吳星亮，王 旭，徐飛揚(yáng)，馬 騰，董卓超，徐 森,2，劉大斌

（1. 南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 南京 210094）

炸藥的能量輸出水平是衡量炸藥性能的重要參數(shù)，是炸藥爆炸時(shí)對周圍介質(zhì)做功能力的一種度量，同時(shí)也是裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，因此有必要采取一定的方法對炸藥的能量輸出進(jìn)行評估[1–2]。

目前，按照質(zhì)量大小，可將炸藥的能量水平分為2 類[3–5]：小當(dāng)量級別（幾克至幾十克），如鉛柱法、臼炮法、爆熱法等；大當(dāng)量級別（幾百克至幾千克），如水下爆炸法、空爆法等。小當(dāng)量方法的實(shí)驗(yàn)量小，易開展，但不能完全準(zhǔn)確地呈現(xiàn)炸藥的能量水平；大當(dāng)量方法則相反。Cudzi?o 等[6]采用一個(gè)水量熱裝置研究了含有Al、Al/ZrH2、ZrH2、TiH24 種添加劑的RDX 基炸藥，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al 的含量為30%時(shí)，爆熱達(dá)到最大值，為7190 J/g。Xiang 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高氯酸銨（AP）可以有效地提高RDX 含鋁炸藥的爆熱，并通過KHT 代碼計(jì)算了TNT、RDX、HMX、RDX/AP 基含鋁炸藥的爆炸性能，其中爆熱結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。近年來，國內(nèi)外廣泛采用水下爆炸來評估炸藥能量和分析炸藥能量輸出特性[8–10]。Zhao 等[11]通過水下爆炸實(shí)驗(yàn)，確定了Al 含量分別為0%、15%、30%的RDX 基含鋁炸藥的最佳性能。馮凇等[12]研究了CL-20 基PBXs 含鋁炸藥的水下爆炸過程，結(jié)果表明，當(dāng)Al 含量從0%增加到15%時(shí)，水下爆炸總能量由1.4 倍TNT 當(dāng)量增加到1.7 倍TNT 當(dāng)量。Xiao 等[13]通過數(shù)值模擬獲得了PETN 空爆中的超壓和沖量，從而擬合計(jì)算出超壓和沖量的TNT 當(dāng)量（1.258 和1.272）。Li 等[14]研究了B/Al 復(fù)合粉HMX 基金屬化炸藥的空爆能量輸出特性，結(jié)果表明，其沖擊波超壓高于含Al 炸藥。在本課題組的前期研究中, Xu 等[15]、Chen 等[16]通過水下爆炸研究了Al/B 粉和新型儲氫合金RDX 基含鋁炸藥的性能，最大能量達(dá)到了2.1 倍TNT 當(dāng)量。以上研究表明，爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法均能研究炸藥的爆炸性能，但是如何準(zhǔn)確表述這3 種實(shí)驗(yàn)方法得到的炸藥能量之間的關(guān)系仍是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題。其中，如何安全順利地進(jìn)行大當(dāng)量的含能材料能量輸出試驗(yàn)，對部分研究人員仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

以某型聚黑鋁（JHL-X）含鋁炸藥為實(shí)驗(yàn)樣品，分別通過爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法研究其能量輸出特性和能量水平，分析3 種評估JHL-X 炸藥實(shí)驗(yàn)方法的關(guān)聯(lián)性，以期為現(xiàn)有的含能材料能量輸出評估方法提供基礎(chǔ)研究依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)以TNT（2,4,6-Trinitrotoluene）和RDX 基聚黑鋁（JHL-X）兩種壓裝藥柱作為實(shí)驗(yàn)樣品，其密度分別為1.60、1.87 g/cm3。針對不同的實(shí)驗(yàn)，JHL-X 的藥量有(28.1 ± 0.1) g、(100.0 ± 0.2) g、(1584.0 ± 1.0) g 3 種，分別對應(yīng)爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)。

1.2 絕熱式爆熱量熱儀

絕熱式爆熱量熱儀主要由爆熱彈體、絕熱循環(huán)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，爆熱彈容積為5 L，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)樣品精確稱量到0.1 mg，以蒸餾水為測溫介質(zhì)，測定水溫變化。根據(jù)熱量計(jì)的熱容量及溫升值，即可求出單位質(zhì)量試樣在給定條件下的爆熱，計(jì)算公式為

圖1 絕熱式爆熱量熱儀Fig. 1 Adiabatic detonation calorimeter

式中：QV,T為樣品定容爆熱，kJ/kg；C為系統(tǒng)熱容量值，由苯甲酸進(jìn)行標(biāo)定，kJ/K；t1為量熱桶內(nèi)的最終水溫，K；t0為量熱桶內(nèi)的初始水溫，K；Qd為雷管的爆熱，kJ；m為樣品的質(zhì)量，kg。

1.3 水下爆炸系統(tǒng)

水下爆炸實(shí)驗(yàn)在 ?8.0 m × 8.0 m 的圓柱形水池中進(jìn)行，樣品和傳感器的入水深度為4.0 m，傳感器與爆心的水平距離為3.0 m，裝藥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)布局見圖3。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 2 Charge structure

圖3 水下爆炸系統(tǒng)Fig. 3 Underwater explosive device

采用PCB138A10 水下激波傳感器（美國PCB 公司，量程為0～68950 kPa，靈敏度（± 15%）為0.073 mV/kPa）測定藥柱樣品在水下爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力隨時(shí)間的變化曲線和第1 次氣泡脈動周期。將藥柱樣品裝入塑封袋內(nèi)并置于水中。以10 g RDX 壓裝藥作為傳爆藥柱，采用8#工業(yè)雷管進(jìn)行起爆。

1.4 空爆系統(tǒng)

為減小地面反射波的干擾，實(shí)驗(yàn)在沙地上進(jìn)行。將樣品置于空中，炸高為1.25 m。在以爆心垂直投影點(diǎn)為起點(diǎn)互成60°的兩條射線（OA、OB）上布置壓力傳感器，每條線上布置4 個(gè)，分別距爆心垂直投影點(diǎn)1.0、1.5、2.0、2.5 m。傳感器均用圓柱形鐵柱固定并與地面平行。采用PCB 公司生產(chǎn)的動態(tài)壓力傳感器（型號113B21 系列，量程為0～6.9 MPa，靈敏度為1.45 mV/kPa）對產(chǎn)生的地面壓力進(jìn)行收集。實(shí)驗(yàn)布局見圖4 。

圖4 空爆系統(tǒng)Fig. 4 Air blast device

2 結(jié)果與討論

2.1 爆熱法

采用絕熱式爆熱量熱儀分別在真空、N2（0.1 MPa）、空氣（0.1 MPa）3 種條件下對樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如表1 所示，其中：QV,T為實(shí)測爆熱的平均值。按B-W 法寫出TNT 爆炸反應(yīng)方程式

根據(jù)Hess 定律計(jì)算出TNT 的理論爆熱值為4186.5 J/g。從表1 中可以看出，TNT 爆熱的實(shí)驗(yàn)均值為4170.878 J/g，與理論值一致，相對偏差為0.3%。

表1 絕熱式量熱儀的爆熱結(jié)果Table 1 Experimental results of adiabatic detonation calorimeter

在真空條件下測得JHL-X 的爆熱值為7301.088 J/g，為1.75 倍TNT 當(dāng)量。同時(shí)，在N2氣氛下測得JHL-X 的爆熱值為7308.060 J/g，與真空條件下相當(dāng)，表明N2對JHL-X 的爆熱值沒有影響，N2不參與爆轟反應(yīng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件換成空氣（0.1 MPa）時(shí)，測得的JHL-X 爆熱值增大，達(dá)到1.93 倍TNT 當(dāng)量，比真空和N2條件下提高了10%，表明JHL-X 在空氣中的反應(yīng)更完全，釋放能量更高。分析認(rèn)為，空氣為負(fù)氧炸藥JHL-X 提供了氧，使炸藥中的Al 反應(yīng)更完全，Al 的反應(yīng)使爆熱值增大。

2.2 水下爆炸能量

炸藥水下爆炸后，沖擊波超壓迅速達(dá)到最大值，隨后以指數(shù)形式衰減至靜水壓力，公式為[9]

JHL-X 的沖擊波超壓變化和第1 次氣泡脈動周期內(nèi)的壓力變化如圖5 和圖6 所示。TNT 和JHL-X兩種炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。從表2 中可以看出，JHL-X 的沖擊波超壓和衰減常數(shù)分別為5.888 MPa 和74.4 μs，分別為TNT 的1.08 倍和1.29 倍，表明在一定范圍內(nèi)，衰減常數(shù)與超壓正相關(guān)。JHL-X 的脈動周期和氣泡能的平均值分別為0.141 s 和4.614 kJ/g。Milleer[17]認(rèn)為，含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)過程分為兩個(gè)階段：第1 個(gè)階段是在CJ 反應(yīng)區(qū)內(nèi)，含鋁炸藥中的主體炸藥發(fā)生爆轟并形成中間產(chǎn)物，同時(shí)少量鋁粉參與反應(yīng)；第2 階段是CJ 面以后，大部分鋁粉與中間產(chǎn)物反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。水下爆炸中，鋁粉的能量主要在氣泡膨脹過程中釋放[18–19]。氣泡膨脹過程中，鋁粉反應(yīng)釋放的大量能量會導(dǎo)致炸藥的氣泡脈動周期和氣泡能增大，因此JHL-X 的氣泡能遠(yuǎn)大于TNT，達(dá)到TNT 的2.03 倍，而沖擊波僅為TNT 的1.23 倍。JHL-X 的總能量達(dá)到1.83 倍TNT 當(dāng)量，與真空條件下的爆熱值（1.75 倍TNT 當(dāng)量）基本處于同一水平，相差僅4.0%。這說明水下爆炸能量測試方法在一定程度上與真空條件下爆熱能量測試方法保持一致。

圖5 JHL-X 的水下爆炸沖擊波壓力Fig. 5 Shock wave pressure of JHL-X in underwater explosion

圖6 JHL-X 在第1 次氣泡脈動期間的壓力曲線Fig. 6 Pressure curve of JHL-X during the first bubble period

表2 水下爆炸結(jié)果Table 2 Underwater explosion results

2.3 空爆地面超壓

JHL-X 和TNT 在空中爆炸后產(chǎn)生沖擊波，沖擊波對地面作用形成地面壓力。隨著距離的增加，地面超壓迅速衰減，如圖7、圖8 和表3 所示，表3 中空白表示未采集到數(shù)據(jù)。

圖7 TNT 和JHL-X 的沖擊波超壓Fig. 7 Overpressure of TNT and JHL-X

圖8 JHL-X 的超壓誤差棒Fig. 8 Overpressure error bar of JHL-X

表3 TNT 和JHL-X 的超壓Table 3 Overpressure of TNT and JHL-X

從圖7 可以看出，相同位置上，JHL-X 的地面超壓峰值大于TNT。如1.0 m 處，JHL-X 的超壓峰值為2866.66 kPa，TNT 的超壓峰值為892.54 kPa。隨著距離的增加，兩者的超壓峰值呈指數(shù)衰減。若以1.0 m

式中：a、b、c為常數(shù)。

根據(jù)式(7)分別擬合出TNT 和JHL-X 的地面超壓峰值隨距離變化的公式，擬合結(jié)果如圖9 所示。式(8)和式(9)分別為TNT 和JHL-X 的擬合公式，其擬合度分別為0.973 和0.996。

圖9 TNT 和JHL-X 的擬合曲線Fig. 9 Fit curve of TNT and JHL-X

由式(9)可以計(jì)算出不同距離處的超壓峰值pm，將JHL-X 在不同距離處的地面超壓峰值pm代入式(8)中，得到相同位置處產(chǎn)生相同壓力的TNT 質(zhì)量w1，由此可計(jì)算其TNT 當(dāng)量（w1/wTNT），如表4 所示。相關(guān)研究表明[20–21]，炸藥在空中爆炸后產(chǎn)生的沖擊波以球形向四周傳播，對于傳播到地面的沖擊波，入射角在0°～40°區(qū)間屬于正規(guī)反射區(qū)，入射角在40～90°區(qū)間屬于馬赫反射區(qū)。在1.0 m 處，其沖擊波入射角為38.7°，因此1.0 m 處的測點(diǎn)位于正規(guī)反射區(qū)，受地面發(fā)射波的影響較大；1.5～2.5 m 處的測點(diǎn)位于馬赫波發(fā)射區(qū)。擬合計(jì)算時(shí)，選取馬赫波反射區(qū)的測點(diǎn)進(jìn)行TNT 當(dāng)量計(jì)算。由表4 可知，JHL-X 在1.5、2.0、2.5 m 處的TNT 當(dāng)量分別為2.14、1.70、1.75，均值為1.86。

表4 JHL-X 的TNT 當(dāng)量Table 4 TNT equivalence of JHL-X

2.4 能量評估分析

通過爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法分別對JHL-X 的能量進(jìn)行了測定，其TNT 當(dāng)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖10 所示。水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真空爆熱結(jié)果一致，相差4.6%。分析認(rèn)為，由于水下爆炸和真空爆熱實(shí)驗(yàn)都處于無氧狀態(tài)，僅炸藥自身發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而對外做功或放熱，因此在一定程度上兩者的能量輸出特性一致?？罩斜ㄋa(chǎn)生的地面超壓的TNT 當(dāng)量與空氣中的爆熱結(jié)果一致，相差3.6%。分析認(rèn)為，兩者的反應(yīng)環(huán)境均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，JHL-X 發(fā)生爆炸反應(yīng)時(shí)，空氣為兩種實(shí)驗(yàn)提供了氧，使得JHL-X 中的Al 的反應(yīng)得到增強(qiáng)，因此兩者的總能量輸出均有一定的增長，此時(shí)炸藥能量釋放得更完全。

圖10 不同實(shí)驗(yàn)方法下JHL-X 的TNT 當(dāng)量Fig. 10 TNT equivalent of JHL-X under different experimental methods

綜上所述，爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法均能有效地評估炸藥能量水平，且能量水平相當(dāng)。然而，為了合理地評估炸藥的能量水平，應(yīng)根據(jù)炸藥的實(shí)際用途采用不同的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)炸藥的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中無空氣時(shí)，應(yīng)采取真空爆熱或水下爆炸方法評估其能量水平；當(dāng)炸藥的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在空氣時(shí)，需要考慮環(huán)境對炸藥爆轟反應(yīng)的影響，應(yīng)采取空氣中爆熱或空爆法評估其能量水平。

3 結(jié) 論

通過爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法對聚黑鋁炸藥的能量及能量輸出特性進(jìn)行了評估，主要結(jié)論如下。

(1) JHL-X 在不同氣氛條件下的爆熱結(jié)果不同，空氣中為8045.724 J/g（1.93 倍TNT 當(dāng)量），比真空中的爆熱值高10%，真空和N2中的爆熱值為1.75 倍TNT 當(dāng)量。JHL-X 的水下爆炸總能量為5.550 kJ/g，為1.83 倍TNT 當(dāng)量。JHL-X 的空爆地面超壓在1.5～2.5 m 范圍內(nèi)的能量為1.86 倍TNT 當(dāng)量。

(2) 爆熱、水下爆炸、空爆3 種實(shí)驗(yàn)方法均能有效地評估炸藥的能量水平。由于實(shí)驗(yàn)方法不同，因此炸藥所處的環(huán)境不同，能量輸出存在一定的偏差。此外，計(jì)算炸藥輸出能量的方法也存在差異：爆熱是以炸藥的熱量來計(jì)算總能量；水下爆炸以炸藥爆炸后對水介質(zhì)做功大小來計(jì)算能量，忽略了炸藥在爆炸時(shí)所釋放的熱量；空爆以炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力來衡量能量水平。因此，3 種實(shí)驗(yàn)方法所得出的JHL-X 能量水平在1.75～1.93 倍TNT 當(dāng)量范圍內(nèi)。

(3) 在研發(fā)各種性能的炸藥時(shí)，為了合理地評估其能量水平，需要根據(jù)炸藥的種類和實(shí)際應(yīng)用情況采取不同的實(shí)驗(yàn)方法。當(dāng)炸藥的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中無空氣時(shí)，應(yīng)采取真空爆熱或水下爆炸法評估其能量水平；當(dāng)炸藥的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在空氣時(shí)，則應(yīng)采取空氣中爆熱或空爆法評估其能量水平。