裴紅波，焦清介，覃劍峰

（北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081）

含鋁炸藥是一類應用非常廣泛的的混合炸藥。含鋁炸藥是非理想炸藥，其爆轟機理較復雜，目前普遍的觀點是：微米級以及粒度更大的鋁粉在爆轟反應區(qū)內基本不參加反應，鋁粉主要在爆轟產物膨脹區(qū)發(fā)生反應［1］。雖然含鋁炸藥具有較高的爆熱，但由于鋁粉反應時間較長，這部分能量能否對炸藥的毀傷效果起到支撐作用還有待研究。

對于爆轟產物中鋁粉的燃燒時間目前還缺乏有效的實驗測量手段，A.M.Milne等［2］認為鋁粉的燃燒時間tb＝αd20，其中d0為鋁粉顆粒的直徑，α為常量，其典型取值為4×106s／m2。當鋁粉直徑為1μm時，燃燒時間為4μs；當鋁粉直徑為10μm時，燃燒時間為400μs。A.M.Miller等［3］通過實驗測得顆粒直徑為20μm的鋁粉在2 600K的溫度下的燃燒時間約為700μs。

目前，對含鋁炸藥已經開展了較多的圓筒實驗研究［4－8］，這些研究的重點在于獲取含鋁炸藥的狀態(tài)方程，分析鋁粉的反應情況以及研究不同尺寸圓筒下含鋁炸藥做功能力的差別，鮮有關于鋁粉在爆轟產物中反應進程的探討。本文中對RDX炸藥和2種含鋁粉質量分數(shù)分別為15%、30%的RDX基含鋁炸藥進行了?50mm圓筒實驗，分析鋁粉質量分數(shù)對炸藥做功能力的影響，同時考慮鋁粉的二次反應并結合格尼公式，以RDX炸藥作為參照，分析含鋁炸藥中的鋁粉反應度隨時間的變化規(guī)律。

1 實 驗

實驗選用以RDX為主體的含鋁炸藥，鋁粉的質量分數(shù)分別為15%和30%，另外以RDX作為參比炸藥，炸藥制作過程中都外加質量分數(shù)為5%的惰性黏結劑以便于藥柱的壓制。鋁粉為球狀，其中粒徑為9.8μm，活性鋁的質量分數(shù)大于98%，炸藥的配方如表1所示。

表1 炸藥配方Table 1 Explosive formulations

實驗按照GJB772A－97《炸藥試驗方法》中方法進行，圓筒實驗采用高純度銅管，利用氬氣彈發(fā)光作光源，對準圓筒某一截面，通過條紋掃描相機記錄該截面表面位移時間關系，經過數(shù)據(jù)處理得到該截面的時間－速度－位移曲線，實驗裝置如圖1所示。實驗過程中，用固定于圓筒起爆端和末端的電探針測定炸藥爆速，數(shù)據(jù)見表1，用高速轉鏡相機拍攝圓筒在爆轟產物膨脹作用下狹縫位置處端面的膨脹過程。

圖1 圓筒實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cylinder tests

圖2 圓筒膨脹過程Fig.2 Cylinder expansion process

2 實驗結果

炸藥爆轟后圓筒壁在爆轟產物作用下沿圓筒的徑向和軸向作二維運動，狹縫位置處的圓筒在爆轟產物驅動下的膨脹過程光測的結果如圖2所示，膨脹距離（R－R0）與膨脹時間t滿足下式：

式中：a、b、c、d均為擬合系數(shù)，對圖2中光測結果進行數(shù)據(jù)擬合即可得到系數(shù)a、b、c、d的值。

圓筒的徑向膨脹速度u和圓筒的比動能E分別為：

對3種炸藥各進行了3發(fā)?50mm的圓筒實驗，同一種炸藥各發(fā)之間圓筒壁速度誤差小于1%，動能誤差小于2%。根據(jù)光測結果進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到系數(shù)a、b、c、d，如表2所示。

表2 圓筒實驗擬合系數(shù)Table 2 Fitting coefficients of cylinder test

根據(jù)圓筒實驗結果處理得到的結果如圖3～6所示。圖3為不同膨脹距離處炸藥的筒壁速度；由圖4可以看出實驗測得圓筒膨脹到50mm處所用時間約為34μs，裝有RA30炸藥的筒壁速度始終小于RA0炸藥，在0～22μs時間內，兩者之間的速度差不斷增大，但是22μs之后兩者之間的速度差開始減小，在t＝34μs時刻兩者之間速度差由最大時刻的6.1%縮小到4.2%。初始時刻RA15炸藥筒壁速度低于RA0炸藥，但是由于RA15炸藥加速度更大，在t＝25μs時刻，RA15炸藥的壁速開始超過RA0炸藥，而且兩者之間的差距在不但擴大，34μs時刻，RA15炸藥壁速比RA0炸藥壁速高約3%。圖5為不同膨脹距離處炸藥的比動能；圖6為筒壁的加速度，初始時刻裝填RA0炸藥的圓筒壁加速度要大于含鋁炸藥，隨著圓筒的膨脹，圓筒壁加速度逐漸減小，但是裝填含鋁裝藥的圓筒壁加速度下降的較為緩慢，在圓筒膨脹的后期裝填含鋁炸藥的圓筒壁加速度反而大于RA0炸藥。

結果表明，加入鋁粉會降低筒壁初始速度，但隨著圓筒膨脹，鋁粉后燃效應使產生的氣體膨脹做功對金屬起持續(xù)加速作用，使筒壁速度增加更快，增加炸藥的做功能力。RA30炸藥做功能力始終低于RA0炸藥的，這是由于鋁粉能量釋放速率慢，在圓筒實驗的時間范圍內，只有少部分鋁粉參與反應。

圖3 不同膨脹距離處圓筒壁速Fig.3 Wall velocities at different expansion distances

圖4 圓筒壁速度時程曲線Fig.4Histories of wall velocity

圖5 不同膨脹距離處筒壁比動能關系Fig.5 Wall specific kinetic energies vs expansion distances

3 鋁粉反應進程分析

圓筒實驗中銅管壁速與炸藥爆炸釋放的能量相關，根據(jù)格尼公式［9］，對于軸對稱情況圓筒壁速可以用下式計算：

式中：vf為圓筒壁膨脹速度，m為炸藥質量，M為金屬圓筒的質量，具有速度量綱，稱為炸藥裝藥的格尼速度，是炸藥的特征值。E0＝Ed－Ei，其中Ed為炸藥爆炸釋放的化學能，Ei為炸藥產物具有的內能。對式（4）進行變形可得到：

在相同的比體積處，E0＝η（v）Ed，這里v為炸藥爆轟產物與炸藥的比體積，η（v）為炸藥能量的利用率，對于不同的炸藥η（v）在相同的比體積處近似相等，所以有：

式中：Ed為炸藥爆轟能。

非理想炸藥如含鋁炸藥，能量釋放可以分為2個階段：一是混合炸藥中理想成分（如TNT、RDX、HMX）爆轟快速釋能過程，此過程較短，一般小于0.1μs；二是非理想成分的慢釋能階段，此過程一般為幾十微秒到幾毫秒，如圖7所示。相對于圓筒的膨脹時間（大于10μs），含鋁炸藥中理想成分反應時間（小于0.1μs）較短，可以忽略其反應時間，則圓筒膨脹過程中含鋁炸藥的能量釋放過程可表示為：

式中：Qe為理想成分釋放的能量，Q（Al）為鋁粉燃燒釋放的能量；λ（t）為鋁粉反應度。

對于混合炸藥的爆熱可由經驗公式計算［10］：Q＝QT－B（ρT－ρ0），QT＝ ∑Qiωi，B＝ ∑Biωi，其中Q為裝藥密度，是密度為ρ0時混合炸藥爆熱；QT是密度為理論密度ρT時混合炸藥爆熱；Qi為混合炸藥組分i特征熱值；B為爆熱的密度修正系數(shù)；Bi為混合炸藥中組成i特征熱值的密度修正系數(shù)，計算得到的炸藥爆熱如表3所示。

表3 含鋁炸藥的爆熱Table 3 Heat of aluminum explosive

以RA0作為參考炸藥，根據(jù)式（6）～（7）可以求出RA15和RA30炸藥中鋁粉反應度，如圖7所示。從圖7中可以看出，反應度在最開始有一個下降的過程。顯然不符合實際情況，這是由于金屬筒壁的加速主要是由沖擊波和爆轟產物膨脹共同作用的結果。初始階段沖擊波對圓筒的加速是主要的，而沖擊波對圓筒加速作用主要由2個方面決定：一是入射波壓力，二是入射波的波阻抗。含鋁炸藥的入射沖擊波壓力小于RA0炸藥，因此加入鋁粉會使圓筒壁膨脹速度降低，但是由于含鋁炸藥的波阻抗大于RA0含鋁炸藥，這又有利于提高圓筒壁的速度。

圖7 含鋁炸藥中鋁粉反應度Fig.7 Reaction degree of aluminum in explosive

在圓筒膨脹的初期，圓筒與炸藥爆轟產物的作用過程較復雜，激光干涉測試和數(shù)值模擬表明［10］最初圓筒壁速存在著振蕩，但是采用掃描相機難以觀測到這樣的情況，因此初始階段筒壁速度并不滿足格尼公式，只有當圓筒膨脹到一定距離后，根據(jù)該方法求得的鋁粉反應度才是有意義的，因此本文中只考慮10μs后鋁粉的反應度。從圖7中可以看出，對于RA15和RA30炸藥10μs以后鋁粉反應度隨時間逐漸增大，34μs時刻鋁粉的反應度為0.49，如果認為鋁粉的反應速率不隨時間變化，據(jù)此估算鋁粉的完全反應時間在69μs，而RA30炸藥的反應度僅為0.21，這說明對于RA30炸藥，此時大部分鋁粉仍沒有發(fā)生反應，同樣如果認為鋁粉的反應速率不隨時間變化，則鋁粉的完全時間為162μs。盡管2種含鋁炸藥的反應度存在著較大差別，但是考慮到RA30炸藥中鋁粉的質量分數(shù)是RA15炸藥的2倍，因此在34μs時刻，2種炸藥中參與反應的鋁粉絕對量近似相等，這表明在鋁粉的濃度對反應速率影響較小。

4 結 論

圓筒實驗結果表明：鋁粉質量分數(shù)為15%的含鋁炸藥做功能力最強，RDX炸藥次之，鋁粉質量分數(shù)為30%炸藥做功能力最弱。在圓筒實驗記錄的結束時刻（約34μs），鋁粉質量分數(shù)為15%的炸藥，鋁粉的反應度為0.49，而鋁粉質量分數(shù)為30%炸藥鋁粉的反應度僅為0.21，估算得到的鋁粉的完全反應時間在50～200μs之間。在進行含鋁炸藥配方設計時必須同時考慮鋁粉的含量和反應時間，才能達到最佳的使用效果。

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