聚黑鋁炸藥的能量輸出特性及評估方法

吳星亮，王 旭，徐飛揚，馬 騰，董卓超，徐 森,2，劉大斌

（1. 南京理工大學化學與化工學院，江蘇 南京 210094；2. 國家民用爆破器材質量監督檢驗中心，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，是炸藥爆炸時對周圍介質做功能力的一種度量，同時也是裝藥結構設計的主要依據，因此有必要采取一定的方法對炸藥的能量輸出進行評估[1–2]。

目前，按照質量大小，可將炸藥的能量水平分為2 類[3–5]：小當量級別（幾克至幾十克），如鉛柱法、臼炮法、爆熱法等；大當量級別（幾百克至幾千克），如水下爆炸法、空爆法等。小當量方法的實驗量小，易開展，但不能完全準確地呈現炸藥的能量水平；大當量方法則相反。Cudzi?o 等[6]采用一個水量熱裝置研究了含有Al、Al/ZrH2、ZrH2、TiH24 種添加劑的RDX 基炸藥，發現當Al 的含量為30%時，爆熱達到最大值，為7190 J/g。Xiang 等[7]研究發現，高氯酸銨（AP）可以有效地提高RDX 含鋁炸藥的爆熱，并通過KHT 代碼計算了TNT、RDX、HMX、RDX/AP 基含鋁炸藥的爆炸性能，其中爆熱結果與實驗結果保持一致。近年來，國內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]通過水下爆炸實驗，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，結果表明，當Al 含量從0%增加到15%時，水下爆炸總能量由1.4 倍TNT 當量增加到1.7 倍TNT 當量。Xiao 等[13]通過數值模擬獲得了PETN 空爆中的超壓和沖量，從而擬合計算出超壓和沖量的TNT 當量（1.258 和1.272）。Li 等[14]研究了B/Al 復合粉HMX 基金屬化炸藥的空爆能量輸出特性，結果表明，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，最大能量達到了2.1 倍TNT 當量。以上研究表明，爆熱、水下爆炸、空爆3 種實驗方法均能研究炸藥的爆炸性能，但是如何準確表述這3 種實驗方法得到的炸藥能量之間的關系仍是人們關注的焦點問題。其中，如何安全順利地進行大當量的含能材料能量輸出試驗，對部分研究人員仍然是一個挑戰。

以某型聚黑鋁（JHL-X）含鋁炸藥為實驗樣品，分別通過爆熱、水下爆炸、空爆3 種實驗方法研究其能量輸出特性和能量水平，分析3 種評估JHL-X 炸藥實驗方法的關聯性，以期為現有的含能材料能量輸出評估方法提供基礎研究依據。

1 實驗樣品及裝置

1.1 實驗樣品

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

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、絕熱循環系統及計算機數據采集系統組成，爆熱彈容積為5 L，如圖1 所示。實驗樣品精確稱量到0.1 mg，以蒸餾水為測溫介質，測定水溫變化。根據熱量計的熱容量及溫升值，即可求出單位質量試樣在給定條件下的爆熱，計算公式為

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為系統熱容量值，由苯甲酸進行標定，kJ/K；t1為量熱桶內的最終水溫，K；t0為量熱桶內的初始水溫，K；Qd為雷管的爆熱，kJ；m為樣品的質量，kg。

1.3 水下爆炸系統

水下爆炸實驗在 ?8.0 m × 8.0 m 的圓柱形水池中進行，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，裝藥結構如圖2 所示，實驗布局見圖3。

圖2 裝藥結構Fig. 2 Charge structure

圖3 水下爆炸系統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產生的沖擊波壓力隨時間的變化曲線和第1 次氣泡脈動周期。將藥柱樣品裝入塑封袋內并置于水中。以10 g RDX 壓裝藥作為傳爆藥柱，采用8#工業雷管進行起爆。

1.4 空爆系統

為減小地面反射波的干擾，實驗在沙地上進行。將樣品置于空中，炸高為1.25 m。在以爆心垂直投影點為起點互成60°的兩條射線（OA、OB）上布置壓力傳感器，每條線上布置4 個，分別距爆心垂直投影點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 公司生產的動態壓力傳感器（型號113B21 系列，量程為0～6.9 MPa，靈敏度為1.45 mV/kPa）對產生的地面壓力進行收集。實驗布局見圖4 。

圖4 空爆系統Fig. 4 Air blast device

2 結果與討論

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 種條件下對樣品進行實驗研究，結果如表1 所示，其中：QV,T為實測爆熱的平均值。按B-W 法寫出TNT 爆炸反應方程式

根據Hess 定律計算出TNT 的理論爆熱值為4186.5 J/g。從表1 中可以看出，TNT 爆熱的實驗均值為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 當量。同時，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，表明N2對JHL-X 的爆熱值沒有影響，N2不參與爆轟反應。當實驗條件換成空氣（0.1 MPa）時，測得的JHL-X 爆熱值增大，達到1.93 倍TNT 當量，比真空和N2條件下提高了10%，表明JHL-X 在空氣中的反應更完全，釋放能量更高。分析認為，空氣為負氧炸藥JHL-X 提供了氧，使炸藥中的Al 反應更完全，Al 的反應使爆熱值增大。

2.2 水下爆炸能量

炸藥水下爆炸后，沖擊波超壓迅速達到最大值，隨后以指數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驗結果列于表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，衰減常數與超壓正相關。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]認為，含鋁炸藥的爆轟反應過程分為兩個階段：第1 個階段是在CJ 反應區內，含鋁炸藥中的主體炸藥發生爆轟并形成中間產物，同時少量鋁粉參與反應；第2 階段是CJ 面以后，大部分鋁粉與中間產物反應形成最終產物。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，鋁粉反應釋放的大量能量會導致炸藥的氣泡脈動周期和氣泡能增大，因此JHL-X 的氣泡能遠大于TNT，達到TNT 的2.03 倍，而沖擊波僅為TNT 的1.23 倍。JHL-X 的總能量達到1.83 倍TNT 當量，與真空條件下的爆熱值（1.75 倍TNT 當量）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據。

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衰減。若以1.0 m

式中：a、b、c為常數。

根據式(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，得到相同位置處產生相同壓力的TNT 質量w1，由此可計算其TNT 當量（w1/wTNT），如表4 所示。相關研究表明[20–21]，炸藥在空中爆炸后產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°區間屬于正規反射區，入射角在40～90°區間屬于馬赫反射區。在1.0 m 處，其沖擊波入射角為38.7°，因此1.0 m 處的測點位于正規反射區，受地面發射波的影響較大；1.5～2.5 m 處的測點位于馬赫波發射區。擬合計算時，選取馬赫波反射區的測點進行TNT 當量計算。由表4 可知，JHL-X 在1.5、2.0、2.5 m 處的TNT 當量分別為2.14、1.70、1.75，均值為1.86。

表4 JHL-X 的TNT 當量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 種實驗方法分別對JHL-X 的能量進行了測定，其TNT 當量實驗結果對比如圖10 所示。水下爆炸實驗結果與真空爆熱結果一致，相差4.6%。分析認為，由于水下爆炸和真空爆熱實驗都處于無氧狀態，僅炸藥自身發生反應，進而對外做功或放熱，因此在一定程度上兩者的能量輸出特性一致?？罩斜ㄋa生的地面超壓的TNT 當量與空氣中的爆熱結果一致，相差3.6%。分析認為，兩者的反應環境均為標準大氣壓，JHL-X 發生爆炸反應時，空氣為兩種實驗提供了氧，使得JHL-X 中的Al 的反應得到增強，因此兩者的總能量輸出均有一定的增長，此時炸藥能量釋放得更完全。

圖10 不同實驗方法下JHL-X 的TNT 當量Fig. 10 TNT equivalent of JHL-X under different experimental methods

綜上所述，爆熱、水下爆炸、空爆3 種實驗方法均能有效地評估炸藥能量水平，且能量水平相當。然而，為了合理地評估炸藥的能量水平，應根據炸藥的實際用途采用不同的實驗方法。當炸藥的實際應用環境中無空氣時，應采取真空爆熱或水下爆炸方法評估其能量水平；當炸藥的實際應用環境中存在空氣時，需要考慮環境對炸藥爆轟反應的影響，應采取空氣中爆熱或空爆法評估其能量水平。

3 結 論

通過爆熱、水下爆炸、空爆3 種實驗方法對聚黑鋁炸藥的能量及能量輸出特性進行了評估，主要結論如下。

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

(2) 爆熱、水下爆炸、空爆3 種實驗方法均能有效地評估炸藥的能量水平。由于實驗方法不同，因此炸藥所處的環境不同，能量輸出存在一定的偏差。此外，計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算總能量；水下爆炸以炸藥爆炸后對水介質做功大小來計算能量，忽略了炸藥在爆炸時所釋放的熱量；空爆以炸藥爆炸產生的壓力來衡量能量水平。因此，3 種實驗方法所得出的JHL-X 能量水平在1.75～1.93 倍TNT 當量范圍內。

(3) 在研發各種性能的炸藥時，為了合理地評估其能量水平，需要根據炸藥的種類和實際應用情況采取不同的實驗方法。當炸藥的實際應用環境中無空氣時，應采取真空爆熱或水下爆炸法評估其能量水平；當炸藥的實際應用環境中存在空氣時，則應采取空氣中爆熱或空爆法評估其能量水平。