0 引言
含铝炸药是一种以冲击波和后燃烧热为特征的弹药,通过压力和热的组合作用机制,对目标造成的破坏性更大,特别适合攻击坑道、舰船舱室和建筑等密闭或半密闭目标结构[1-3]。含铝炸药是复合炸药的重要组成部分,国内外学者对含铝炸药的爆炸性能进行了大量研究。冯晓军等[4]研究了铝粉含量对RDX基含铝炸药爆炸加速能力的影响,发现铝粉含量对炸药加速能力的贡献存在一个最佳值。卢广照[5]和阚润哲等[6]分别研究了铝氧比对Cl-20基含铝炸药在密闭环境和深水环境中的能量输出特性。由于铝粉在后燃过程中需要消耗大量的氧,为了改善炸药氧平衡,人们考虑在配方中加入氧化剂以改善含铝炸药的能量释放特性。高氯酸铵(AP)有效含氧量高,物理和化学安定性好[7],现已广泛应用在复合炸药配方设计中。王晓峰等[8]通过在配方中添加AP,发现可以有效提高炸药水下爆炸的气泡能和冲击波能。冯晓军等[9-11]研究了Al/AP含量对复合炸药爆轰性能和水中爆炸参数的影响,发现随着Al与AP摩尔比的增大,冲击波峰值超压逐渐减小,气泡能和最大气泡半径呈现先增大后减小的趋势。赵佳辰等[12]进一步研究了AP粒度对混合炸药热稳定性的影响,发现随着粒度的减小,混合炸药的表观活化能也越小。总的来看,近年来国内外针对含铝炸药的爆炸特性进行了充分的研究,获取了AP含量对含铝炸药能量输出特性和影响规律,但现有研究多见于开放空间,对于一端开口一端封闭的半密闭环境开展研究较少,对于在此类环境中铝粉以及高氯酸铵含量对含铝炸药的能量输出规律尚不明确,亟需开展研究。
为此,本文采用小型爆炸罐装置,实验时一端开口一端封闭,用以模拟半密闭环境,进行了不同含铝量和AP含量的爆炸实验,基于实验数据分析半密闭爆炸罐中冲击波的传播特性和热效应,以期为含铝炸药在半密闭结构内的能量输出特性研究和配方设计提供参考。
1 实验布置与材料制备
1.1 半密闭爆炸罐
半密闭爆炸罐由爆炸室、扩速段、卸压波导管和支架组成,如图1所示。其中爆炸室长度L1=500 mm,内径D1=360 mm,壁厚δ=20 mm。泄压波导管相当于1根激波管,既传播冲击波压力,又起到卸压作用,波导管壁面设置传感器安装孔,长度L=1 950 mm,内径D2=72 mm。爆炸罐与泄压波导管之间通过法兰连接并密封,整个实验装置右侧爆炸罐开口与大气接触,左侧波导管通过端盖紧固,类似于固壁约束,装置内部呈现出半密闭状态。
图1 实验装置图
Fig.1 Drawing of experimental device
1.2 试验方法
试验时药品通过细绳悬挂于爆炸罐中心,爆炸时产生的冲击波会向罐内外传播,为了分析冲击波在泄压导管内的传播规律,在导管上安装压力传感器监测其压力变化。压力传感器选用PCB公司的11B26系列压电式压力传感器,其谐振频率大于500 kHz,上升时间小于1 s,通过电缆与数据采集仪相连。图1(c)展示了传感器的测点位置分布,其中L2=300 mm,L3=600 mm,L4=600 mm,L5=450 mm。
为了观测爆炸火球膨胀过程与表面温度,在距爆炸罐开口一端30 m处外布置高速摄影与红外测温相机。高速相机选用约克公司的Phantom V1212系列,分辨率为1 024×768,采样频率10 000帧/s,曝光时间设置为5 s。红外相机型号为IRCAM Equus 327k SM系列,分辨率600×512,采样率为100 帧/s。热流密度测量采用辐射型热流传感器,其顶端距罐口中心直线距离0.85 m,对称布置在罐口外地面的安装座上(共布置2个热流传感器,取二者平均值)。
1.3 样品制备
本次试验所测样品质量为25 g,直径25 mm,采用压制成型,顶端预留有安装孔,用以加装雷管。如图2所示。设计了不同含铝量(微米量级)和高氯酸铵(AP)含量的含铝炸药实验样品(主装药为CL-20),共6发试验,样品具体参数如表1所示,试验过程采用雷管在炸药上端面直接起爆。
表1 试验炸药样品配比
Table 1 Test explosive sample ratio
Test #炸药组成质量/g1主装药/Al/粘结剂=65/30/524.962主装药/Al/粘结剂=60/35/525.053主装药/Al/粘结剂=55/40/524.954主装药/Al/AP/粘结剂=55/30/10/524.985主装药/Al/AP/粘结剂=45/30/20/525.046主装药/Al/AP/粘结剂=35/30/30/525.03
图2 被测药品形貌
Fig.2 Morphology of tested drug
2 实验结果
2.1 爆轰过程与热效应
以Test 3的高速摄影结果为例,来说明半密闭爆炸罐内含铝炸药爆炸火球的膨胀历程,如图3所示。
图3 Test 3高速摄影观测结果
Fig.3 Test 3 high speed photographic observations
整个火球膨胀过程可分为3个阶段:第1阶段为火球的快速膨胀阶段,在0.1 ms时,炸药在雷管的引爆下产生爆轰并快速膨胀,由于罐壁的约束以及初始的高温环境,引发铝粉产生高烈度燃烧,从1 ms和2.8 ms的图像可以看到耀眼的白光近似充满了整个火球,并在2.8 ms时达到最大火球直径。第2阶段为铝粉的持续燃烧阶段,此阶段的火球直径不再扩张,但内部的高温环境仍可以支持铝粉的稳定燃烧,并伴随着火球形状逐渐从“左右宽上下窄”的椭圆形向“左右窄上下宽”的椭圆形形状演化。第3阶段为火球的湮灭过程,在10 ms时,整个火球表面以黄色火焰为主,仅存在少量铝粉燃烧产生的白光,并且火球中心亮度逐渐下降变暗,在16 ms时火球仅表面存在火焰,火球中心全部变暗,在48.2 ms时火球表面的亮度也不断下降,并在93 ms时完全消失,整个火球膨胀历程结束。
图4(a)、图4(b)为6次实验中红外相机测温的结果,观察温度曲线变化发现,在爆炸反应初期,由于铝粉以及爆轰产物的大量燃烧,火球表面温度在16 ms左右时到达峰值,最高温度达3 000 K以上,之后由于可燃粒子在温度峰值附近大量消耗,导致温度在25 ms内急剧下降到2 000 K左右,温度峰值下降了近1/3。在反应中期,少部分铝粉和爆轰产物中的可燃成分持续燃烧,火球表面温度趋于稳定或缓慢下降,此过程持续数百毫秒,并在100 ms左右时会产生一个小的温升,随后便急剧下降,此温升“拐点”的出现可能是由于爆炸火球的不均匀扩散,导致边界附近区域内极易形成湍流,湍流的不确定性可能会造成温度曲线“拐点”的出现[13]。在反应末期,因火球内部可燃物消耗殆尽,火球表面温度快速下降至环境温度,温度曲线出现“陡降”。
图4 红外测温以及热流密度测量结果
Fig.4 Infrared temperature measurement and thermal flow density measuremen
图4(a)展示了Al粉含量对火球表面温度的影响,从曲线变化规律中发现,Al粉含量对爆炸反应初期的温度峰值影响不大,其影响主要体现在反应中期和末期阶段。含Al量为30%的炸药爆轰时火球表面温度在600 K以上的持续时间为128 ms,当炸药中含Al量增加到35%和40%时,火球表面温度在600 K以上的持续时间为164 ms和206 ms,高温持续时间更长,依次提高了28.1%和60.9%。图4(c)展示了Al含量对热流密度的影响,热流密度曲线在初始时刻扰动较大,这是初始爆炸时火球产生的强光强辐射导致的,随后曲线在3 ms左右到达峰值后缓慢下降到初始值。随着Al含量的增加,热流密度的峰值增大,Test 2和Test 3相较于Test 1的热流峰值依次提高了19%和39.5%,且到达峰值的时间缩短,这说明Al含量的增加可以提高含铝炸药的热流毁伤效应。
图4(b)展示了AP含量对火球表面温度的影响,在反应初期,随着AP含量的增加,火球的初始高温峰值逐渐增大,这说明AP可有效改善Al粉的燃烧性能,提高Al粉在初始反应阶段的参与度,因Al粉二次燃烧释放的热量大于炸药爆轰释放的热量,故温度峰值出现增加。在中后期时,温度曲线变化基本一致,相比于Test 4和Test 5,Test 6的高温持续时间更久,这说明AP含量对中后阶段的Al粉燃烧过程也有增强的作用。图4(d)中,Test 6的热流密度峰值相比Test 4、Test 5增加了5.5%和9.5%,这进一步说明AP可有效改善炸药的热作用过程,提高炸药的温压效应。
2.2 冲击波波形演化特征
6次实验中位于激波管壁面上的压力传感器记录了各测点冲击波超压时程曲线,选取Test 4～Test 6的测试结果,分析冲击波在爆炸罐内的波形演化特征,如图5所示。图5(a)记录了P1位置压力曲线,冲击波在经历扩速段、卸压波导管后到达P1测点,因P1距爆心较近,由于壁面的约束以及扩速段截面的收缩作用,冲击波发生复杂的反射、叠加和汇聚等过程,波形曲线在初始时刻均呈现出明显的多峰结构,对于Test 4、Test 5,其第2个波峰峰值甚至超过了首峰,叠加汇聚作用更强。在6～8 ms之间,左端端盖反射的冲击波到达P1位置,此时波形曲线趋于稳定,压力到达峰值后不断下降,没有出现压缩波汇聚叠加出现的多峰结构。图5(b)和图5(c)记录了#2、#3测点超压曲线,发现压力在到达首峰后依然出现振荡起伏现象,除了冲击波汇聚叠加的原因外,约束空间增强了爆轰反应区后发生的铝粉后燃过程,其产生的温升使得压力升高。相比于#2测点、#3测点超压时程曲线中反射超压峰值超过了首峰值。
图5 #1～#4测点超压—时程曲线
Fig.5 Pressure-time curve of #1～#4 measuring point
图5(d)中#4测点显示了左端盖位置处的超压时程曲线,超压在到达峰值后不断衰减,整个曲线较为光滑,未出现波的叠加汇聚现象,表明冲击波在到达端盖位置前已形成较为稳定的波形。
2.3 冲击波特征参数变化规律
为了对爆炸罐内传播的冲击波特征参数进行分析,实验测得的各测点冲击波峰值超压以及正相冲量如表2所示。
表2 实测不同组分炸药冲击波峰值超压及正相冲量
Table 2 Measurement of shock wave peak overpressure and positive phase impulse of different composition explosives
Test #测点位置1ΔP/MPaI/(MPa·ms)测点位置2ΔP/MPaI/(MPa·ms)测点位置3ΔP/MPaI/(MPa·ms)测点位置4ΔP/MPaI/(MPa·ms)12.320.6041.000.4940.671.3703.412.30022.180.631.210.6670.691.2803.442.19032.260.5211.130.4600.621.2603.472.02041.580.5741.210.4650.721.2303.462.17051.590.4740.940.4480.601.2003.352.10061.930.6031.050.5860.611.1102.881.920
2.3.1 Al粉含量的影响
将表2中Test 1～Test 3在不同测点位置处的超压和冲量测试结果绘制成柱状图,如图6所示。
图6 不同含Al量的超压峰值—正相冲量
Fig.6 Overpressure peak and positive phase impulse of different Al contents
图6(a)显示了Al粉含量对各测点超压峰值的影响,在距爆心位置最近的#1测点,随着铝粉含量的提高,Test 2和Test 3的峰值超压相比于Test 1分别减少了6%和2.6%,这是因为随着铝粉含量的上升,炸药含量降低,而铝粉基本不参与CJ面的反应,其主要在CJ面之后的爆轰产物膨胀阶段开始反应并逐渐完成,因此其对初始的超压峰值不做贡献。随着冲击波沿着管内继续前行,当波头到达#2测点时,发现Test 2和Test 3的超压峰值均高于Test 1,造成这种现象的原因可能是:在#1、#2测点之间,管道内因壁面约束作用而产生的反射叠加冲击波和半密闭狭小空间增强了铝粉的燃烧,造成了温度压力的升高,使得后续波阵面追赶上了初始冲击波的波头,波的叠加作用造成压力峰值的增加。随着冲击波的继续传播,超压峰值不断衰减,冲击波波阵面逐渐在管道内部匀化,以一个近似的平面波波形向前传播[14]。#4测点测得的Test 1～Test 3超压峰值较为接近,这说明Al粉含量对管道远端的测点峰值超压影响较小。
图6(b)显示了Al粉含量对各测点冲击波正相冲量的影响,对于近端的#1和#2测点,正相冲量先增大后减小,而铝粉燃烧释放的能量高于炸药爆轰释放的能量,这说明铝粉在罐内未能充分燃烧,尽管铝粉含量提高了,但相应的炸药含量却减少了,这种不完全燃烧没能改善炸药含量减少带来的消极影响,因此导致各测点冲量的降低,这表明铝粉含量在大于30%时,如要提高炸药在爆炸罐内部的做功能力,仅提高铝粉含量是不够的,甚至还会起到负面作用。对于远端的#3和#4测点,正相冲量随着Al粉含量的增加而减小,这是因为铝粉在飞散至远端测点时燃烧已基本结束,其对冲量基本无贡献,而炸药含量降低导致了冲量减小。
2.3.2 AP含量的影响
为了分析AP(高氯酸铵)含量对爆炸罐内各测点超压峰值和冲量的影响,将表2中Test 1、Test 4～Test 6的测试结果绘制成图7所示的柱状图。
图7 不同AP含量的超压峰值—正相冲量
Fig.7 Overpressure peak and positive phase impulse of different AP contents
图7(a)显示了AP含量对各测点超压峰值的影响,在近端的#1测点,Test 1的峰值超压显著大于其他组,这是因为用AP替换等量的炸药含量时,尽管有研究表明,AP会参与CJ面的爆轰反应,但其反应参与度有限,低于等量炸药对爆轰反应的贡献,因此采用减小炸药比例,增加AP含量的方法对增强近区的峰值超压几乎不可能实现。但是对于相对远端的#2、#3和#4测点,加入适量的AP可以提高超压峰值。当含铝量为30%保持不变时,AP的质量分数是10%,炸药质量分数是55%时,超压峰值最高。这是因为加入适量AP后,可以增强铝粉的后燃烧过程,燃烧释能引起温度压力的升高,使得后续冲击波追赶上了初始冲击波,但当AP过量时,这种增强后燃烧的积极作用不足以抵消炸药量减少带来的消极作用,反而会引起超压峰值的降低。
图7(b)显示了AP含量对各测点正相冲量的影响,对于近端的#1和#2测点,正相冲量随着AP含量增加呈现先减小后增大的趋势,当AP含量为30%时,冲量最大,做功能力最强。在#2测点,Test 6相对于Test 4和Test 5冲量分别提高了25.5%和31.1%。而对于远端的#3和#4测点,由于铝粉后燃烧过程的结束,正相冲量随着AP含量的增加而减小。
3 结论
本文基于小型半密闭爆炸罐装置,采用多种观测手段获取了不同组分的含铝炸药爆炸时的火球膨胀历程和冲击波传播特征参数,通过分析,可得到如下结论:
1) 对于爆炸火球的初始高温峰值,铝粉含量对其影响不大,其随着AP含量的增加而逐渐增大。铝粉和AP含量的增加都可以通过增强铝粉的后燃烧过程,进而提高火球高温持续时间和热流密度峰值。
2) 对于超压峰值,因铝粉和AP都不参与CJ面爆轰反应或参与程度较低,对管道近端测点的超压不做贡献反而会起消极作用,其主要是通过增强铝粉后燃烧过程而对之后的测点产生影响。
3) 对于近端测点冲量,其随铝粉含量增加先增大后减小,随AP含量增加先减小后增大。对于远端测点冲量,由于铝粉燃烧过程的结束,二者均对冲量不做贡献,但随着铝粉和AP含量增加,炸药含量降低,导致远端测点冲量降低。
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