不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸能量输出特性

阚润哲， 聂建新， 郭学永， 闫石， 焦清介， 张韬

(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

深海蕴含着丰富的资源，同时也具有极其重要的军事价值。近年来，世界各主要海洋国家充分认识到深海在未来国家经济和国土安全中的重要地位，纷纷加大了相关领域的资金和人力投入。目前，各国潜艇潜深一般在500～650 m，最大可达1 000 m，而2019年美国海军战略研究小组认为900 m至海床为其作战空间。因此，未来无论是力争在深海资源开发中占得先机，还是力求在未来深海空间防卫中占据主动，都使得深水爆炸研究变得极为迫切，同时也具有重要意义。

深水环境中，受水深导致的静水压力的变化，爆炸载荷以及能量结构将发生一定的改变。国外在20世纪中期便开展了不同水深下炸药爆炸特性的研究。Cole等作为水下爆炸理论的奠基人，除进行水下爆炸理论研究外，还记录了260 m水深内的大量实验结果。Slifko在大西洋开展了水深500～14 000英尺的海上实验，得到水深对炸药冲击波超压、冲量以及气泡脉动周期等爆炸参数的影响规律，这是目前最早也是最完整的深海实验研究。国内深水爆炸研究虽然起步较晚但近年来成果丰硕，马坤等通过密闭水箱测试系统开展了小当量药球100 m水深条件内的深水爆炸实验，获得的气泡脉动周期及最大半径随水深增加而降低。Xiao等在南海深海海域开展了TNT药包在300 m深度内的爆炸实验，获得的冲击波峰值压力随水深增加而降低。梁浩哲等应用AUTODYN软件研究了100～2 000 m水深环境下TNT装药水下爆炸冲击波压力衰减过程和气泡脉动过程，发现深水爆炸气泡最大半径和脉动周期均变小，并且随着水深的增加，比冲击波能减少、比气泡能增加。王长利等对50～300 m水深条件下耐压舱体结构在聚能装药作用下的毁伤效应进行研究，获得的冲击波压力峰值受水深的影响较小。Liang等使用压力容器研究200 m、300 m和350 m深水爆炸气泡脉动过程中发现，在深水爆炸中较难形成球形气泡，气泡最大半径和脉动周期都随着水深的增加而减小，水深变化改变了深水爆炸能量释放过程。

铝氧比作为影响复合炸药水下爆炸能量输出特性的重要因素，成为研究者关注的热点。杨斐等研究发现3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱/Al/高氯酸铵(AP)炸药随着铝氧比的增加，比冲击波能在0.3时最大，比气泡能一直增加，铝氧比0.6左右时，炸药能量利用率最高。Zhao等通过水下爆炸实验发现黑索今(RDX)含量一定时，比冲击波能、比气泡能和总能量随铝氧比的增加而增加，更多的铝反应产生的能量被用来增加气泡的能量。Xiang等通过不同铝氧比奥克托今(HMX)基和RDX/AP基含铝炸药水下爆炸实验发现，随着铝氧比的增大，冲击波峰值压力、比冲击波能以及比气泡能均先增大后减小，并通过调整铝氧比实现了水下能量输出结构的调控。此外，Xiao等对不同粒径和铝氧比RDX/AP基含铝炸药水下爆炸能量输出特性的研究结果表明，铝氧比对炸药的比冲击波能和比气泡能有较大的影响，使用小粒度铝粉有利于爆炸总能量的提高。在CL-20炸药水下爆炸研究中，Feng等、冯凇等通过实验水箱首次直观地拍摄到CL-20基含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象，即CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期较明显升高，但冲击波峰值压力略有下降。王秋实等和孙晓乐等进行了不同铝氧比CL-20基含铝炸药浅水爆炸实验并获得了相同结论，即比冲击波能、比气泡能与总能量先增加后减少，改变铝氧比可调节水下爆炸能量输出结构。机理研究方面，胡宏伟等、Hu等研究了CL-20基含铝炸药水下爆炸反应机理后发现，CL-20基含铝炸药中只有少部分铝粉参与了早期爆轰反应，铝粉含量和粒径对炸药的二次反应有显著影响，纳米铝粉增强了早期爆轰反应，提高了冲击波峰值压力，而微铝粉保持了较高的比气泡能。

综上所述，近年来国内外针对多种含铝炸药浅水爆炸特性的研究较充分，获得了大量铝氧比对水下爆炸能量输出特性影响规律。但高静水压环境使得深水爆炸比冲击波能、比气泡能以及气泡半径等参数相对浅水爆炸发生变化，导致含铝炸药深水爆炸能量输出规律与浅水条件获得的规律差异较大，故对于深水环境中炸药能量输出特性的研究具有重要意义。

本文利用深水爆炸压力罐模拟500 m水深条件，进行不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸实验，基于深水爆炸实验数据系统地分析高静水压条件下铝氧比对含铝炸药爆炸能量输出结构的影响规律，以期为CL-20基含铝炸药深水爆炸能量输出调控提供理论依据。

1 深水爆炸实验

1.1 实验装置

本文实验采用直径为7 m的球壳型结构深水爆炸压力罐，通过外置加压系统对罐体内部进行加压以模拟深水环境，静水压力使用苏州天康自动化有限公司生产的CYB-20S型电子水下传感器测量。实验时，待测药包位于压力罐中心，药包周围共布置3个压力传感器，距药包分别为0.625 m、1.0 m和2.0 m。实验选用美国PCB公司生产的138A型电气石水下传感器，所有压力传感器均安装在支架上，支架通过缆绳悬吊于压力罐中，并使传感器与药包位于同一水平面上。实验前对传感器进行了标定，数据采集仪选用德国HBM公司生产的GEN 7tA型数据采集仪，采样率均为40 kHz。深水爆炸压力罐及其实验布置如图1所示，实验在静水压5 MPa下进行，使用标准TNT药包对此压力环境下的测试系统进行标定。

图1 深水爆炸压力罐内药包及传感器布放示意图Fig.1 Schematic diagram of charge and sensor layout in deep-water explosion pressure tank

1.2 实验方案

深水爆炸实验使用圆柱形压装CL-20基含铝炸药，药柱直径为50 mm，高度为51.5 mm。铝氧比是单位质量复合炸药中铝元素与氧元素物质的量之比，故本文实验通过改变样品中铝粉含量制备6组不同铝氧比CL-20基含铝炸药实验样品，样品具体参数如表1所示。为保证起爆完全性，每个主药柱使用50 g尺寸为45 mm×19 mm的JH-14(RDX∶石蜡=95∶5)扩爆药柱，样品实物如图2所示。使用EXPLO 5程序计算样品理论储能及JWL状态方程参数，同时计算初始燃烧温度，结果记录于表1中。

表1 CL-20基含铝炸药样品配比及爆轰参数Tab.1 Formulation and detonation parameters of CL-20-based aluminized explosives

图2 实验样品Fig.2 Photo of real charge

1.3 数据处理

炸药水下爆炸释放的总能量一般由比冲击波能、比气泡能和热损失能三部分组成，、之和称为水下爆炸机械能，如(1)式所示：

=+=++

(1)

、可通过测量一定爆距处的压力时程曲线获得，计算公式如下：

(2)

(3)

式中：、为测试系统的修正系数，由TNT装药计算结果和测试结果的比值标定；为测点到爆心的距离；为药包质量；、分别为水密度和声速；为冲击波到达时间；为时间常数，表示冲击波压力从峰值衰减到所需时间，为常数，=2718；()为压力时程；为气泡脉动周期。

1.4 实验结果

深水爆炸压力罐实验预置压力5 MPa，模拟水深为500 m，进行6组实验，记录各组深水爆炸压力时程曲线。根据13节数据处理方式，计算获得深水爆炸实验测试结果如表2所示。

2 实验结果与分析

2.1 深水爆炸压力时程曲线分析

实验通过内置压力传感器记录深水爆炸压力罐中爆炸冲击波压力时程曲线，图3所示为典型压力时程曲线图。由图3可见，样品起爆后，冲击波经过水介质传到压力传感器形成压力信号，之后压力迅速达到峰值然后快速衰减，紧接着传感器接收到气泡脉动波导致的压力信号，形成气泡脉动峰值。在这一过程中，由于受到压力罐壁面反射波的影响，记录到有规律的反射峰。

选取0625 m处的3组测试结果，对500 m深水环境不同铝氧比样品深水爆炸压力变化规律进行分析，得到压力时程曲线如图4所示。由图4可见：

表2 深水爆炸实验结果Tab.2 Experimental results of deep-water explosion

图3 深水压力罐中典型压力时程曲线Fig.3 Typical p-t curve in a deep-water pressure tank

铝氧比为067时冲击波峰值压力较低，但衰减较慢，这是因为在C-J面后爆轰产物的快速膨胀初期，少部分铝粉发生反应，如果其释放的能量高于铝粉在爆轰反应区内吸收的热量，则可以支持冲击波传播，当铝氧比为067时，铝粉含量较多，爆轰反应区吸热较多，使得冲击波峰值压力降低；当铝氧比分别为024和046时，冲击波峰值压力虽然较高，但由于铝粉含量较低，缺乏对冲击波的持续供能，导致冲击波的衰减速率较快，冲击波下降沿末端的压力较低。

图4 不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸压力时程曲线Fig.4 p-t curves of deep-water explosion pressure of CL-20-based aluminized explosives with different Al/O ratios

由图4还可知，铝氧比的变化对气泡脉动过程同样产生了较大的影响。当铝氧比分别为024和067时，随着铝氧比增大，气泡脉动周期变长，二次脉动压力峰值降低。其原因是铝粉在气泡内的燃烧为气泡脉动提供了能量，铝氧比的改变使得气泡内铝粉燃烧过程发生变化，导致气泡脉动压力与气泡脉动周期发生改变。

2.2 不同水深压力时程曲线分析

为了分析水深对水下爆炸的影响规律，在深水爆炸压力罐中选取铝氧比为024的CL-20基含铝炸药，进行常压水下爆炸实验。由于常压下气泡受深水爆炸罐刚性壁面的影响较大，只对冲击波压力时程曲线前段数据进行分析，研究静水压对冲击波影响规律。

常压条件下压力时程曲线如图5所示，计算获得距药包1 m处的冲击波峰值压力为3513 MPa，比冲击波能158 MJ/kg。由图5可以看出，5 MPa深水条件下与常压条件下相比，冲击波峰值压力略有下降，冲击波压力衰减更快，正压作用时间缩短，水深对冲击波压力时程曲线的影响主要在冲击波衰减段后段。由于冲击波峰值压力的降低及衰减速度的加快，由(2)式可知，深水爆炸相对浅水爆炸而言，比冲击波能有所下降。

图5 不同水深条件下1 m处压力时程曲线Fig.5 p-t curves at 1 m under different water depths

2.3 深水爆炸冲击波峰值压力分析

根据表2中的冲击波峰值压力实验结果，高静水压条件下冲击波峰值压力随铝氧比的提高总体呈现先升高、后降低的趋势(0625 m处传感器距离较近，受到冲击波及水流影响，测试结果波动较大)。分析其原因，是因为铝氧比较低时，爆轰产物膨胀初期，少部分铝粉发生反应释放的能量高于铝粉在爆轰反应区内吸收的热量，冲击波峰值略微提高，当铝氧比继续提高时，铝粉作为惰性物质在爆轰反应区吸收的能量逐渐增大，稀释作用越加明显，并且随着铝氧比的不断提高，炸药含量不断降低，爆轰反应强度逐步下降，最终导致冲击波峰值快速降低。不同测试距离处冲击波峰值压力随铝氧比的变化关系如图6所示。

图6 峰值压力与铝氧比的关系Fig.6 Relationship between pmax and Al/O ratio

与浅水爆炸相同，同一样品的深水爆炸冲击波峰值压力随着距离的增加而逐渐减小。Swisdak将炸药水中爆炸冲击波峰值压力用(4)式表示为

(4)

式中：为峰值超压指前因子，值越大，水中爆炸参数值越大；为冲击波衰减因子，的绝对值越小，参数变化速率越小。图7给出了深水爆炸冲击波峰值压力与对比距离的变化关系，对应参数如表3所示。

图7 冲击波峰值压力与比例距离的关系Fig.7 Relationship between peak pressure of shock wave and reduced range

表3 CL-20基含铝炸药相似律系数

图7和表3结果表明，高静水压条件下，CL-20基含铝炸药的冲击波峰值压力符合爆炸相似律。

3 深水爆炸能量输出分析

3.1 深水爆炸比冲击波能

图8为不同测试距离处比冲击波能变化曲线。由图8可知，CL-20基含铝炸药深水爆炸比冲击波能随铝氧比的增大先升高后降低，在046时达到峰值，并随着测试距离增加不断降低。根据(2)式可知，比冲击波能大小受冲击波峰值压力与其压力衰减速率两方面影响。随着铝氧比的增大，CL-20的含量降低，冲击波峰值压力下降。但当铝氧比从024增加到046时，铝粉反应释放的能量支持了冲击波的传播，在维持冲击波峰值压力的同时，爆轰波后铝粉的燃烧减缓了冲击波的衰减，故比冲击波能得到提高，与冲击波压力时程曲线分析结果一致。

图8 比冲击波能与铝氧比的关系Fig.8 Relationship between Es and Al/O ratio

3.2 深水爆炸比气泡能

图9为不同测试距离处比气泡能变化曲线。由图9可知，随着铝氧比的提高，深水爆炸比气泡能先增加后降低，在铝氧比067时达到峰值，且不随测试距离增加而变化。这是因为含铝炸药深水爆炸比气泡能主要来自于铝粉爆轰波后燃烧释放的能量，随着铝氧比增加，铝粉燃烧释放的能量提高，比气泡能增大。但当铝氧比大于067后，气泡内氧含量不足，铝粉无法完全燃烧，能量释放不完全，故比气泡能降低。此外，相同静水压环境下，比气泡能主要由气泡脉动周期控制，测试距离的变化不会改变气泡脉动周期，故不同测试距离处比气泡能未发生明显变化。

图9 比气泡能与铝氧比的关系Fig.9 Relationship between Eb and Al/O ratio

3.3 深水爆炸损失能

由表2可知，水下爆炸的冲击波与气泡能之和总是小于炸药的理论储能。对于含铝炸药而言，导致损失能提高的原因主要有两个：1) 冲击波头熵增效应引起的机械能耗散，即热损失能，这部分能量一般以热的形式散逸到水中，这个过程会受到静水压力影响；2) 由于添加的铝粉含量、粒径等原因，使得炸药中铝粉反应不完全，炸药储能未能完全释放，未释放能量提高。损失能可由(5)式计算：

=+=-

(5)

图10所示为不同铝氧比样品在各测试距离处损失能的变化规律。由图10可知：深水爆炸的损失能在铝氧比为024～088时先升高后降低，在铝氧比067时到达峰值；随着铝氧比的继续升高，损失能出现快速上升。其原因可能是两组高铝氧比样品中铝粉含量均高于40，导致初始燃烧温度较低(见表1)，降低了铝粉的燃烧速率，使得其燃烧不完全，能量释放率下降。此外，随着气泡膨胀，气泡内压力越来越小，铝粉燃烧反应也越来越弱，大部分铝粉无法在第1个脉动周期内完全反应，使得比气泡能降低，损失能增大。

图10 不同铝氧比各测点处损失能的变化关系Fig.10 Changing relation of El at each measuring point with different Al/O ratios

为了进一步表明损失能随测试距离的变化关系，使用(6)式对不同测试距离处的损失能进行拟合，

=+

(6)

式中：、为拟合参数，拟合结果如表4所示。

表4 损失能拟合曲线斜率Tab.4 Slope of fitted curve of El

损失能拟合曲线斜率值表示了损失能随测试距离变化的快慢。在不考虑上述两组高铝氧比样品情况下，随着铝氧比的增加，损失能随测试距离的变化速率先升高后降低，在铝氧比046时达到峰值，故可通过改变铝氧比对深水爆炸远场能量利用效率进行调控。

3.4 铝粉二次反应特性

结合爆轰环境铝粉燃烧时间计算公式，可计算不同铝氧比CL-20基含铝炸药中铝粉燃烧时间，

(7)

式中：、分别为铝原子半径和质量；为铝粉粒径；、分别为铝的密度和气化焓；为与爆速有关的扩散系数；为玻尔兹曼常数；为普适气体常量；为初始燃烧温度。

由图11中铝粉燃烧时间及比冲击波能计算时间可知：当铝氧比较低时，铝粉燃烧时间与比冲击波能积分时间(67)基本一致，铝粉燃烧释放的能量支持了比冲击波能；随着铝氧比的增加，铝粉燃烧时间增加，67时间内铝粉燃烧释放能量降低，后续释放的能量主要用来供给比气泡能；铝氧比过高时气泡膨胀，受气泡内初始温度和含氧量下降等因素制约，导致铝粉燃烧反应不充分，故比气泡能降低，损失能增加，与实验结果基本一致。

图11 铝粉燃烧时间及比冲击波能计算时间Fig.11 Combustion time of aluminum powder and calculation time of Es

4 深水爆炸能量输出结构分析

4.1 总能量及能量利用率分析

深水爆炸能量利用率是衡量炸药能量输出效率的关键因素，可由(8)式计算：

(8)

不同铝氧比CL-20基含铝炸药在500 m深水条件下爆炸能量利用率及炸药理论储能与铝氧比的关系如图12所示。由图12可见，能量利用率随铝氧比增大不断降低，理论储能随铝氧比提高先增大后减小，在067达到峰值。这是因为在环境中的氧不参与反应时，铝和氧反应在067达到最佳比例，故释放的能量最大。由于深水爆炸能量释放率的大小取决于铝粉后燃反应的程度，铝氧比较高时，初始燃烧温度和深水气泡内氧含量、压力等制约了铝粉燃烧反应，导致铝粉燃烧不充分，能量利用率低。从能量利用率的角度，CL-20基含铝炸药最佳的铝氧比为024 ～ 046。

图12 1 m处能量利用率及炸药理论储能与铝氧比的关系Fig.12 Relation of η and Ec at 1 m with Al/O ratio

4.2 机械能及其能量结构分析

图13 1 m处机械能及其能量结构与铝氧比的关系Fig.13 Relation of Em and its energy structure at 1 m with Al/O ratio

图13所示为500 m深水条件下测试距离1 m处的机械能及其能量结构图。由表2和图13可知：不同测试距离处深水爆炸机械能均随着铝氧比不断提高，先增加后减少，在067时最大；铝氧比在046～067时，深水爆炸机械能基本维持稳定，变化幅度只有03，但是能量结构发生了明显变化，其中比冲击波能降低了6。因此，在维持较高的总机械能不变前提下，通过调节铝氧比可以对深水爆炸能量输出结构进行调控，铝氧比越高，比冲击波能占比越低，比气泡能占比越高。

5 结论

本文利用深水爆炸压力罐模拟500 m深水环境，进行了6组不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸实验。通过分析得到以下主要结论：

1) 500 m深水环境中，深水爆炸冲击波峰值压力随铝氧比的提高总体呈现先升高后降低的趋势，冲击波峰值压力符合爆炸相似律。

2) 500 m深水环境中，深水爆炸比冲击波能和比气泡能随铝氧比的提高先增大后减小。比冲击波能在铝氧比为046时最大，随测试距离的增加而降低；比气泡能在铝氧比为067时最大，随测试距离的变化保持稳定。损失能与其随测试距离的增加速率在铝氧比为024～088时均先升高后降低，铝氧比在067和046时损失能达到峰值，故可以通过改变铝氧比对深水爆炸远场能量利用效率进行调控。

3) 500 m深水环境中，随着铝氧比的增加，深水爆炸机械能及炸药理论储能先增加后减少，能量利用率持续降低。在铝氧比为046～067时，深水爆炸机械能维持平台值，该平台值范围内，铝氧比增大，比冲击波能占比降低，比气泡能占比升高，故通过调节铝氧比可对深水爆炸能量输出结构进行调控。