万晓智，马宏昊，沈兆武，陈 伟

(中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥 230027)

1 引 言

在传统的含铝炸药中，装药条件、铝的尺寸和含量等因素对炸药性能的影响显著。许多学者对此做了相关的研究工作。韩勇等人[1]采用高速转镜扫描相机和单狭缝扫描技术研究了两种具有不同直径的含铝炸药的做功能力，发现含铝炸药的能量释放具有明显的尺寸效应。苗勤书等人[2]研究了铝粉的粒度和形状对含铝炸药性能的影响，发现铝粉的比表面积是影响含铝炸药能量输出结构的直接因素。周霖等人[3]通过含铝炸药水下爆炸能量输出的测定与分析，得出：当铝氧比为0.35～0.40时，炸药的比冲击波能最高；当铝氧比为1.00时，炸药的比气泡能接近最大。夏先贵等人[4]通过高速照相技术研究了含铝炸药的起爆过程，发现铝粒子增加了含铝炸药的摩擦感度，使局部区域的温度升高，形成热点，引发炸药的初始化学反应。姚李娜等人[5]测试了纳米铝对RDX基炸药机械感度和火焰感度的影响，研究表明：相对于微米铝粉，纳米铝粉大大增加了炸药的机械感度和火焰感度，且随着铝含量的增加，感度增幅增大。在炸药中添加铝粉可提高炸药的爆热，增强炸药的做功能力，但同时也提高了炸药的感度，并且在铝粉炸药的生产过程中伴有粉尘污染及粉尘爆炸等危害，为此人们提出用铝箔膜代替铝粉，与RDX炸药均匀混合制得铝箔膜炸药，以达到降低炸药机械感度、改善加工环境、提高安全性的目的。

本研究将厚度为8～10 μm的铝箔膜和纳米级铝粉分别与RDX炸药均匀混合，压制得到高铝含量(铝的质量分数wAl为30%和40%)的铝箔膜炸药和铝粉炸药，其中为保证铝箔膜与RDX炸药混合均匀，提高炸药的反应度，采用硝化棉作为铝箔膜炸药的粘结剂。对两种含铝炸药进行水下爆炸实验，测量炸药在不同距离处的冲击波压力时程，比较两种炸药的冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、比气泡能、总能量等主要参数的差异，为含铝炸药的发展提供参考。

2 实验方案

2.1 实验样品制备

图1 炸药样品实物Fig.1 Explosive samples

根据实验需要，设计了4种炸药配方，如表1所示。在相同的压强下，采用圆柱型压装工艺制备铝箔膜炸药和铝粉炸药，所得药柱的一端均带有雷管孔，药径均为2.02 cm，药量均为10 g，如图1所示。铝箔膜炸药的制备思路：将RDX炸药经石蜡钝化后附于铝箔膜表面，卷曲并压制成圆柱形装药；在制作过程中发现钝化的RDX炸药与铝箔膜不能紧密粘结，造成炸药组分混合不均匀，炸药反应不完全；为避免RDX炸药与铝箔膜发生相对滑动，在炸药中使用硝化棉作为粘结剂与硝基甲烷混合液，待硝基甲烷挥发后将试样压制成型。由于硝化棉自身也是一种含能材料，因此用作粘结剂将有利于提高炸药的爆热。

表1 炸药配方Table 1 Formulation of explosives

2.2 水下爆炸实验

图2 水下爆炸实验示意图Fig.2 Experimental setup of underwater explosion

水下爆炸实验在直径为5 m、水深5 m的圆筒形水池中进行。测试仪器包括TEK DSO8064A型数字示波器、482A22型恒流源、PCB公司的W138A25型水下激波压力传感器(灵敏度为30 mV/MPa)。将药柱和压力传感器布置在水下3 m处[6-7]，压力传感器与药柱中心的水平距离(R)为0.7、0.9、1.2和1.5 m，如图2所示，每次实验使用两个压力传感器。为降低实验误差对实验结果的影响，相同条件下重复测试3次。

3 实验结果分析

3.1 压力时程

wAl=30%的铝箔膜炸药在不同位置处的典型压力时程曲线如图3所示，可以看出，冲击波压力呈指数衰减，压力峰值随着R的增加而逐渐下降。

3.2 压力峰值与冲量

冲击波压力峰值随比例距离(R/R0)的变化如图4所示，拟合公式为[8]

式中：pm为冲击波压力峰值(MPa)；R0为药柱半径(m)；a、b为拟合系数，如表2所示。

图3 铝箔膜炸药的压力时程曲线Fig.3 Pressure-time curves of aluminum foil explosives

图4 冲击波压力峰值的拟合曲线Fig.4 Fitted curves of shock wave peak pressure of explosives

图5 炸药冲击波冲量拟合曲线Fig.5 Fitted impulse curves of explosives

冲击波冲量可根据下式[9]进行计算

式中：I为炸药的冲击波冲量(MPa·s)；Δp(t)为冲击波压力关于时间t的函数；θ为衰减时间常数(s)，指冲击波压力从峰值pm衰减到pm/e所需的时间。林谋金等人[10-11]对冲击波冲量进行拟合时未进行量纲分析，其拟合公式难以推广。冲击波冲量不仅与比例距离有关，还与药量有关，可以采用以下函数[8]进行拟合，结果如图5所示。

式中：W为炸药质量(kg)；λ、φ为拟合系数，如表2所示。

表2 炸药压力峰值和冲量的拟合系数Table 2 Fitted coefficients of peak pressure and impulse of explosives

从图4中的数据点和拟合曲线可以看出：铝箔膜炸药的冲击波压力峰值衰减得较铝粉炸药缓慢；在起始反应段，铝箔膜炸药反应不如铝粉炸药迅速，铝箔膜炸药的冲击波压力峰值略低于铝粉炸药；随着比例距离的增加，因后期有效时段内铝箔膜碎裂并参与反应，冲击波能量得到补充，使得铝箔膜炸药的冲击波压力峰值略高于铝粉炸药。由图5可知，铝箔膜炸药的冲量相对于铝粉炸药提高了2.3%～8.9%，考虑到实验误差的影响，可以认为铝箔膜炸药的冲量与铝粉炸药相当。

3.3 比冲击波能、比气泡能与总能量

炸药水下爆炸的比冲击波能由下式[9]计算

式中：Es为炸药的比冲击波能(kJ/g)，ρw和cw分别为水的密度(g/cm3)和声速(m/s)，θ为衰减时间常数(s)。炸药在各测点处的比冲击波能如图6所示。

当装药深度为爆炸水池总深度的2/3时，来自水面和池底的边界效应相互抵消，炸药水下爆炸的比气泡能可由下式[9]进行计算

式中：Eb为炸药的比气泡能(kJ/g)，Tb为气泡第一次脉动周期(s)，K1为爆炸水池给定装药位置的常数，ph为测点处流体的总静水压(Pa)。炸药在各测点的比气泡能如图7所示。

图6 炸药的比冲击波能Fig.6 The specific shock wave energy of explosives

图7 炸药的比气泡能Fig.7 The specific bubble energy of explosives

炸药水下爆炸的总能量可分为近场的初始冲击波能和远场的气泡能两部分，实验测得的是经过传播衰减的远场冲击波能Es。工程实践中发现Es与初始冲击波能Es0存在一定的比例关系[12]

式中：μ为冲击波损失系数。μ的计算公式[9,13]为

图8 炸药的总能量Fig.8 The total energy of explosives

式中：pCJ为C-J压力(Pa)；β为装药密度ρ0与最大理论密度ρT的比值，即β=ρ0/ρT；ρe,w为除去金属铝后的基体炸药密度(g/cm3)；D为炸药爆速(m/s)，由实验测试得到。于是炸药水下爆炸的总能量为[9]

式中：Kf为炸药的形状参数。对于球形装药，Kf取1.00；对于非球形装药，Kf取1.02～1.10。本实验药柱的长径比接近1，故Kf取为1.00。炸药在各测点处的总能量如图8所示。炸药的比冲击波能、比气泡能、总能量以及其它相关参数列于表3。

从表3中的数据可以看出，铝箔膜炸药的爆速高于铝粉炸药，铝箔膜的结构整体性相对于铝粉更有利于炸药爆炸时爆轰波的传播。炸药的比冲击波能随R的增大逐渐减小，两种炸药的比冲击波能相近，在压力时程的有效时段内，铝箔膜与铝粉的反应程度相当。无论是铝箔膜炸药还是铝粉炸药，wAl=30%的含铝炸药的比冲击波能均高于wAl=40%的含铝炸药，与周俊祥等人[14]获得的铝含量对含铝炸药冲击波能的影响规律相吻合。

表3 炸药水下爆炸能量输出的相关参数Table 3 Related parameters of underwater explosion energy output of explosives

与比冲击波能不同，比气泡能基本不受测点距离R的影响。铝箔膜炸药的比气泡能相对铝粉炸药提高了4.05%～7.94%，主要原因是：铝箔膜的纯度较高(铝箔膜的比表面积比铝粉小，被氧化的铝较少)，铝箔膜参与反应的速度比铝粉缓慢，使得铝箔膜炸药的气泡脉动周期比铝粉炸药更长。该结果与牛国涛等人[15]研究发现的含纳米铝粉炸药的比气泡能始终低于含微米铝粉炸药的规律相似。

铝箔膜炸药的总能量相对铝粉炸药提高了4.34%～7.50%，与比气泡能的提高程度接近，说明铝箔膜与爆轰产物的二次反应热主要贡献于炸药比气泡能的增加。铝箔膜炸药总能量的提高也与两种炸药的粘结剂组分不同有关，铝箔膜炸药中所含的硝化棉对于提高炸药爆热具有一定的贡献。wAl=40%的含铝炸药的总能量低于wAl=30%的含铝炸药，与文献[3,16]报道的规律不符，可能与wAl=40%的含铝炸药中铝箔膜和铝粉参与反应不完全有关。综上所述，铝箔膜炸药与铝粉炸药的水下爆炸性能相近，但是两种炸药的制作工艺不同，铝箔膜的生产成本比纳米铝粉低，并且避免了在炸药生产过程中伴有的粉尘污染和粉尘爆炸等危害。

4 结 论

(1) 在炸药爆炸的起始时段，铝箔膜的反应不如铝粉迅速，而在后期有效时段，铝箔膜碎裂并参与反应，导致铝箔膜炸药的冲击波压力峰值衰减速率低于铝粉炸药；铝箔膜炸药的冲量与铝粉炸药相当。

(2) 铝箔膜炸药与铝粉炸药的比冲击波能相当；由于铝箔膜的比表面积比铝粉小，使得铝箔膜的纯度相对较高，铝箔膜炸药的气泡脉动周期略长，因此铝箔膜炸药的比气泡能乃至总能量均略高于铝粉炸药。

(3) 铝箔膜炸药与铝粉炸药的水下爆炸性能相近，考虑到铝箔膜的成本比纳米铝粉低，粘结剂硝化棉有利于提高炸药爆热，并且在炸药制备过程中避免了粉尘污染和粉尘爆炸等危害，因此铝箔膜炸药可作为含铝炸药发展的一条可参考途径。

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