气的反应时间加长, 释放的能量已不足以供给冲击波波头, 这时水中冲击波能量便逐渐减少。

气泡能在铝含量为50%时(4^#)达到最大值。气泡脉动时, 先脉动到最大直径, 然后被周围水介质压缩至比初始脉动直径还要小的气泡, 尔后再继续向增大直径方向脉动。在气泡受压缩时, 爆轰产物及气氛也受到压缩, 从而提高铝粉的反应比例, 反应释放的能量可以全部供给气泡, 增大气泡能^[12]。在铝粉含量不高时, 随着铝粉含量增加, RDX含量的持续减少, 反应产物中固体产物逐渐增加, 气体产物逐渐减少, 致使气泡能不再增加。当铝粉含量由40%(3^#)增加到50%(4^#)时, 气泡能增大已不明显。

总能量在铝含量为40%时(3^#)达到最大值。表明铝含量小于40%时, 增加铝的含量会增加爆热; 当铝含量大于40%时, 由于多余的铝粉作为惰性吸热物质存在, 反而使总能量降低。

4.3 供氧量对温压炸药能量输出的影响

为考察供氧量对温压炸药爆炸能量输出的影响, 分别在3种不同O₂压力下对4^#温压炸药进行试验, 结果见表 4。

在该系列试验中, 1.2 MPa气氛压力下O₂含量不足, 2.7 MPa和5.1 MPa气氛压力下O₂含量均过量。表 4数据表明, 充足的氧气能够有效地提高冲击波能、气泡能和总能量。但在O₂过量的情况下, 比较2.7 MPa和5.1 MPa气氛压力下的试验数据发现, 气泡能和总能量增大不明显, 冲击波能却提高了40%, 说明O₂含量的增加提高了后燃反应的速度, 缩短了反应时间, 使更多能量传递给了冲击波波头, 因此冲击波能增大更明显。衰减时间常数由23.7 μs增大到27.6 μs, 表明O₂浓度的增加促进了后燃反应的快速进行, 有利于减缓冲击波的衰减。

5 结论

通过4个系列的水下爆炸试验, 考察了5种不同配方温压炸药的爆炸能量输出特性, 分析比较了冲击波能、气泡能和总能量随气氛种类、温压炸药配方及气氛压力的变化情况, 并与TNT进行了对比, 得出以下结论:

(1) 冲击波能、气泡能和总能量均随着铝粉含量的增加先增大后减小, 冲击波能在含铝量为40%时最大, 气泡能在含铝量为50%时最大, 总能量在含铝量为40%时最大; 在2.7 MPa的O₂气氛中, 含铝量为40%的温压炸药的冲击波能、气泡能、总能量分别是TNT的3.32, 1.51, 1.76倍。

(2) 气氛中O₂量增加, 有利于后燃反应进行; O₂含量越高, 后燃反应越快, 冲击波衰减越慢, 冲击波能增加越大。