沈　飛，王　輝，徐司雨,2

(1. 西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2. 西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引　言

含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，廣泛應用于各類常規(guī)武器裝藥。為了改善或提升其性能，國內(nèi)外進行了大量的研究和嘗試，微/納米粒度級配作為其中一個研究熱點，受到廣泛關注[1-3]。Patrick 等[3]采用微/納米鋁粉粒度級配技術提升炸藥的反應速率及作功能力；肖磊等[4]采用微/納米RDX或HMX粒度級配技術改善炸藥的感度性能等。

爆轟波非理想傳播特性關系到裝藥尺寸對爆轟性能的影響程度、爆轟驅動能量優(yōu)化控制等方面[5]。由于微/納米粒度級配一定程度上改變了炸藥的微觀結構，如增大了顆粒的比表面積、減小了顆粒間隙等，也使得顆粒的活性發(fā)生了明顯變化，如降低了鋁粉的點火溫度，進而可能影響炸藥的反應區(qū)結構及爆轟波傳播特性。目前，對于微/納米粒度級配炸藥的爆轟性能研究主要是基于爆速、爆熱、作功能力等宏觀方面[1,4,6]，而對爆轟波非理想傳播行為的研究較少。曲率效應試驗是爆轟波非理想傳播行為研究的必需試驗，因此，本研究主要采用光學波形掃描法及電探針測速法分別測量不同微/納米粒度級配的RDX基含鋁炸藥擬定態(tài)條件下的爆轟波形及爆速，并根據(jù)實驗結果分析爆轟波陣面法向速度Dn與當?shù)厍蔾之間的函數(shù)關系，進而分析微/納米鋁粉/RDX粒度級配對炸藥爆轟波陣面曲率特征、能量側向損耗等方面的影響規(guī)律，為相關炸藥的配方優(yōu)化設計及工程應用提供依據(jù)。

1　實　驗

1.1　材料及儀器

納米鋁粉，粒徑170～200nm，球狀顆粒，西安近代化學研究所；微米鋁粉，粒徑5μm，球狀顆粒，鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；微米RDX，平均粒徑約100μm，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司；納米RDX，平均粒徑約100nm，西安近代化學研究所。

SJZ-15型轉鏡式高速掃描相機，蘇州第一光學儀器廠，狹縫寬度為0.02mm。

1.2　RDX基含鋁炸藥藥柱的制備

RDX基含鋁炸藥配方組成如表1所示，所有藥柱均采用壓裝成型工藝制作，且壓制過程中的最大壓強一致，藥柱直徑均為40mm，長徑比約為1。

表1　RDX基含鋁炸藥的配方及密度

RL-1作為基準樣品；RL-2、RL-3和RL-4采用微/納米鋁粉粒度級配，且隨著納米鋁粉含量的增加，其裝藥密度逐步減小，即納米鋁粉質(zhì)量分數(shù)為5%時，壓裝成型時納米鋁粉顆粒易于填充微米鋁粉間的孔隙，保證了樣品的密實性，而進一步提升納米鋁粉含量時，可能由于發(fā)生部分團聚而使裝藥密度略有降低；RL-5采用微/納米RDX粒度級配，其裝藥密度明顯提升。

1.3　實驗裝置

實驗前將6節(jié)藥柱同軸粘接，采用密度為1.67g/cm3的Φ25mm×25mm JH-14壓裝藥柱作為傳爆藥柱，并粘接在主裝藥一端的中心位置處。

采用電探針測量藥柱中心的爆速，同時通過高速掃描相機獲得藥柱尾部端面的擬定態(tài)爆轟波形，實驗裝置如圖1所示，其中，主裝藥柱固定于木制支架的“V”形槽內(nèi)，以減小邊界約束條件對爆轟波形的影響。測量爆速時，為了盡可能準確地獲得擬定態(tài)爆轟波的傳播速度，同時不干擾藥柱尾端的光學測量，將兩個探針分別置于第三節(jié)藥柱的前端和第五節(jié)藥柱的尾端中心位置。掃描爆轟波形時，相機的光學狹縫通過高清晰反射鏡對準主裝藥柱端面的直徑，相機轉速設定為1.2×105r/min，其對應的掃描速度為6mm/μs；同時，為了能夠提高相機底片的空間分辨率，獲得清晰的爆轟波形，可將有機玻璃光探板與主裝藥的測量端面粘貼，并預留0.1mm左右的間隙，當沖擊波進入空氣隙時，隙中空氣電離而發(fā)出強光，且沖擊波離開光探板后，又能夠阻止后續(xù)爆轟產(chǎn)物的光線進入鏡頭，起到爆炸快門的作用。

2 　結果與討論

2.1　擬定態(tài)爆轟波形

高速相機記錄的爆轟波形如圖2所示，圖中的縱向表示裝藥直徑，橫向表示掃描時間。

從圖2可以清晰地看出波形的前沿。由于主裝藥柱的長徑比較大，可以使爆轟波演化為擬定態(tài)波形。此外，第一根電探針距離起爆端較遠，此時炸藥的爆速已基本穩(wěn)定，則探針所測得的爆速可認為是擬定態(tài)爆速 ，具體數(shù)值見表2。

表2　RDX基含鋁炸藥波形擬合參數(shù)

采用高精度比長儀對實驗所獲底片進行數(shù)字化判讀，并結合相機的瞬時掃描速度及底片的放大比，便可得到爆轟波到達藥柱端面不同位置處的相對時間差；再將其與D0相乘，即可獲得波陣面曲線的一系列數(shù)據(jù)點。目前，對于波陣面曲線的擬合函數(shù)一般選擇擬合精度較高的ln[cos(r)]級數(shù)，同時該函數(shù)還具有較高的數(shù)值計算效率，其具體表達式為[8]

(1)

式中：r為波陣面上截面圓的半徑，mm；R為主裝藥柱的半徑，mm；z(r)為波陣面曲線，mm；ai及b均為擬合參數(shù)。

在擬合過程中，一般n=2即具有較高的精度。對5種炸藥試樣爆轟波陣面曲線的擬合效果如圖3所示，所得擬合參數(shù)值列于表2中。

由圖3和表2可看出，對于采用微/納米鋁粉粒度級配的3種含鋁炸藥，其爆轟波形彎曲程度均小于RL-1，其中，納米鋁粉質(zhì)量分數(shù)為5%時(RL-2)，含鋁炸藥的波形最為平坦，且擬定態(tài)爆速也與RL-1相當；納米鋁粉質(zhì)量分數(shù)增至10%時(RL-3)，含鋁炸藥的波形雖然與RL-2差距較小，但其擬定態(tài)爆速約下降100m/s；全部采用納米鋁粉時(RL-4)，其波形的彎曲程度顯著提升，但擬定態(tài)爆速與RL-3相當。

對于采用微/納米RDX粒度級配的樣品RL-5，雖然其密度明顯高于樣品RL-1，但擬定態(tài)爆速與樣品RL-1相當；爆轟波形相對于其他樣品最為平坦，與樣品RL-2較為接近。

2.2　Dn(κ)關系分析

當爆轟波達到擬定態(tài)波形時，其爆轟波法向傳播速度Dn與擬定態(tài)爆速D0之間的關系如圖4所示，根據(jù)圖中的幾何關系，可得出[8]

(2)

式中：θ為波陣面法向與藥柱軸線方向的夾角。對于爆轟波陣面上當?shù)仄骄师?，可采用如下公式計算?/p>

(3)

式中：當r=0時，公式右端的兩項相等。由公式(1)～(3)便可計算出爆轟波陣面的Dn(κ)關系曲線。

2.2.1微/納米鋁粉粒度級配對Dn(κ)關系的影響

圖5為不同微/納米鋁粉粒度級配RDX基含鋁炸藥的Dn(κ)關系曲線。通常，裝藥軸線處(r=0)的波形曲率最小，但在實際計算過程中，由于在該位置處判讀的原始數(shù)據(jù)數(shù)量有限，導致這部分區(qū)域的計算偏差稍大，因此，本研究中將該部分的數(shù)據(jù)刪除，使得圖中曲線的平均曲率κ并不是從0開始，但這并不影響對曲線整體變化規(guī)律的分析。

從圖5可以看出，曲率κ從裝藥軸線至邊界兩側逐漸增大時，爆轟波法向傳播速度Dn均隨之呈近似線性趨勢降低。在裝藥邊界處，RL-1的波陣面曲率增至0.023mm-1，對應的Dn較D0約降低了0.065mm/μs；RL-2的波陣面曲率相比RL-1大為降低，約為0.014mm-1，Dn較D0約降低了0.04mm/μs，其下降幅度僅相當于RL-1的約60%；而納米鋁粉含量進一步增加后，此時RL-3和RL-4的波陣面曲率分別約為0.015、0.017mm-1，相應的Dn較D0也分別降低了0.045、0.05mm/μs。由于爆轟波陣面的彎曲程度反映了反應區(qū)能量的損耗，Dn的下降幅度反映了邊界處側向稀疏波對炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度，或爆轟傳播過程中沿波陣面從軸線向兩側流動的能量大小[5]，因此，圖5結果表明，微/納米鋁粉粒度級配從整體上使得側向稀疏波對炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度降低，減小了波陣面能量的側向流動，但隨著納米鋁粉含量的增加，波陣面能量的側向流動程度逐漸加大。

對于一般反應速率形式下的Dn(κ)函數(shù)關系，難以通過理論分析獲得，通常采用經(jīng)驗公式對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，目前提出的函數(shù)形式包括簡單的線性函數(shù)及一些復雜的弱非線性函數(shù)，從圖5可看出，曲線整體呈線性趨勢，僅在靠近裝藥邊緣處(即曲率值上限處)，曲線逐漸呈微弱的彎曲狀態(tài)，為了便于擬合數(shù)據(jù)的對比，這里選擇如下線性函數(shù)對Dn(κ)關系進行分析[7]，所得擬合參數(shù)列于表3中。

(4)

式中：DCJ為炸藥的C-J爆速；α為曲率系數(shù)。

表3　不同微/納米鋁粉粒度級配樣品的Dn(κ)關系擬合參數(shù)

從表3可以看出，對于不同微/納米鋁粉粒度級配的樣品，其C-J爆速呈現(xiàn)的規(guī)律與擬定態(tài)爆速Dn類似。為了進一步對比Dn相對于DCJ的衰減狀況，可設η=(DCJ-Dn)/DCJ，結合表3所列參數(shù)，可得到η-κ關系曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，當曲率κ相同時，含納米鋁粉的3種樣品，其η值均高于RL-1，尤其是波形較為平坦的RL-2，當κ值相同時，其η值反而最大，表明其Dn相對DCJ的衰減程度最大，造成這一現(xiàn)象的機理還需要進一步研究。

2.2.2微/納米RDX粒度級配對Dn(κ)關系的影響

圖7為不同微/納米RDX粒度級配含鋁炸藥樣品的Dn(κ)關系曲線。

從圖7可以看出，樣品RL-5的波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為樣品RL-1的56%，甚至還低于微/納米鋁粉粒度級配中波形較為平坦的樣品RL-2，對應的Dn較D0約降低了0.03mm/μs，這表明采用微/納米RDX粒度級配后，側向稀疏波對炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度得到顯著降低，減少了波陣面能量因側向流動而發(fā)生的損耗。

采用公式(4)對RL-5的Dn(κ)函數(shù)關系進行擬合，所獲參數(shù)為DCJ=7.961mm/μs，α=1.0356mm，由此可得到η-κ關系曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，當曲率κ相同時，采用微/納米RDX粒度級配的樣品RL-5，其η值明顯高于完全采用微米RDX顆粒的RL-1，但對比圖6可以發(fā)現(xiàn)，其η值略低于樣品RL-2，這一現(xiàn)象可能與試驗中樣品僅采用了一種直徑有關，還需要進一步深入研究。

3　結　論

(1)采用微/納米鋁粉粒度級配時，爆轟波形彎曲程度、法向爆速較擬定態(tài)爆速的衰減程度均有所下降，表明波陣面的法向爆速受曲率效應的影響減弱，中，微/納米鋁粉顆粒質(zhì)量比為15∶5時波形最為平坦，其最大曲率約為0.014mm-1，法向爆速較擬定態(tài)爆速的最大降幅約為0.04mm/μs，相當于不含納米鋁粉樣品的61%；隨著納米鋁粉比例的增大，波形彎曲程度逐漸增大，且擬定態(tài)爆速也大幅降低。

(2)采用微/納米RDX粒度級配時，爆轟波形

較為平坦，波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為不含納米RDX顆粒樣品的56%，法向爆速較擬定態(tài)爆速的最大降幅約為0.03mm/μs，表明波陣面能量因側向流動而發(fā)生的損耗較小，甚至優(yōu)于微/納米鋁粉顆粒質(zhì)量比為15∶5的試樣。

(3)當曲率κ相同時，采用微/納米粒度級配的樣品，其法向爆速相對于C-J爆速的衰減比例均有明顯提升。

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