环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性影响研究

姜夕博,金朋刚,赵省向,陈智群,任松涛

(西安近代化学研究所,西安 710065)



环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性影响研究

姜夕博,金朋刚,赵省向,陈智群,任松涛

(西安近代化学研究所,西安 710065)

为研究环境含氧量对液固混合FAE能量释放特性的影响,依据量热法原理测量了试样在不同含氧量下的爆热,同时在密闭条件下利用PCB压力传感器测量了试样在不同含氧量下的准静态压力,结合傅里叶变换红外光谱仪对爆轰气体产物进行了检测和验证。试验结果表明:随着氧气含量的增加,试样爆热值逐渐增加,爆轰气体产物中CO和CO2含量逐渐增加;HCN含量先增加后迅速下降,CH4的含量逐渐下降;在标准状况和氧气条件下,试样的准静态压力分别为0.255 MPa和0.310 MPa。结果表明:随着环境含氧量的增加,试样的氧化性逐渐增强,同时释放出更多的能量,大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量释放率。

爆炸力学;燃料空气炸药;密闭环境;爆热;准静态压力

燃料空气炸弹是一种极具战略威慑力的常规武器,其毁伤范围大,威慑力强,可对爆轰区以及一定冲击波范围内的目标产生杀伤,它的出现是常规武器的一次重大革新。燃料空气炸药(fuel air explosive,FAE)作为其主要毁伤能源,已成为近几十年来各国争相研究的热点。研究人员在FAE燃料抛撒、爆轰控制、威力评价以及毁伤特性等方面取得了阶段性的研究成果[1-3]。许学忠等[4]利用高速摄影实测了伴有爆炸反应的FAE燃料的扩散速度及半径,结果表明,一次起爆试验装置的燃料抛撒具有较高的初始扩散速度,燃料脱离壳体2 ms后,燃料环达到最大运动速度。Samirant等[5]利用光纤和激光等多种测试技术,研究了FAE燃料的爆炸抛撒和云雾的扩散形成过程,认为一般情况下,燃料液滴的粒径分布在10～1 000 μm范围,全过程的时间在100 ms量级。Lin等[6]以甲烷和乙烯等作为研究对象,对FAE燃料的临界起爆能进行实验研究,结果表明,所研究燃料的临界起爆能与临界直径的三次方成正比。白春华等[7]结合FAE武器爆炸场的特点,用FAE爆轰能和广义TNT当量2个指标对其威力进行了评价研究,提出了适合于FAE武器威力评价的方法。惠君明等[8]对FAE爆炸特性进行了大量的研究,讨论了FAE装置壳体参数对云雾状态的影响,分析了FAE爆炸超压和冲量随距离的变化关系,总结了FAE爆炸参数的分布规律。解立峰和彭金华等[9]借助立式爆轰管试验系统,围绕液体燃料、空气和固体粉尘组成体系的爆轰性能进行了研究,测量了不同试样的爆速和爆压,并得到了不同当量比时燃料的临界起爆能。虽然各国学者在上述方面做了大量的研究,然而对于FAE燃料本身的性能及其影响因素的研究开展较少,而这些性能却是指导其配方设计和影响其作战效能的关键参数。

能量释放特性是评定FAE爆炸性能优劣的重要参数,其中爆热能够反映出炸药爆炸时释放热量大小,准静态压力是炸药在密闭空间后燃烧过程能量释放的最终体现,二者是反映FAE能量释放特性的主要特征参数。本文为了对FAE燃料本身的性能进行深入的研究,采用含金属铝粉的液固混合FAE作为研究对象,分别在不同氧气含量的条件下,开展了爆热实验、准静态压力实验,并利用傅里叶红外变换光谱仪对其爆轰产物进行了分析。

1　实验

1.1爆热实验

爆热是炸药爆轰性能五大基本参数之一,是衡量炸药能量的重要参数[10]。本文参照GJB772A-97的绝热法测定液固混合FAE的定容爆热。爆热弹的容积为5.8 L。

实验时将质量为20 g的液固混合FAE试样装在玻璃烧杯中,试样密度为1.3 g/cm3,在烧杯底部中央放置5 g带雷管孔的JH-14传爆药柱,并插入爆热专用雷管。将玻璃烧杯悬挂在爆热弹内,将爆热弹密封,然后将爆热弹抽真空(相对真空度为-0.096 MPa)或充入不同标准大气压的氧气后测量试样的爆热。本文在6种不同环境条件下测量了试样的爆热,6种实验条件及相应的当量比q如表1所示。

表1　爆热测量实验条件

1.2准静态压力实验

炸药在绝热性能较好的密闭容器中爆炸,只要等待足够长的时间,炸药爆炸的能量最终将通过容器内的气体压力体现出来,此时的气体压力被称为“准静态压力”。

FAE燃料抛撒后,除初始冲击波压力外,其爆轰产物及后燃烧产物产生的压力和温度效应也是反映其能量释放规律的重要内容。为研究液固混合FAE的能量释放特性,利用一定测试手段来获取反映其后燃烧过程总能量的参数很有必要。本文采用自行设计的密闭爆炸装置,如图1所示,测量了液固混合FAE的准静态压力。该密闭装置的容积为500 L。2个测量窗口距离圆柱形罐体顶端350 mm,压力传感器采用PCB压电式传感器。

图1　密闭爆炸装置示意图

实验过程中试样的药量及起爆方式与爆热测量中相同,分别在标准状况和0.1 MPa纯氧气的条件下测量了试样的准静态压力。

1.3爆轰气体产物红外分析实验

研究表明,炸药爆轰产物种类及数量与爆轰性能参数之间存在密切的关系[11-13],对爆轰气体产物的分析可为初步推测炸药爆轰反应机理提供依据。为此利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对爆轰气体产物进行了分析。

傅里叶变换红外光谱仪的工作原理为:不同气体在红外光透过时都会有特征频率的谱线被光能吸收,并在该特征频率处产生吸收峰,而且气体对红外光的吸收与气体浓度成正比。所用红外分析仪测试范围为4 000 cm-1～400 cm-1,扫描次数为32次,分辨率为4 cm-1。实验前利用0.5 L的气体采样袋收集爆热弹中最终爆轰气体产物备用,实验前用真空泵将红外气体池的空气排空,试样气体用针管定量注入气体池,采样量为50 mL。

2　实验结果及分析

为深入研究FAE能量释放机理,在开展液固混合FAE能量释放特性研究之前,笔者对本文所用FAE燃料进行了GJB772A-97中的冲击波感度隔板实验,结果表明,试样的隔板值为0。这一结果说明FAE在传爆药柱的强冲击波作用下不能发生起爆,即其燃料本身并不属于爆炸物。它是在抛撒到周围环境中后,与周围具有氧化性的气体混合后才具有爆炸性。明确这一点对后续爆热以及准静态压力结果的分析至关重要。

2.1爆热结果及分析

前已述及,FAE与常规猛炸药相比有着独特的作用机理和毁伤模式,其燃料自身不携带氧化剂,在实际使用过程中,是利用空气中的氧气作为氧化剂组成爆炸性混合物,所以氧气含量对FAE爆炸能量释放将产生显著影响。利用爆热弹测量的6种不同当量比的试样爆热Q的实验结果见表2,每种条件至少重复测量2次,误差不大于3%。

表2　不同当量比FAE爆热实验结果

从表2可以看出,氧气含量的变化会显著影响FAE的能量释放效果,当量比从0增大到0.06时,爆热值增加了53.1%,而当量比从0增大到0.80后,爆热值增大了5.5倍。

实际上,传爆药柱起爆后几乎瞬时转变成了高温、高压的气态爆轰产物,此气体急剧膨胀迫使与其紧密接触的FAE燃料迅速离开它原来的位置而发生抛撒,抛撒后与爆热弹中的空气或氧气组成了爆炸混合物。该混合物在高温高压的作用下发生爆炸。由于爆热弹强约束的密闭环境,爆轰反应产物不会像开放空间一样发生大尺度的飞散和迅速冷却,所以如果在爆热弹中充入氧气,环境中的氧气可以较充分地参与到试样各组分的反应中,使未完全氧化的试样逐渐反应释放热量。同时由于试样中含有铝粉,含铝炸药具有典型的非理想爆轰特性,其能量释放过程分为以下2个阶段:第1阶段中反应区内主炸药爆轰释放能量,铝粉不参加反应或者参加反应的量很少,在反应区内铝粉主要是吸收能量,用以提高自身的温度;第2阶段中反应区的后面,被加热的铝粉才与主炸药爆轰产物进行二次反应释放能量。已有研究表明,铝粉完全氧化能够释放出30.6 kJ/g的热量,可见铝粉氧化是否完全会显著影响爆炸释放热量的多少。由于试样本身的氧含量很少,所以在环境中氧含量不足时,部分铝粉只吸热,没有参与到氧化释能的过程中,成为无效铝。随着氧气含量的增加,铝粉越来越多地参与到反应释能的过程中。故随着当量比的增大,试样潜在能量释放逐渐完全,爆热值逐渐增大。

2.2爆轰产物分析结果

目前对于液固混合FAE爆炸分解机理以及爆轰产物分析的报道较少,而爆热变化的直接原因为爆轰产物成分及含量的变化。为了深入分析影响爆热变化的原因,对当量比分别为0,0.06,0.19，0.26的样品,利用傅里叶变换红外光谱仪对爆轰产物气体进行了定量分析。定量分析的理论基础为郎勃特-比尔定律:

A=εIc

式中:A为吸光度,通常用某一特征吸收峰强度(峰高或峰面积)表示;ε为吸光度系数,I为光程长,c为样品浓度。

由此可知,气体对红外光的吸收与气体的浓度成正比。本实验采用峰高或峰面积表示吸光度A，用吸光度A表征物质的相对浓度，所得结果如表3所示,取3次测试结果的平均值。

表3　气体产物FTIR分析结果

*注:B为基线范围(cm-1);H为峰高位置(cm-1);R为积分峰面积范围(cm-1)。

定性分析样品爆轰气体产物,组成主要包括:CO,CO2,HCN,CH4。对爆轰气体产物进行定量分析,可以看出,随着氧气含量的增加,CO和CO2含量逐渐增加,HCN含量先增加后迅速下降,CH4的含量逐渐下降。

本文中爆热弹内初始成分包括:不同含量的氧气、传爆药JH-14(主要成分为RDX),燃料包括:液态组分L,烷烃类化合物W,金属粉Al。

其中RDX的热分解主要包括N—NO2和H2C—N键同时断裂的竞争机理[14]:

(1)

L组分的产物分解机理比较复杂,但是关键步骤是O—NO2键的均裂反应,生成氮氧化物和碳氧化物。生成的氮氧化物又可以与式(1)中产物发生后续反应:

(2)

该反应是放出热量的来源,但由于NO较易与氧气生成NO2,而NO2又很容易与水发生反应生成酸,所以FTIR并未检测出氮氧化物的存在。

金属Al粉的还原性较强,几乎能与所有含氧的爆轰产物发生反应,除与氧气反应生成Al2O3外,Al还可能与CO和CO2发生如下反应:

(3)

其中产物Al4C3的化学性质很不稳定,体系中存在H2O时,Al4C3易与H2O发生如下反应:

(4)

上述反应只是FAE混合物中L组分与Al粉与RDX可能存在的一些反应情况。在爆轰产物高温、高压的条件下,可能存在的产物与产物、产物与反应物之间发生的物理和化学的变化过程将更加复杂,将在后续工作中深入开展此方面研究。

综合以上反应过程,分析导致爆热变化的主要原因:由于混合物本身为负氧状态,在爆炸反应瞬间,离解出大量单质碳,抛撒后的试样与爆热弹中的空气或氧气组成了爆炸性混合物,当氧气含量较少时,不足以将混合物中的C完全氧化,随着氧气含量的增加,C的氧化完全性更高,所以CO和CO2含量逐渐增加。同时由式(1)可以看出,爆轰反应产物中生成的少量HCN与RDX有关,式(1)中的上式与C—N键的断裂有关,是放热过程。下式与N—N键的断裂有关,是吸热过程。可见高的HCN生成量会降低反应释放的热量。所以从爆轰气体产物以及爆热的结果推测,随着氧气含量的增加,RDX的爆炸反应趋向于H2C—N键的断裂,同时生成的HCN还能够与氧气发生燃烧反应,释放热量。这2个因素的共同作用是导致HCN的含量下降以及爆热逐渐上升的原因。此外由式(3)和式(4)可知,在氧气含量较少时,Al与CO和CO2发生反应,也会导致二者含量下降,同时造成CH4生成量的增加。以上反应均为放热反应,从而导致爆热值逐渐增加。

2.3准静态压力结果及分析

利用准静态压力实验装置,测定了试样在标准状况和0.1 MPa氧气2种环境中的准态静压力,压力-时间(p-t)曲线如图2所示。

图2　准静态压力实验结果

从图中可以看出,曲线呈现周期性的振荡特性,并最终在某一压力值附近来回振荡。曲线中起始时刻后的10 ms之内,爆轰产物处于不断增加并且向外膨胀扩散的阶段,此阶段中存在传爆药柱爆炸冲击波遇到罐体不断反射、初始FAE试样抛撒后与周围环境气体湍流混合以及爆轰产物的湍流流动的综合作用,所以压力曲线的振荡特性显著。此外图2(a)较图2(b)前10 ms内的振荡更明显,这与FAE本身特性有较大关系:FAE试样在传爆药柱爆轰波作用下抛撒并逐渐发生爆轰及后燃烧反应,在氧气含量不充足的条件下,试样未完全发生爆轰,还会有少部分高速飞散的炸药试样打在仪器的结构壁面上,使得结构振幅增加,导致压力曲线的振荡幅度增大。然而，由于结构自身的对称稳定性,炸药在起爆一段时间后,结构的振动基本可以忽略,所以2幅图中起始时刻10 ms后的振荡幅度基本一致。同时可以看出,该阶段的压力振荡幅度减小。本文将压力-时间曲线中起始时刻后的10～20 ms内压力的平均值作为准静态压力的结果,得到标准状况和氧气条件下的结果分别为0.255 MPa和0.310 MPa。此时的压力是炸药高温爆轰产物气体总量以及炸药爆炸释放总能量的最终体现。可以初步推测,在氧气条件下,整个体系的含氧量增多,试样抛撒后与氧气接触的几率增大,增加了试样后燃烧的反应完全性,使得剩余的一部分化学能量在反应区过后的后燃阶段释放出来。虽然这部分能量不能用来支持前导冲击对下一层炸药的冲击压缩,但是却可以使爆轰产物气体总量增加。此外,从表2也可以看出,随着氧气含量的增加,爆热值逐渐增加,二者共同作用提高了试样的准静态压力,使得其较标准情况下有所提高。

3　结论

①爆热弹和傅里叶变换红外光谱仪的测试结果综合表明,随着环境中氧气含量的增加,混合物中C的氧化完全性更高,生成更多的CO和CO2,这一过程将释放出更多的热量；同时分析表明,HCN和CH4含量的变化也与爆热值的增加有关。

②炸药性能评估总是希望通过一个或者多个定量参数对其性能作出科学的评价。而准静态压力能够反映出FAE后燃烧过程的总能量,所以本文建议可将准静态压力实验作为评价FAE在密闭空间中性能的指标。

③液固混合FAE随着环境中含氧量的增加,爆热值和准静态压力逐渐增加,这与试样在氧化剂含量较充足时氧化完全性更高密切相关,从而大幅提高了液固混合FAE爆炸的能量释放率,为下一步FAE配方设计提供技术支持。

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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,研究方向为混合炸药性能评估。E-mail:jiangxibonj@163.com。

赵省向(1963- ),男,研究员,研究方向为混合炸药。E-mail:zhaosx204@163.com。

TJ55;O389

A

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