冯晓军，韦国平，徐洪涛，严家佳

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

炸药在水中爆炸大体上分为3个阶段：炸药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动［1］，冲击波表征了炸药爆炸的强动态作用，在近距离内对目标的局部破坏起决定性作用；气泡脉动表征了炸药爆炸的准静态作用，在远距离对目标产生结构性整体破坏。长期以来，人们重点关注冲击波对目标的破坏作用而忽略气泡的作用，随着炸药水中爆炸及其毁伤技术研究的深入开展，气泡毁伤作用引起了科研人员的重视［2］。为了实现对炸药水中爆炸能量释放的有效控制，提高炸药水中爆炸的毁伤效应，人们开始研究由高能炸药、金属粉、氧化剂和黏结剂构成的复合炸药及其水中爆炸性能［3-5］，其化学反应过程首先是高能炸药快速爆轰放热反应，然后是金属粉和氧化剂等非理想组分的低速氧化反应，因此通过控制这两步化学反应的能量分配比例和低速化学反应的能量释放速率，可以有效地调节炸药水中爆炸冲击波能和气泡能的比例大小，达到对特定目标的最大毁伤效果［6］。

本研究以RDX 为主炸药，通过添加不同含量的Al粉和AP制成复合炸药，采用水中爆炸实验，从冲击波参数、气泡参数及冲击波能和气泡能等方面，分析了Al粉和AP对复合炸药水中爆炸参数的影响。

1 实 验

1.1 实验原理

将炸药悬挂在水中一定深度，在确定为理想水域的条件下起爆炸药，利用与炸药在同一水平深度处的压力传感器测量距炸药一定距离处的冲击波压力随时间的变化曲线，如图1所示。可以在该曲线上直接得到冲击波峰值压力pm、冲击波衰减时间常数θ和气泡脉动周期Tb，然后计算得到水中爆炸的冲击波能Es、冲量I、冲击波能流密度E及气泡最大半径Rmax和气泡能Eb等参数。

图1 典型水中爆炸冲击波压力-时间曲线Fig.1 Typical shock wave pressure-time curve of underwater explosion

炸药水中爆炸相关参数的计算公式如下［7］：

冲击波能：

冲量：

气泡能：

能流密度：

最大气泡半径：

式中：R为传感器与炸药之间的水平距离；ρw为测点水的密度；Cw为测点水的声速；ph为爆点处水的静压力

1.2 实验方法

采用电测法测量炸药水中爆炸参数，测试系统主要包括：水下激波传感器、信号适配器、数据采集记录仪、稳压电源和屏蔽数据传输线等。实验布局如图2 所示，水池深10m、直径12m，试样入水深度4.7m，采用PCB138A 型水中激波传感器测量炸药水中爆炸的p-t曲线，传感器对称的布置在距离试样1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0m 处，数据采集记录仪为成都微测VX11115 型多通道波形记录仪［9］。

图2 实验布局Fig.2 Experiment layout

1.3 试样的制备

以RDX 为主体炸药，通过添加不同含量的Al粉和AP组成系列复合炸药，用压装工艺制成圆柱形药柱，长径比为1∶1，药量为1kg，用20g JH-14传爆药端面中心起爆，试样配方及基本性能见表1。

表1 RDX 基复合炸药的组成及性能Table 1 Formulation and performance of RDX-based composite explosive

2 结果与讨论

对表1中的6 种RDX 基复合炸药进行水中爆炸参数测量，并利用公式（1）～（5）计算相应的参数值，结果列于表2。为了对比分析，进行了相同条件下1kg装药的TNT 水中爆炸参数的测量和计算，见表2。

表2 RDX 基复合炸药水中爆炸参数的测量值和计算值Table 2 Tested data and calculated ones of explosion parameters of RDX-based composite explosive

2.1 Al与AP摩尔比对冲击波相关参数的影响

根据表2结果，考察了不同测点处Al与AP摩尔比对复合炸药水中爆炸冲击波峰值压力、时间常数、冲量和能流密度的影响，结果如图3所示。

图3 峰值压力（a）、时间常数（b）、冲量（c）、能流密度（d）与Al和AP摩尔比之间的关系Fig.3 Relationship between shock wave pressure（a），time constant（b），impulse（c），energy flux density（d）and Al／AP mole ratio

从图3可以看出，在不同测点处，随着Al与AP摩尔比的增加，复合炸药水中爆炸冲击波峰值压力呈线性规律衰减、冲击波衰减时间常数呈幂指数规律衰减、冲量以线性规律衰减而冲击波能流密度以二次幂函数衰减。因为随着Al与AP 摩尔比的增大，一方面复合炸药的爆压有所增大，使得冲击波峰值压力在水中传播时的损失能增大；另一方面，随着Al与AP 摩尔比的增大，复合炸药负氧平衡和非理想性增大，爆轰反应区增长，爆轰反应能量耗散增大，使得贡献给水中冲击波形成的能量减小，而且由于复合炸药中Al粉和AP的二次释能反应时间比冲击波传播时间慢，其能量也不会有效延缓冲击波的衰减，因而导致冲击波峰值压力降低。时间常数可反映出冲击波压力的衰减快慢，冲击波压力衰减越快，时间常数值越小。由于复合炸药能量释放速率的降低，使得冲击波压力的衰减速率增大，导致时间常数减小。冲量和能流密度是冲击波压力和时间常数的积分函数，当冲击波压力和时间常数减小时，冲量和能流密度也减小。

2.2 Al与AP 摩尔比对气泡半径和气泡周期的影响

通过气泡周期与Al和AP 摩尔比作图，分析Al粉和AP对复合炸药水中爆炸气泡周期和气泡最大半径的影响，结果如图4所示。可以看出，随着Al与AP摩尔比的增加，复合炸药的气泡周期和最大气泡半径先增大后减小，当Al与AP 摩尔比为3.8时，气泡周期和最大气泡半径最大。

图4 Al与AP摩尔比与气泡周期和气泡半径的关系Fig.4 Relationship between Al／AP mole ratio and bubble period and bubble radius

复合炸药和TNT 的气泡最大半径和气泡周期列于表3。可以看出，虽然随着Al与AP 摩尔比的增大，气泡最大半径和气泡周期有所减小，但始终大于TNT 的气泡最大半径和气泡周期。复合炸药气泡周期和气泡最大半径减小的原因是随着Al与AP摩尔比的增大，复合炸药的负氧平衡增大，导致参加二次放热反应的Al粉含量减小，而且剩余的Al粉还会作为惰性物质吸收能量，使复合炸药的爆热值降低，减小了提供给气泡脉动的能量。

表3 复合炸药和TNT 的气泡半径和气泡周期比较Table 3 Comparison between composite explosive and TNT on bubble radius and period

2.3 Al与AP 的摩尔比对冲击波能和气泡能的影响

根据表2结果，分析Al与AP摩尔比对复合炸药气泡能和各测点冲击波能的影响，并与TNT 炸药进行对比，结果列于表4，将不同测点处的冲击波能TNT 当量随Al与AP摩尔比的变化作图分析，如图5所示。

表4 复合炸药冲击波能和气泡能的TNT 当量Table 4 Shock wave energy and bubble energy TNT equivalent of composite explosive

图5 Al与AP摩尔比与冲击波能TNT 当量的关系Fig.5 Relationship between Al／AP mole ratio and shock wave energy TNT equivalent

由图5可以看出，随着Al与AP 摩尔比的增加，复合炸药冲击波能的TNT 当量以二次多项式规律减小，当Al与AP 摩尔比为8.7左右时，在相同测点处，复合炸药的冲击波能与TNT 的冲击波能接近。从能量分析，复合炸药爆炸释放的能量由爆轰能（Qd）和爆轰产物的膨胀能（Qp）两部分构成，爆轰能是炸药爆轰波阵面上快速反应释放的能量，对水中爆炸的冲击波能有贡献，而膨胀能是炸药爆轰波阵面后二次反应的慢速能量释放过程，与水中爆炸气泡脉动在时间尺度上相同，其能量主要贡献给气泡的脉动。随着Al与AP摩尔比的增大，复合炸药的非理想特性增大，导致爆轰能释放速率降低，因此使得冲击波能逐渐降低。

由表4 结果看出，随着Al与AP 摩尔比的增加，复合炸药气泡能的TNT 当量先增大后减小，当Al与AP摩尔比为3.8左右时，气泡能的TNT 当量达到最大值，影响因素与AL／AP 摩尔比对气泡周期或最大气泡半径的影响因素相同。从表4还可以看出，复合炸药气泡能的TNT 当量始终大于冲击波能的TNT 当量，这说明复合炸药水中爆炸能量输出以气泡能为主，对于要求高气泡能的水中兵器用炸药，应该采用复合炸药装药。

3 结 论

（1）RDX 含量不变，随着Al与AP摩尔比的增加，冲击波峰值压力、时间常数、冲量和能流密度都逐渐减小。

（2）随着Al与AP 摩尔比的增加，复合炸药的气泡周期和最大气泡半径呈先增大后减小趋势，当Al与AP摩尔比为3.8左右时，气泡周期和最大气泡半径最大。

（3）随着Al与AP 摩尔比的增加，复合炸药的冲击波能TNT 当量以二次多项式规律减小，气泡能TNT 当量先增大后减小，但复合炸药气泡能TNT 当量始终大于冲击波能TNT 当量，说明复合炸药水中爆炸能量输出以气泡能为主。

［1］李金河，赵继波，池家春，等.水中爆炸冲击波传播规律的实验研究［J］.高能量密度物理，2007（1）：25-28.

LI Jin-he，ZHAO Ji-bo，CHI Jia-chun，et al.Experimental research on the laws of explosive-wave propagation in water［J］.High Energy Density Physics，2007（1）：25-28.

［2］王晓峰.NEPE 水下炸药配方设计原则研究［D］.西安：西安近代化学研究所，2007.

［3］封雪松，赵省向，刁小强，等.含硼金属炸药水下能量实验研究［J］.火炸药学报，2009，32（5）：21-24.

FENG Xue-song，ZHAO Sheng-xiang，DIAO Xiao-qiang，et al.Experimental research of underwater energy of explosive containing boron／metal［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（5）：21-24.

［4］周霖，徐更光.含铝炸药水中爆炸能量输出结构［J］.火炸药学报，2003，26（1）：30-36.

ZHOU Lin，XU Geng-guang.Configuration of underwater energy output for aluminized explosive mixtures［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2003，26（1）：30-36.

［5］王浩，王亲会，金大勇，等.DNTF基含硼和含铝炸药的水下能量［J］.火炸药学报，2003，30（6）：38-40.

WANG Hao，WANG Qin-hui，JIN Da-yong，et al.Underwater energy of DNTF based boron-contained and aluminum-contained explosive［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2003，30（6）：38-40.

［6］周俊祥，徐更光，王廷增.铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析［J］.爆破，2005，22（1）：41-51.

ZHOU Jun-xiang，XU Geng-guang，WANG Ting-zeng.Characteristic analysis of shock wave for underwater explosion of aluminized explosive［J］.Blasting，2005，22（1）：41-51.

［7］Micheal M，Swisdak J R.Explosion effects and properties：Part Ⅱ-explosion effects in water.NSWC／WOL TR 76-116，AD-A056694［R］.Springfield：NTIS，1978.

［8］Cole，R H.Underwater Explosions［M］.Princeton：Princeton University Press，1948.

［9］冯晓军.炸药爆轰参数对水中爆炸能量输出结构的影响［D］.西安：西安近代化学研究所，2011.