火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (6): 83-86   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.014
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引用本文  

薛乐星, 冯博, 赵娟, 封雪松, 冯晓军. 炸药在等离子体起爆下的能量输出特性[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 83-86. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.014
XUE Le-xing, FENG Bo, ZHAO Juan, FENG Xue-song, FENG Xiao-jun. Energy Output Characteristics of Explosives under Plasma Initiation[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(6): 83-86. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.014

基金项目

火炸药燃烧国防科技重点实验室基金(No.61426030402)

作者简介

薛乐星(1991-), 男, 硕士, 从事炸药爆轰性能研究。E-mail:xue_l_x@163.com

通信作者

冯晓军(1976-), 男, 博士, 研究员, 从事炸药爆轰及爆炸性能评估技术研究。E-mail:bingqi204suo@163.com

文章历史

收稿日期:2017-08-02
修回日期:2017-09-03
炸药在等离子体起爆下的能量输出特性
薛乐星, 冯博, 赵娟, 封雪松, 冯晓军     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 为了得到炸药在等离子体起爆下的能量输出特性,选择空气中炸药冲击波超压和爆热作为能量输出的特征参数,金属丝电爆炸作为等离子体产生源,测定了TNT在镍铬合金丝(Ni-Cr)、钨丝(W)、钼丝(Mo)和铜丝(Cu)等离子体起爆下的空气中冲击波超压曲线,分析了金属材质对冲击波超压的影响;基于爆热量热仪和等离子体发生装置测定了TNT、RDX和HMX的爆热。结果表明,各类等离子体均可以起爆TNT,合金丝在等离子体起爆下的冲击波超压明显高于单质金属丝,冲击波峰值超压大小顺序为Ni-Cr > W > Mo > Cu;TNT、RDX和HMX在Ni-Cr等离子体起爆下的爆热值分别是4 304.1、5 491.7和6 254.8 J/g,爆热值均大于装药密度超过80%理论最大密度下的文献值,表明等离子体起爆有助于提高炸药的能量释放效率和爆轰完全性。
关键词: 爆炸力学     等离子体起爆     能量输出     冲击波超压     爆热    
引言

炸药的能量输出是武器弹药毁伤效应的基础,通常采用爆热来评价炸药能量输出的潜能,但是爆热只能反映炸药的总能量,在实际毁伤中往往需要炸药具有不同类型的能量输出形式,冲击波是炸药重要的毁伤形式之一,常通过测定空气中冲击波超压来评价。随着新型含能材料的不断研发,适用于少量炸药能量输出的评价技术变得越来越重要。

等离子体起爆技术是一种新型高能低感起爆方式,国内外对等离子体起爆技术的研究主要集中在太安等高感度炸药[1-4],研发了许多等离子体起爆器[5-7],利用等离子体起爆的高同步性,研究了同步起爆装置[8],但是对等离子体直接起爆高能炸药的研究较少,仍然停留在起爆可靠性方面的研究。国内最早在20世纪80年代由潘邦金[9]研究了金丝电爆炸对高能炸药的起爆能力,但由于储能较小导致对压装HMX、RDX的起爆可靠性较差。目前尚未有炸药在等离子体起爆下性能研究的报道。本课题组前期研究了电爆炸等离子体的起爆能力,可以可靠起爆传统高能炸药HMX、RDX及不敏感炸药LLM-105、FOX-7等,以临界起爆电压为标度,得到了部分炸药的等离子体感度顺序[10]

为了得到炸药在等离子体起爆下的能量输出性能参数,本研究采用金属丝电爆炸作为等离子体发生源,以空气中冲击波超压和爆热值作为炸药的能量输出形式,对炸药在等离子体起爆下的能量输出进行了研究,以期为含能材料在等离子体起爆下的能量评价提供参考。

1 实验 1.1 材料和仪器

TNT,粒径21~125 μm,湖北东方化工有限公司;RDX、HMX,粒径均为21~125 μm,甘肃银光化学工业集团有限公司;镍铬合金丝(Ni-Cr,其中Ni和Cr质量比为80:20),钨丝(W)、钼丝(Mo)和铜丝(Cu),直径均为0.3 mm,株洲杰隆有色金属科技有限公司。

PCB137A23型压力传感器,灵敏度14.5 mV/kPa,美国PCB Piezotronics公司;Tektronix DPO 7104C型示波器,美国Tektronix公司。

1.2 炸药在等离子体起爆下的能量特性测量 1.2.1 冲击波超压测量

本研究采用金属丝电爆炸激发等离子体,因此在测量爆热前需要先研究金属丝种类对等离子体起爆能力的影响规律。采用压力传感器测定炸药在等离子体起爆下的冲击波压力-时间曲线。试样管采用内径6 mm、外径10 mm、长50 mm的有机玻璃管,两端有厚6 mm的聚四氟乙烯帽约束。起爆电压为20 kV,装药质量为1 g,密度为0.8 g/cm3

将试样装配好后竖直悬挂,试样中心与超压传感器置于同一水平高度,测定距试样中心300 mm处的冲击波压力曲线,试验装置如图 1所示。

图 1 冲击波压力测量示意图 Figure 1 Schematic diagram of shockwave pressure measuring
1.2.2 爆热测量

选择TNT、RDX和HMX作为等离子体起爆下能量输出的研究对象。试样管采用内径10 mm、外径13 mm、长30 mm的陶瓷壳。起爆电压为25 kV。由于炸药在等离子体起爆下的响应受到装药空隙率的影响[10],因此装药密度均为60%理论最大密度,TNT、RDX和HMX的装药质量分别为1.9、2.1和2.2 g。

首先利用量热仪对裸金属丝电爆炸过程的热效应进行测量,代替传统爆热测量中的雷管起爆能量,通过式(1)计算待测炸药的爆热,试验装置如图 2所示。

图 2 爆热测量装置示意图 Figure 2 Schematic diagram of test device of heat of detonation
$ {Q_{\rm{v}}} = \frac{{{C_{\rm{v}}}\left( {T - {T_0}} \right) - {E_{\rm P}}}}{m} $ (1)

式中:Qv为炸药的爆热,J/g;Cv为量热仪的系统热容,J/℃;T为试验结束时的内桶温度,℃;T0为试验开始时的内桶温度,℃;EP为等离子体的能量,J;m为炸药的质量,g。

2 结果与讨论 2.1 炸药在等离子体起爆下的冲击波超压

空气中炸药在等离子体起爆下的冲击波超压,可反映炸药在等离子体起爆下的能量输出,同时对金属丝材质进行筛选,可用来准确评价炸药的爆热。

TNT在不同金属丝等离子体起爆下的冲击波压力-时间曲线如图 3所示,冲击波峰值超压数据见表 1,冲击波峰值超压为两次平行试验的平均值。

图 3 TNT在不同金属丝等离子体起爆下的冲击波超压-时间曲线 Figure 3 Curves of shockwave overpressure vs.time of TNT under plasma initiation with different metal wires
表1 等离子体起爆下TNT的冲击波超压 Table 1 Shockwave overpressure of TNT under plasma initiation

图 3可知,TNT在不同金属丝等离子体起爆下的冲击波超压-时间曲线的波形较为相似,而峰值超压差异较大。从表 1可知,TNT在不同金属丝等离子体起爆下的峰值超压大小顺序为Ni-Cr>W>Mo>Cu。Ni-Cr合金丝在等离子体起爆下TNT的冲击波超压明显高于单质金属丝W、Mo和Cu, 比钨丝起爆下的峰值压力高约38.7%。单质金属中W和Mo等离子体起爆下TNT的冲击波峰值超压较为接近,而铜丝的峰值超压则相对较小。

通过等离子体起爆测定了少量TNT炸药在空气中的冲击波超压-时间曲线,表明等离子体可以起爆TNT。利用金属丝电爆炸产生等离子体时,金属材质可分为两类:一类是高熔沸点、汽化热的重金属,如钨和钼;另一类则是低熔沸点、汽化热的金属,如Cu。而Ni-Cr合金丝主要用于电发热,具有较大的电阻率。据此初步认为等离子体起爆TNT时主要通过热作用激发,仍有待进一步研究。

2.2 炸药在等离子体起爆下的爆热

在目前常用的绝热法爆热量热仪的基础上,设计了小型爆热量热仪(图 2),按照目前的测量方法,量热仪内筒水温度在15min内波动极限不超过0.003℃即表示处于热平衡状态。利用实验装置进行裸金属丝的爆热测量,结果在15 min内,量热仪内筒水温度升高不足0.003℃,即等离子体的能量小于量热仪的测量精度,可忽略不计,因此,式(1)中可近似处理为EP=0。

TNT、RDX和HMX在等离子体起爆下的爆热测量值及文献值见表 2,每种炸药平行重复3次,取平均值。

表2 等离子体起爆下炸药爆热测量值及文献值 Table 2 Experimental values of heat of detonation of explosive under plasma initiation and literature ones

表 2可知,TNT、RDX和HMX的爆热3次测量平均值分别为4 304.1、5 491.7和6 254.8 J/g。等离子体起爆下的爆热测量所用的装药密度为60%理论最大密度(ρTMD),对于TNT,在相近的装药密度下,等离子体起爆下的爆热值明显高于文献值。TNT、RDX和HMX在等离子体起爆下的爆热值大于装药密度超过80%ρTMD条件下的文献值,表明等离子体起爆下,低密度装药可达到传统高密度装药的能量释放效率。HMX在等离子体起爆下的爆热值略高于传统起爆方式下装药密度接近理论最大密度时测得的文献值,表明HMX在等离子体起爆下的能量释放效率明显高于传统起爆方式,同时也高于TNT和RDX。

3 结论

(1) 等离子体可实现单质炸药的起爆,通过冲击波超压可以快速评价炸药的爆轰性能。TNT在等离子体起爆下的冲击波输出受金属丝材质的影响,Ni-Cr合金丝起爆下的冲击波超压比单质金属钨高约38.7%。

(2) 通过等离子体起爆可实现少量炸药在低密度非成型状态下的爆热评价,等离子体起爆下的爆热值大于同等条件下采用传统雷管起爆的爆热值,提高了炸药的能量输出效率和爆轰完全性。


参考文献
[1]
Lee E A, Drake R C, Richardson J. A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 1:electrical characterisation[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2014, 500(19): 192008. DOI:10.1088/1742-6596/500/19/192008
[2]
Lee E A, Drake R C, Richardson J. A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 2:bridgewire output[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2014, 500(5): 052024. DOI:10.1088/1742-6596/500/5/052024
[3]
Lee E A, Drake R C, Richardson J. A view on the functioning mechanism of EBW detonators-part 3:explosive initiation characterisation[J]. Journal of Physics:Conference Series, 2014, 500(18): 182023. DOI:10.1088/1742-6596/500/18/182023
[4]
薛乐星, 冯晓军, 王晓峰. 等离子体技术在炸药起爆中的应用研究进展[J]. 火炸药学报, 2017, 40(1): 7–13.
XUE Le-xing, FENG Xiao-jun, WANG Xiao-feng. Progress of study on the application fo plasma techniques in explosive initiation[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2017, 40(1): 7–13.
[5]
Chen Q C, Fu Q B, Ch en, et al. Parametric influences on the sensitivity of exploding foil initiators[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39: 558–562. DOI:10.1002/prep.201300108
[6]
Nellums R R, Son, Groven J. Preparation and characterization of aqueous nanothermite inks for direct deposition on SCB initiators[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2014, 39(3): 463–470. DOI:10.1002/prep.201400013
[7]
Murphy M J, Adrian R J, Stewart D, et al. Visualization of blast waves created by exploding bridge wires[J]. Journal of Visualization, 2005, 8(2): 125–135. DOI:10.1007/BF03181655
[8]
汤铁钢, 刘仓理. 一种新型爆炸膨胀环实验装置[J]. 实验力学, 2013, 28(2): 247–254.
TANG Tie-gang, LIU Cang-li. A novel experimental setup for explosively loaded expanding ring test[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2013, 28(2): 247–254.
[9]
潘邦金. 爆炸线起爆猛炸药时颗粒尺寸的实验研究[J]. 火炸药学报(原火炸药), 1980, 6: 11–21.
PAN Bang-jin. Experimental studies on particle size effects in initiating high energy explosion by exploding bridge wire[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 1980, 6: 11–21.
[10]
薛乐星, 王晓峰, 冯晓军, 等. 单质炸药在等离子体作用下的起爆响应研究[J]. 含能材料, 2017, 25(1): 69–75.
XUE Le-xing, WANG Xiao-feng, FENG Xiao-jun, et al. Initiation response of explosive compound under action of plasma[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2017, 25(1): 69–75. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.01.012
[11]
惠君明, 陈天云. 炸药爆炸理论[M]. 南京: 江苏科学技术出版社, 1995: 22.
Energy Output Characteristics of Explosives under Plasma Initiation
XUE Le-xing, FENG Bo, ZHAO Juan, FENG Xue-song, FENG Xiao-jun     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: To obtain output release properties of explosives under plasma initiation, shockwave overpressure in air and heat of detonation were selected as characterization parameters of energy release, and metal wire electrical exploding was used as a plasma source. Shockwave overpressure curves in air of TNT were measured under Ni-Cr alloy, W, Mo, and Cu plasma initiation. The effect of metal material on shockwave overpressure was analyzed. The heats of detonation of TNT, RDX and HMX were detected based on the calorimeter of measuring the heat of detonation and plasma generator. The results show that all kinds of plasma can initiate TNT, and shockwave overpresure initiated by alloy wire is significantly higher than that initiated by elemental metal wires. Shockwave peak overpressure order was Ni-Cr > W > Mo > Cu. The heats of detonation of TNT, RDX and HMX under Ni-Cr plasma initiation are 4 304.1, 5 491.7 and 6 254.8 J/g respectively. The values of heat of detonation are higher than literature values under detected condition of charge density of over 80% theoretical maximum density, indicating that plasma initiation is helpful to improve the energy release efficiency and detonation integrity of explosive.
Key words: explosion mechanics     plasma initiation     energy output     shockwave overpressure     heat of detonation