硝酸酯对RDX基含铝炸药驱动能力的影响

袁建飞，蔚红建，王　辉，屈　蓓，付小龙

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



硝酸酯对RDX基含铝炸药驱动能力的影响

袁建飞，蔚红建，王辉，屈蓓，付小龙

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：为了研究硝酸酯对RDX基含铝炸药驱动能力的影响，采用圆筒试验研究了含硝酸酯的RDX基含铝炸药加速圆筒壁膨胀速度和格尼能的变化过程，并与不含硝酸酯的RDX基含铝炸药进行了对比，分析了硝酸酯对炸药能量释放特性及金属驱动能力的影响。结果表明，硝酸酯可改善RDX基含铝炸药的铝氧比，改变其反应速率；在反应初期，含硝酸酯的RDX基炸药加速筒壁的速度低于不含硝酸酯的炸药，而在爆炸反应中后期，含硝酸酯的RDX基炸药加速筒壁的速度以及格尼能均高于不含硝酸酯的炸药；含硝酸酯的RDX基含铝炸药的能量释放特性使其适合用于破片战斗部中，可提高其金属驱动能力。

关键词：爆炸力学；含铝炸药；硝酸酯；RDX；圆筒试验；能量释放特性；金属驱动能力

引言

含铝炸药是一类高密度、高爆热和高威力的混合炸药，广泛用于水中兵器和对空武器，其对金属的驱动能力成为武器设计人员所关心的重要问题。目前，针对含铝炸药驱动金属能力方面国内已开展了大量的研究工作。陈朗等[1]研究了铝粉尺寸与约束条件对金属的加速能力；沈飞等[2-3]研究了含铝炸药的爆轰特性及铝粉含量对炸药驱动能力的影响；黄辉等[4]研究了粒径对含铝炸药驱动性能的影响规律。通过对铝粉含量及粒径优化，含铝炸药的驱动性能难以进一步获得较大的提升[5]，科研工作者尝试通过添加富氧物质来改善含铝炸药中的铝氧比，改变其能量释放特性，提高驱动性能。如黄辉等[4]在RDX基含铝炸药中添加富氧炸药，并对含铝炸药反应时间及驱动金属板的能力进行了研究，结果表明这种方法是有效的。硝酸酯属于富氧物质，如季戊四醇四硝酸酯(PETN)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)、丙三醇三硝酸酯(NG)等[6]，若将其添加到炸药中，能够在一定程度上调节含铝炸药中的铝氧比，其驱动性能也有望得到提升。

本研究用Φ50mm圆筒试验方法，研究了不同硝酸酯对RDX基含铝炸药能量释放特性的影响，并与未含硝酸酯的RDX基含铝炸药进行对比，分析了影响该类炸药驱动能力的因素，以期为该类炸药的配方设计及应用提供参考。

1实验

1.1样品制备

含硝酸酯的RDX基含铝炸药采用浇注固化工艺成型，不含硝酸酯的RDX基含铝炸药采用压装成型，配方及参数见表1，装药尺寸均为Φ50.0mm×51.0mm，由11节药柱粘接而成，试验所用的圆筒材料为TU1无氧铜，密度为8.93g/cm3，圆筒的内、外径分别为50.0mm和60.2mm。

表1　RDX基含铝炸药配方及参数

1.2试验过程

圆筒试验按照GJB772A-97中705.3方法进行，示意图如图1所示。该试验系统由高速扫描相机、圆筒试件、爆炸光源、带光学窗口的防护掩体等组成。狭缝扫描位置距起爆端295mm，采用GSJ型高速转镜相机记录圆筒壁在爆轰产物作用下狭缝处端面的膨胀过程，扫描速度为1.5mm/μs。同时，在圆筒的两端装配电探针，测定炸药在圆筒内的爆速。

图1　圆筒试验系统示意图Fig.1　Sketch map of the cylinder test system

2结果与讨论

2. 1圆筒壁膨胀曲线

通过电探针测得含硝酸酯及不含硝酸酯的两种RDX基炸药在圆筒中的平均爆速分别为8.04、8.20mm/μs，高速相机记录的圆筒膨胀的典型扫描底片如图2所示。

图2　圆筒膨胀过程的典型扫描底片Fig.2　The representative photograph of the cylinderexpanding process

采用文献[7-8]的数据处理方法，按照式(1)对圆筒质量中心面的膨胀距离随时间的变化曲线进行拟合：

(1)

式中：rm为圆筒质量中心面的半径，mm；rm0为其初始值，mm；t为圆筒膨胀的时间，μs；αj、bj、t0均为拟合参数；t表示圆筒外表面运动的时间，引入t0作为时间项的修正参数，表示圆筒质量中心面开始运动的时刻相对提前量，使得t+t0=0时，圆筒质量中心面初始膨胀。

假设在膨胀过程中圆筒的横截面积保持不变，则rm与内表面的半径ri(ri0为其初始值)、圆筒外表面的半径re(re0为其初始值)之间关系如下：

(2)

采用判读仪对实验扫描底片进行数字化判读，可获得圆筒壁外表面狭缝位置处的径向位移—时间数据，然后根据式(2)将其转换为圆筒质量中心面的径向位移—时间数据，并采用式(1)进行参数拟合(这里取n=2)，所得参数值列于表2中。

表2　圆筒膨胀曲线拟合参数值

2.2圆筒壁膨胀速度及格尼能的变化

将公式(1)对时间求导，得到圆筒质量中心面的膨胀速度um：

(3)

格尼能的计算公式为：

(4)

式中：us=2D·sin(arctan(um/D)/2)，为圆筒质量中心面的质点速度；D为炸药在圆筒内的爆速。炸药爆轰产物相对比容V的计算公式为[9]：

V=Vg·[1.01(1-e-1.8Vg)+0.003Vg]

(5)

式中：Vg=(ri/ri0)2。

由式(3)～(5)可计算出圆筒质量中心面的膨胀速度随时间的变化曲线及格尼能随爆轰产物相对比容的变化曲线，分别如图3和图4所示。

由图3可以看出，在爆轰反应初始阶段，约9μs时，含硝酸酯的RDX基含铝炸药加速筒壁的膨胀速度低于不含硝酸酯的RDX基含铝炸药；随着反应的进行(约9μs后)，含硝酸酯的RDX基含铝炸药膨胀速度大于不含硝酸酯的RDX基含铝炸药，之后含硝酸酯的RDX基含铝炸药速度增量较小，而不含硝酸酯的RDX基含铝炸药一直保持增长；当加速至约40μs时，含硝酸酯的RDX基含铝炸药加速筒壁的膨胀速度仍比不含硝酸酯的RDX基含铝炸药高0.8%。从图4中也可以看出，在爆轰产物相对比容达到2倍之前，含硝酸酯的RDX基含铝炸药的格尼能低于不含硝酸酯炸药，在2～10倍相对比容处，含硝酸酯的RDX基含铝炸药的格尼能明显高于不含硝酸酯的RDX基含铝炸药，增幅在3%～10%，尤其在相对比容为3～6倍时，含硝酸酯的RDX基含铝炸药的格尼能较不含硝酸酯的RDX基

含铝炸药保持明显的优势，格尼能的增长幅度为6%～10%。通常按照其最大膨胀距离为50mm，计算出含硝酸酯和不含硝酸酯的RDX基含铝炸药的格尼系数分别为2.83mm/μs和2.79mm/μs。根据圆筒的膨胀特性，一些特征位置处的膨胀速度与格尼能数值列于表3。

图3　筒壁膨胀速度与时间的关系曲线Fig.3　Relation curves of expanded velocityof the cylinder wall and time

图4　格尼能与相对比容的关系曲线Fig.4　Relation curve between Gurney energyand relative volume

炸药样品um/(mm·μs-1)12mm25mm38mm50mmEg/(kJ·g-1)12mm25mm38mm50mm含硝酸酯1.5181.6831.7261.7383.0893.7723.9624.017不含硝酸酯1.4711.6211.6891.7242.8573.4533.7423.895

注：Φ50mm圆筒试验中，筒壁膨胀距离为12、25、38、50mm时，所对应的爆轰产物相对比容分别为2.2、4.4、

7.0、10.0。

2.3硝酸酯对炸药驱动能力的影响

Lindsay C M[8]、沈飞[2]等认为，炸药对金属的驱动为冲击波驱动力及爆轰产物膨胀力共同作用的结果，冲击波对金属驱动作用时间较短，且随着反应的进行，驱动后期主要依靠爆轰产物膨胀力。根据经典C-J理论，冲击波的驱动力与炸药的爆速有关，从实验结果看，不含硝酸酯的RDX基炸药的爆速明显高于含硝酸酯的RDX基炸药，在圆筒膨胀初期，不含硝酸酯的RDX基炸药的驱动能力强于含硝酸酯的RDX基炸药；而随着爆轰反应的进行，含硝酸酯的RDX基炸药的驱动能力超过不含硝酸酯的RDX基炸药，这是含硝酸酯的RDX基炸药爆轰产物膨胀力在中后期得到显著提升的原因。从两者的配方分析，虽然不含硝酸酯的RDX基炸药比含硝酸酯的RDX基炸药的RDX质量分数高约13%，而不含硝酸酯的RDX基炸药铝氧比为0.34，含硝酸酯的RDX基炸药为0.28，同时含硝酸酯的RDX基炸药含富氧硝酸酯物质，与铝粉等反应更加充分，且硝酸酯物质含氮量都比较高，特别BTTN的含氮量高达17%，爆炸后能放出热量及增加大量的氮气、一氧化碳等气体产物，同时促进了含硝酸酯的RDX基炸药反应速率的快速提升，并将其能量快速转化为对金属的驱动能力。从计算出的格尼系数可以看出，含硝酸酯的RDX基炸药的格尼系数(2.83mm/μs)高于不含硝酸酯的RDX基炸药(2.79mm/μs)，甚至高于不含铝的RDX炸药(2.823mm/μs)[2]，这表明硝酸酯能够提高RDX基含铝炸药对金属的驱动能力，对金属的驱动能力大于不含铝的RDX炸药。

此外，在圆筒试验中所用的金属材料为TUI无氧铜，其延展性较好，而实际战斗部壳体的材料一般为钢，其延展性低于铜。钢作为战斗部壳体，一般在爆轰加载前期更容易断裂，如根据文献[10]的计算，爆轰产物的相对比容为2～7倍时，壳体破裂，爆轰产物随之溢出，破片的加速过程结束，其速度难以进一步增加。通过分析对比，在爆轰产物的相对比容为3～6倍时，含硝酸酯的炸药加速金属能力相对不含硝酸酯的RDX基含铝炸药具有更为显著的优势，从而更适宜于高性能破片战斗部，以提高对目标的毁伤威力。

3结论

(1)在RDX基含铝炸药中加入硝酸酯，可降低含铝炸药的铝氧比，改变炸药的反应速率，从而改变其能量释放过程，添加质量分数约为13%的硝酸酯，其格尼能可提高3%～10%，有利于提高炸药驱动金属的能力。

(2)含硝酸酯的RDX基含铝炸药能量释放过程适合用于提高战斗部破片的威力。

参考文献：

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Effect of Nitrate Ester on the Driving Ability of RDX-based Aluminized Explosive

YUAN Jian-fei, YU Hong-jian, WANG Hui, QU Bei, FU Xiao-long

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

Abstract:To study the effect of nitrate ester on the driving ability of the RDX-based aluminized explosives, the change process of the cylinder wall expanding velocity and Gurney energy of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester was studied by a cylinder test. Compared with the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester, the effects of nitrate ester on the energy releasing characteristics of explosive and the driving ability to metal were analyzed. The results show that the nitrate ester can improve the ratio of Al/O of the RDX-based aluminized explosives and change its reaction rate. At the initial stage of the reaction, the cylinder wall expanding velocity of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester is lower than that of the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester; however, in the middle and later of explosion reaction, the cylinder wall expanding velocity and Gurney energy of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester are higher than those of the RDX-based aluminized explosives without nitrate ester. The energy releasing characteristics of RDX-based aluminized explosives with nitrate ester makes it suitable for fragment warhead and can improve its driving ability to metal.

Keywords:explosion mechanics; aluminized explosive; nitrate ester;cylinder test; energy releasing characteristics; driving ability to metal

作者简介:袁建飞(1983-)，男，工程师，从事炸药爆轰性能试验及理论研究。

基金项目:国家基础研究项目

收稿日期:2014-05-16；修回日期:2015-3-13

中图分类号：TJ55；O389

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)02-0062-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.014