溫壓炸藥爆炸性能實驗研究*

黃亞峰,田 軒,馮 博,王曉峰

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

溫壓炸藥爆炸性能實驗研究*

黃亞峰,田 軒,馮 博,王曉峰

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

為研究溫壓炸藥的爆炸特性，將25 g溫壓炸藥在5.8 L的密閉爆炸罐中引爆，測試了真空和空氣環(huán)境下的爆炸壓力和爆炸溫度，并通過氣相色譜分析了爆炸后的氣體產物。實驗結果表明，溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的平衡壓力和平衡溫度明顯高于真空環(huán)境，并且空氣中的氧氣參與了炸藥中鋁粉的氧化反應，說明溫壓炸藥在空氣環(huán)境下存在后燃效應。

爆炸力學;平衡壓力;爆炸罐;溫壓炸藥;平衡溫度

溫壓炸藥(thermobaric explosive，TBX)是一類能夠充分利用壓力效應和溫度效應對目標造成毀傷的炸藥。近幾十年，溫壓炸藥成為炸藥研究的熱點之一。A.Hahma等[1]通過測量沖擊波超壓研究,比較了不同金屬燃料對溫壓炸藥TNT當量的影響；Zhang Fan等[2]利用大型爆炸罐,研究了不同氣氛條件下TNT基含鋁炸藥爆轟后的等靜壓、燃燒溫度和爆炸火球狀態(tài)；李秀麗等[3]采用紅外熱成像儀研究溫壓炸藥的爆炸溫度；闞金玲等[4-5]用紅外熱成像儀對溫壓炸藥和普通炸藥的火球特征參數進行了測量，發(fā)現溫壓炸藥的能量遠大于普通炸藥；王曉峰等[6]根據量熱法原理建立了在不同氣氛條件下溫壓炸藥爆炸能量的測量方法，用于定量評價溫壓炸藥的爆炸總能量、爆轟能和后燃燒能。綜上所述，現階段溫壓炸藥的研究重點是某種特定環(huán)境下能量釋放規(guī)律的研究，而溫壓炸藥是一種可以利用環(huán)境中部分氧來實現炸藥能量的釋放的含鋁炸藥，不同環(huán)境對炸藥能量的釋放具有不同的影響。本文中，擬采用自行設計的密閉爆炸裝置對溫壓炸藥在真空狀態(tài)和空氣狀態(tài)下爆轟后的爆炸壓力和爆炸溫度進行實驗測試，結合爆炸后氣體產物的測試結果，分析環(huán)境狀態(tài)對溫壓炸藥爆炸性能的影響。

1 實 驗

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematics of experimental device

1.1 實驗樣品

實驗原材料：奧克托今基溫壓炸藥，鋁粉質量分數為30%，理論密度為1.96 g/cm3。樣品制備：將溫壓炸藥采用模壓方式壓制成帶8#雷管孔的藥柱，藥柱直徑為25 mm，藥柱質量為(25.000±0.050) g。

1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，密閉爆炸裝置為一鋼結構的圓柱型彈體，其高為400 mm，外徑為270 mm，內徑為188 mm，內容積為5.8 L。本實驗裝置的溫度傳感器采用具有自恢復能力的快速反應鎢錸熱電偶，布置在距離端蓋中心40 mm處，下端距離上端蓋底部180 mm，響應時間達10-5s；最大可耐壓力達135 MPa；測溫系統(tǒng)頻帶寬度為200 kHz；放大倍數為100，溫度范圍為-240～1 200 ℃,精度小于1%。本實驗裝置的壓力傳感器采用超高溫硅壓阻傳感器，布置在距離端蓋中心40 mm處，其壓力范圍為0～140 MPa，精度小于1%。

1.3 實驗方法

真空環(huán)境下的實驗步驟：

首先,將點火裝置短路，把實驗用溫壓炸藥樣品懸掛在距離上端蓋20 cm處，再將起爆雷管接到點火裝置上;

然后,將實驗裝置上端蓋密封，用真空泵抽空爆炸罐內的空氣，再向爆炸罐內緩慢充入氮氣，如此循環(huán)3次，將爆炸罐內的氧氣完全抽走，使爆炸罐內剩余氣體的壓力約為3 kPa，起爆實驗樣品，壓力傳感器和溫度傳感器記錄50 s內的電信號數據；

最后，通過通氣裝置，用氣體采樣袋采集反應后的氣體樣品，利用Clarus500氣相色譜儀對爆轟后的N2、CO2、CO、CH4等主要氣體產物進行定量分析。

空氣環(huán)境下的實驗步驟：

首先,將點火裝置短路，把實驗用溫壓炸藥樣品懸掛在距離上端蓋20 cm處，再將起爆雷管接到點火裝置上;

然后,將實驗裝置上端蓋密封，起爆實驗樣品，壓力傳感器和溫度傳感器記錄50 s內的電信號數據;

最后,通過通氣裝置，用氣體采樣袋采集反應后的氣體樣品，利用Clarus500氣相色譜儀對爆轟后的N2、CO2、CO、CH4等主要氣體產物進行定量分析。

2 結果與分析

2.1 溫壓炸藥爆炸壓力

圖2 溫壓炸藥爆炸壓力隨時間的變化Fig.2 Explosion pressure of thermobaric explosivevarying with time

圖3 溫壓炸藥爆炸溫度與時間關系Fig.3 Explosion temperature of thermobaric explosivevarying with time

實驗得到的溫壓炸藥真空和空氣環(huán)境下爆炸壓力的電壓U信號與時間t的關系曲線如圖2所示。將圖2數據處理后可得到：真空環(huán)境下的入射峰值壓力和平衡壓力分別為4.44和0.25 MPa,空氣環(huán)境下的入射峰值壓力和平衡壓力分別為8.77和0.39 MPa。由此可知，空氣環(huán)境下溫壓炸藥的爆炸入射峰值壓力比真空環(huán)境下的高97%。其原因是：在真空環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸能量沒有傳播的載體，只能依靠自身反應生成的氣體向外膨脹來傳播，因此炸藥爆炸壓力衰減迅速；在空氣環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸能量可以通過空氣向外傳播，因此，其爆炸壓力衰減相對真空環(huán)境衰減緩慢。空氣環(huán)境下的平衡壓力比真空環(huán)境下的高56%，這是由于在空氣環(huán)境下，空氣與溫壓炸藥爆轟后的氣體產物的摩爾量總和高于真空環(huán)境下溫壓炸藥爆轟后的氣體產物的摩爾量。

2.2 溫壓炸藥爆炸場溫度

實驗得到的溫壓炸藥真空和空氣環(huán)境下爆炸溫度的電壓信號與時間的關系曲線如圖3所示。將圖3數據處理后可得入射峰值溫度和平衡溫度。真空環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸產物入射峰值溫度為943 ℃，平衡溫度為283 ℃；空氣環(huán)境下，溫壓炸藥爆炸產物入射峰值溫度高于1 371 ℃，平衡溫度為320 ℃。溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的爆炸場峰值溫度比真空環(huán)境下的高45%以上，溫壓炸藥在空氣環(huán)境下的平衡溫度比真空環(huán)境下的高13%。其原因是：真空環(huán)境下，溫壓炸藥中的單質炸藥首先爆炸生成高溫高壓的氣體產物，高溫環(huán)境下其氣體產物與鋁粉發(fā)生氧化還原反應并放出熱量，爆炸產物溫度迅速上升，與此同時高溫高壓的氣體產物不斷對外膨脹做功輸出能量，使爆炸產物溫度下降，由于溫度的下降以及氧化反應導致的產物中氧含量的降低制約了鋁粉的反應放熱，致使真空環(huán)境下爆炸溫度隨著爆炸產物的膨脹而迅速降低，直至達到溫度平衡；而在空氣環(huán)境下，溫壓炸藥中的單質炸藥首先爆炸生成高溫高壓的氣體產物，高溫環(huán)境下其氣體產物與鋁粉發(fā)生氧化還原反應并放出熱量，爆炸產物溫度迅速上升，與此同時高溫高壓的氣體產物不斷對外膨脹做功輸出能量，在氣體產物膨脹的過程中與空氣充分混合提高了氧含量，可以促進鋁粉的氧化反應，提高鋁粉反應的完全性及放熱量，因此，在爆炸產物膨脹至溫度傳感器時仍能保持比真空環(huán)境下較高的溫度。

2.3 氣體產物測試分析

不同環(huán)境條件下，溫壓炸藥爆炸后收集的氣體產物氣相色譜分析結果見表1，表中各氣體的含量是其摩爾量的百分比含量。由表1中數據可知，空氣環(huán)境下溫壓炸藥的氣體產物中CO2的含量明顯低于真空環(huán)境下。按照溫壓炸藥配方組成計算，25.00 g溫壓炸藥，氧元素的物質的量為0.425 7 mol。溫壓炸藥在空氣環(huán)境下爆炸時，系統(tǒng)的氧元素的物質的量為0.519 7 mol。

將炸藥爆炸后的氣體視為理想氣體，按照實驗測得的平衡狀態(tài)下的壓力和溫度，通過理想氣體狀態(tài)方程計算氣體產物的物質的量，以及結合表1中數據計算得表2。由表2中數據可知，雖然空氣環(huán)境下剩余氧元素的物質的量nrem(O)比真空環(huán)境下的高0.017 3 mol，由于空氣環(huán)境下氧元素的總摩爾量nal(O)比真空環(huán)境下的高0.094 0 mol，因此，空氣環(huán)境下實際參加氧化反應的氧元素的物質的量nrea(O)比真空環(huán)境下的多0.076 7 mol，正是由于這部分氧氣參加氧化反應放出的熱量使空氣環(huán)境下的平衡溫度比真空環(huán)境下的高37 ℃。

表1 不同氛圍下氣體產物的摩爾分數Table 1 Mole fraction of gas product under different conditions

表2 不同氛圍下氣體產物的摩爾量Table 2 Mole of gas product under different conditions

3 結 論

通過測量25 g溫壓炸藥真空和空氣條件下在容積為5.8 L的密閉爆炸罐內爆轟后的爆炸壓力和爆炸溫度以及氣態(tài)產物分析，得到以下結論:(1)溫壓炸藥在空氣環(huán)境下爆轟后的平衡壓力和平衡溫度明顯高于真空環(huán)境下的平衡壓力和平衡溫度;(2)空氣中的氧氣參與了溫壓炸藥第3階段鋁粉有氧燃燒反應，證明溫壓炸藥在空氣中爆轟存在明顯的后燃效應。

[1] Hahma A, Palovuori K, Solomon Y．TNT-equivalency of thermobaric explosives[C]∥36th International Annual Conference of ICT Combined with 32nd International Pyrotechnics Seminar on Energetic Materials: Performance and Safety. 2006:10-1-10-12.

[2] Zhang F, Anderson J, Yoshinake A. Post-detonation energy release from TNT-aluminum explosives[C]Proceedings of the 15th APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter. 2007,955(1):885-888.

[3] 李秀麗,惠君明.溫壓炸藥的爆炸溫度[J].爆炸與沖擊,2008,28(5):471-475. Li Xiuli, Hui Junming. Detonation temperature of thermobaric explosives[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(5):471-475.

[4] 闞金玲,劉家驄.一次引爆云爆劑的爆炸特性[J].爆炸與沖擊,2006,26(5):404-409. Kan Jinling, Liu Jiacong. The blast dlaracteristic of SEFAE[J]. Explosion and Shock Waves, 2006,26(5):404-409.

[5] 闞金玲,劉家驄,曾秀琳,等.溫壓炸藥爆炸火球的特征[J].火炸藥學報,2007,30(2):55-58. Kan Jinling, Liu Jiacong, Zeng Xiulin, et al. Fireball characteristics of a thermal-baric explosive[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2007,30(2):55-58.

[6] 王曉峰,馮曉軍,肖奇.溫壓炸藥爆炸能量的測量方法[J].火炸藥學報,2013,36(2):9-12. Wang Xiaofeng, Feng Xiaojun, Xiao Qi. Method for measuring energy of explosion of thermobaric explosives[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2013,36(2):9-12.

(責任編輯 張凌云)

Experimental study on explosion performance of thermobaric explosive

Huang Yafeng, Tian Xuan, Feng Bo, Wang Xiaofeng

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,Shaanxi,China)

In order to investigate the characteristics of the thermobaric explosives, the 25 g charge of thermobaric explosive was ignited in the sealed explosion chamber of 5.8 L volume, and the explosion pressure and temperature were measured and the gas productions were analyzed by the gas chromatography under the vacuum and air conditions, respectively. The experimental results show that the equilibrium pressure and equilibrium temperature under the air condition are significantly higher than those under the vacuum condition, and the oxygen in the air participates in the oxidation of aluminum, so that there is after-combustion occurring when the thermobaric explosive is ignited in air.

mechanics of explosion; equilibrium pressure; explosion chamber; thermobaric explosive; equilibrium temperature

10.11883/1001-1455(2016)04-0573-04

2014-12-26；

2015-05-21

國家重大專項基金項目(00401030502)

黃亞峰(1978— )，男，碩士，副研究員;

王曉峰,wxfclub@163.com。

O381國標學科代碼：13035

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