Al／AP對RDX 基復合炸藥水中爆炸參數的影響

馮曉軍，韋國平，徐洪濤，嚴家佳

（西安近代化學研究所，陜西 西安710065）

引 言

炸藥在水中爆炸大體上分為3個階段：炸藥的爆轟、沖擊波的產生和傳播、氣泡的形成和脈動［1］，沖擊波表征了炸藥爆炸的強動態作用，在近距離內對目標的局部破壞起決定性作用；氣泡脈動表征了炸藥爆炸的準靜態作用，在遠距離對目標產生結構性整體破壞。長期以來，人們重點關注沖擊波對目標的破壞作用而忽略氣泡的作用，隨著炸藥水中爆炸及其毀傷技術研究的深入開展，氣泡毀傷作用引起了科研人員的重視［2］。為了實現對炸藥水中爆炸能量釋放的有效控制，提高炸藥水中爆炸的毀傷效應，人們開始研究由高能炸藥、金屬粉、氧化劑和黏結劑構成的復合炸藥及其水中爆炸性能［3-5］，其化學反應過程首先是高能炸藥快速爆轟放熱反應，然后是金屬粉和氧化劑等非理想組分的低速氧化反應，因此通過控制這兩步化學反應的能量分配比例和低速化學反應的能量釋放速率，可以有效地調節炸藥水中爆炸沖擊波能和氣泡能的比例大小，達到對特定目標的最大毀傷效果［6］。

本研究以RDX 為主炸藥，通過添加不同含量的Al粉和AP制成復合炸藥，采用水中爆炸實驗，從沖擊波參數、氣泡參數及沖擊波能和氣泡能等方面，分析了Al粉和AP對復合炸藥水中爆炸參數的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原理

將炸藥懸掛在水中一定深度，在確定為理想水域的條件下起爆炸藥，利用與炸藥在同一水平深度處的壓力傳感器測量距炸藥一定距離處的沖擊波壓力隨時間的變化曲線，如圖1所示。可以在該曲線上直接得到沖擊波峰值壓力pm、沖擊波衰減時間常數θ和氣泡脈動周期Tb，然后計算得到水中爆炸的沖擊波能Es、沖量I、沖擊波能流密度E及氣泡最大半徑Rmax和氣泡能Eb等參數。

圖1 典型水中爆炸沖擊波壓力-時間曲線Fig.1 Typical shock wave pressure-time curve of underwater explosion

炸藥水中爆炸相關參數的計算公式如下［7］：

沖擊波能：

沖量：

氣泡能：

能流密度：

最大氣泡半徑：

式中：R為傳感器與炸藥之間的水平距離；ρw為測點水的密度；Cw為測點水的聲速；ph為爆點處水的靜壓力

1.2 實驗方法

采用電測法測量炸藥水中爆炸參數，測試系統主要包括：水下激波傳感器、信號適配器、數據采集記錄儀、穩壓電源和屏蔽數據傳輸線等。實驗布局如圖2 所示，水池深10m、直徑12m，試樣入水深度4.7m，采用PCB138A 型水中激波傳感器測量炸藥水中爆炸的p-t曲線，傳感器對稱的布置在距離試樣1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0m 處，數據采集記錄儀為成都微測VX11115 型多通道波形記錄儀［9］。

圖2 實驗布局Fig.2 Experiment layout

1.3 試樣的制備

以RDX 為主體炸藥，通過添加不同含量的Al粉和AP組成系列復合炸藥，用壓裝工藝制成圓柱形藥柱，長徑比為1∶1，藥量為1kg，用20g JH-14傳爆藥端面中心起爆，試樣配方及基本性能見表1。

表1 RDX 基復合炸藥的組成及性能Table 1 Formulation and performance of RDX-based composite explosive

2 結果與討論

對表1中的6 種RDX 基復合炸藥進行水中爆炸參數測量，并利用公式（1）～（5）計算相應的參數值，結果列于表2。為了對比分析，進行了相同條件下1kg裝藥的TNT 水中爆炸參數的測量和計算，見表2。

表2 RDX 基復合炸藥水中爆炸參數的測量值和計算值Table 2 Tested data and calculated ones of explosion parameters of RDX-based composite explosive

2.1 Al與AP摩爾比對沖擊波相關參數的影響

根據表2結果，考察了不同測點處Al與AP摩爾比對復合炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力、時間常數、沖量和能流密度的影響，結果如圖3所示。

圖3 峰值壓力（a）、時間常數（b）、沖量（c）、能流密度（d）與Al和AP摩爾比之間的關系Fig.3 Relationship between shock wave pressure（a），time constant（b），impulse（c），energy flux density（d）and Al／AP mole ratio

從圖3可以看出，在不同測點處，隨著Al與AP摩爾比的增加，復合炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力呈線性規律衰減、沖擊波衰減時間常數呈冪指數規律衰減、沖量以線性規律衰減而沖擊波能流密度以二次冪函數衰減。因為隨著Al與AP 摩爾比的增大，一方面復合炸藥的爆壓有所增大，使得沖擊波峰值壓力在水中傳播時的損失能增大；另一方面，隨著Al與AP 摩爾比的增大，復合炸藥負氧平衡和非理想性增大，爆轟反應區增長，爆轟反應能量耗散增大，使得貢獻給水中沖擊波形成的能量減小，而且由于復合炸藥中Al粉和AP的二次釋能反應時間比沖擊波傳播時間慢，其能量也不會有效延緩沖擊波的衰減，因而導致沖擊波峰值壓力降低。時間常數可反映出沖擊波壓力的衰減快慢，沖擊波壓力衰減越快，時間常數值越小。由于復合炸藥能量釋放速率的降低，使得沖擊波壓力的衰減速率增大，導致時間常數減小。沖量和能流密度是沖擊波壓力和時間常數的積分函數，當沖擊波壓力和時間常數減小時，沖量和能流密度也減小。

2.2 Al與AP 摩爾比對氣泡半徑和氣泡周期的影響

通過氣泡周期與Al和AP 摩爾比作圖，分析Al粉和AP對復合炸藥水中爆炸氣泡周期和氣泡最大半徑的影響，結果如圖4所示。可以看出，隨著Al與AP摩爾比的增加，復合炸藥的氣泡周期和最大氣泡半徑先增大后減小，當Al與AP 摩爾比為3.8時，氣泡周期和最大氣泡半徑最大。

圖4 Al與AP摩爾比與氣泡周期和氣泡半徑的關系Fig.4 Relationship between Al／AP mole ratio and bubble period and bubble radius

復合炸藥和TNT 的氣泡最大半徑和氣泡周期列于表3。可以看出，雖然隨著Al與AP 摩爾比的增大，氣泡最大半徑和氣泡周期有所減小，但始終大于TNT 的氣泡最大半徑和氣泡周期。復合炸藥氣泡周期和氣泡最大半徑減小的原因是隨著Al與AP摩爾比的增大，復合炸藥的負氧平衡增大，導致參加二次放熱反應的Al粉含量減小，而且剩余的Al粉還會作為惰性物質吸收能量，使復合炸藥的爆熱值降低，減小了提供給氣泡脈動的能量。

表3 復合炸藥和TNT 的氣泡半徑和氣泡周期比較Table 3 Comparison between composite explosive and TNT on bubble radius and period

2.3 Al與AP 的摩爾比對沖擊波能和氣泡能的影響

根據表2結果，分析Al與AP摩爾比對復合炸藥氣泡能和各測點沖擊波能的影響，并與TNT 炸藥進行對比，結果列于表4，將不同測點處的沖擊波能TNT 當量隨Al與AP摩爾比的變化作圖分析，如圖5所示。

表4 復合炸藥沖擊波能和氣泡能的TNT 當量Table 4 Shock wave energy and bubble energy TNT equivalent of composite explosive

圖5 Al與AP摩爾比與沖擊波能TNT 當量的關系Fig.5 Relationship between Al／AP mole ratio and shock wave energy TNT equivalent

由圖5可以看出，隨著Al與AP 摩爾比的增加，復合炸藥沖擊波能的TNT 當量以二次多項式規律減小，當Al與AP 摩爾比為8.7左右時，在相同測點處，復合炸藥的沖擊波能與TNT 的沖擊波能接近。從能量分析，復合炸藥爆炸釋放的能量由爆轟能（Qd）和爆轟產物的膨脹能（Qp）兩部分構成，爆轟能是炸藥爆轟波陣面上快速反應釋放的能量，對水中爆炸的沖擊波能有貢獻，而膨脹能是炸藥爆轟波陣面后二次反應的慢速能量釋放過程，與水中爆炸氣泡脈動在時間尺度上相同，其能量主要貢獻給氣泡的脈動。隨著Al與AP摩爾比的增大，復合炸藥的非理想特性增大，導致爆轟能釋放速率降低，因此使得沖擊波能逐漸降低。

由表4 結果看出，隨著Al與AP 摩爾比的增加，復合炸藥氣泡能的TNT 當量先增大后減小，當Al與AP摩爾比為3.8左右時，氣泡能的TNT 當量達到最大值，影響因素與AL／AP 摩爾比對氣泡周期或最大氣泡半徑的影響因素相同。從表4還可以看出，復合炸藥氣泡能的TNT 當量始終大于沖擊波能的TNT 當量，這說明復合炸藥水中爆炸能量輸出以氣泡能為主，對于要求高氣泡能的水中兵器用炸藥，應該采用復合炸藥裝藥。

3 結 論

（1）RDX 含量不變，隨著Al與AP摩爾比的增加，沖擊波峰值壓力、時間常數、沖量和能流密度都逐漸減小。

（2）隨著Al與AP 摩爾比的增加，復合炸藥的氣泡周期和最大氣泡半徑呈先增大后減小趨勢，當Al與AP摩爾比為3.8左右時，氣泡周期和最大氣泡半徑最大。

（3）隨著Al與AP 摩爾比的增加，復合炸藥的沖擊波能TNT 當量以二次多項式規律減小，氣泡能TNT 當量先增大后減小，但復合炸藥氣泡能TNT 當量始終大于沖擊波能TNT 當量，說明復合炸藥水中爆炸能量輸出以氣泡能為主。

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