火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (6): 73-77   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.012
0

引用本文  

杨雄, 王晓峰, 黄亚峰, 冯晓军, 田轩, 冯博, 赵凯, 李文祥. 真空环境下铝含量对HMX基炸药爆炸场压力和温度的影响[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 73-77. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.012
YANG Xiong, WANG Xiao-feng, HUANG Ya-feng, FENG Xiao-jun, TIAN Xuan, FENG Bo, ZHAO Kai, LI Wen-xiang. Effect of Al Content on the Explosion Fild Pressure and Temperature of HMX-based Explosive in Vacuum Environment[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(6): 73-77. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.012

基金项目

国家重大预研专项

作者简介

杨雄(1992-), 男, 硕士研究生, 从事混合炸药技术研究。E-mail:yangxiong0135@163.com

通信作者

王晓峰(1967-), 男, 博士, 研究员, 从事混合炸药技术研究。E-mail:wangxf_204@163.com

文章历史

收稿日期:2017-08-13
修回日期:2017-09-15
真空环境下铝含量对HMX基炸药爆炸场压力和温度的影响
杨雄, 王晓峰, 黄亚峰, 冯晓军, 田轩, 冯博, 赵凯, 李文祥     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 为研究真空环境下铝粉含量对HMX基含铝炸药爆炸反应机制的影响,利用密闭爆炸罐测量了铝质量分数为15%(OA1)、20%(OA2)、25%(OA3)和30%(OA4)4种含铝炸药的爆炸场压力与温度,并采集分析了炸药爆炸气体产物。结果表明,4种含铝炸药的准静态压力大小依次为OA2 > OA1 > OA3 > OA4,炸药OA2爆炸威力最大;爆炸场平衡温度高低依次为OA4 > OA3 > OA2 > OA1,表明平衡温度随炸药中铝粉含量的增大而升高;首次峰值温度高低依次为OA1 > OA2 > OA3 > OA4,炸药OA1和OA2到达首峰温度值的时间远快于炸药OA3和OA4,除炸药OA1外其余3种炸药均有二次峰值出现,说明含铝质量分数15%和20%的炸药中部分铝粉提前反应;铝粉反应率大小依次为OA1 > OA2 > OA3 > OA4,表明随铝粉含量的增加,铝粉反应完全性降低。
关键词: 含铝炸药     联合效应炸药     爆炸场     准静态压力     平衡温度     铝粉反应率     HMX    
引言

传统含铝炸药具有爆热高和作功能力强的特点,大量应用于对空武器弹药、水下武器弹药及空对地武器弹药[1]。联合效应炸药(Combined Effects Explosives)[2]是国外近年发展起来的一类新型含铝炸药,兼具优良金属驱动性能与较强的冲击波作用,其配方设计的依据是本征爆轰(Eigenvalue detonation)[3]理论,该理论认为联合效应炸药在爆轰反应初期,除炸药爆轰反应外,金属燃料铝同时发生氧化还原反应。因此,铝粉的反应机制直接影响炸药的能量输出结构。

国内外开展了大量关于含铝炸药爆炸反应机制的研究工作。Paul Anderson等[4]研究了HMX基联合效应炸药中铝粉含量对能量释放与分配的影响,发现含质量分数15%~20%细颗粒铝粉的炸药中铝粉能提前在爆轰反应区参与反应;冯晓军等[5]研究了铝粉含量对RDX基含铝炸药爆炸金属加速能力的影响,结果表明,当铝质量分数约为15%时金属加速能力最大,认为部分铝粉提前在爆轰反应区参与反应;Richard G. Ames等[6]测量了封闭空间中炸药爆轰和二次燃烧能量的累积,并得到准静态压力与时间的关系曲线;黄亚峰等[7]研究了真空环境下铝粉粒度与形状对RDX基压装炸药爆炸场压力和温度的影响,研究认为铝粉粒度与爆炸场压力和温度不具相关性。但上述研究均未从爆炸场压力和温度历程角度探讨铝粉含量对含铝炸药爆炸反应机制的影响。

本研究利用密闭爆炸罐测量真空条件下HMX基含铝炸药的爆炸场压力和温度,分析铝粉含量对炸药爆炸场压力和温度历程的影响规律,探讨铝粉在炸药爆炸过程中的反应机制,为联合效应炸药配方设计提供参考。

1 实验 1.1 样品

HMX,粒径125 μm,甘肃银光化学工业集团有限公司;球形铝粉FLQT4,平均粒径4 μm,鞍山钢铁厂。实验样品配方如表 1所示。

表1 含铝炸药配方 Table 1 Formulations of aluminized explosives
1.2 样品制备

将黏结剂在乙酸乙酯中溶解,置入水浴升温至60 ℃,在溶解好的黏结剂中依次加入HMX和铝粉,搅拌均匀,待溶剂挥发至物料呈膏团拉丝状,再过筛造粒、烘干,最后压制成带8号雷管孔的Ф25 mm药柱,药柱质量(25±0.050) g。

1.3 实验装置

本实验采用自主研制的密闭爆炸装置,如图 1所示。装置为圆柱形弹体,高400 mm,内径188 mm,体积5.8 L。本实验装置中压力传感器为美国Kulite公司超高温硅压阻传感器;温度传感器为美国NANMAC公司研制的具有自恢复能力的快速反应钨铼热电偶,响应时间可达10-5 s,最大耐压135 MPa。传感器布置在距端盖中心40 mm处,其下端距离端盖底部120 mm。测温范围-240~1 200 ℃,精度小于1%。

图 1 实验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of the experimental device

德图testo350气体分析仪可定量分析O2、NO、NO2、CO和CO2 5种气体产物的体积分数。其中O2、NO、NO2和CO测量采用电化学传感器,精度为±1%测量值,分辨率为0.01%;CO2测量采用红外传感器,精度为±0.3%,分辨率为0.01%。

1.4 实验方法

将炸药药柱悬挂于距端盖底面150 mm处,接入雷管,密封弹体与端盖,用真空泵抽空弹体内空气,抽至气压为-0.096 MPa。起爆实验样品,传感器记录52 s内的电信号数据,并利用德图testo350气体分析仪采集并定量分析爆炸气体产物。

2 结果与讨论 2.1 爆炸场压力分析

爆轰气体准静态压指的是炸药在有限体积的密闭结构内爆炸,爆轰气体受约束不能无限膨胀,气体趋于稳定时的压力, 通常把爆轰后几十毫秒的压力均值作为准静态压力值[8]。4种炸药OA1、OA2、OA3和OA4在真空环境中起爆后,测得0.1 s内的爆炸场压力对应电压与时间关系曲线如图 2所示。

图 2 不同铝含量炸药0.1 s内爆炸场压力对应电压与时间关系曲线 Figure 2 The voltage corresponding explosion field pressure of explosive with different Al content in 0.1 s as a function of time

图 2可以看出,4种炸药的准静态压力OA2>OA1>OA3>OA4。准静态压力是炸药总能量的一部分,美国海军水面武器中心在比较密闭空间中炸药威力时仅采用准静态压力作为威力判断参数,认为准静态压力可用来表征炸药威力[9]。因此,本实验4个炸药样品爆炸威力大小顺序为OA2>OA1>OA3>OA4,即含铝质量分数20%的炸药爆炸威力最大,其铝粉含量接近HMX基含铝炸药理论计算最大威力值所需的铝粉质量分数为19.6%[1]

2.2 爆炸场温度分析

试验测得爆炸场温度对应电压与时间关系曲线,如图 3所示。取第52 s内10 000个点的温度平均值作为爆炸场平衡温度,平衡温度和首次达到的峰值温度值如表 2所示。由表 2可知,随着炸药中铝粉含量的增加,爆炸场平衡温度呈递增趋势,首峰温度呈递减趋势。

图 3 不同铝含量炸药的爆炸场温度对应电压与时间关系曲线 Figure 3 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content as a function of time
表2 炸药爆炸场温度测量值 Table 2 The measured values of explosion fild temperature of explosives

图 3时间尺度分别缩小至3 s和0.2 s,可得图 4图 5图 4表明,炸药OA2、OA3和OA4的温度均有明显的二次升高现象,3种配方爆炸场温度达到二次峰值的时间分别为:t22=0.052 1 s、t32=1.953 6 s、t42=0.220 5 s。而炸药OA1爆炸场温度达到首次峰值后快速下降,无二次峰出现,在0.2s左右温度下降相对变缓,之后又快速下降。图 5中4种炸药达到首峰温度的时间分别为:t11=0.003 8 s、t21=0.002 7 s、t31=0.022 1 s和t41=0.083 4 s。结果表明,炸药OA1和OA2起爆后,温度很快达到首次峰值,二者时间相当,快于炸药OA3和OA4。

图 4 不同铝含量炸药3 s内爆炸场温度对应电压与时间关系曲线 Figure 4 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content in 3 s as a function of time
图 5 不同铝含量炸药0.2 s内爆炸场温度对应电压与时间关系曲线 Figure 5 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content in 0.2 s as a function of time

根据二次反应理论[10]将含铝炸药的反应分为3个阶段:(1)无氧爆轰阶段,主炸药发生爆轰分解,铝粉不参与反应;(2)无氧燃烧阶段,铝粉与单质炸药分解的产物进行氧化还原反应;(3)有氧燃烧阶段,主要为第二阶段剩余铝粉等可燃组分与空气中氧气反应。本实验在真空环境下进行,因此炸药的反应只有前两个阶段。

分析认为,铝粉具有良好的热传导性,能从灼热的主炸药爆轰产物中吸收热量,随着由外到内的热透,铝粉内部纯铝熔为液态,体积逐渐增大,导致表面Al2O3外壳胀破,熔融的铝与具有氧化性的爆轰产物相遇从而发生反应。单质炸药爆轰反应时间为10-6~10-8 s,金属在此时间段可热透半径为10μm以内[1]。本实验采用粒径为4 μm的球形铝粉,粒度小,比表面积大,导热速率快。当铝粉含量较低时,主炸药爆轰瞬间释放的能量使铝粉整体快速热透并胀破氧化铝外壳,在极短的时间内发生氧化还原反应释放能量。因此,炸药OA1和OA2爆炸场温度很快达到首次峰值,是由于铝粉氧化还原反应时间提前,甚至有可能提前到了第一阶段爆轰反应区。炸药OA1的爆炸场温度无二次峰值且在0.2 s左右下降趋势减缓,是因为提前参与反应的铝粉量较大,少量剩余铝粉在后期反应释放的热量不足以产生二次峰。炸药OA3和OA4温度值达到首峰和二次峰相对较慢,峰值较低。原因是随着炸药中铝粉含量的增加,主炸药含量减少,无氧爆轰阶段主炸药爆轰反应释放的能量降低,后期无氧燃烧阶段大量铝粉吸热,使得单个铝粉颗粒能得到的热量减少,因此铝粉虽然被加热,但是却不易达到破壳及反应的阈值温度,只有极少量铝粉在无氧燃烧阶段的初期热透,发生氧化还原反应放热,之后将热量传递给邻近的铝粉继续维持后续反应,铝粉在整个无氧燃烧阶段燃烧反应较慢,持续时间较长。

文献[4]中,含质量分数15%~20%细颗粒铝粉的联合效应炸药铝粉能提前在爆轰反应区反应,释放大量能量,增强格尼能,解决了传统爆破毁伤含铝炸药铝粉反应相对滞后导致金属加速能力低的问题。本试验从爆炸场温度历程的角度证实了含铝粉(粒径为4 μm)质量分数为15%和20%的炸药中,铝粉能提前发生氧化还原反应并释放热量。

2.3 气体产物分析

测得O2、NO、NO2、CO和CO2 5种气体产物的体积分数,结果见表 3。根据所测结果与质量守恒及元素守恒定律结合,计算爆炸产物组成与其含量,写出4种炸药爆炸反应方程式,进而得出4种炸药的铝粉反应完全性。

表3 不同铝含量炸药爆轰后的气体产物体积分数 Table 3 The volume fraction of gas products after detonation of different Al content explosives

气态产物中O2、NO和NO2的体积分数均为0,认为气态产物中氧元素仅存在于CO和CO2中。在真空环境下,对含铝炸药爆炸产物中各元素存在形式作以下近似处理:(1)实测NO2与NO体积分数均为0,因此认为N元素完全以N2形式存在;(2)H元素以H2和液态H2O两种形式存在;(3)C元素以CO、CO2和C 3种形式存在;(4)O元素以CO、CO2、H2O以及Al2O3 4种形式存在;(5)Al元素以Al和Al2O3两种形式存在。

在上述近似处理的基础上,炸药爆炸产物有N2、H2、H2O、CO、CO2、C、Al和Al2O3 8种物质。设炸药分子式为CaHbNcOdAle,8种产物摩尔数为nN2nH2nH2OnCOnCO2nCnAlnAl2O3,气体总摩尔数由理想气体状态方程n=pV/RT得到,CO和CO2的体积分数分别为φCOφCO2,依据质量守恒和元素守恒,由下列公式计算8种爆炸产物的摩尔数:

$ {{n_{{{\rm{N}}_2}}} = c/2} $ (1)
$ {{n_{{\rm{CO}}}} = {n_总} \cdot {\varphi _{{\rm{CO}}}}} $ (2)
$ {{n_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} = {n_总} \cdot {\varphi _{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} $ (3)
$ {{n_{\rm{C}}} = a - {n_{{\rm{CO}}}} - {n_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} $ (4)
$ {{n_{{{\rm{H}}_2}}} = {n_总} - {n_{{{\rm{N}}_2}}} - {n_{{\rm{CO}}}} - {n_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}}} $ (5)
$ {{n_{{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}}} = (b - 2{n_{{{\rm{H}}_2}}})/2} $ (6)
$ {{n_{{\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3}}} = \frac{1}{3}{\rm{ }}\left( {d - {n_{{\rm{CO}}}} - 2{n_{{\rm{C}}{{\rm{O}}_2}}} - {n_{{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}}}} \right)} $ (7)
$ {{n_{{\rm{Al}}}} = e - 2{n_{{\rm{A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_3}}}} $ (8)

根据表 3中5种气体产物检测结果,通过上述8个公式计算得出4种含铝炸药爆炸产物各组分含量,其爆炸反应方程式分别如下:

炸药OA1:

C0.273H0.546N0.546O0.546Al0.139→0.273N2+0.017CO2+0.194CO+0.131H2+0.142H2O+0.062C+0.059Al2O3+0.021Al

炸药OA2:

C0.256H0.512N0.512O0.512Al0.185→0.256N2+0.016CO2+0.208CO+0.185H2+0.074H2O+0.032C+0.067Al2O3+0.052Al

炸药OA3:

C0.239H0.478N0.478O0.478Al0.231→0.239N2+0.005CO2+0.162CO+0.127H2+0.112H2O+0.072C+0.071Al2O3+0.089Al

炸药OA4:

C0.222H0.445N0.445O0.445Al0.277→0.222N2+0.000 5CO2+0.153CO+0.169H2+0.054H2O+0.069C+0.085Al2O3+0.107Al

由反应方程式计算得出4种炸药OA1、OA2、OA3和OA4的铝粉反应率分别为84.9%、72.4%、61.7%、61.3%,大小顺序为OA1>OA2>OA3>OA4,即铝含量越少,铝粉反应越完全。但4种炸药爆炸产物中氧化铝生成量随铝含量的增加而升高,这与爆炸场平衡温度趋势一致,说明铝粉反应量越多,燃烧释放的热量越多,导致体系温度升高。

含铝炸药中全部铝粉恰好与爆轰产物中的CO2和H2O反应完全生成CO和H2时,威力最大[11]。上述4个反应方程式爆炸产物中炸药OA2的CO和H2生成量最大,且铝粉反应也较完全,达到质量分数72.4%,炸药OA2含铝质量分数20%,接近HMX基含铝炸药理论计算威力最大值的炸药含铝质量分数19.6%,此结果与3.1节中炸药OA2准静态压力最高、威力最大的结论相符。

3 结论

(1) 4种含铝炸药爆炸后准静态压力大小顺序为:OA2>OA1>OA3>OA4,即含铝质量分数20%的炸药OA2爆炸威力最大。

(2) 4种炸药爆炸场温度的首次峰值温度大小顺序为:OA1>OA2>OA3>OA4,并且炸药OA1和OA2到达首峰温度值的时间远快于炸药OA3和OA4;炸药OA2、OA3和OA4的爆炸场温度均有二次峰值出现,而炸药OA1无二次峰值。说明炸药OA1和OA2的大量铝粉提前参与反应,且铝粉反应量前者大于后者。

(3) 4种含铝炸药爆炸铝粉反应完全性的大小顺序为:OA1>OA2>OA3>OA4,表明随铝粉的含量增加,铝粉反应完全性降低。


参考文献
[1]
孙业斌, 惠君明, 曹欣茂, 等. 军用混合炸药[M]. 兵器工业出版社, 1995.
[2]
Baker E, Balas W, Capellos C, et al. Combined effects aluminized explosives[J]. Combined Effects Aluminized Explosives, 2010: 955.
[3]
Ernest, Baker W, Balas I, et al. Theory and detonation products equations of state for a new generation of combined effects explosives[C]//Proceedings 2007 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium. Miami:NDIA, 2007. https://www.researchgate.net/publication/265033753_Theory_and_Detonation_Products_Equations_of_State_for_a_New_Generation_of_Combined_Effects_Explosives
[4]
Anderson P, Balas W, Nicolich, et al. Development, optimization, and application of combined effects explosives[C]//Proceedings 2009 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium. Tucson:NDIA, 2009:11-14.
[5]
冯晓军, 王晓峰, 徐洪涛, 等. A1粉对炸药爆炸加速能力的影响[J]. 火炸药学报, 2014, 37(5): 25–27.
FENG Xiao-jun, WANG Xiao-feng, XU Hong-tao, et al. Influence of Al powder on the explosion acceleration ability for explosives[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2014, 37(5): 25–27.
[6]
Richard G A, Jason D, Joseph, et al. Quantitative distinction between detonation and afterburn energy deposition using pressure-time histories in enclosed explosives[C]//13th International Detonation Symposium. Virginia:[s.n.], 2006:253-262.
[7]
黄亚峰, 田轩, 冯博, 等. 真空环境下铝粉粒度与形状对RDX基炸药爆炸场压力和温度的影响[J]. 含能材料, 2016, 24(2): 144–148.
HUANG Ya-feng, TIAN Xuan, FENG Bo, et al. Effect of particle size and shape of aluminum powder on the explosion fild pressure and temperature of RDX-based explosive in vacuum environment[J]. Chinese Journal of Energetic Materical, 2016, 24(2): 144–148. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.02.006
[8]
Lee K B, Lee K D, Kim J K, et al. Relationship between combustion heat and blast performance of aluminized explosives[C]//36th International Annual Conference of ICT & 32nd International Pyrotechnics Seminar. Karlsruhe:ICT, 2005:254-260.
[9]
David P E. Internal blast test to support the Tomahawk and APET programs "munitions survivability in unified operations"[C]//Insensitive Munitions Technology Symposium. Las Vegas:[s.n.], 1996.
[10]
Cook M A, Filler A, Keyes R, et al. Aluminized explosives[J]. Journal of Physical Chemistry, 1957, 61(2): 189–196. DOI:10.1021/j150548a013
[11]
崔庆忠, 刘德润, 徐军培. 高能炸药与装药设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016: 123-124.
Effect of Al Content on the Explosion Fild Pressure and Temperature of HMX-based Explosive in Vacuum Environment
YANG Xiong, WANG Xiao-feng, HUANG Ya-feng, FENG Xiao-jun, TIAN Xuan, FENG Bo, ZHAO Kai, LI Wen-xiang     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: To investigate the effect of Al powder content on the explosion reaction mechanism of HMX based aluminized explosive in vacuum environment, the explosion field pressure and temperature of four kinds of aluminized explosives of aluminum mass fraction as 15%(OA1), 20%(OA2), 25%(OA3) and 30%(OA4) were measured in a sealed explosion chamber, and explosion gas products of explosive were collected and analyzed. The results show that the quasi-static pressure value decreases in the order of OA2 > OA1 > OA3 > OA4, meaning that explosive OA2 has the greatest explosion power. The equilibrium temperature of explosion field decreases in the order of OA4 > OA3 > OA2 > OA1, indicating that the equilibrium temperature increases with the increase of aluminum content in the explosive. The first peak temperature of the four explosivesase decreases in the order of OA1 > OA2 > OA3 > OA4. For the time required to the first peak temperature, explosive OA1 and OA2 are far faster than explosive OA3 and OA4. Except explosive OA1, other three explosives appear the secondary peak. The part of aluminum in the explosive of aluminum mass fraction as 15% and 20% are reacted in advance. The reaction ratio of Al powder decreases in the orde of OA1 > OA2 > OA3 > OA4, indicating that with the increase of aluminum powder content, the completeness of Al powder reaction decreases.
Key words: aluminized explosives     combined effects explosives     explosion fild     quasi-static pressure     equilibrium temperature     Al powder reaction ratio     HMX