RDX 基含铝炸药爆轰波结构实验研究*

2022-07-11裴红波郭文灿郑贤旭刘仓理

爆炸与冲击 2022年6期

丁彤，裴红波，郭文灿，张旭，郑贤旭，刘仓理

（1. 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621999；2. 中国工程物理研究院，四川绵阳 621999）

含铝炸药有较高的爆热和较强的作功能力，成为含能材料领域的研究热点。含铝炸药能量释放特性与理想炸药较大的不同主要在于，铝粉通常在CJ 面后与气相产物发生二次反应，且随着铝粉含量的增加，含铝炸药的爆速降低。铝粉的表面被一层氧化铝薄膜所覆盖，厚度通常为3～5 nm，铝粉反应通常发生在氧化铝膜破裂后。含铝炸药中铝粉的反应延滞时间为爆轰波到达后铝粉氧化膜发生破裂且与气相产物发生反应所需要的时间，而铝粉氧化膜的破裂与多种因素有关（如铝核升温、熔化导致的热应力，氧化铝膜晶变、熔化，冲击波的作用导致的颗粒变形等）。研究含铝炸药中铝粉的反应起始时间，可以加深认识含铝炸药中铝粉的反应过程，为含铝炸药配方设计及应用提供参考。

低压下的铝粉燃烧实验表明，铝粉的燃烧时间与铝粉粒度之间满足d关系。由于含铝炸药爆轰时的高温、高压，很难直接测量产物中铝粉的反应情况，通常通过宏观爆轰性能测试，反推炸药中的铝粉反应情况。含铝炸药中铝粉的反应速率的实验研究主要有光谱法、圆筒实验法、飞片撞击法、水下爆炸法等，由以上方法已得到一些定性认识（如铝粉的反应与约束条件，炸药组分，铝颗粒的尺寸、形状等相关），而对于炸药中铝粉反应的时间尺度，目前尚未形成较统一的认识。对铝粉二次反应起始时间已进行了一定的研究。曾亮等利用电导率方法，对TNT/Al 炸药中铝粉的反应起始时间进行了测量，结果表明粒径2、10 µm 铝粉的反应起始时间分别为0.4、1.5 µs。Tao利用激光速度干涉仪，分别测量了PETN 和TNT 含铝炸药与窗口的界面粒子速度，并依此标定了炸药的点火增长模型参数，进而计算了炸药的反应速率，并通过计算结果推断，粒径5 或18 µm 铝粉会在1.5 µs 内与PETN 炸药的爆轰产物完全反应。Manner 等对HMX/Al（粒径3.2 µm）和HMX/LiF 炸药进行了圆筒实验，结果表明2 µs 内铝粉发生了显著的反应。Chan对含铝炸药中铝粉的反应起始时间进行理论分析，认为当铝颗粒表面温度超过高压下铝的熔点时铝粉开始反应，则10 µm 铝粉的反应起始时间为0.1 µs。以上大部分研究表明，微米级铝粉的反应起始时间在2 µs 以内，但不同研究者给出的铝粉反应的具体起始时间差异较大，还有待进一步研究。

利用激光干涉法测量炸药与窗口的界面速度，可以获得炸药的爆轰波结构，进而可以分析反应区附近铝粉的反应情况，相比飞片法、圆筒实验法等，界面粒子速度法的结构响应更快（纳秒级）。本文中，将测量两种RDX/Al 炸药和一种RDX/LiF 炸药的爆轰波结构，分析爆轰产物中铝粉的反应延滞时间及反应区附近铝粉的反应情况，拟为爆轰产物环境下铝粉的反应动力学建模提供参考。

1 实验

测试系统主要由火炮、蓝宝石飞片、待测炸药、LiF 光学窗口、光纤测速探头和光子多普勒测速仪（photon Doppler velocimetry, PDV）等组成，如图1 所示。利用口径57 mm 的火炮发射蓝宝石飞片撞击炸药产生一维平面波。在炸药背面安装 ∅ 20 mm×11 mm 的LiF 窗口，LiF 窗口与炸药接触面有厚约0.7 µm的铝镀膜。如图2 所示，在背部靶架上安装3 个光纤探头P1、P2 和P3（在图1 中仅示意P1），其中P1 探头焦点正对炸药中心，P2 和P3 对称分布在P1 两侧，与中心距离均为3.8 mm。在实验记录的时间内，被测区域不受侧向稀疏波的影响，始终为一维平面爆轰波。实验前，将炸药安装在爆炸罐中的炮管正前方，通过爆炸罐上的光纤法兰连接测试用探头与罐外仪器，最后对爆炸罐抽真空。光子多普勒测速仪为中国工程物理研究院流体物理研究研制，测速范围上限可达9 km/s。

图1 实验装置Fig. 1 Experimental setup

图2 测速窗口及探头安装实物图Fig. 2 Window of speed measurement and installation of probe

采用窗口傅里叶变换方法处理数据，速度时间分辨率为3 ns。不确定度主要由PDV 测试的不确定度、窗口和探头安装导致的不确定度、炸药不均匀导致的不确定度3 方面决定，速度的相对合成标准不确定度为2%。

由于炸药与LiF 的阻抗有差别，实验测得的界面粒子速度并非炸药稳定爆轰时的波后粒子速度。

因此，可利用冲击阻抗匹配公式计算炸药反应区内的压力：

式中：为待测炸药的爆压，为CJ 点对应的界面粒子速度，ρ为窗体材料初始密度，为窗体材料初始声速，λ 为窗体材料冲击绝热线常数，ρ 为待测炸药初始密度，为待测炸药CJ 爆速。

采用压装工艺，制备了3 种RDX 基炸药，配方见表1。药柱的尺寸为 ∅ 40 mm×30 mm。其中，铝粉为球形，粒径分别为2 和10 µm，纯度大于99.8%；氟化锂粉末平均粒径为2.5 µm，纯度大于99%。氟化锂的密度、冲击阻抗、分子量与铝比较接近，且其化学性质较稳定，不会与炸药气相产物发生反应，在炸药产物中主要以惰性物质形式存在。通过含氟化锂炸药与含铝炸药的对比，可以评估铝粉的反应情况。铝和氟化锂的主要物理参数见表2，表中、、c和分别为熔点、沸点、比定容热容和导热系数。

表1 三种RDX 基炸药的配方和参数Table 1 Components and characteristics of three kinds of explosives

表2 铝和氟化锂的物理参数对比Table 2 Comparison of the main characteristics of Al and LiF

2 结果与分析

2.1 界面粒子速度

对3 种炸药均做了1 发实验。实验中，测量了蓝宝石飞片速度，结果为(1 256±30) m/s；根据蓝宝石和待测炸药冲击绝热线，计算可得炸药中的输入压力约为8 GPa；该压力下炸药的到爆轰距离约为3 mm，可得到炸药稳定爆轰的传播距离约为27 mm。图3 为实验测得的炸药爆轰波界面速度，每发实验均获得了3 个数据。同一炸药不同探头之间的速度曲线差异较小，表明测试精度较高。

图3 三种炸药的界面粒子速度曲线Fig. 3 Interface particle velocity curves of three explosives

2.2 铝粉反应起始时间

每发实验3 个位置的界面粒子平均值如图4 所示。单个探头速度的相对不确定度为2%，多个探头速度平均值的相对不确定度约为1%。由图4 可见，在CJ 点前的反应区内，3 种炸药的界面粒子变化趋势较一致，为了更清晰地呈现这个变化趋势，对CJ 点附近的曲线进行了放大，如图5 所示。由图5 可见，von Neumann 峰处3 种炸药的界面粒子速度为1.8～1.9 km/s，在随后的15 ns 内速度迅速下降到约1.6 km/s，该过程对应着RDX 的分解反应。Pei 等对RDX 基PBX 炸药的爆轰反应区进行了测量（见图6），得到稳态爆轰条件下RDX 基PBX 炸药的爆轰反应时间为(14±3) ns，与本文含铝炸药的测试结果基本一致。由于铝粉与气相爆轰产物间的反应属于分子间的反应，在如此短的时间内，铝粉难以发生反应，可以认为RDX 完全分解的点即为CJ 点；考虑测试误差，可以认为3 种炸药CJ 点的速度均为(1 640±20) m/s，可计算3 种炸药的爆压为27.6 GPa，对应CJ 点等熵绝热指数为3.26。CJ 点后到0.5 µs，含LiF 炸药的界面粒子速度始终高于含铝炸药的，这是因LiF 粉末与铝粉间的热力学性质差异导致。

图4 三种炸药的平均界面粒子速度曲线Fig. 4 Average interface particle velocity curves of three explosives

图5 CJ 点附近三种炸药的平均界面粒子速度曲线Fig. 5 Average of interface particle velocitiy curves of three explosives near the CJ point

图6 RDX 炸药爆轰界面粒子速度曲线[20]Fig. 6 Detonation interface particle velocity curve of RDX explosive[20]

在CJ 点附近，气相爆轰产物与固体添加物之间会发生动量和热量的交换。动量的交换主要与固相产物的冲击阻抗相关，因此，铝粉和LiF 粉末之间的差异较小。而热量的交换主要与添加物的导热系数及颗粒粒径相关，铝的导热系数为210 W/(m·K)，远大于LiF 的导热系数11.3 W/(m·K)，因此，在反应区附近，LiF 粉末吸收的热量更少，对应的产物动能更大，相应的产物界面粒子速度也更高。含铝炸药和含LiF 炸药界面粒子速度差最大出现在170 ns，此时，含LiF 炸药的界面粒子速度为1 544 m/s，比含铝炸药的界面粒子速度1 455 m/s 高7%。

随后，含铝炸药与含LiF 炸药的界面粒子速度差越来越小，在0.6 µs 时含2 µm 铝炸药的界面粒子速度开始超过含LiF 炸药的，在0.8 µs 时含10 µm 铝炸药的界面粒子速度开始超过含LiF 炸药的。这表明，该时间段内，铝粉已经发生了反应。在0.4 µs 时含2 µm 铝炸药的界面粒子速度开始超过含10 µm 铝炸药的，两者速度差最大出现在0.72 µs 时，此时含2 µm 铝炸药的界面粒子速度为1 308 m/s，比含10 µm铝炸药的界面粒子速度（1 257 m/s）高4%。这表明，铝粉粒径越小，炸药反应延滞时间越短。综合以上，两种粒度含铝炸药反应延滞时间为0.4～0.8 µs。在1.3 µs 时含2 和10 µm 铝炸药的界面粒子速度分别为1 110 和1 082 m/s，比含LiF 炸药的界面粒子速度1 004 m/s 分别提高了11%和8%，这时反应已经比较显著。

2.3 铝粉反应度

在铝粉反应的初始阶段，含铝炸药与含LiF 炸药的主要成分相似，因此以含LiF 炸药的等熵形式状态方程作为参考线，构建含铝炸药的状态方程：

式中：为铝粉与气相爆轰产物反应释放的总能量，为λ铝粉的反应度，Γ ()为爆轰产物Grüneisen 系数，为爆轰产物相对比容。

为了分析铝粉的反应情况，需要联系界面粒子速度与炸药的状态方程。在反应区，铝粉反应产生的压力变化为弱扰动波，该条件下，以含LiF 炸药为参考，铝粉反应产生的压力变化与界面粒子速度有关系：

式中：ρ 为炸药产物的密度，为产物的声速，∆为因铝粉反应导致的界面粒子速度变化。联立式(2)～(3)，可得：

产物的压力同时受比容（决定冷压）和内能（决定热压）的影响，为便于分析内能对产物压力的影响，并分析铝粉的反应放能情况，本文中选择比容相同的时刻，以排除产物比容对产物压力的影响。为此，对炸药的界面粒子速度进行积分，如图7 所示。选取界面粒子速度位移相同的时刻（比容相同）：炸药RA15 (10 µm)与RF15 比容相同的时刻为1.1 µs，对应的界面粒子速度差为81 m/s；炸药RA15 (2 µm)与RF15 比容相同的时刻为1.3 µs，对应的界面粒子速度差为74 m/s。为了获得上述时刻产物的密度、比容，针对本文的实验模型进行了数值模拟，其中炸药RF15 的状态方程数据通过圆筒实验拟合获得，数值模拟的炸药界面粒子速度如图8 所示。初期，数值模拟的界面粒子速度与实验结果有一定差异，这是因数值模型中没有考虑炸药的反应过程而仅采用了产物的状态方程；在150 ns 后，数值模拟结果与实验结果一致性较好。通过数值模拟，获得在1.1 和1.3 µs 时产物的相对比容分别为0.86 和0.89。

图7 三种炸药的界面位移曲线Fig. 7 Interface displacement curves of three explosives

图8 实验和模拟的炸药RF15 界面粒子速度曲线Fig. 8 Experimental and simulated interface particle velocity curves of explosive RF15

爆轰产物的声速为：

在1.1 和1.3 µs 时，分别为5 444 和5 277 m/s，为1.8 ～3.0 MJ/kg，则炸药RA15 (2 µm)在1.1 µs 时的反应度为18.4%～30.6%，炸药RA15 (10 µm)在1.3 µs 时的反应度为16.3%～27.1%，两者的差距较小。由低压下铝粉燃烧实验，铝粉的燃烧时间与铝粉的初始粒度之间满足=d关系，通常为1～2。取为1，由该公式，2 和10 µm 铝粉炸药的反应度应有显著差异。而本文的结果与之不同，这说明爆轰产物环境下铝粉的反应机制与低压下铝粉的燃烧过程有较大差异。Li 等利用圆筒实验研究了铝粉粒度对铝粉反应速率的影响，结果表明，因爆轰产物中铝颗粒的破碎，铝粉颗粒大小对反应速率影响较小。本文的结果与圆筒实验结果基本一致。