铝氧比对DNTF/AP/Al炸药水下能量输出结构的影响

杨　斐，罗一鸣，王建灵，高　赞，严家佳，李鸿宾

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



铝氧比对DNTF/AP/Al炸药水下能量输出结构的影响

杨斐，罗一鸣，王建灵，高赞，严家佳，李鸿宾

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：通过水下爆炸实验测定了不同铝氧比炸药的水下爆炸参数和能量参数，分析了铝氧比对该炸药体系冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能以及能量输出结构的影响，拟合了铝氧比与能量输出结构的关系。结果表明，随着铝氧比的增加，炸药的峰值超压逐渐减小，比冲击波能先增大后减小，铝氧比约为0.3时达最大，比气泡能和气泡脉动周期均一直增大；比冲击波能所占总能量的比例减小，比气泡能比例先增加后减小；控制铝氧比为0.6左右时，炸药的能量利用率最高。

关键词：爆炸力学；含铝炸药；DNTF；铝氧比；比冲击波能；比气泡能；能量输出结构

引言

3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是一种新型高能量密度熔铸载体炸药，具有合成危险性小、工艺简单、稳定性好、能量高、密度大等优点[1-3]，具有广阔的应用前景。DNTF/AP/Al炸药具有优良的水下能量特性，水下爆炸比冲击波能和比气泡能均明显优于传统水下炸药如熔铸型含铝炸药(RS211)，水下能量输出结构也不同于传统水下炸药，其气泡能占的比例很高[4]。

铝氧比和水下爆炸能的关系一直是水下炸药研究的重要内容。周霖等[5]研究了铝氧比对炸药水中爆炸能量输出结构的影响，发现铝氧比为0.35～0.40时，炸药水中爆炸的冲击波能达到最大，气泡能则随着铝氧比的增加而增大；E.Stromsoe和S.W.Eriksen[6]研究发现，随着铝粉含量的增加RDX/Al炸药的冲击波能和气泡能都是先逐渐增加，当铝氧比为0.3～0.4时，冲击波能达到最大值，继续增加铝粉含量时冲击波能下降，气泡能增加，但当铝氧比超过0.7后，气泡能增长变缓。根据水下战斗部目标损伤特性，需要炸药水中爆炸时具有不同的能量输出结构，通过控制含铝炸药的铝氧比，能够达到调节炸药水中爆炸的能量输出特性。因此，深入研究铝氧比对DNTF/AP/Al炸药水下爆炸参数及能量输出结构的影响规律具有重要的意义。

本实验研究了铝氧比对DNTF/AP/Al炸药水下爆炸参数及能量输出结构的影响规律，拟合了铝氧比对能量输出结构影响的经验公式，以期为水下炸药的配方设计提供参考。

1实验

1.1材料及仪器

DNTF，纯度大于99%，甘肃银光化学工业有限公司；Al，安钢铝粉厂，粒度为13μm。

Genesis 5i型数据采集仪，德国HBM公司；压电式电气石水下激波传感器，美国PCB公司；灵敏度为6.988MPa/V，测压范围为0～69MPa。

1.2样品制备

将DNTF颗粒加热熔化后加入一定比例的AP/Al，充分搅拌，浇铸至直径25mm已预热的模具中，冷却成型后加工成25g的药柱，带8号雷管孔，每组配方各制备3个样品，其中2发用于水下试验，1发用于爆热试验。DNTF/AP/Al炸药配方见表1。

表1　DNTF/AP/Al炸药配方

1.3爆热测试

按照GJB772A-1997方法701.1进行爆热测试。

1.4水下试验

爆炸水池直径为12m，水深9.5m，传感器测点距爆心0.9m，爆心距水面4.7m，保持传感器与装药同一平面。试验时采用8号雷管由端面中心引爆。每组测试两个平行试样。

2结果与分析

2.1水下爆炸试验结果

DNTF/AP/Al炸药水下爆炸试验结果如表2所示。比冲击波能es和比气泡能eb参照Cole给出的公式计算[7]：

(1)

(2)

式中：R为测点距装药中心的距离，m；W为装药质量，kg；ρ0为水的密度，取1000kg/m3；C0为水中的音速，取1500m/s；p(t)为测点外t时刻的冲击波压力，Pa；τ为积分上限，一般取6.7θ；Tb为修正后的气泡周期，s；C为与实际水池中装药位置有关的常数。

表2　DNTF/AP/Al炸药水下爆炸试验结果

注：pm为冲击波峰值压力；tb为气泡脉动周期；es为比冲击波能；eb为比气泡能。

2.2铝氧比对峰值压力的影响

峰值压力pm是炸药水中爆炸最直观的一个参数，也是计算其他参数的基础。由表2中数据可得出峰值压力与铝氧比之间的关系，如图1所示。

图1　冲击波峰值压力与铝氧比的关系Fig.1　The relation of shock wave peak pressure and ratioof aluminium to oxygen

由图1可以看出，相同测点处，DNTF/AP/Al炸药的水下爆炸冲击波峰值压力随铝氧比的增加总体上呈减小趋势，这是因为当铝氧比增加时，由于Al粉的惰性稀释作用，炸药的非理想性更加突出，爆轰反应区不断加宽，铝粉在爆轰反应区内吸热和消耗的能量越来越多，从而降低了爆轰波阵面的能量，使得炸药-水界面的输出压下降，故水中冲击波的峰值压力会逐渐降低；当铝氧比在0.3～0.4时，峰值压力骤然下降，而在其他区域峰值压力减小相对缓慢。

2.3铝氧比对比冲击波的影响

图2为比冲击波能es随铝氧比变化曲线。由图2可见，比冲击波能随铝氧比的增加先增加后减少，当铝氧比为0.3左右时，冲击波能达到最大，即获得最大的近距离作功能力；铝氧比在0.3～0.4时，比冲击波能减少很快。这是因为当铝氧比小于0.3时，铝粉含量较少，随铝氧比增加，铝粉在爆轰反应区反应量增加，由于铝粉在爆轰反应区作为惰性介质吸收的能量小于铝粉在爆轰反应区反应释放的能量，故比冲击波能略微增加；当铝氧比继续增加时，由于铝粉逐渐过量，过量的铝粉作为惰性介质吸收的能量逐渐增加，而铝粉在爆轰反应区反应释放的能量变化不大，使得比冲击波能减少。

图2　比冲击波能与铝氧比之间的关系Fig.2　The relation of specific shock wave energy andratio of aluminium to oxygen

2.4铝氧比对气泡脉动的影响

图3为气泡脉动周期tb和比气泡能eb随铝氧比的变化曲线。

由图3可以看出，两个参数变化趋势大致相同，都随铝氧比的增加而增加，铝氧比在0.3～0.4时变化趋势比较明显。由于炸药在水下爆炸以后，在气泡边界处会形成大量的水蒸汽(由周围水介质产

生)，随着铝氧比的增加，铝粉含量逐渐过量，爆炸产物膨胀过程中过量的铝粉与水蒸汽反应，并释放出大量的能量，该过程放出的热量对气泡脉动贡献很大，故大幅增加了比气泡能和脉动周期[8]。可见，要想获得较好的气泡效应，只要增加炸药配方的铝氧比即可。

图3　铝氧比对气泡脉动周期及比气泡能的影响Fig.3　The effect of Al/O ratio on period of bubblepulsation and specific bubble energy

2.5铝氧比对DNTF/AP/Al炸药水下能量输出结构的影响

与水中爆炸的冲击波和气泡现象相关，炸药水中爆炸产生的能量，一部分以冲击波的形式从爆炸点向外扩散和传播，称为比冲击波能es；另一部分存在于爆炸产物气泡中，称为比气泡能eb。水中爆炸的总能量在正常情况下接近于炸药爆炸所释放处的化学能，即爆热(Qv)，在理论上应等于冲击波能和气泡能之和。但是，由于冲击波在传播过程中对所经之处产生冲击加热，致使一部分能量以热的形式损失在水中，称为热损失能er。因此，水下爆炸总能量应由这3部分组成，即：

et=es+er+eb=Qv

(3)

水下爆炸能量输出结构应为各能量占总能量的百分比。各组试样水下爆炸能量以及es、eb和er占总能量的比例如表3所示。

表3　炸药水下爆炸能量输出特性　Table 3　The energy output characteristics of explosives at underwater explosion

由表3可见，随着铝氧比的增加，比冲击波能es在总能量中占的比例逐渐减少；而比气泡能eb在总能量中占的比例先增大，当铝氧比大于0.6时比气泡能所占比例逐渐减小。这是因为随着铝氧比的增加，配方中Al粉含量增加，爆轰反应区中大量能量被未反应的Al粉吸收，比冲击波能下降，铝粉的增加还会使炸药的爆热(总化学能)增加，因此比冲击波能的比例减少；Al粉的二次反应放出能量的过程与气泡脉动在同一时间尺度，为气泡膨胀作功提供能量，比气泡能增大，因此比气泡能占总能量的比例增加，当铝氧比大到某一极限值时，铝粉过量，爆热值继续增大。

图4为测点处总能量及热损失能构成比例随铝氧比变化曲线。

图4　铝氧比与测点处总能量及总能量构成比例的关系Fig.4　Relation of Al/O ratio with proportion of totalenergy and total energy at the point of measurement

由图4(a)可知，气泡能增加变缓，故比气泡能所占的比例也逐渐下降。由图4(b)可知，热损失能er随着铝氧比的增加先减小后增大，当铝氧比为0.6左右时，热损失能所占总能量的比例最低，说明此时炸药的能量利用率最高。

根据图4拟合出DNTF/AP/Al炸药水下爆炸比冲击波能比例与铝氧比(x)的经验方程为：

es/Qv=18.02+13.47x-58.52x2+42.82x3

比气泡能比例与铝氧比(x)的关系为：

eb/Qv=56.77-36.66x+140.36x2-110.73x3

热损失能比例与铝氧比(x)的关系为：

er/Qv=25.21+23.19x-81.84x2+67.91x3

3结论

(1)铝氧比增加，DNTE/AP/Al炸药的峰值压

力逐渐减小，比冲击波能先增大后减小，铝氧比在0.3左右达到最大值，比气泡能和气泡周期均一直增大。

(2)铝氧比为0.3～0.4时，DNTF/AP/Al炸药水下爆炸参数(冲击波峰值压力、比冲击波能和比气泡能)的变化速率很快；铝氧比继续增大，各参数的变化趋势变缓。

(3)铝氧比增大，DNTF/AP/Al炸药的比冲击波能占总能量的比例减小，比气泡能比例先增加后减小；当铝氧比约为0.6时，热损失能所占总能量的比例最低，能量利用率最高。

参考文献：

[1]郑伟，王江宁，宋秀铎，等. DNTF-CMDB推进剂的燃燃机理[J].

ZHENG Wei, WANG Jing-ning, SONG Xiu-duo, et al. Combustion mechanism of composite modified double tase propellant containing 3,4-dinitro furazanfuroxan(DNTF)[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2014, 37(1): 70-73.

[2]王亲会，张亦安，金大勇. DNTF炸药的能量及可熔铸性[J].火炸药学报，2004，27(4)：14-16.

WANG Qin-hui, ZHANG Yi-an, JIN Da-yong. Energy and castibility of DNTF explosive[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2004,27(4):14-16.

[3]赵凤起，陈 沛，罗 阳，等.含3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的改性双基推进剂[J].推进技术，2004，25(6)：570-572.

ZHAO Feng-qi, CHEN Pei, LUO Yang, et al. Study on the composite modified double base propellant containing 3,4-dinitrofurazanfuroxan(DNTF)[J].Journal of Propulsion Technology,2004,25(6):570-572.

[4]杨斐，王建灵，罗一鸣，等. DNTF/AP/Al体系炸药的能量特性分析[J].爆破器材，2014(5)：11-14.

[5]周霖，许少辉. 炸药水下爆炸能量输出特性研究[J].兵工学报，2006,27(2)：235-238.

ZHOU Lin, XU Shao-hui. Research on energy output characteristics for under water explosion of explosives[J].Acta Armamentrii,2006,27(2):235-238.

[6]Stromsoe E, Eriksen S W. Performance of high explosives in underwater applications. Part Ⅱ: Aluminized explosives[J]. Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 1990, 15: 52-53.

[7]Cole R H. 水下爆炸[M].罗耀杰，韩润泽，李宝善，等译.北京：国防工业出版社，1960.

[9]孙业斌，惠君明，曹欣茂.军用混合炸药[M].北京：兵器工业出版社，1995.

Effect of Al/O Ratio on the Underwater Energy Output Configuration of

DNTF/AP/Al Explosives

YANG Fei，LUO Yi-ming，WANG Jian-ling，GAO Zan，YAN Jia-jia, LI Hong-bin

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

Abstract:The underwater explosion parameters and energy parameters of DNTF/AP/Al explosives with different Al/O ratios were determined by underwater explosion tests. The effects of Al/O ratio on the shock wave peak pressure, specific shock wave energy, specific bubble energy and energy output configuration of this explosive system were analyzed. The relations of Al/O ratio and energy output configuration were fitted. The results show that with increasing the Al/O ratio, the shock wave peak pressure decreases, specific shock wave energy increases first and then decreases and reachs maximum when Al/O ratio is about 0.3, the specific bubble energy and the period of the bubble pulsations increases throughout. The proportion of specific shock wave energy to total energy decreases, specific bubble energy proportion increases first and then decreases. The highest energy efficiency can be obtained by controlling Al/O ratio as about 0.6.

Keywords:explosion mechanics; aluminized explosive; DNTF; Al/O ratio; specific shock wave energy; specific bubble energy; energy output configuration

作者简介:杨斐(1990- )，男，硕士研究生，从事混合炸药技术研究。

基金项目:国防科工委计量项目

收稿日期:2014-10-31；修回日期:2015-01-07

中图分类号：TJ55; TQ564

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)02-0054-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.012