周正青,杜澤晨,蔣慧靈,劉 創(chuàng),劉宇哲,周 亮,巨圓圓

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083;2.公安部治安管理局,北京 100010;3.中國人民解放軍海軍研究院,北京 100161)

爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)是決定炸藥爆速、爆壓等爆轟性能的重要參數(shù)之一,獲得炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)特征對于掌握炸藥爆轟反應(yīng)機理具有重要的意義。根據(jù)由澤爾多維奇、馮諾依曼和道爾令(Zeldovich,Von Neumann,Doring)獨立發(fā)展形成的經(jīng)典的ZND爆轟波模型可知爆速、爆壓、爆轟反應(yīng)持續(xù)時間、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度均是炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的重要特征參數(shù)[1-5],其中爆速和爆壓的測試方法已經(jīng)相當成熟,但對于爆轟反應(yīng)區(qū)寬度的獲得相對較為困難。目前,國內(nèi)外學者嘗試采用多種測試技術(shù)獲得了炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu),例如德列明[1]利用電磁速度傳感器測試技術(shù)測定了TNT、RDX、PETN等炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間和C-J面上質(zhì)點速度,進而計算得到了炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度;文獻[6-9]利用任意反射面激光干涉測速(Velocity interferometer system for any reflector,VlSAR)技術(shù)獲得了TATB、TNT、PETN、CL-20等炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度,試驗結(jié)果表明理想炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)寬度均為10-1mm的量級;文獻[10]利用光電技術(shù)測試得到了RDX和PETN的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度,并根據(jù)試驗結(jié)果分析了炸藥密度對反應(yīng)區(qū)寬度的影響;裴紅波等[11]采用光子多普勒測速技術(shù),對JB-9014炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進行了實驗研究,并得到了JB-9014炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)寬度為(1.5±0.2) mm,馮諾依曼峰壓力為40.3 GPa。郭偉等[12]采用光子多普勒測速技術(shù)測試界面粒子速度法對兩種RDX基金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)進行了實驗,試驗結(jié)果表明高能金屬燃料組分的加入會降低炸藥的輸出壓力,提高炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)時間和反應(yīng)區(qū)長度。顯然,諸多學者對TNT、RDX、PETN、CL-20等理想炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進行了大量的研究,而對于非理想含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的研究相對較少,且現(xiàn)有的這些研究基本都是針對某一固定配方炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進行的,而對于不同炸藥配方對爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的影響研究卻鮮有報道。

含鋁炸藥作為一種典型的非理想炸藥[11,13-15],是目前使用最廣泛、應(yīng)用潛力最大的炸藥品種之一。研究含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)對于掌握含鋁炸藥爆轟反應(yīng)機理和優(yōu)化含鋁炸藥的配方具有重要的意義。因此,本文選擇TNT/Al炸藥作為研究對象,利用爆速試驗、電導(dǎo)率試驗和爆轟理論,確定TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)特征參數(shù),并分析鋁含量對爆速、爆壓、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的影響規(guī)律。

1 爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定方法

d0=(D-u)τ

(1)

式中:D為炸藥的爆速,u為C-J面上產(chǎn)物質(zhì)點速度,τ為爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間。

根據(jù)爆轟理論[16],質(zhì)點速度u與爆速D的關(guān)系為

(2)

式中:γ為爆轟產(chǎn)物的等熵指數(shù)。

聯(lián)合式(1)和式(2),得到爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0

(3)

凝聚炸藥爆轟產(chǎn)物的局部等熵指數(shù)γ[1]可按式(4)確定

(4)

式中:xi為爆轟產(chǎn)物第i成分的摩爾數(shù),γi為爆轟產(chǎn)物第i成分的局部等熵指數(shù)。

根據(jù)式(3)和式(4)可知,當知道了炸藥的爆速D和爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間τ,即可求得炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0。

圖1 含鋁炸藥爆轟波ZND模型

2 含鋁炸藥爆速和電導(dǎo)率試驗

本文根據(jù)TNT/Al炸藥的爆速試驗,得到不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆速D。同時根據(jù)電導(dǎo)率試驗,獲得TNT/Al炸藥爆轟時爆轟產(chǎn)物的電導(dǎo)率變化情況,進而得到TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間τ。

2.1 試驗材料

本文選擇TNT/Al炸藥作為研究對象,選用4種不同含量的球形鋁粉分別與TNT熔鑄混合,制成TNT/Al鑄裝混合炸藥,鋁含量分別為5%、10%、15%和20%,并均勻分散在炸藥中。鋁粉粒度符合對數(shù)正態(tài)分布,中位徑為2.38 μm,電鏡圖片如圖2所示,鋁粉粒度分布圖如圖3所示。

圖2 試驗所用鋁粉的SEM圖

圖3 試驗所用鋁粉的粒度分布圖

根據(jù)參考文獻[17]可知中位徑為2.38 μm鋁粉在TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)是不參與反應(yīng)的,因此,在TNT/Al炸藥的爆炸過程中,發(fā)生化學反應(yīng)如下:

TNT爆轟反應(yīng)階段(爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi))[18]

C7H5O6N3→1.5N2+2.5H2O+3.5CO+3.5C

鋁粉與爆轟產(chǎn)物的反應(yīng)階段(爆轟產(chǎn)物膨脹區(qū)內(nèi))[19]

Al+1.5CO→0.5Al2O3+1.5C

Al+1.5H2O→0.5Al2O3+1.5H2

根據(jù)TNT/Al的化學反應(yīng)方程式和式(4),計算得到不同配方TNT/Al炸藥的局部等熵指數(shù)γ,TNT/Al炸藥的具體配方及等熵指數(shù)如表1所示。

表1 待測炸藥配方及其性能

2.2 試驗裝置與條件

2.2.1 爆速試驗

根據(jù)爆速試驗的測試原理,設(shè)計如圖4所示的試驗裝置,傳爆藥選用Φ40 mm的#HJ-14炸藥,待測TNT/Al炸藥的藥柱尺寸為Φ50 mm×50 mm,共10個;炸藥的不穩(wěn)定爆轟區(qū)通常為3～4倍裝藥直徑,因此為了保證測試得到的波速為穩(wěn)定爆轟波速,本試驗將第一對探針放置于第四節(jié)藥柱的位置,每一個配方分別進行3發(fā)試驗,爆速測試現(xiàn)場裝置見圖5。

圖4 爆速測試示意圖

圖5 爆速測試現(xiàn)場圖

2.2.2 電導(dǎo)率試驗

在電導(dǎo)率試驗中,TNT/Al炸藥試件的直徑為22 mm,長度為80 mm。實驗裝置如圖6所示,TNT/Al炸藥電導(dǎo)率試驗的詳細過程可參考文獻[20]。另外,為了保證電導(dǎo)率測試的準確性,每一個配方分別進行3發(fā)試驗。

圖6 爆轟產(chǎn)物電導(dǎo)率測試裝置示意圖[18]1—雷管,2—JH14傳爆藥,3—HMX傳爆藥, 4—有機玻璃套管,5—有機玻璃隔板,6—銅管, 7—測試藥柱,8—中心銅電極,9—端面蓋板, 10—串聯(lián)電阻,11—三通,12—并聯(lián)電阻

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 TNT/Al炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)TNT/Al炸藥的爆速試驗和電導(dǎo)率試驗,分別得到了不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆速D和爆轟持續(xù)時間τ(爆轟持續(xù)時間的判讀方法參見文獻[20]),試驗結(jié)果如表2所示,表2中的爆速和爆轟持續(xù)時間的數(shù)據(jù)為3次試驗的平均值。

表2 TNT/Al炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

TNT/Al炸藥的爆轟產(chǎn)物電導(dǎo)率測試的典型試驗結(jié)果如圖7所示,從圖7中可以明顯看出TNT/Al炸藥的爆轟分為兩個階段,第一階段為TNT的爆轟反應(yīng)階段;第二階段為爆轟反應(yīng)區(qū)外Al粉與爆轟產(chǎn)物的燃燒反應(yīng)。當鋁含量為0%～20%時,TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)持續(xù)時間為0.070～0.119 μs,具體值見表2。根據(jù)TNT/Al炸藥的爆速D和爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間τ,由式(3)和式(4)計算得到了不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0,爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0的計算結(jié)果見表2。根據(jù)計算結(jié)果可知,純TNT炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度為0.359 mm,該結(jié)果與Dobratz[21]和德列明等[1]的測量結(jié)果(0.3～0.4 mm)吻合較好,這說明本文針對爆轟反應(yīng)區(qū)寬度所采用的計算方法是可行的。不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆壓、爆速、爆轟持續(xù)時間、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度等參數(shù)如表2所示。

圖7 爆轟產(chǎn)物電導(dǎo)率隨時間變化曲線

3.2 鋁含量對爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)影響

根據(jù)不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆速D、爆壓Pc-j、爆轟反應(yīng)持續(xù)時間τ、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0的值,初步確定了TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)。圖8為鋁含量為0%～20% TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。從圖8可以看出,炸藥中加入的鋁粉影響了TNT/Al炸藥的爆速D、爆壓Pc-j、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度d0、馮諾依曼峰PN,進而導(dǎo)致不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異,具體表現(xiàn)為鋁含量越高,TNT/Al炸藥爆速、爆壓越低,導(dǎo)致爆轟反應(yīng)面向未反應(yīng)炸藥區(qū)域的推進速度和爆轟反應(yīng)區(qū)的整體壓力越低。鋁含量對TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體影響如下。

圖8 不同鋁含量TNT/Al炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

對于爆速和爆轟反應(yīng)持續(xù)時間來說,TNT/Al炸藥的爆速和爆轟反應(yīng)持續(xù)時間與鋁含量的關(guān)系如圖9所示。從圖9可以看出,TNT/Al炸藥的爆轟持續(xù)時間隨著鋁含量的增加而增加,而爆速則隨著鋁含量的增加而降低。這是由于在TNT/Al炸藥中,中位徑為1.50～9.79 μm的鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)沒有開始燃燒釋能反應(yīng)[17]。因此,本文中粒徑為2.38 μm的鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)作為惰性物質(zhì)不但沒有參與反應(yīng),而且還要吸收部分TNT的爆轟能量,這就導(dǎo)致隨著TNT/Al炸藥中鋁含量的增加,爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)的爆轟總能量和能量釋放速率均降低,致使TNT/Al炸藥的爆速值下降、爆轟壓力下降,爆轟反應(yīng)持續(xù)時間延長。

圖9 TNT/Al炸藥爆轟持續(xù)時間和爆速與鋁含量的關(guān)系

對于爆轟反應(yīng)區(qū)寬度來說,當鋁含量為0%～20%時,TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度為0.359～0.579 mm,且爆轟反應(yīng)區(qū)寬度與鋁含量成正比,這是由于在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)鋁粉的惰性稀釋作用,降低了TNT/Al炸藥的爆轟波陣面壓力[20],致使爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)化學反應(yīng)速率變慢,從而導(dǎo)致爆轟反應(yīng)區(qū)變寬,因此,鋁粉含量越高,鋁粉在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)的惰性稀釋作用越強,爆轟反應(yīng)區(qū)寬度越大。圖10為TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度與鋁含量的關(guān)系,根據(jù)圖10可知,爆轟反應(yīng)區(qū)寬度與鋁含量(w%)的變化符合二次多項式的關(guān)系,具體為

d0=0.360+0.273w%+4.040(w%)2

(0≤w%≤20%)

(5)

圖10 爆轟反應(yīng)區(qū)寬度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

本文通過TNT/Al炸藥的爆速試驗和電導(dǎo)率試驗,得到了五種不同鋁含量TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù),并分析了鋁含量對爆速、爆壓、爆轟反應(yīng)區(qū)持續(xù)時間、爆轟反應(yīng)區(qū)寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,得到的主要結(jié)論如下:

(1)鋁粉是導(dǎo)致TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)差異的主要原因。鋁含量越高,TNT/Al炸藥爆速、爆壓越低,進而導(dǎo)致爆轟反應(yīng)面向未反應(yīng)炸藥區(qū)域的推進速度和爆轟反應(yīng)區(qū)的整體壓力越低。

(2)當鋁含量為0%～20%時,TNT/Al炸藥的爆速為6 293～6 930 m·s-1,爆壓為17.028～19.330 GPa,爆速、爆壓隨著鋁含量的增加而減小,而TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)持續(xù)時間隨著鋁含量的增加而增加,且爆轟持續(xù)時間為0.070～0.119 μs,這是由于在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)中位徑為2.38 μm鋁粉作為惰性物質(zhì)不但沒有參與反應(yīng),而且還要吸收部分爆轟能量。

(3)當鋁含量為0%～20%時,TNT/Al炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)寬度為0.359～0.579 mm,爆轟反應(yīng)區(qū)寬度與鋁含量成正比,且兩者之間符合二次多項式關(guān)系。

馮諾依曼峰PN是爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一,但是本文并沒有通過實驗或者理論方法得到該參數(shù)。為了獲得更加完整的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu),下一步將重點對不同鋁含量TNT/Al炸藥的馮諾依曼峰進行研究。