填充介质对火药装药爆轰性能的影响

王 鹏, 何卫东, 魏晓安

(1. 湖北航天化学技术研究所, 湖北 襄阳 441003; 2. 南京理工大学化工学院, 江苏 南京 290014)

1 引 言

火药是枪、炮等武器的能源,具有一定的使用寿命,在和平时期每年有大量火药因到期退役成为废弃火药。废弃火药传统的处理方法是采用露天燃烧、燃烧炉焚毁、熔融盐分解、生物降解、超临界流体氧化法等方法[1]进行销毁,不仅造成资源的浪费,而且易引起环境污染及爆炸等安全事故。为使废弃火药得到安全、环保的大批量处理与再利用,各国对废弃火药的资源化再利用技术进行了长期的研究[1-3]。

火药具有自供氧、易燃烧的特点,在一定外界条件作用下,可由燃烧转为爆轰[4]。陈晓明等[5]通过隔板试验研究了不同类型发射药的冲击波感度,发现在强约束的条件下,高能组分含量及药型尺寸会影响发射药的冲击波感度。姜夕博等[6]通过隔板实验和临界起爆压力实验,研究了退役单基发射药在强约束下的临界起爆特性,其临界起爆压力为1.35～1.49 GPa。由于形状尺寸、组分等原因,在弱约束的条件下,自然堆积的火药颗粒自身难以稳定爆轰。要直接利用火药颗粒的爆轰性能,需要采用某种可爆轰或可传爆的物质填充颗粒之间的空隙。蔡昇等[7]研究发现火药经过安全粉碎后,具有良好的爆轰性能,并发现火药粒度对其爆速有显著影响。废弃火药再利用的主要方法是将火药粉碎后,加入到乳化炸药、水胶或浆状炸药中或制成新型震源药柱[8-11],目前该方法已应用于工程中,取得了良好的经济及社会效益。魏晓安等[12]首次提出了含火药的灌注型炸药制备工艺,并研究了灌注型炸药的性能。该制备工艺避免了火药的粉碎,直接利用大粒径的废弃火药,工艺简单,安全性高,且制备的炸药爆速高、抗水性良好,具有良好的应用前景。国内学者研究了不同单基药类型、尺寸对灌注型炸药爆轰性能的影响[13-14],但较少研究填充介质的类型及氧平衡对灌注型炸药爆轰性能的影响。

基于此,本研究分析了在火药颗粒的间隙中分别填充水、氧化剂溶液、氧化剂凝胶等介质后,不同填充物对含火药颗粒装药爆轰性能的影响,测试了不同氧平衡的炸药装药水下爆炸能量输出特性,为废弃火药的再利用制备灌注型炸药提供理论和实验依据。

2 实验部分

2.1 试样的制备

将一定质量的退役7/14单基药颗粒(颗粒直径约5 mm,长约10 mm)自由堆积装填在直径60 mm、高度约150 mm的塑料药卷中,然后将水、含硝酸铵、硝酸钠的氧化剂溶液分别灌注于装药的空隙中,直至刚好浸没火药颗粒,样品编号分别为GZ-01、GZ-02,无填充介质的样品编号为GZ-00。在上述配置的氧化剂溶液中加入适量具有延迟凝聚作用的胶凝剂,搅拌均匀,灌注于火药装药的空隙中,放置一定时间后,氧化剂溶液的粘度逐渐增加,灌注液发生交联聚合,形成不具流动性的三维网络状凝胶,使火药颗粒固定成型,并均匀填充于装药的空隙。改变氧化剂溶液中硝酸铵、硝酸钠的质量分数,调节灌注液的氧平衡及其密度,制备不同氧平衡的试样编号为GZ-03、GZ-04,不同试样的氧平衡及填充介质密度见表1。

表1 不同试样的基本性能

Table 1 Fundamental characteristics of different samples

samplemediumdensityofmedium/g·cm-3oxygenbalanceofchargeGZ-00air0.0012-0.357GZ-01water1.0-0.236GZ-02oxidantsolution1.38-0.142GZ-03oxidantgel1.40-0.137GZ-04oxidantgel1.42-0.084

2.2 板痕试验

采用板痕实验测试GZ-00、GZ-01、GZ-02 、GZ-03 4种样品的爆轰性能,板痕实验装置示意图如图1所示。测试方法为: 将装药垂直放在厚度为10 mm的Q235见证钢板上,在装药的上端垂直放直径40 mm、质量为22 g钝化黑索今传爆药柱(ρ=1.6 g·cm-3)及8#电雷管,然后起爆电雷管。根据炸药起爆后见证钢板上的压痕深度及破坏情况,可对火药装药是否发生爆轰进行比较。采用测时仪法,以电离探针测定火药装药的爆速。

图1 板痕试验示意图

1—雷管, 2—传爆药柱, 3—炸药装药, 4—钢板, 5—支架

Fig.1 Schematic diagram of the plate dent test

1—detonating cap, 2— booster pellet, 3—explosive sample, 4—steel plate, 5— stent

2.3 水下爆炸试验

测试采用的水池几何尺寸为Φ8.0 m×8.0 m。试样的入水深度为4.25 m,测试点距爆源2.5 m。试样质量约为400 g,直径为60 mm。每种试样平行测试两次,用8#电雷管及40 g钝化黑索今传爆药柱起爆试样。测试的仪器主要有: 美国PCB公司138A05型电气石水下传感器,灵敏度为1450 mV/MPa,美国PCB公司482A16型信号调理器,国产纵横公司JOVIAN 5200 数据采集仪等。测试结果计算方法详见文献[15]。水下爆炸试验示意图见图2。

图2 水下爆炸试验示意图

1—起爆线, 2—承重绳, 3—传输线缆, 4—试验支架, 5—炸药试样, 6—压力传感器

Fig.2 Scheme for underwater blast experimental arrangement

1—ignition cable, 2—load rope, 3—transmission cable, 4—experimental holder, 5—explosive sample, 6—pressure sensor

3 结果与讨论

3.1 填充介质对装药传爆性能的影响

4种样品起爆后见证钢板凹坑照片如图3所示。由图3可知,随着填充介质密度的增加,装药被起爆后产生的冲击波作用在见证钢板上,使得钢板的破坏程度逐渐增加,表明装药的爆轰传播能力不断增强,爆轰压力也逐渐提高。当填充氧化剂凝胶时(GZ-03),钢板被击穿,证明装药传播爆轰波,并发生稳定爆轰。

这可能是因为自由堆积的火药颗粒之间存在一定的空隙(空隙率约为48%),每个颗粒的尺寸没有达到爆轰的临界直径,传爆药柱产生的冲击波在空气中迅速衰减,不足以激发火药的自加速化学反应,因而迅速衰减为音波,部分火药颗粒发生燃烧并被抛散; 当水、氧化剂溶液等密实介质占据火药颗粒间的空隙时,因其可压缩性仅是空气的1/10000,有利于能量的传递及冲击波压力的提高,使得装药的爆轰传播能力增加,见证钢板有明显凹坑,表明火药装药发生了爆轰。

a. GZ-00 b. GZ-01

c. GZ-02 d. GZ-03

图3 填充介质对装药传爆性能的影响

Fig.3 Effect of filling medium on detonation propagation behavior of propellant charge

3.2 填充介质对装药爆速的影响

采用测时仪法用电离探针测定了4种样品的火药装药爆速,结果如表2所示。

表2 不同试样的爆速

Table 2 Detonation velocity of different sample

sampledensityofcharge/g·cm-3detonationvelocity/km·s-1GZ-000.83nodetonationGZ-011.264.93GZ-021.415.54GZ-031.436.30

由表2可知,随着水、氧化剂溶液、氧化剂凝胶等密实介质的加入,不仅填充了药粒的空隙,增加了装药密度,火药装药的爆速也逐渐增加。与未填充介质相比(GZ-00),水(GZ-01)、氧化剂溶液(GZ-02)、氧化剂凝胶(GZ-03)等填充火药颗粒的空隙后,有助于促进爆轰波持续传播,有效减缓冲击波能量的快速衰减。填充的氧化剂溶液及其凝胶加入后提高了装药的氧平衡,氧化剂参与爆轰过程的快速化学反应,释放出的能量使整个装药的总能量增加; 且氧化剂溶解后,使得多种组分可互相接触成为连续介质,有利于各组分及其分解产物之间加速发生化学反应,爆轰波能迅速成长及稳定传播,从而有助于提高装药的爆速。加入含氧化剂的密实介质后,火药装药具有良好的爆轰性能,其装药密度及爆速均高于乳化炸药[16]。

该装药结构属于非均质性,各组份的氧化或热分解能力存在较明显的差异,同时火药颗粒之间存在较小的孔隙。火药本身具有较高的能量,与组份中的硝酸铵等其他组分相比,容易发生氧化分解。当外界能量作用于装药时,微小气泡被绝热压缩,形成热点,引发火药发生快速的热分解,能量快速释放,进而引发整个装药的爆轰。

采用一种简易的计算方法[17],按照火药的假定化学式为C22.3046H27.4632O36.0241N9.1415,理论计算了不同填充介质的火药装药的爆轰参数,结果如表3所示。

表3 不同试样爆轰性能的计算结果

Table 3 Calculation results of detonation performance of different samples

sampleD/km·s-1p/GPaQV/kJ·kg-1V/L·kg-1GZ-015.127.115161023GZ-026.4314.53196894GZ-036.4814.83189894

Note:Dis the detonation velocity,pis the detonation pressure,QVis the heat of explosion,Vis the specific volume.

由表3可知,填充介质对火药装药的爆轰性能影响显著。当火药颗粒分别填充水(GZ-01)、氧化剂溶液(GZ-02)、氧化剂凝胶(GZ-03)时,装药的理论爆速、爆压逐渐增加。由于火药本身具有较高的能量及爆热,填充介质(低能量)加入后,装药的爆热降低。实际上由于含火药颗粒的装药为负氧平衡(表2),火药颗粒的粒度效应及组分的非均质性等因素的影响,火药装药为非理想爆轰,因此理论爆速高于实测值,但其变化趋势与实验值相吻合。

3.3 爆轰反应过程

GZ-03试样的爆轰反应过程高速摄影结果如图4所示,并GZ-00进行对比,见图5。试验采用美国Cook公司的PCO.dimax超高分辨率高速摄像机,拍摄速度为30000 帧/s,测试点距离爆源35 m。

由图4可知,填充介质为氧化剂凝胶的火药装药(GZ-03)起爆后,随着时间的增加,反应迅速加剧,爆轰波持续成长,球形火光的直径及火光强度逐渐增加。整个爆轰反应持续时间较短,只有约0.2 ms。之后化学反应逐渐减弱,并由爆轰开始转为燃烧阶段,至0.6 ms燃烧结束。该过程表明,炸药发生了明显的爆轰过程。由图5可知,GZ-00装药被起爆后,0.1 ms时,产生的冲击发光强度较弱,火球直径较小,2 ms后能观察到火药颗粒发生明显的燃烧过程,至20 ms时发生剧烈燃烧现象。观察整个摄影的动态画面,火药燃烧的过程长达约15 s,而且试验现场发现有较多的残留火药颗粒。结果表明填充介质为空气时,装药的颗粒仅发生抛撒并燃烧的现象。

a. 0 μs b. 0.1 ms

c. 0.2 ms d. 0.3 ms

e. 0.5 ms f. 0.6 ms

图4 GZ-03爆轰过程的高速摄影

Fig.4 Detonation process of GZ-03 by high speed photos

3.4 灌注液氧平衡对水下爆炸能量的影响

不同氧平衡的火药装药水下爆炸冲击波衰减曲线如图6所示,其能量输出特性与自制的铵油炸药、常用乳化炸药的性能比较如表4所示。

由于在一定直径的药卷中,7/14单基药颗粒堆积的体积空隙率为定值(约48%),因此,将不同氧化剂含量的灌注液填充于颗粒间的空隙中后,随着灌注液的氧平衡及密度的增加,火药装药的氧平衡及密度也逐渐增加,且装药中单基药的质量分数也逐渐降低。

a. 0 μs b. 0.1 ms

c. 0.2 ms d. 2.0 ms

e. 5.0 ms f. 20 ms

图5 GZ-00起爆后的高速摄影

Fig.5 Detonation process of GZ-00 by high speed photos

图6 不同氧平衡的火药装药冲击波p-t曲线

Fig.6 Shock wave curves ofp-tabout propellant charges with different oxygen balance

表4 不同炸药的水下爆炸能量

Table 4 Underwater output energies of different explosive

No.pm/MPaTb/msμes/kJ·g-1eb/kJ·g-1et/kJ·g-1QV/kJ·g-1GZ-0111.60165.421.0091.4972.5432.266GZ-0212.24172.451.3131.7963.1573.196GZ-0412.60190.881.4022.1483.6403.8822#rockemulsionexplosive[18]--0.5752.6073.182-1#rockemulsionexplosive[18]--0.6132.7983.411-ammoniumnitratefueloilexplosive0.7822.4333.225-

Note:pmis the peak pressure of shock wave,Tbis the period of the bubble pulsation,esis the specific shock energy,μis the shock loss factor,μesis the initial shock wave energy,ebis the specific bubble energy,etis the specific explosion energy ,QVis the heat of explosion of explosive.

炸药的水下爆炸能量分为两部分: 冲击波能和气泡能,前者表征炸药爆炸的冲击作用,后者表征炸药产生的爆轰气体产物膨胀作用。水下爆炸试验通过测定冲击波能和气泡能来表征炸药的作功能力。由图6、表5可知,当火药装药的氧平衡增加时,装药体系发生反应时会产生更多的高温、高压的气体及释放更多的热量,减缓了水中冲击波的衰减; 同时,反应放出的热量也增大了气泡的脉动周期Tb和比气泡能eb。因此,当炸药的氧平衡由严重的负氧平衡增加至接近零氧平衡时,炸药的水下爆炸能量随之增加,且炸药的总比能量et与其氧平衡存在显著的线性关系,相关拟合系数为0.9945,两者之间的关系为:

et=7.415OB+ 4.243

(1)

式中,et为炸药的总比能, kJ·g-1;OB为炸药的氧平衡,g·g-1。

结果表明,尽可能地将含氧量高的密实填充介质加入到火药装药中,改善其氧平衡,可提高装药的作功能力。与岩石乳化炸药[18]、自制多孔粒状铵油炸药的水下爆炸能量相比,填充高氧平衡的氧化剂凝胶的单基药装药的比冲击波能较高,总比能接近。

因此,在火药颗粒的装药中填充含氧化剂的密实介质后,可使其稳定爆轰且具有良好的爆轰性能及作功能力。利用该特点,可将废弃火药颗粒再利用,将其制成灌注型工业炸药,且该方法工艺简单、安全,具有良好的应用前景。

4 结 论

(1)理论计算及实验结果表明,随着水、氧化剂溶液、氧化剂凝胶的填充,火药装药的爆轰传播能力逐渐增强,爆速随之增加。

(2)随着填充液氧平衡的增加,含单基药的装药负氧平衡显著改善,水下爆炸的比冲击波能及比气泡能逐渐增加,总比能et与其氧平衡呈线性关系,et=7.415OB+4.243。

(3)填充氧化剂凝胶后,火药装药具有良好的爆轰性能,其理论爆速最高可达6.48 km·s-1,比冲击波能高于1.0 kJ·g-1,显著高于岩石乳化炸药、铵油炸药,总比能基本相当。

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