RDX基铝纤维炸药与铝粉炸药水下爆炸性能比较

万晓智，马宏昊，沈兆武，林谋金

（中国科学技术大学近代力学系，合肥 230027）

RDX基铝纤维炸药与铝粉炸药水下爆炸性能比较

万晓智，马宏昊，沈兆武，林谋金

（中国科学技术大学近代力学系，合肥 230027）

为了评估含铝炸药的综合性能，将铝粉用铝纤维代替，与RDX均匀混合压制得到铝纤维炸药，分别对铝纤维炸药、铝粉炸药、RDX进行水下爆炸实验，测量70 cm、90 cm、120 cm、150 cm处冲击波压力时程，获得三种炸药在不同位置处的冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能等参数，研究表明：在压力时程的有效持续时间内，铝纤维反应速率低于铝粉，铝纤维破碎消耗部分能量，导致铝纤维炸药的压力峰值、冲量、比冲击波能低于铝粉炸药。铝纤维的比表面积小，未被氧化的铝含量比铝粉高，且第一次气泡脉动周期较长，使得铝纤维与铝粉参加反应的程度相当，铝纤维炸药的比气泡能略高于铝粉炸药，使得铝纤维炸药的总能量与铝粉炸药相当。

铝纤维炸药；铝粉炸药；压力峰值；比冲击波能；比气泡能

黑索今（RDX）基含铝炸药作为含铝炸药中一个重要体系，大量用于填装鱼雷、水雷等水下兵器战斗部，如H－6、PBXW－115等。以RDX/Al为主要组成的含铝炸药，组分简单，可以作为多种组分含铝炸药配方设计基础和能量水平的比较基准［1］。陈朗等［2］对铝直径从几十纳米到几十微米的含铝粉炸药进行了小尺寸装药条件下炸药加速金属板实验，研究表明，在相同条件下铝粉尺寸大小对含铝粉炸药爆轰性能有明显影响。周俊祥［3］研究了铝粉含量对RDX/A1含铝炸药水下爆炸冲击波能量的影响以及冲击波特性参数随传播距离的变化关系，结果表明，当铝粉含量为20%时，RDX/A1含铝炸药的冲击波能量达到最大值。Barnes等［4］认为小型爆炸水池能测量炸药爆炸冲击波能、气泡能，为评价炸药的能量提供了一条新的技术途径。在传统含铝炸药中，铝通常以粉状或片状形式出现，提高了含铝炸药的机械感度，且铝粉在生产加工过程中存在粉尘污染及粉尘爆炸等危害，因此廖学燕等［5］提出了铝纤维炸药，并通过空中爆炸试验与抗压试验研究了铝纤维炸药的能量输出和力学强度，结果表明铝纤维提高炸药的爆热，增强炸药力学性能。林谋金等［6］通过水下爆炸试验研究铝纤维炸药水下爆炸能量输出特性，结果表明生产工艺造成铝纤维表面Al2O3含量较高与铝纤维直径较大导致熔喷铝纤维炸药的能量远未达到其理论爆热。本研究将最小尺寸为8～10μm的压制铝纤维与RDX均匀混合得到新型铝纤维炸药；将纳米级铝粉与RDX均匀混合得到铝粉炸药；分别对铝纤维炸药、铝粉炸药、RDX进行水下爆炸实验，测量70 cm、90 cm、120 cm、150 cm处冲击波压力时程曲线，比较三种炸药在不同位置处的冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能等参数的差异，为含铝炸药的发展提供一条参考途径。

1 实验方案

1.1 水下爆炸实验

水下爆炸实验在直径5 m、水深5 m的圆筒型爆炸水池中进行，针对不同配方的炸药，采用10 g长径比约为1∶1的圆柱型装药。为满足冲击波和气泡脉动的测试要求，将药柱布置在水池中心水下2 m处［7］，并在距离药柱中心水平距离0.7 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m处安放W138A25型水下激波压力传感器，通过DPO7054型泰克示波器记录每次实验的压力时程曲线。实验测试装置示意图如图1所示。一次实验安放两个不同位置的传感器，为了降低实验误差对结果的影响，同等条件重复测试3次。

图1 水下爆炸实验示意图Fig.1 Assembly experimental system of underwater explosion

1.2 实验样品

对于RDX/Al/WAX炸药体系，当铝含量在20%时冲击波能达到最大，随后冲击波能下降［8］。本研究设计三种炸药配方，炸药均采用圆柱型压装工艺，一端带雷管孔。炸药的配方以及各炸药的密度值列于表1中，实验室现有工艺条件制备出的炸药其密度值有一个误差，药柱密度的误差对炸药的性能参数影响很小。

表1 炸药的配方Tab.1 Formulation of explosives

2 实验结果与分析

2.1 压力时程的比较

选择在测点距离为0.7 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m等位置处比较铝纤维炸药与铝粉炸药的爆炸性能。铝纤维炸药与铝粉炸药在测点距离为1.2 m处的压力时程如图2所示，其它测点实验曲线均与之类似。从图2可以看出，两种炸药的压力时程曲线基本重合，但铝纤维炸药的压力峰值低于铝粉炸药，这与铝纤维的先破碎后反应造成耗时耗能有关，而铝粉是直接与爆轰产物反应甚至部分参与RDX反应，所以在压力时程的有效持续时间内，铝纤维反应程度不如铝粉。

2.2 压力峰值、冲量随比例距离的变化

将三种炸药水下爆炸冲击波压力峰值进行曲线拟合，压力峰值随比例距离的变化如图3所示，RDX在不同位置根据公式［9］计算的压力峰值理论值接近拟合曲线，说明了实验数据的有效性。铝纤维炸药与铝粉炸药的压力峰值在比例距离较大的位置趋于相当，说明铝纤维炸药的压力峰值衰减速率低于铝粉炸药。对三种炸药水下爆炸冲击波冲量根据公式［10］计算并进行曲线拟合如图4所示，实验数据重复性与曲线拟合效果较好，铝纤维炸药和铝粉炸药相对RDX的冲击波冲量都有很大提高，铝纤维炸药的冲击波冲量在测点较近的位置略低于铝粉炸药，在测点较远的位置与铝粉炸药趋于相当。压力峰值与冲量的曲线拟合可用同一个函数形式表示为［11］：

其中：f（R/R0）表示压力峰值、冲量关于比例距离的函数，k、α为拟合系数，如表2所示。

表2 三种炸药的压力峰值、冲量拟合系数Tab.2 Fitted coefficient of peak pressure and im pulse of th ree d ifferent types of exp losives

图2 铝纤维炸药与传统含铝炸药的压力－时程Fig.2 The pressure-time curves of Aluminum fiber explosive and traditional alum inized explosive

图3 冲击波压力峰值随比例距离的变化关系Fig.3 The shock wave peak pressure versus scaled distance

图4 冲量随比例距离的变化关系Fig.4 The impulse versus scaled distance

2.3 比冲击波能、比气泡能的计算

炸药水下爆炸比冲击波能计算公式为［10］：

其中：Es为比冲击波能（MJ/kg），R为传感器离药柱中心的距离（m），W为装药量（kg）；ρw为水的密度（g/cm3），Cw为水的声速（m/s），θ为衰减时间常数（ms），Δp（t）为测点处冲击波压力随时间变化函数。

炸药水下爆炸比气泡能计算公式为［10］：

其中：Eb为比气泡能（MJ/kg），Tb是气泡第一次脉动周期（s），ρw为水的密度（g/cm3），W为装药量（kg），Ph是测点处流体总静水压（Pa），C是边界效应校正系数。林谋金等［12］通过类似实验确定C＝－0.919 5 s－1。计算的比冲击波能、比气泡能分别列于表3、表4中。从表中数据可以得出，铝纤维炸药的比冲击波能相对于RDX提高了9.56～15%，相对于铝粉炸药降低了1.19～2.4%，三种炸药的比冲击波能都随比例距离增大逐渐减小。铝纤维炸药的比气泡能相对于RDX提高了44～47.35%，相对于铝粉炸药提高了3.07～3.6%，说明铝纤维与爆轰产物的二次反应主要贡献于炸药比气泡能的增加。铝纤维炸药的比气泡能略高于铝粉炸药，这与铝纤维的比表面积比铝粉小，未被氧化的铝含量比铝粉高有关。比气泡能与比冲击波能不同，随测点距离的变化基本不受影响。

表3 三种炸药的比冲击波能Tab.3 Specific shock wave energy of three different types of exp losives

表4 三种炸药的比气泡能Tab.4 Specific bubble energy of three differen t types of exp losives

2.4 总能量的计算

炸药在水下爆炸时总能量分为近距离的初始冲击波能和远距离的气泡能两部分，实验测试得到的是经过传播衰减的远场冲击波能ES，工程实践中发现ES与初始冲击波能ES0存在一定的比例关系［13］：

式中：μ为冲击波损失系数，可由C－J压力PCJ准确地计算［10，14］：

式中：PCJ为C－J压力（Pa），式（7）中PCJ单位为GPa，β为装药密度与最大理论密度的比值，即β＝ρ0/ρT，对于含铝20%的炸药取ρT＝1.84 g/cm3，ρ0为药柱的密度（kg/m3），ρe，w为除去金属铝后的炸药与蜡的基体密度（kg/m3），取ρe，w＝1.60 g/cm3，vD为炸药的爆速（m/s），由爆速实验测得铝纤维炸药的爆速为7 803 m/s，铝粉炸药的爆速为7 489 m/s，而基体炸药RDX的爆速（7 896 m/s），这也说明了含铝炸药相对于非含铝炸药的低爆速爆压性能。于是炸药水下爆炸总能量为［10］：

式中：Kf为炸药的形状参数，对于球形取1.00，非球形取1.02～1.10，本试验药柱长径比接近1∶1，故Kf取值1.00。将计算的总能量、比气泡能占总能量的百分比、相关文献［14－15］中炸药爆热、总能量与爆热比值等参数列于表5中。

表5 三种炸药水下爆炸能量输出的相关参数Tab.5 Energy output parameters of three different types of explosives at underwater explosion

从表5中数据可以得出：铝纤维炸药的总能量相对于RDX提高了24.85～29.18%，相对于铝粉炸药提高了0.95～1.62%。可以认为，铝纤维炸药与铝粉炸药的总能量相当。铝纤维炸药与铝粉炸药的比气泡能占总能量比值相对于RDX得到显著提高，说明其与爆轰产物的二次反应热主要贡献于炸药比气泡能的增加。炸药总能量与炸药爆热的比值接近100%，说明通过水下爆炸评估铝纤维炸药与铝粉炸药能量输出的可行性。用铝纤维代替传统含铝炸药中的铝粉，铝纤维的破碎耗时耗能，且炸药压力时程的有效持续时间很短，导致铝纤维炸药的压力峰值、冲击波冲量、比冲击波能低于铝粉炸药，但铝纤维的比表面积比铝粉小，未被氧化的铝含量比铝粉高，且第一次脉动周期时间相对较长，导致铝纤维炸药的比气泡能略高于铝粉炸药，从而使铝纤维炸药的总能量与铝粉炸药相当。综上所述，铝纤维炸药与铝粉炸药的水下爆炸性能相近，但铝纤维炸药相对铝粉炸药增强了力学性能并降低了机械感度，提高了炸药安全性，避免了生产加工铝粉带来的粉尘污染、粉尘爆炸等危害以及铝粉活性随贮存时间增长而降低等缺点。

3 结 论

（1）铝纤维在破碎后才与爆轰产物反应，而铝粉是直接与爆轰产物反应甚至部分参与RDX反应，由于铝纤维破碎耗时耗能，引起铝纤维反应速率低于铝粉，且压力时程的有效持续时间很短（约300μs），导致铝纤维炸药的压力峰值、冲击波冲量、比冲击波能低于铝粉炸药。

（2）铝纤维的比表面积比铝粉小，未被氧化的铝含量比铝粉高，且铝纤维炸药第一次脉动周期相对较长（约65 ms），使得铝纤维炸药的比气泡能略高于铝粉炸药，从而使铝纤维炸药的总能量与铝粉炸药相当。

（3）铝纤维炸药与铝粉炸药的水下爆炸性能相近，但铝纤维炸药相对铝粉炸药增强了力学性能并降低了机械感度，提高了炸药安全性。用铝纤维代替铝粉，提高了含铝炸药的综合性能，为含铝炸药的发展提供一条参考途径。

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Com parison of underwater denotation performance of RDX-based alum inum fiber exp losive and that of alum inum particle exp losive

WAN Xiao-zhi，MAHong-hao，SHEN Zhao-wu，LIN Mou-jin
（Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

In order to improve comprehensive performance of the traditional aluminized explosive，a new non-ideal composite explosive was obtained putting aluminum fiber instead of aluminum powder in the traditional aluminized explosive.The pressure-versus time curves at different positions of aluminum fiber explosive，traditional aluminized explosive and RDX were measured with underwater explosion tests，the parameters，such as，peak pressure of shock wave，impulse，specific shock wave energy，and specific bubble energy，and specific explosion energy，of three types of explosiveswere obtained by analyzing the curves.The results showed that the peak pressure，impulse，and specific shock wave energy of aluminum fiber explosive are lower than those of traditional aluminized explosive because the reaction rate of aluminum fiber is slower than that of aluminum particle；the specific bubble energy of aluminum fiber explosive is slightly greater than that of traditional aluminized explosive because the specific surface area of aluminum fiber is less than that of aluminum particle，the contentof Al ofaluminum fiber is higher than thatof aluminum powder，and the duration of the firstbubble pulsation period of the former is longer，so the both's reaction levels are almost equal，thus the total energy of aluminum fiber explosive is closely equal to traditional aluminized explosive's.

aluminum fiber explosive；aluminum particle explosive；peak pressure；specific shock wave energy；specific bubble energy

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.021

国家自然科学基金重点项目（51134012）；国家自然科学基金面上项目（51174183）

2013－11－08 修改稿收到日期：2014－01－02

万晓智男，硕士生，1986年生

马宏昊男，博士，副教授，1980年生