铝粉粒度对奥克托今基空爆温压炸药能量释放的影响

2019-08-06朴忠杰张爱娥罗宇欧亚鹏焦清介

兵工学报 2019年6期

朴忠杰，张爱娥，罗宇，欧亚鹏，焦清介

(1.中国运载火箭技术研究院北京航天长征飞行器研究所，北京 100074；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

0 引言

自从美国在民兵洲际导弹上第一次应用含铝复合固体推进剂以来，铝粉就因其极高的放热量被广泛应用在火炸药中，以提高能量密度[1]。含铝温压炸药(TBX)是一种能够有效利用外部环境中的氧参与后燃烧反应，实现高能毁伤的新型炸药。对TBX爆炸过程的研究[2-4]发现，TBX的反应分为3个阶段：第1阶段为TBX配方中高能炸药(如奥克托今(HMX)、黑索今(RDX)等)的爆轰；第2阶段为氧化剂(高氯酸铵(AP))的分解及高温高压爆轰产物与金属燃料(如铝粉)的反应；第3阶段为未完全反应的爆轰产物与周围环境的湍流混合及后续燃烧反应，此阶段大大提高了对距爆源较远软目标的杀伤效果，是TBX特有的反应过程。但该过程爆轰产物体积已经膨胀数十倍，随之急剧下降的温度、压力场已经无法使燃料充分反应，尤其是空爆型TBX，第3阶段在完全无约束条件下进行[5]，燃料粒子浓度比减小，与氧化性爆轰产物及空气中的氧难以深度混合。因此，在设计空爆TBX配方时必须采取降低燃料点火阈值的措施，最常用方法有燃料的纳米化或活性包覆等[6-7]。由于纳米铝粉的比表面积过大，导致其存在团聚、工艺性差、活性铝含量低[8]等缺点，目前很难在混合炸药中得到应用。因此研究不同粒度的微米级铝粉在TBX中的行为更具有现实意义[9]。

陈朗等[10]对含铝炸药进行了圆筒试验及数值模拟研究，发现铝粉主要在爆轰后期与炸药爆轰产物发生反应、释放能量。李媛媛等[11]对比了不同氧含量环境下含铝炸药的爆热差异，其实质即为氧含量的增加会带来能量释放率的提升。此外，任新联等[12]研究了铝粉粒度对RDX基含铝炸药水下爆炸特性的影响，研究发现随微米铝粉粒度的减小，反应速率加快，对近场冲击波传播速度及波阵面压力都起到了积极作用。韩勇等[13]对RDX/AP/铝粉混合炸药的研究发现，RDX/AP比例一定时，铝粉含量的增加会导致爆压减小，而后期能量释放增加。该配方与TBX的设计原理基本一致，但单纯研究RDX/AP比例并不能较全面地研究能量释放的机理。

由于表述TBX后燃烧效应的方法尚无定论，国内外关于TBX性能及其测试方法的研究不胜枚举。金朋刚等[14]测试了梯恩梯(TNT)在密闭环境中的能量释放特性以研究富燃炸药的能量释放形式，得出了TNT在实际应用中反应完全性低，未完全反应的爆轰产物与环境中的氧还能进一步发生燃烧反应，并提高炸药准静态压力的结论。Trzciński等[15]综述了国外现有的几类固态、液态TBX及其爆轰性能的测试方法，包括温度场、准静态压力及炸药颗粒的抛洒范围，但冲击波超压仍然是评价TBX性能的主要指标。

虽然目前对含铝炸药能量释放的规律以及铝粉的后燃烧效应有了一定的研究基础，但在空爆TBX这种多组元复杂体系中，铝粉的反应机理及其对能量释放的影响尚无统一的认识。本文首先对TNT在空爆条件下的超压场进行了实验研究，以此作为参照，采用实验与模拟相结合的手段研究了含有不同粒度微米级铝粉的TBX空爆超压场，并分析了造成超压场差异现象的原因，初步研究了空爆TBX的能量释放规律。同时，以实验数据验证了数值模拟计算的准确性，并采用计算方法预测了大药量TBX的有效毁伤半径。本文研究思路及所获结论对无法进行多次实验测定的大药量TBX设计及能量水平预估具有参考价值。

1 实验部分

1.1 实验材料及样品制备

球形铝粉，鞍钢实业微细铝粉有限公司生产，两种规格分别为FLQT3，FLQT5；AP，端羟基聚丁二烯(HTPB)基黏结剂体系组分，山西北化关铝化工有限公司生产。按照表1所示的空爆TBX配方，使用湖北航天化学技术研究所生产的5 L行星桨捏合机，采用真空捏合工艺制备浇注PBX药浆，捏合完成后将5 kg药浆振动浇注于内径150 mm的模具内，固化约5 d后得到炸药药柱。基准炸药为质量同样为5 kg的TNT熔铸炸药药柱。

表1 空爆TBX配方组成

1.2 测试条件

使用英国Malvern公司生产的Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪对铝粉的中位径进行表征，使用环己烷作为分散剂，对样品进行超声分散，3个配方中的铝粉粒径分布如图1所示。根据曾亮等[8]研究，铝粉表面氧化铝壳层厚度及活性铝含量可按照(1)式计算:

δ=56.514(1-e-0.037 8d)，

(1)

(2)

式中：δ为氧化层厚度；X为活性铝含量；d为铝粉粒径；ρAl为铝的密度；ρAl2O3为氧化铝的密度。由(1)式可求得FLQT3中Al2O3的含量为0.72%，FLQT5中Al2O3的含量为2.4%.

图1 铝粉颗粒分布曲线Fig.1 Size distribution curves of aluminum powder

超压场实验采用北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室自主研制的带有壁面压力传感器的DPR10型自存储式数字压力记录仪，测量空气冲击波在地面上的扫射压力。使用数字压力记录仪时，数字压力记录仪须放入专用埋设罐体，安装在预先挖好的坑内，数字压力记录仪的工作表面、埋设罐体的上表面和地表面设置在同一平面上，以防止冲击波掠过传感器工作表面时产生不规则绕流的影响。TBX炸点高度为1.5 m，以爆心地面投影位置为圆心，传感器布置在3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m处，每个测试距离安装3个传感器，各自存储式数字压力记录仪经网络同步线依次相连，形成闭环测试网络，安装传感器时尽量扩大传感器之间的距离，避免不同传感器之间相互影响。野外静爆超压场测试传感器现场布置情况如图2所示。

图2 野外静爆超压场测试传感器布置图Fig.2 DPR layout for field overpressure measurement

2 实验结果与讨论

2.1 TNT空爆超压场分析

为了研究炸药空爆状态下的能量释放率及超压场规律，以TNT为基准炸药，测试野外近地空爆情况下的冲击波超压场。如图3所示，3 m处的超压值为0.62 MPa，超压传播距离的增加呈指数形式衰减，13 m处的超压为0.026 MPa. 由于空爆TBX在远场处的主要作战任务是对有生目标进行毁伤，根据对温压弹人员毁伤效能的研究，认为冲击波超压超过0.05 MPa即可对人员达到中度以上的毁伤[16]。根据拟合所得的超压- 距离指数函数关系，可以得出5 kg TNT的有效毁伤半径为9.58 m. 图3中，ΔpTNT为各测点入射冲击波超压值(kPa)；r为压力传感器测点距爆心距离(m)。

图3 5 kg TNT炸药静爆超压曲线Fig.3 Overpressure curves of 5 kg TNT field explosion

2.2 空爆TBX的能量释放规律

3种不同配方的TBX实测超压值如图4所示，根据实测超压数据拟合得到的TBX超压- 距离指数公式，3个TBX样品的有效超压毁伤范围均超过11 m，尤其是TBX-1在11.54 m处的超压仍高于0.05 MPa，较TNT的毁伤范围提高了20%. 图4同时还给出了根据TBX爆炸超压相似率公式((4)式和(5)式)[5,17]计算的TBX在各距离的超压值。

(3)

(4)

(5)

图4 5 kg不同配方TBX的实测超压及相似率计算超压结果Fig.4 Overpressure curves of 5 kg TBXs field explosion, and calculated result of blasting similarity

结合图3中TNT的冲击波超压曲线，可以换算出TBX在各观测距离处的超压TNT当量，如图5所示。3种TBX在3 m处的换算TNT当量仅约为1.2倍TNT当量，可知含铝TBX在近地空爆情况下的能量释放在近场处无法达到设计当量。造成这种现象的原因可能是铝粉在爆轰初期并不参与反应，无法对爆热作出贡献，因此3 m处的超压主要取决于配方中的高能炸药及氧化剂。通过采用惰性组分氟化锂替代TBX配方中的铝粉[18]，运用爆轰参数计算软件Explo 5可计算得到TBX配方中的HMX和AP对爆热的贡献约为5 300 J/g. 而TBX在3 m处的冲击波超压换算得到的TNT当量接近HMX与AP的爆热当量，可见在这一阶段虽然铝粉未参与反应，对爆热没有贡献，但也并不起到“削弱”的作用。对应于真正铝粉起到消极影响的阶段，HMX和AP反应产生的热量有一部分用来加热铝粉，导致这一阶段爆热对冲击波超压的贡献降低，超压发生衰减现象，这种现象体现在5 m处的超压仅相当于约0.9倍TNT当量。

图5 3种配方TBX在不同距离处的超压TNT当量Fig.5 TNT equivalents of TBX samples at different distances

随着部分铝粉被加热至点火阈值，铝粉开始反应并放出热量，此阶段铝粉对爆热作出积极贡献，具体表现为从7 m开始，TNT当量随距离的增加逐渐升高，经过Explo5计算，TBX的粒子速度约为1 500 m/s. 不考虑速度衰减，粒子抛洒至7 m处约需要4 ms，这一时间与铝粒子在爆轰产物中的燃烧时间基本一致[19-21]。TBX-1和TBX-3在13 m处的超压都超过了1.9倍TNT当量，尤其是TBX-1在13 m处的超压相当于1.93倍TNT当量。结合TNT在此距离上的超压已衰减至接近大气压，因此可以推断，高能炸药与氧化剂在此距离上基本起不到较大的贡献。导致这一现象的原因是铝粉的后燃烧效应成为此阶段爆热的主要贡献因素。

2.3 铝粉粒度对TBX的影响

如图4所示，3种配方TBX的超压只存在细微的差别，在3 m处，只含有细铝粉的样品超压高于含有粗铝粉的样品，而采用颗粒级配的配方处于中间水平。导致这种差异的原因可能是不同粒径的铝粉对爆轰波阵面的弯曲程度及法向爆速较拟定态爆速的衰减程度不同，含细铝粉的TBX爆轰波阵面法向爆速受曲率效应的影响减弱[22]。根据实测超压与相似率计算所得超压的比值，可得到粗略的TBX在空爆情况下的能量释放率，如图6所示。由图6可知，3 m处的实测超压仅相当于约65%的能量释放率。

图6 3种配方TBX的能量释放率曲线Fig.6 Energy release rates of different TBXs

3种配方TBX在5 m处的冲击波超压基本保持了3 m处的特征，仍然是只含有细铝粉的样品超压值最大。但能量释放率进一步降低，仅为40%左右。值得注意的是，应用相似率计算所得的超压值也并非炸药在理论上完全释放其储能所得的超压，但由于通过近地面爆炸实测结果的修正，采用其计算的数值仍具有较大的实际意义。

随着冲击波超压传播距离的增加，在7 m处，含有细铝粉的TBX能量释放率虽然整体呈升高趋势，但释放率值却低于含有粗铝粉的TBX，并且差距逐渐增大，这与黄菊等[7]的研究结果基本一致，铝粉粒径与TBX远场的超压呈正相关。但铝粉吸收空气中的氧进行较长时间的后燃烧反应并不能很好地解释这一差异。导致这一现象的原因可能是多方面的，最有可能的两个原因分别为：1)细铝粉的燃烧阈值较低，燃烧反应发生在粗铝粉之前，因此远场处的能量释放率较低，这一解释可以从含细铝粉的TBX在3 m、5 m、7 m处的超压值较大得到证明；2)细铝粉由于比表面积较大，所含的氧化铝较多，导致后期反应燃料不足，这一点可以由含细铝粉的TBX在5 m处的能量释放率较高得到证明，因为氧化铝比热容小于铝，所以加热至相同温度所需热量较少，因此HMX和AP贡献的爆热损失较少。

综上所述，为了提高TBX的毁伤范围，需要保持温压药剂在远场处的持续燃烧，以维持较高的超压；细铝粉的燃烧反应集中在中近场，不能在TBX中单独使用。而粗铝粉的反应阈值较高，不利于提高TBX在C-J面的压力和初温。因此，需要在空爆型TBX中引入一定颗粒级配的铝粉，以同时提高能量释放率及远场超压。

3 超压场数值模拟

为了研究大当量TBX的冲击波超压场，首先基于实验所得的5 kg TBX数据进行有限元分析软件Autodyn模拟验证，分析其可行性，然后进行1 000 kg TBX的超压场模拟。采用Explo5软件对几个空爆TBX进行计算，求得炸药的爆轰参数、JWL状态方程及压力- 速度曲线等相关系数。状态方程参数选择BKWN状态方程，限定条件为最大爆压45 GPa，密度增长比1.025，密度衰减比1.10，冰点温度1 800 K，终止压力100 MPa.

由于Autodyn软件仅能模拟不同JWL系数的炸药爆炸冲击波效应，将氧化铝含量计算在配方之内，通过Explo5可求得含有不同氧化铝配方的JWL状态方程参数及爆轰参数，求得的参数如表2所示。建立模型的同时选择了考虑铝粉二级反应的Miller延伸模型[23]，以使含铝空爆TBX超压场的模拟更符合实际情况。

表2 Explo5软件计算所得不同配方TBX的相关参数

3.1 5 kg TBX的空爆超压场数值模拟

采用Autodyn软件对3种配方TBX炸药进行超压场模拟，爆源为5 kg球形装药。考虑地面的反射作用，建立1/4空气域模型，长为15 m，宽和高分别为2 m、2 m，在x轴、y轴、z轴3个方向的外侧平面施加透射边界，模拟无限大空气域；在Oxz平面和Oyz平面施加对称边界，底部Oxy平面不施加任何约束，默认为反射边界，以模拟地面的冲击波反射作用。由于超压场内的空气被冲击波压缩，并且距离爆心越近，空气被压缩及加热越严重[24]，因此必须对不同观测点处空气的绝热指数及空气密度进行回归校正。

采用校正得到的约束条件对3种配方TBX的压力进行计算，结果如图7所示(未扣除大气压)。由图7可见：仅含有粗铝粉的TBX中所含的氧化铝较少，由Explo5软件计算得到的JWL参数偏大，因此TBX-1的3 m处超压明显大于实验值；同样地，TBX-2的超压较实验值偏小，而TBX-3的超压与实验所得的结果一致，且超压的衰减程度及13 m处超压值也与实验结果吻合度较好，表明数值模拟能准确地表示含有粗细级配铝粉的TBX冲击波超压。

图7 不同配方5 kg TBX在各距离处压力- 时间模拟结果Fig.7 Numerically simulated results of p-t curves of different TBXs at different distances

3.2 1 000 kg TBX的数值模拟

通过(3)式可计算得到5 kg和1 000 kg TBX在相同比距离处的观测点位置，如表3所示。采用校正得到的约束条件对1 000 kg粗细级配铝粉的TBX-3在相同比距离处超压进行计算。如前文所述，5 kg装药的数值模拟以2.07倍当量的理论值进行计算，并采用实验值进行回归校正，因此，在1 000 kg装药的数值模拟中仍采用理论值2.07倍TNT当量。

表3 5 kg与1 000 kg装药观测点的比距离

由表3可知，1 000 kg TBX在76.0 m处的比距离与5 kg TBX在13 m处一致，因此设置空气域长度为80 m. 由于整个模型尺寸较大，为减少网格数量，提高计算效率，将宽和高设为2 m，每隔5 m设置1个观测点，共16个，观测在长度方向上的超压变化规律。处理计算结果，提取不同距离处的压力峰值，得到图8所示的冲击波压力随距离的变化曲线。

图8 1 000 kg TBX的近地爆炸压力模拟曲线Fig.8 Numerically simulated curves of 1 000 kg TBX near field explosion

由图8可知，在相同的比距离处，大装药量TBX的超压均大于小药量TBX的超压，表明TBX炸药是非理想装药，尺寸效应明显。因此大装药量TBX爆炸时，可以营造更好的高温高压环境，有利于铝粉的充分燃烧和能量释放。1 000 kg TBX-3在5 m处的超压值约为15.0 MPa，根据TNT爆炸相似率(5)式计算可得到1 000 kg TNT在5 m处的超压值为11.9 MPa，提高了26%；TNT的有效杀伤半径为48 m，而TBX-3的有效杀伤半径达到72 m，较TNT提高了约50%.