環境含氧量對液固混合FAE能量釋放特性影響研究

姜夕博,金朋剛,趙省向,陳智群,任松濤

(西安近代化學研究所,西安 710065)

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環境含氧量對液固混合FAE能量釋放特性影響研究

姜夕博,金朋剛,趙省向,陳智群,任松濤

(西安近代化學研究所,西安 710065)

為研究環境含氧量對液固混合FAE能量釋放特性的影響,依據量熱法原理測量了試樣在不同含氧量下的爆熱,同時在密閉條件下利用PCB壓力傳感器測量了試樣在不同含氧量下的準靜態壓力,結合傅里葉變換紅外光譜儀對爆轟氣體產物進行了檢測和驗證。試驗結果表明:隨著氧氣含量的增加,試樣爆熱值逐漸增加,爆轟氣體產物中CO和CO2含量逐漸增加;HCN含量先增加后迅速下降,CH4的含量逐漸下降;在標準狀況和氧氣條件下,試樣的準靜態壓力分別為0.255 MPa和0.310 MPa。結果表明:隨著環境含氧量的增加,試樣的氧化性逐漸增強,同時釋放出更多的能量,大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量釋放率。

爆炸力學;燃料空氣炸藥;密閉環境;爆熱;準靜態壓力

燃料空氣炸彈是一種極具戰略威懾力的常規武器,其毀傷范圍大,威懾力強,可對爆轟區以及一定沖擊波范圍內的目標產生殺傷,它的出現是常規武器的一次重大革新。燃料空氣炸藥(fuel air explosive,FAE)作為其主要毀傷能源,已成為近幾十年來各國爭相研究的熱點。研究人員在FAE燃料拋撒、爆轟控制、威力評價以及毀傷特性等方面取得了階段性的研究成果[1-3]。許學忠等[4]利用高速攝影實測了伴有爆炸反應的FAE燃料的擴散速度及半徑,結果表明,一次起爆試驗裝置的燃料拋撒具有較高的初始擴散速度,燃料脫離殼體2 ms后,燃料環達到最大運動速度。Samirant等[5]利用光纖和激光等多種測試技術,研究了FAE燃料的爆炸拋撒和云霧的擴散形成過程,認為一般情況下,燃料液滴的粒徑分布在10～1 000 μm范圍,全過程的時間在100 ms量級。Lin等[6]以甲烷和乙烯等作為研究對象,對FAE燃料的臨界起爆能進行實驗研究,結果表明,所研究燃料的臨界起爆能與臨界直徑的三次方成正比。白春華等[7]結合FAE武器爆炸場的特點,用FAE爆轟能和廣義TNT當量2個指標對其威力進行了評價研究,提出了適合于FAE武器威力評價的方法。惠君明等[8]對FAE爆炸特性進行了大量的研究,討論了FAE裝置殼體參數對云霧狀態的影響,分析了FAE爆炸超壓和沖量隨距離的變化關系,總結了FAE爆炸參數的分布規律。解立峰和彭金華等[9]借助立式爆轟管試驗系統,圍繞液體燃料、空氣和固體粉塵組成體系的爆轟性能進行了研究,測量了不同試樣的爆速和爆壓,并得到了不同當量比時燃料的臨界起爆能。雖然各國學者在上述方面做了大量的研究,然而對于FAE燃料本身的性能及其影響因素的研究開展較少,而這些性能卻是指導其配方設計和影響其作戰效能的關鍵參數。

能量釋放特性是評定FAE爆炸性能優劣的重要參數,其中爆熱能夠反映出炸藥爆炸時釋放熱量大小,準靜態壓力是炸藥在密閉空間后燃燒過程能量釋放的最終體現,二者是反映FAE能量釋放特性的主要特征參數。本文為了對FAE燃料本身的性能進行深入的研究,采用含金屬鋁粉的液固混合FAE作為研究對象,分別在不同氧氣含量的條件下,開展了爆熱實驗、準靜態壓力實驗,并利用傅里葉紅外變換光譜儀對其爆轟產物進行了分析。

1　實驗

1.1爆熱實驗

爆熱是炸藥爆轟性能五大基本參數之一,是衡量炸藥能量的重要參數[10]。本文參照GJB772A-97的絕熱法測定液固混合FAE的定容爆熱。爆熱彈的容積為5.8 L。

實驗時將質量為20 g的液固混合FAE試樣裝在玻璃燒杯中,試樣密度為1.3 g/cm3,在燒杯底部中央放置5 g帶雷管孔的JH-14傳爆藥柱,并插入爆熱專用雷管。將玻璃燒杯懸掛在爆熱彈內,將爆熱彈密封,然后將爆熱彈抽真空(相對真空度為-0.096 MPa)或充入不同標準大氣壓的氧氣后測量試樣的爆熱。本文在6種不同環境條件下測量了試樣的爆熱,6種實驗條件及相應的當量比q如表1所示。

表1　爆熱測量實驗條件

1.2準靜態壓力實驗

炸藥在絕熱性能較好的密閉容器中爆炸,只要等待足夠長的時間,炸藥爆炸的能量最終將通過容器內的氣體壓力體現出來,此時的氣體壓力被稱為“準靜態壓力”。

FAE燃料拋撒后,除初始沖擊波壓力外,其爆轟產物及后燃燒產物產生的壓力和溫度效應也是反映其能量釋放規律的重要內容。為研究液固混合FAE的能量釋放特性,利用一定測試手段來獲取反映其后燃燒過程總能量的參數很有必要。本文采用自行設計的密閉爆炸裝置,如圖1所示,測量了液固混合FAE的準靜態壓力。該密閉裝置的容積為500 L。2個測量窗口距離圓柱形罐體頂端350 mm,壓力傳感器采用PCB壓電式傳感器。

圖1　密閉爆炸裝置示意圖

實驗過程中試樣的藥量及起爆方式與爆熱測量中相同,分別在標準狀況和0.1 MPa純氧氣的條件下測量了試樣的準靜態壓力。

1.3爆轟氣體產物紅外分析實驗

研究表明,炸藥爆轟產物種類及數量與爆轟性能參數之間存在密切的關系[11-13],對爆轟氣體產物的分析可為初步推測炸藥爆轟反應機理提供依據。為此利用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對爆轟氣體產物進行了分析。

傅里葉變換紅外光譜儀的工作原理為:不同氣體在紅外光透過時都會有特征頻率的譜線被光能吸收,并在該特征頻率處產生吸收峰,而且氣體對紅外光的吸收與氣體濃度成正比。所用紅外分析儀測試范圍為4 000 cm-1～400 cm-1,掃描次數為32次,分辨率為4 cm-1。實驗前利用0.5 L的氣體采樣袋收集爆熱彈中最終爆轟氣體產物備用,實驗前用真空泵將紅外氣體池的空氣排空,試樣氣體用針管定量注入氣體池,采樣量為50 mL。

2　實驗結果及分析

為深入研究FAE能量釋放機理,在開展液固混合FAE能量釋放特性研究之前,筆者對本文所用FAE燃料進行了GJB772A-97中的沖擊波感度隔板實驗,結果表明,試樣的隔板值為0。這一結果說明FAE在傳爆藥柱的強沖擊波作用下不能發生起爆,即其燃料本身并不屬于爆炸物。它是在拋撒到周圍環境中后,與周圍具有氧化性的氣體混合后才具有爆炸性。明確這一點對后續爆熱以及準靜態壓力結果的分析至關重要。

2.1爆熱結果及分析

前已述及,FAE與常規猛炸藥相比有著獨特的作用機理和毀傷模式,其燃料自身不攜帶氧化劑,在實際使用過程中,是利用空氣中的氧氣作為氧化劑組成爆炸性混合物,所以氧氣含量對FAE爆炸能量釋放將產生顯著影響。利用爆熱彈測量的6種不同當量比的試樣爆熱Q的實驗結果見表2,每種條件至少重復測量2次,誤差不大于3%。

表2　不同當量比FAE爆熱實驗結果

從表2可以看出,氧氣含量的變化會顯著影響FAE的能量釋放效果,當量比從0增大到0.06時,爆熱值增加了53.1%,而當量比從0增大到0.80后,爆熱值增大了5.5倍。

實際上,傳爆藥柱起爆后幾乎瞬時轉變成了高溫、高壓的氣態爆轟產物,此氣體急劇膨脹迫使與其緊密接觸的FAE燃料迅速離開它原來的位置而發生拋撒,拋撒后與爆熱彈中的空氣或氧氣組成了爆炸混合物。該混合物在高溫高壓的作用下發生爆炸。由于爆熱彈強約束的密閉環境,爆轟反應產物不會像開放空間一樣發生大尺度的飛散和迅速冷卻,所以如果在爆熱彈中充入氧氣,環境中的氧氣可以較充分地參與到試樣各組分的反應中,使未完全氧化的試樣逐漸反應釋放熱量。同時由于試樣中含有鋁粉,含鋁炸藥具有典型的非理想爆轟特性,其能量釋放過程分為以下2個階段:第1階段中反應區內主炸藥爆轟釋放能量,鋁粉不參加反應或者參加反應的量很少,在反應區內鋁粉主要是吸收能量,用以提高自身的溫度;第2階段中反應區的后面,被加熱的鋁粉才與主炸藥爆轟產物進行二次反應釋放能量。已有研究表明,鋁粉完全氧化能夠釋放出30.6 kJ/g的熱量,可見鋁粉氧化是否完全會顯著影響爆炸釋放熱量的多少。由于試樣本身的氧含量很少,所以在環境中氧含量不足時,部分鋁粉只吸熱,沒有參與到氧化釋能的過程中,成為無效鋁。隨著氧氣含量的增加,鋁粉越來越多地參與到反應釋能的過程中。故隨著當量比的增大,試樣潛在能量釋放逐漸完全,爆熱值逐漸增大。

2.2爆轟產物分析結果

目前對于液固混合FAE爆炸分解機理以及爆轟產物分析的報道較少,而爆熱變化的直接原因為爆轟產物成分及含量的變化。為了深入分析影響爆熱變化的原因,對當量比分別為0,0.06,0.19，0.26的樣品,利用傅里葉變換紅外光譜儀對爆轟產物氣體進行了定量分析。定量分析的理論基礎為郎勃特-比爾定律:

A=εIc

式中:A為吸光度,通常用某一特征吸收峰強度(峰高或峰面積)表示;ε為吸光度系數,I為光程長,c為樣品濃度。

由此可知,氣體對紅外光的吸收與氣體的濃度成正比。本實驗采用峰高或峰面積表示吸光度A，用吸光度A表征物質的相對濃度，所得結果如表3所示,取3次測試結果的平均值。

表3　氣體產物FTIR分析結果

*注:B為基線范圍(cm-1);H為峰高位置(cm-1);R為積分峰面積范圍(cm-1)。

定性分析樣品爆轟氣體產物,組成主要包括:CO,CO2,HCN,CH4。對爆轟氣體產物進行定量分析,可以看出,隨著氧氣含量的增加,CO和CO2含量逐漸增加,HCN含量先增加后迅速下降,CH4的含量逐漸下降。

本文中爆熱彈內初始成分包括:不同含量的氧氣、傳爆藥JH-14(主要成分為RDX),燃料包括:液態組分L,烷烴類化合物W,金屬粉Al。

其中RDX的熱分解主要包括N—NO2和H2C—N鍵同時斷裂的競爭機理[14]:

(1)

L組分的產物分解機理比較復雜,但是關鍵步驟是O—NO2鍵的均裂反應,生成氮氧化物和碳氧化物。生成的氮氧化物又可以與式(1)中產物發生后續反應:

(2)

該反應是放出熱量的來源,但由于NO較易與氧氣生成NO2,而NO2又很容易與水發生反應生成酸,所以FTIR并未檢測出氮氧化物的存在。

金屬Al粉的還原性較強,幾乎能與所有含氧的爆轟產物發生反應,除與氧氣反應生成Al2O3外,Al還可能與CO和CO2發生如下反應:

(3)

其中產物Al4C3的化學性質很不穩定,體系中存在H2O時,Al4C3易與H2O發生如下反應:

(4)

上述反應只是FAE混合物中L組分與Al粉與RDX可能存在的一些反應情況。在爆轟產物高溫、高壓的條件下,可能存在的產物與產物、產物與反應物之間發生的物理和化學的變化過程將更加復雜,將在后續工作中深入開展此方面研究。

綜合以上反應過程,分析導致爆熱變化的主要原因:由于混合物本身為負氧狀態,在爆炸反應瞬間,離解出大量單質碳,拋撒后的試樣與爆熱彈中的空氣或氧氣組成了爆炸性混合物,當氧氣含量較少時,不足以將混合物中的C完全氧化,隨著氧氣含量的增加,C的氧化完全性更高,所以CO和CO2含量逐漸增加。同時由式(1)可以看出,爆轟反應產物中生成的少量HCN與RDX有關,式(1)中的上式與C—N鍵的斷裂有關,是放熱過程。下式與N—N鍵的斷裂有關,是吸熱過程。可見高的HCN生成量會降低反應釋放的熱量。所以從爆轟氣體產物以及爆熱的結果推測,隨著氧氣含量的增加,RDX的爆炸反應趨向于H2C—N鍵的斷裂,同時生成的HCN還能夠與氧氣發生燃燒反應,釋放熱量。這2個因素的共同作用是導致HCN的含量下降以及爆熱逐漸上升的原因。此外由式(3)和式(4)可知,在氧氣含量較少時,Al與CO和CO2發生反應,也會導致二者含量下降,同時造成CH4生成量的增加。以上反應均為放熱反應,從而導致爆熱值逐漸增加。

2.3準靜態壓力結果及分析

利用準靜態壓力實驗裝置,測定了試樣在標準狀況和0.1 MPa氧氣2種環境中的準態靜壓力,壓力-時間(p-t)曲線如圖2所示。

圖2　準靜態壓力實驗結果

從圖中可以看出,曲線呈現周期性的振蕩特性,并最終在某一壓力值附近來回振蕩。曲線中起始時刻后的10 ms之內,爆轟產物處于不斷增加并且向外膨脹擴散的階段,此階段中存在傳爆藥柱爆炸沖擊波遇到罐體不斷反射、初始FAE試樣拋撒后與周圍環境氣體湍流混合以及爆轟產物的湍流流動的綜合作用,所以壓力曲線的振蕩特性顯著。此外圖2(a)較圖2(b)前10 ms內的振蕩更明顯,這與FAE本身特性有較大關系:FAE試樣在傳爆藥柱爆轟波作用下拋撒并逐漸發生爆轟及后燃燒反應,在氧氣含量不充足的條件下,試樣未完全發生爆轟,還會有少部分高速飛散的炸藥試樣打在儀器的結構壁面上,使得結構振幅增加,導致壓力曲線的振蕩幅度增大。然而，由于結構自身的對稱穩定性,炸藥在起爆一段時間后,結構的振動基本可以忽略,所以2幅圖中起始時刻10 ms后的振蕩幅度基本一致。同時可以看出,該階段的壓力振蕩幅度減小。本文將壓力-時間曲線中起始時刻后的10～20 ms內壓力的平均值作為準靜態壓力的結果,得到標準狀況和氧氣條件下的結果分別為0.255 MPa和0.310 MPa。此時的壓力是炸藥高溫爆轟產物氣體總量以及炸藥爆炸釋放總能量的最終體現。可以初步推測,在氧氣條件下,整個體系的含氧量增多,試樣拋撒后與氧氣接觸的幾率增大,增加了試樣后燃燒的反應完全性,使得剩余的一部分化學能量在反應區過后的后燃階段釋放出來。雖然這部分能量不能用來支持前導沖擊對下一層炸藥的沖擊壓縮,但是卻可以使爆轟產物氣體總量增加。此外,從表2也可以看出,隨著氧氣含量的增加,爆熱值逐漸增加,二者共同作用提高了試樣的準靜態壓力,使得其較標準情況下有所提高。

3　結論

①爆熱彈和傅里葉變換紅外光譜儀的測試結果綜合表明,隨著環境中氧氣含量的增加,混合物中C的氧化完全性更高,生成更多的CO和CO2,這一過程將釋放出更多的熱量；同時分析表明,HCN和CH4含量的變化也與爆熱值的增加有關。

②炸藥性能評估總是希望通過一個或者多個定量參數對其性能作出科學的評價。而準靜態壓力能夠反映出FAE后燃燒過程的總能量,所以本文建議可將準靜態壓力實驗作為評價FAE在密閉空間中性能的指標。

③液固混合FAE隨著環境中含氧量的增加,爆熱值和準靜態壓力逐漸增加,這與試樣在氧化劑含量較充足時氧化完全性更高密切相關,從而大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量釋放率,為下一步FAE配方設計提供技術支持。

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Effect of Oxygen Content on Energy Release Characteristics of Liquid-solid Mixed FAE

JIANG Xi-bo,JIN Peng-gang,ZHAO Sheng-xiang,CHEN Zhi-qun,REN Song-tao

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,China)

In order to investigate the effect of oxygen content on energy release characteristics of liquid-solid mixed fuel air explosive(FAE),the isothermal calorimeter and closed explosion system were developed respectively.The detonation heat of FAE under different oxygen content was tested by the calorimetric method,and the quasi-static pressure of FAE under different oxygen condition was measured by using PCB piezoelectric pressure sensors.The FTIR spectrascopy was also used to test and verify the detonation gas product.The results show that the detonation heat value increases with the increase of the oxygen content,and the content of CO and CO2increase,and the content of HCN increases firstly and then decreases rapidly,and the content of CH4decreases gradually.In standard condition and oxygen condition,the quasi-static pressure is 0.255 MPa and 0.310 MPa respectively.All of these indicate that with the increase of the oxygen content,the oxidbility of FAE enhances gradually,and more enengy is released.The energy release rate of liquid-solid mixed FAE increases significantly.

explosion mechanics;fuel air explosive,enclosed condition,detonation heat,quasi-static pressure

2016-01-27

姜夕博(1985- ),女,博士,研究方向為混合炸藥性能評估。E-mail:jiangxibonj@163.com。

趙省向(1963- ),男,研究員,研究方向為混合炸藥。E-mail:zhaosx204@163.com。

TJ55;O389

A

1004-499X(2016)03-0076-05