沈 飛，王 輝，袁建飛，楊 凱

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

含鋁炸藥是一類(lèi)高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，由于鋁粉在爆轟反應(yīng)過(guò)程中的后效性，使得含鋁炸藥具有較寬的化學(xué)反應(yīng)區(qū)、臨界直徑大、反應(yīng)產(chǎn)物成分復(fù)雜等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致其能量釋放的規(guī)律與理想炸藥有很大差別［1-3］。RDX 基含鋁炸藥是含鋁炸藥中的重要體系，不僅是設(shè)計(jì)多組分含鋁炸藥的基礎(chǔ)配方之一，也可以作為多組分含鋁炸藥能量水平的比較基準(zhǔn)［2-3］。

目前，含鋁炸藥加速金屬的能力一直是武器設(shè)計(jì)中所關(guān)心的重要問(wèn)題。圓筒試驗(yàn)是評(píng)估炸藥對(duì)金屬加速作功能力的標(biāo)準(zhǔn)方法之一，目前國(guó)內(nèi)已建立了標(biāo)準(zhǔn)（Φ25mm）圓筒試驗(yàn)和Φ50mm 圓筒試驗(yàn)方法。韓勇等［3-6］針對(duì)含鋁炸藥開(kāi)展了圓筒試驗(yàn)研究，此外結(jié)合數(shù)值模擬方法確定了其爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程及反應(yīng)速率函數(shù)的參數(shù)等，但只是針對(duì)某一種配方的含鋁炸藥進(jìn)行研究，缺乏對(duì)不同含量鋁炸藥驅(qū)動(dòng)作功能力的系統(tǒng)比較。本研究針對(duì)不同鋁含量的RDX 基含鋁炸藥進(jìn)行了Φ50mm 圓筒試驗(yàn)，分析了鋁含量對(duì)RDX 基炸藥加速金屬時(shí)能量的釋放時(shí)間、圓筒壁膨脹速度、格尼能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用壓裝工藝制備了4種RDX 基含鋁炸藥，配方見(jiàn)表1，樣品尺寸均為Φ50mm×495mm；圓筒材料為T(mén)U1無(wú)氧銅，密度為8.93g／cm3，圓筒內(nèi)外徑分別為50mm 和60.2mm；狹縫掃描位置距起爆端295mm，采用GSJ高速轉(zhuǎn)鏡相機(jī)記錄圓筒壁在狹縫處端面的膨脹過(guò)程，掃描速度為1.5mm／μs，并通過(guò)固定于圓筒兩端的電探針測(cè)定炸藥的爆速。圓筒試驗(yàn)裝置如圖1所示。

表1 RDX 基含鋁炸藥配方Table 1 Formulation of RDX-based aluminized explosives

圖1 圓筒試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylinder test

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

圓筒試驗(yàn)中，圓筒壁在沖擊波的驅(qū)動(dòng)力和氣體爆轟產(chǎn)物的膨脹力的共同作用下發(fā)生膨脹運(yùn)動(dòng)。沖擊波的驅(qū)動(dòng)力使得圓筒壁在初期膨脹速度迅速提高，但持續(xù)時(shí)間較短；而氣體爆轟產(chǎn)物膨脹時(shí)的推動(dòng)力雖然峰值相對(duì)偏低，但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。鋁粉含量的增加一定程度上會(huì)改變炸藥的爆熱、爆壓及爆轟產(chǎn)物的成分等，進(jìn)而使得沖擊波的驅(qū)動(dòng)力和氣體爆轟產(chǎn)物的膨脹力都會(huì)發(fā)生明顯的變化，為了能區(qū)分兩種力的作用效果，采用文獻(xiàn)［7］中的數(shù)據(jù)處理方法，將圓筒壁的膨脹效果分兩個(gè)多項(xiàng)式描述，即分別描述沖擊波的驅(qū)動(dòng)效果和氣體爆轟產(chǎn)物膨脹的驅(qū)動(dòng)效果。設(shè)圓筒壁膨脹距離R-R0與膨脹時(shí)間t滿(mǎn)足以下函數(shù)關(guān)系式：

式中：Vshock為沖擊波的驅(qū)動(dòng)力使得筒壁達(dá)到的漸進(jìn)速度；τshock為其加速時(shí)間段；Igas為氣體爆轟產(chǎn)物膨脹力波動(dòng)的幅度；τ1和τ2分別為爆轟產(chǎn)物膨脹力波動(dòng)時(shí)上升和下降的時(shí)間常數(shù)。

將公式（1）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得到圓筒壁的膨脹速度：

通過(guò)對(duì)圓筒壁膨脹過(guò)程的掃描底片（其典型形狀如圖2所示）進(jìn)行判讀，得出圓筒壁膨脹距離-時(shí)間數(shù)據(jù)，并采用公式（1）進(jìn)行擬合，其擬合系數(shù)值見(jiàn)表2，測(cè)得炸藥在圓筒內(nèi)的平均爆速見(jiàn)表2。由表2可以看出，隨著鋁含量的增加，爆速逐漸降低。

圖2 圓筒壁膨脹過(guò)程掃描照片（RL-03）Fig.2 Photograph of expansion process of the cylinder wall（RL-03）

表2 圓筒壁膨脹位移曲線擬合參數(shù)Table 2 Curve-fitting parameters of the expansion displacement of the cylinder wall

2.2 鋁含量對(duì)圓筒壁膨脹速度的影響

將表2中的參數(shù)代入公式（2）可計(jì)算出圓筒壁膨脹速度的變化曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，對(duì)于R-01炸藥，15μs左右圓筒壁膨脹達(dá)到最大速度，而隨著炸藥鋁含量的逐漸增加，圓筒壁膨脹到最大速度值所需要的時(shí)間逐漸增大，這表明鋁含量增加使得炸藥需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能充分釋放其能量。

圖3 圓筒壁膨脹速度-時(shí)間的歷程曲線Fig.3 Time history curves of expansion velocity of the cylinder wall

表3中列出圓筒壁膨脹到一些特殊位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的膨脹速度，其中，圓筒壁膨脹距離為12、25、38及50mm 時(shí)，炸藥爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容分別為2.2、4.4、7.0和10.0。對(duì)于理想炸藥，一般認(rèn)為爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容為7.0時(shí)，圓筒壁的膨脹速度幾乎不再增加［8］，但從表3可以看出，含鋁炸藥的圓筒試驗(yàn)中，圓筒壁的膨脹距離從38mm 增加到50mm 的過(guò)程中，其筒壁膨脹速度仍有比較明顯的增加，尤其是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的RL-02，其膨脹速度提升較大。

表3 特定膨脹距離處圓筒壁的膨脹速度Table 3 Expansion velocity of the cylinder wall at given expansion distance

如果將沖擊波驅(qū)動(dòng)力和爆轟產(chǎn)物膨脹力對(duì)圓筒壁的加速過(guò)程分開(kāi)表示，即將公式（2）中的兩項(xiàng)表達(dá)式分開(kāi)，則可分別描述兩種作用力對(duì)圓筒壁的加速能力，如圖4所示。

圖4 兩種作用力對(duì)圓筒壁的加速歷程曲線Fig.4 Velocity-time curves of the cylinder wall induced by two kinds of force

從圖4可以看出，隨著鋁含量的增加，沖擊波驅(qū)動(dòng)力越來(lái)越小，且作用時(shí)間均很短，一般在5μs左右，而爆轟產(chǎn)物膨脹力的持續(xù)時(shí)間卻在逐步增加；鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至30%時(shí)，爆轟產(chǎn)物膨脹力的驅(qū)動(dòng)能力逐步增強(qiáng)，但鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至40%時(shí)，爆轟產(chǎn)物膨脹力的驅(qū)動(dòng)能力呈下降趨勢(shì)。

2.3 鋁含量對(duì)格尼能及格尼系數(shù)的影響

在這4種炸藥的圓筒試驗(yàn)中，由于裝藥密度差別較大，需要對(duì)比它們的格尼能來(lái)描述對(duì)金屬加速作功能力的差異。炸藥的格尼能可根據(jù)公式（3）計(jì)算［8］：

式中：M為單位長(zhǎng)度圓筒的質(zhì)量；m為單位長(zhǎng)度炸藥的質(zhì)量。

圖5描述了格尼能與圓筒壁膨脹距離的關(guān)系，從圖5可以看出，隨著鋁含量的增加，炸藥的格尼能逐漸降低。表4 給出了圓筒壁膨脹距離為50mm時(shí)4種炸藥的格尼能和格尼系數(shù)，可以看出這3種含鋁炸藥的格尼系數(shù)均小于不含鋁的R-01 配方。圖6描述了格尼系數(shù)與鋁含量之間的變化關(guān)系，可以看出，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加至30%的過(guò)程中，格尼系數(shù)降低的幅度相對(duì)較小，但鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至40%時(shí)，格尼系數(shù)的下降幅度較大。格尼系數(shù)變化曲線擬合公式如下：

式中：w為鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

圖5 格尼能與筒壁膨脹距離的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between Gurney energy and expansion distance of the cylinder wall

但對(duì)于格尼能與炸藥密度的積ρ0Eg（即圓筒壁和爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能之和與炸藥體積的比值），RL-02的值大于R-01，且RL-03 的值略低于R-01，這表明，雖然RL-02和RL-03的格尼能小于R-01，但由于裝藥密度的增加，在相同的裝藥空間內(nèi)，其作功能力差距變小，甚至超過(guò)R-01，這可以從圖3 中看出。

圖6 鋁含量與格尼系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between Al content and Gurney coefficient

表4 炸藥的格尼能及格尼系數(shù)（R-R0=50mm）Table 4 Gurney energy and Gurney coefficient of the explosives at R-R0=50mm

3 結(jié) 論

（1）隨著鋁含量的增加，RDX 基炸藥的能量釋放速率逐漸變緩，使得對(duì)圓筒壁的加速時(shí)間逐漸增長(zhǎng)。

（2）將兩種作用力對(duì)金屬的加速作用區(qū)分對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著鋁含量的增加，沖擊波驅(qū)動(dòng)力對(duì)圓筒壁的驅(qū)動(dòng)能力越來(lái)越??；而對(duì)于爆轟產(chǎn)物膨脹力，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增加至30%的過(guò)程中，其驅(qū)動(dòng)能力逐步增強(qiáng)，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至40%時(shí)，其驅(qū)動(dòng)能力卻呈明顯的下降趨勢(shì)。

（3）隨著鋁含量的增加，RDX 基炸藥的格尼能及格尼系數(shù)逐漸降低，但在相同的裝藥空間內(nèi)，RDX 基含鋁炸藥的驅(qū)動(dòng)能力有時(shí)甚至能超過(guò)不含鋁的RDX 基炸藥。

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