黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究

荣吉利， 赵自通， 冯志伟， 韦辉阳， 潘昊， 徐洪涛， 辛鹏飞

(1.北京理工大学 宇航学院, 北京 100081; 2.北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;3.西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065; 4.北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

0 引言

黑索今(RDX)基含铝炸药是一种军用高能炸药，其广泛用于填装鱼雷等水中兵器战斗部。RDX基含铝炸药在水下爆炸过程中，铝粉的二次反应会释放出大量能量，极大影响了水下爆炸性能和能量结构分布，进而影响毁伤效果。因此，研究RDX基含铝炸药水下爆炸性能可以为新型含铝炸药研制与水中兵器高效毁伤提供科学可靠的依据。

国内外学者关于含铝炸药水下爆炸的研究开展了很多工作。朱锡等[1]、牟金磊等[2]在水箱中开展了TNT炸药水下爆炸实验，得到了不同药量下水下爆炸气泡最大半径和脉动周期等实验数据，研究了水下爆炸能量输出结构。冯凇等[3-4]在水箱中开展了CL-20基含铝炸药水下爆炸实验，采用高速摄影技术观测到了气泡脉动过程，证明了水下爆炸测试技术与高速相机摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段，结合数值仿真对比分析了CL-20基含铝与非含铝炸药水下爆炸性能。项大林等[5]进行了水下爆炸实验，测量了距爆心1～3 m处的冲击波压力峰值与气泡脉动周期，拟合得到了冲击波压力峰值与衰减时间常数的相似律系数。项大林等[6]结合水下爆炸实验与MSC.DYTRAN软件分析了RDX/AP基含铝炸药水下爆炸性能差异。王树山等[7]为了研究爆炸水幕形态与水流场变化之间的关系，设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统，获得了3种典型气泡形态和6种典型水幕形态。荣吉利等[8]对1 kg柱形某含铝炸药进行了水下5 m的水池爆炸实验，并基于AUTODYN软件对含铝炸药水下爆炸冲击波与气泡脉动进行了模拟，研究了非理想爆轰对冲击波与气泡脉动特性的影响。梁浩哲等[9]利用AUTODYN数值模拟软件对深水条件下TNT爆炸过程进行计算，分析了水下爆炸冲击波压力衰减过程和气泡脉动过程。然而，在水下爆炸的实验研究方面，前人主要是在水箱中进行水下爆炸实验的，水下爆炸过程中冲击波在水箱壁面的反射，会直接影响气泡脉动过程。在铝粉的二次反应对含铝炸药水下爆炸气泡脉动的影响分析方面，前人主要是借助仿真数据进行分析的。

本文为了更准确地研究RDX基含铝炸药水下爆炸性能。在户外水池中开展了不同含铝量及不同药量的RDX基含铝炸药水下爆炸实验，采用高速摄影机拍摄到清晰的气泡脉动图像，采用压力传感器对水中压力进行实时测量。在该实验条件下，首次拍摄到RDX基含铝炸药水下爆炸过程中二次反应现象，证明了铝粉的二次反应是毫秒量级的。根据实验数据对比分析了不同含铝量的RDX基含铝炸药水下爆炸过程中气泡脉动特性以及水流场压力特性。

1 水下爆炸实验

1.1 实验装置

RDX基含铝炸药水下爆炸实验是在两个户外水池中进行的。由于5 g药量便于进行气泡脉动的观测，在1号水池中进行5 g药量不同配方的RDX基含铝炸药水下爆炸实验，图1是1号水池水下爆炸实验示意图；50 g药量便于分析不同含铝量下水流场压力的差异，在2号水池中进行50 g药量不同配方的RDX基含铝炸药水下爆炸实验，图2是2号水池水下爆炸实验示意图。

实验中选用美国PCB138系列水下激波压力传感器，实验前对传感器进行了标定，传感器位置与炸药中心在同一高度。信号适配器采用美国PCB483C30信号适配器。实验中选用HBM公司生产的数据采集系统，采样速度为20 Mb/s. 实验选用的高速相机是德国PCO公司生产的高速相机，实验中相机频率为1 000帧/s.

1.2 实验方案制定

水下爆炸实验中选用的实验炸药均采用圆柱形压装方式，药量分别是5 g以及50 g，具体配方均如表1所示。

表1 RDX基含铝炸药配方

2 实验结果与分析

2.1 含铝炸药水下爆炸气泡脉动图像分析

图3是5 g含铝量为30%的RDX基含铝炸药水下爆炸气泡脉动过程图像。从气泡脉动图像中可以清晰地观察到气泡脉动过程，图3中的亮斑是气泡脉动过程中铝粉的二次反应现象。RDX基含铝炸药起爆后，高温高压爆炸产物压缩周围水介质迅速膨胀。在膨胀初期，爆炸产物内高温高压环境导致一部分铝粉发生二次反应，增强了气泡脉动能力。随着气泡继续膨胀，气泡内的压力越来越小，铝粉的二次反应也越来越弱。在惯性作用下气泡膨胀到最大半径时，气泡内的压力已经小于周围水流场的压力，铝粉的二次反应几乎不发生。随后气泡因为内外压力差进入收缩阶段，气泡内的压力也在逐渐增大。当气泡收缩到最小半径时，即t=62 ms时，气泡内的压力最大，此时又有一部分的铝粉发生了二次反应。接着气泡上表面向气泡内部凹陷，产生竖直向下的射流。

目前国内外学者对含铝炸药水下爆炸过程中铝粉的反应时间问题一直存在着异议。Cook等[10]提出的二次反应理论认为铝粉是惰性物质在爆轰区内不反应，铝粉是在爆轰产物膨胀阶段与爆轰产物发生反应，即二次反应。二次反应的时间为爆轰结束后的十几到几十微秒。而Mader[11]认为铝粉一般是在爆轰反应区内反应的，其能量可以支持爆轰波传播。Baudin等[12]、Guirguis等[13]在1993年提出铝粉是在十几至上百微秒内反应完全的。通过图3可以看出，含铝量为30%的5 g RDX基含铝炸药水下爆炸过程中，铝粉在气泡膨胀阶段和收缩阶段都发生了二次反应，证明了RDX基含铝炸药的二次反应是毫秒量级的，并且铝粉在气泡膨胀初期和气泡收缩末期阶段都发生了二次反应。

2.2 气泡脉动规律对比分析

本节基于5 g炸药组的实验数据分析了RDX基含铝炸药水下爆炸过程中气泡脉动特性。

图4是实验测得的不同含铝量的5 g RDX基含铝炸药水下爆炸气泡半径时程曲线，其中R为气泡半径。从图4中可以明显看出，RDX单质炸药的最大半径和周期明显小于RDX基含铝炸药。结合表2，其中Rmax为气泡最大半径，T为气泡脉动周期。RDX单质炸药的气泡最大半径为287.8 mm，30%含铝量的RDX基含铝炸药气泡最大半径为341.4 mm，与单质炸药相比气泡最大半径增大了18.6%；单质的气泡脉动周期为54 ms，30%含铝量的气泡脉动周期为62ms，与单质相比气泡脉动周期增大了14.8%。这充分说明了铝粉的二次反应可以有效地增大气泡膨胀的最大半径以及气泡脉动周期。从图4中还可以发现，含铝量的变化影响着气泡脉动的最大半径和周期。在含铝量为30%以内时，随着含铝量的增加，气泡最大半径在逐渐增大，气泡脉动周期也在逐渐增大。

表2 5 g RDX基含铝炸药气泡最大半径及周期

图5是5 g不同含铝量的RDX基含铝炸药水下爆炸气泡脉动速度v时程曲线。图6是5 g不同含铝量的RDX基含铝炸药水下爆炸气泡脉动加速度a时程曲线。在炸药爆轰完成后，气泡初始速度和加速度均最大，随后速度和加速度均减小；当气泡膨胀到最大半径时，气泡膨胀速度减小为0；在气泡收缩阶段，气泡运动方向发生变化，速度和加速度均在逐渐增大，直到一次气泡脉动结束。RDX基含铝炸药水下爆炸过程中铝粉的二次反应对气泡脉动的速度和加速度均有一定影响。

图5 5 g RDX基含铝炸药水下爆炸气泡脉动速度时程曲线Fig.5 Time-history curves of pulsating velocity of bubble for 5 g RDX-based aluminized explosives

2.3 水流场压力对比

本节基于50 g炸药组的实验数据分析了RDX基含铝炸药水下爆炸过程中水流场的压力特性。

图7是冲击波压力传感器测得的50 g含铝量为30%RDX基含铝炸药在爆距为2 m处的冲击波压力p时程曲线。

图7 含铝量为30%的50 g RDX基含铝炸药在爆距2 m处冲击波压力时程曲线Fig.7 Pressure history of shock wave of 50 g RDX-based aluminized explosive with aluminum cotent of 30% at detonation distance of 2 m

图8是50 g RDX单质炸药与50 g含铝量为30%RDX基含铝炸药在爆距为2 m处的冲击波压力p时程曲线对比图。从图8中可以看出，RDX单质炸药和RDX基含铝炸药的冲击波压力峰值基本一致，说明RDX基含铝炸药水下爆炸过程中铝粉的二次反应对冲击波峰值的影响很小。在冲击波后期，RDX基含铝炸药的冲击波压力曲线在RDX单质炸药的冲击波压力时程曲线的上方，说明铝粉的二次反应减缓了冲击波的衰减速度。图9对比了50 g不同含铝量下RDX基炸药在不同爆距下的冲击波压力峰值，其中L表示爆距。由图9可见，不同含铝量下冲击波峰值基本一致，这也说明了水下爆炸过程中铝粉的二次反应对冲击波峰值的影响很小。爆距从1 m增大到4 m，冲击波峰值压力值衰减了78%，说明随着爆距的增大，冲击波压力峰值在迅速衰减。

图8 50 g单质炸药含铝量为30%的与50 g RDX基含铝炸药在爆距2 m处冲击波压力时程曲线对比Fig.8 Comparison of pressure history curves of shock waves of 50 g single compound explosive and 50 g RDX-based aluminized explosive at detonation distance of 2 m

图9 50 g RDX基含铝炸药水下爆炸压力峰值随爆距的变化Fig.9 Peak-pressure vs. distance for different 50 g RDX-based aluminized explosives

冲击波过后，气泡先膨胀又收缩，当气泡收缩到最小时，水中的压力又逐渐上升，出现二次压力波，二次压力波的峰值就是气泡脉动压力峰值。图7中110～120 ms产生的峰值即气泡脉动压力峰值。图10是50 g不同含铝量下RDX基含铝炸药在爆距2 m处的气泡脉动压力峰值对比图。与单质RDX炸药对比可以看出，RDX基含铝炸药水下爆炸过程中铝粉的二次反应增大了气泡脉动能力，使得RDX基含铝炸药的气泡脉动压力峰值明显大于RDX单质炸药的气泡脉动压力峰值。从图10中还可以看出，含铝量在30%以内时，随着含铝量的增大，气泡脉动压力不断地增大，最大可增大至RDX单质炸药气泡脉动压力峰值的2.3倍。

图10 爆距2 m处的气泡脉动压力峰值随着含铝量的变化Fig.10 Pressure peak of bubble pulsation vs. aluminium content at detonation distance of 2 m

2.4 能量结构分布对比

本节基于50 g炸药组的实验数据分析了RDX基含铝炸药水下爆炸能量结构分布。

水下爆炸过程中，爆轰波传播到炸药与水交界处时，爆炸能量一部分以初始冲击波的形式在水中传播，剩余部分能量则保留在气泡中，维持后续的气泡脉动。随着冲击波的传播，冲击波能逐渐减少，所以不同爆距处的冲击波能是不同的。水下爆炸的总能量可以表示为

E=Es+Eb+El，

(1)

式中：E表示水下爆炸总能量；Es表示冲击波能；Eb表示气泡能；El表示损失的冲击波能。

冲击波能[14]为

(2)

式中：ρw表示水介质的密度；cw表示水介质的声速；θ表示冲击波衰减常数。

气泡能[14]为

(3)

式中：ph表示爆心处的静水压；Tb表示第一次气泡脉动周期。

图11对比了不同含铝量的50 g RDX基含铝炸药水下爆炸的冲击波能和气泡能，其中冲击波能表示的是距离爆心2 m处的冲击波能。表3是对应的冲击波能与气泡能的值。从图11、表3中可以看出：铝粉的二次反应对冲击波能的影响很小，对气泡能的影响很大；含铝量在30%以内，随着含铝量增大，气泡能在不断增大，最大增大到RDX单质炸药水下爆炸气泡能的1.7倍。

图11 爆距2 m处的冲击波能和气泡能随着含铝量的变化Fig.11 Shock wave energy and bubble energy vs. aluminium content at detonation distance of 2 m

表3 不同含铝量下冲击波能和气泡能

3 结论

本文在户外水池中开展了不同药量和含铝量的RDX基含铝炸药水下爆炸实验，采用高速相机拍摄到清晰的气泡脉动图像，利用压力传感器对水中压力进行实时测量。通过实验数据分析得到以下结论：

1)首次拍摄到RDX基含铝炸药水下爆炸过程中二次反应现象，证明了RDX基含铝炸药的二次反应是毫秒量级的，并且铝粉的二次反应现象在气泡的膨胀初期和气泡收缩的末期阶段都发生了。

2)铝粉的二次反应明显增大了气泡脉动能力。含铝量在30%以内时，随着含铝量增大，气泡最大半径和脉动周期都在持续增大，气泡最大半径增大了19%，脉动周期增大了15%。铝粉的二次反应对气泡脉动速度和加速度都有一定影响。

3)铝粉的二次反应对冲击波峰值的影响很小，但可以减缓冲击波的衰减速度。铝粉的二次反应对气泡脉动压力峰值的影响很大，含铝量在30%以内时，随着含铝量增大，气泡的脉动压力最大可增大至RDX单质炸药气泡脉动压力峰值的2.3倍。

4)铝粉的二次反应影响了水下爆炸能量结构分布。铝粉的二次反应对冲击波能影响很小，对气泡能影响很大。含铝量在30%以内，随着含铝量增大，气泡能在不断增大，最大增大到RDX单质炸药水下爆炸气泡能的1.7倍。