铝含量对TNT/Al炸药爆轰反应区结构的影响

周正青,杜泽晨,蒋慧灵,刘 创,刘宇哲,周 亮,巨圆圆

(1.北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083;2.公安部治安管理局,北京 100010;3.中国人民解放军海军研究院,北京 100161)

爆轰反应区结构是决定炸药爆速、爆压等爆轰性能的重要参数之一,获得炸药爆轰反应区结构特征对于掌握炸药爆轰反应机理具有重要的意义。根据由泽尔多维奇、冯诺依曼和道尔令(Zeldovich,Von Neumann,Doring)独立发展形成的经典的ZND爆轰波模型可知爆速、爆压、爆轰反应持续时间、爆轰反应区宽度均是炸药爆轰反应区结构的重要特征参数[1-5],其中爆速和爆压的测试方法已经相当成熟,但对于爆轰反应区宽度的获得相对较为困难。目前,国内外学者尝试采用多种测试技术获得了炸药的爆轰反应区结构,例如德列明[1]利用电磁速度传感器测试技术测定了TNT、RDX、PETN等炸药的爆轰反应区持续时间和C-J面上质点速度,进而计算得到了炸药的爆轰反应区宽度;文献[6-9]利用任意反射面激光干涉测速(Velocity interferometer system for any reflector,VlSAR)技术获得了TATB、TNT、PETN、CL-20等炸药的爆轰反应区宽度,试验结果表明理想炸药爆轰反应区宽度均为10-1mm的量级;文献[10]利用光电技术测试得到了RDX和PETN的爆轰反应区宽度,并根据试验结果分析了炸药密度对反应区宽度的影响;裴红波等[11]采用光子多普勒测速技术,对JB-9014炸药的爆轰反应区结构进行了实验研究,并得到了JB-9014炸药爆轰反应区宽度为(1.5±0.2) mm,冯诺依曼峰压力为40.3 GPa。郭伟等[12]采用光子多普勒测速技术测试界面粒子速度法对两种RDX基金属化炸药的爆轰反应区参数进行了实验,试验结果表明高能金属燃料组分的加入会降低炸药的输出压力,提高炸药的爆轰反应区时间和反应区长度。显然,诸多学者对TNT、RDX、PETN、CL-20等理想炸药爆轰反应区结构进行了大量的研究,而对于非理想含铝炸药的爆轰反应区结构的研究相对较少,且现有的这些研究基本都是针对某一固定配方炸药的爆轰反应区结构进行的,而对于不同炸药配方对爆轰反应区结构的影响研究却鲜有报道。

含铝炸药作为一种典型的非理想炸药[11,13-15],是目前使用最广泛、应用潜力最大的炸药品种之一。研究含铝炸药的爆轰反应区结构对于掌握含铝炸药爆轰反应机理和优化含铝炸药的配方具有重要的意义。因此,本文选择TNT/Al炸药作为研究对象,利用爆速试验、电导率试验和爆轰理论,确定TNT/Al炸药的爆轰反应区结构特征参数,并分析铝含量对爆速、爆压、爆轰反应区宽度等结构特征参数的影响规律。

1 爆轰反应区结构参数确定方法

d0=(D-u)τ

(1)

式中:D为炸药的爆速,u为C-J面上产物质点速度,τ为爆轰反应区持续时间。

根据爆轰理论[16],质点速度u与爆速D的关系为

(2)

式中:γ为爆轰产物的等熵指数。

联合式(1)和式(2),得到爆轰反应区宽度d0

(3)

凝聚炸药爆轰产物的局部等熵指数γ[1]可按式(4)确定

(4)

式中:xi为爆轰产物第i成分的摩尔数,γi为爆轰产物第i成分的局部等熵指数。

根据式(3)和式(4)可知,当知道了炸药的爆速D和爆轰反应区持续时间τ,即可求得炸药爆轰反应区宽度d0。

图1 含铝炸药爆轰波ZND模型

2 含铝炸药爆速和电导率试验

本文根据TNT/Al炸药的爆速试验,得到不同铝含量TNT/Al炸药的爆速D。同时根据电导率试验,获得TNT/Al炸药爆轰时爆轰产物的电导率变化情况,进而得到TNT/Al炸药的爆轰反应区持续时间τ。

2.1 试验材料

本文选择TNT/Al炸药作为研究对象,选用4种不同含量的球形铝粉分别与TNT熔铸混合,制成TNT/Al铸装混合炸药,铝含量分别为5%、10%、15%和20%,并均匀分散在炸药中。铝粉粒度符合对数正态分布,中位径为2.38 μm,电镜图片如图2所示,铝粉粒度分布图如图3所示。

图2 试验所用铝粉的SEM图

图3 试验所用铝粉的粒度分布图

根据参考文献[17]可知中位径为2.38 μm铝粉在TNT/Al炸药的爆轰反应区内是不参与反应的,因此,在TNT/Al炸药的爆炸过程中,发生化学反应如下:

TNT爆轰反应阶段(爆轰反应区内)[18]

C7H5O6N3→1.5N2+2.5H2O+3.5CO+3.5C

铝粉与爆轰产物的反应阶段(爆轰产物膨胀区内)[19]

Al+1.5CO→0.5Al2O3+1.5C

Al+1.5H2O→0.5Al2O3+1.5H2

根据TNT/Al的化学反应方程式和式(4),计算得到不同配方TNT/Al炸药的局部等熵指数γ,TNT/Al炸药的具体配方及等熵指数如表1所示。

表1 待测炸药配方及其性能

2.2 试验装置与条件

2.2.1 爆速试验

根据爆速试验的测试原理,设计如图4所示的试验装置,传爆药选用Φ40 mm的#HJ-14炸药,待测TNT/Al炸药的药柱尺寸为Φ50 mm×50 mm,共10个;炸药的不稳定爆轰区通常为3～4倍装药直径,因此为了保证测试得到的波速为稳定爆轰波速,本试验将第一对探针放置于第四节药柱的位置,每一个配方分别进行3发试验,爆速测试现场装置见图5。

图4 爆速测试示意图

图5 爆速测试现场图

2.2.2 电导率试验

在电导率试验中,TNT/Al炸药试件的直径为22 mm,长度为80 mm。实验装置如图6所示,TNT/Al炸药电导率试验的详细过程可参考文献[20]。另外,为了保证电导率测试的准确性,每一个配方分别进行3发试验。

图6 爆轰产物电导率测试装置示意图[18]1—雷管,2—JH14传爆药,3—HMX传爆药, 4—有机玻璃套管,5—有机玻璃隔板,6—铜管, 7—测试药柱,8—中心铜电极,9—端面盖板, 10—串联电阻,11—三通,12—并联电阻

3 试验结果与分析

3.1 TNT/Al炸药爆轰反应区结构参数

根据TNT/Al炸药的爆速试验和电导率试验,分别得到了不同铝含量TNT/Al炸药的爆速D和爆轰持续时间τ(爆轰持续时间的判读方法参见文献[20]),试验结果如表2所示,表2中的爆速和爆轰持续时间的数据为3次试验的平均值。

表2 TNT/Al炸药爆轰反应区主要结构参数

TNT/Al炸药的爆轰产物电导率测试的典型试验结果如图7所示,从图7中可以明显看出TNT/Al炸药的爆轰分为两个阶段,第一阶段为TNT的爆轰反应阶段;第二阶段为爆轰反应区外Al粉与爆轰产物的燃烧反应。当铝含量为0%～20%时,TNT/Al炸药的爆轰反应持续时间为0.070～0.119 μs,具体值见表2。根据TNT/Al炸药的爆速D和爆轰反应区持续时间τ,由式(3)和式(4)计算得到了不同铝含量TNT/Al炸药的爆轰反应区宽度d0,爆轰反应区宽度d0的计算结果见表2。根据计算结果可知,纯TNT炸药的爆轰反应区宽度为0.359 mm,该结果与Dobratz[21]和德列明等[1]的测量结果(0.3～0.4 mm)吻合较好,这说明本文针对爆轰反应区宽度所采用的计算方法是可行的。不同铝含量TNT/Al炸药的爆压、爆速、爆轰持续时间、爆轰反应区宽度等参数如表2所示。

图7 爆轰产物电导率随时间变化曲线

3.2 铝含量对爆轰反应区结构影响

根据不同铝含量TNT/Al炸药的爆速D、爆压Pc-j、爆轰反应持续时间τ、爆轰反应区宽度d0的值,初步确定了TNT/Al炸药的爆轰反应区结构。图8为铝含量为0%～20% TNT/Al炸药的爆轰反应区结构示意图。从图8可以看出,炸药中加入的铝粉影响了TNT/Al炸药的爆速D、爆压Pc-j、爆轰反应区宽度d0、冯诺依曼峰PN,进而导致不同铝含量TNT/Al炸药的爆轰反应区结构出现差异,具体表现为铝含量越高,TNT/Al炸药爆速、爆压越低,导致爆轰反应面向未反应炸药区域的推进速度和爆轰反应区的整体压力越低。铝含量对TNT/Al炸药的爆轰反应区结构参数的具体影响如下。

图8 不同铝含量TNT/Al炸药爆轰反应区结构示意图

对于爆速和爆轰反应持续时间来说,TNT/Al炸药的爆速和爆轰反应持续时间与铝含量的关系如图9所示。从图9可以看出,TNT/Al炸药的爆轰持续时间随着铝含量的增加而增加,而爆速则随着铝含量的增加而降低。这是由于在TNT/Al炸药中,中位径为1.50～9.79 μm的铝粉在爆轰反应区内没有开始燃烧释能反应[17]。因此,本文中粒径为2.38 μm的铝粉在爆轰反应区内作为惰性物质不但没有参与反应,而且还要吸收部分TNT的爆轰能量,这就导致随着TNT/Al炸药中铝含量的增加,爆轰反应区内的爆轰总能量和能量释放速率均降低,致使TNT/Al炸药的爆速值下降、爆轰压力下降,爆轰反应持续时间延长。

图9 TNT/Al炸药爆轰持续时间和爆速与铝含量的关系

对于爆轰反应区宽度来说,当铝含量为0%～20%时,TNT/Al炸药的爆轰反应区宽度为0.359～0.579 mm,且爆轰反应区宽度与铝含量成正比,这是由于在爆轰反应区内铝粉的惰性稀释作用,降低了TNT/Al炸药的爆轰波阵面压力[20],致使爆轰反应区内化学反应速率变慢,从而导致爆轰反应区变宽,因此,铝粉含量越高,铝粉在爆轰反应区内的惰性稀释作用越强,爆轰反应区宽度越大。图10为TNT/Al炸药的爆轰反应区宽度与铝含量的关系,根据图10可知,爆轰反应区宽度与铝含量(w%)的变化符合二次多项式的关系,具体为

d0=0.360+0.273w%+4.040(w%)2

(0≤w%≤20%)

(5)

图10 爆轰反应区宽度随时间变化曲线

4 结论

本文通过TNT/Al炸药的爆速试验和电导率试验,得到了五种不同铝含量TNT/Al炸药的爆轰反应区结构参数,并分析了铝含量对爆速、爆压、爆轰反应区持续时间、爆轰反应区宽度等结构参数的影响,得到的主要结论如下:

(1)铝粉是导致TNT/Al炸药的爆轰反应区结构差异的主要原因。铝含量越高,TNT/Al炸药爆速、爆压越低,进而导致爆轰反应面向未反应炸药区域的推进速度和爆轰反应区的整体压力越低。

(2)当铝含量为0%～20%时,TNT/Al炸药的爆速为6 293～6 930 m·s-1,爆压为17.028～19.330 GPa,爆速、爆压随着铝含量的增加而减小,而TNT/Al炸药的爆轰反应持续时间随着铝含量的增加而增加,且爆轰持续时间为0.070～0.119 μs,这是由于在爆轰反应区内中位径为2.38 μm铝粉作为惰性物质不但没有参与反应,而且还要吸收部分爆轰能量。

(3)当铝含量为0%～20%时,TNT/Al炸药的爆轰反应区宽度为0.359～0.579 mm,爆轰反应区宽度与铝含量成正比,且两者之间符合二次多项式关系。

冯诺依曼峰PN是爆轰反应区结构的重要参数之一,但是本文并没有通过实验或者理论方法得到该参数。为了获得更加完整的爆轰反应区结构,下一步将重点对不同铝含量TNT/Al炸药的冯诺依曼峰进行研究。