沈 飞，王 辉，袁建飞，杨 凯

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

含铝炸药是一类高密度、高爆热和高威力的混合炸药，由于铝粉在爆轰反应过程中的后效性，使得含铝炸药具有较宽的化学反应区、临界直径大、反应产物成分复杂等特点，从而导致其能量释放的规律与理想炸药有很大差别［1-3］。RDX 基含铝炸药是含铝炸药中的重要体系，不仅是设计多组分含铝炸药的基础配方之一，也可以作为多组分含铝炸药能量水平的比较基准［2-3］。

目前，含铝炸药加速金属的能力一直是武器设计中所关心的重要问题。圆筒试验是评估炸药对金属加速作功能力的标准方法之一，目前国内已建立了标准（Φ25mm）圆筒试验和Φ50mm 圆筒试验方法。韩勇等［3-6］针对含铝炸药开展了圆筒试验研究，此外结合数值模拟方法确定了其爆轰产物JWL状态方程及反应速率函数的参数等，但只是针对某一种配方的含铝炸药进行研究，缺乏对不同含量铝炸药驱动作功能力的系统比较。本研究针对不同铝含量的RDX 基含铝炸药进行了Φ50mm 圆筒试验，分析了铝含量对RDX 基炸药加速金属时能量的释放时间、圆筒壁膨胀速度、格尼能的影响。

1 实 验

采用压装工艺制备了4种RDX 基含铝炸药，配方见表1，样品尺寸均为Φ50mm×495mm；圆筒材料为TU1无氧铜，密度为8.93g／cm3，圆筒内外径分别为50mm 和60.2mm；狭缝扫描位置距起爆端295mm，采用GSJ高速转镜相机记录圆筒壁在狭缝处端面的膨胀过程，扫描速度为1.5mm／μs，并通过固定于圆筒两端的电探针测定炸药的爆速。圆筒试验装置如图1所示。

表1 RDX 基含铝炸药配方Table 1 Formulation of RDX-based aluminized explosives

图1 圆筒试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the cylinder test

2 结果与讨论

2.1 数据处理

圆筒试验中，圆筒壁在冲击波的驱动力和气体爆轰产物的膨胀力的共同作用下发生膨胀运动。冲击波的驱动力使得圆筒壁在初期膨胀速度迅速提高，但持续时间较短；而气体爆轰产物膨胀时的推动力虽然峰值相对偏低，但持续时间较长。铝粉含量的增加一定程度上会改变炸药的爆热、爆压及爆轰产物的成分等，进而使得冲击波的驱动力和气体爆轰产物的膨胀力都会发生明显的变化，为了能区分两种力的作用效果，采用文献［7］中的数据处理方法，将圆筒壁的膨胀效果分两个多项式描述，即分别描述冲击波的驱动效果和气体爆轰产物膨胀的驱动效果。设圆筒壁膨胀距离R-R0与膨胀时间t满足以下函数关系式：

式中：Vshock为冲击波的驱动力使得筒壁达到的渐进速度；τshock为其加速时间段；Igas为气体爆轰产物膨胀力波动的幅度；τ1和τ2分别为爆轰产物膨胀力波动时上升和下降的时间常数。

将公式（1）对时间求导，可得到圆筒壁的膨胀速度：

通过对圆筒壁膨胀过程的扫描底片（其典型形状如图2所示）进行判读，得出圆筒壁膨胀距离-时间数据，并采用公式（1）进行拟合，其拟合系数值见表2，测得炸药在圆筒内的平均爆速见表2。由表2可以看出，随着铝含量的增加，爆速逐渐降低。

图2 圆筒壁膨胀过程扫描照片（RL-03）Fig.2 Photograph of expansion process of the cylinder wall（RL-03）

表2 圆筒壁膨胀位移曲线拟合参数Table 2 Curve-fitting parameters of the expansion displacement of the cylinder wall

2.2 铝含量对圆筒壁膨胀速度的影响

将表2中的参数代入公式（2）可计算出圆筒壁膨胀速度的变化曲线，如图3所示。

从图3可以看出，对于R-01炸药，15μs左右圆筒壁膨胀达到最大速度，而随着炸药铝含量的逐渐增加，圆筒壁膨胀到最大速度值所需要的时间逐渐增大，这表明铝含量增加使得炸药需要更长的时间才能充分释放其能量。

图3 圆筒壁膨胀速度-时间的历程曲线Fig.3 Time history curves of expansion velocity of the cylinder wall

表3中列出圆筒壁膨胀到一些特殊位置时所对应的膨胀速度，其中，圆筒壁膨胀距离为12、25、38及50mm 时，炸药爆轰产物的相对比容分别为2.2、4.4、7.0和10.0。对于理想炸药，一般认为爆轰产物相对比容为7.0时，圆筒壁的膨胀速度几乎不再增加［8］，但从表3可以看出，含铝炸药的圆筒试验中，圆筒壁的膨胀距离从38mm 增加到50mm 的过程中，其筒壁膨胀速度仍有比较明显的增加，尤其是铝粉质量分数为30%的RL-02，其膨胀速度提升较大。

表3 特定膨胀距离处圆筒壁的膨胀速度Table 3 Expansion velocity of the cylinder wall at given expansion distance

如果将冲击波驱动力和爆轰产物膨胀力对圆筒壁的加速过程分开表示，即将公式（2）中的两项表达式分开，则可分别描述两种作用力对圆筒壁的加速能力，如图4所示。

图4 两种作用力对圆筒壁的加速历程曲线Fig.4 Velocity-time curves of the cylinder wall induced by two kinds of force

从图4可以看出，随着铝含量的增加，冲击波驱动力越来越小，且作用时间均很短，一般在5μs左右，而爆轰产物膨胀力的持续时间却在逐步增加；铝粉的质量分数从0增加至30%时，爆轰产物膨胀力的驱动能力逐步增强，但铝粉的质量分数继续增加至40%时，爆轰产物膨胀力的驱动能力呈下降趋势。

2.3 铝含量对格尼能及格尼系数的影响

在这4种炸药的圆筒试验中，由于装药密度差别较大，需要对比它们的格尼能来描述对金属加速作功能力的差异。炸药的格尼能可根据公式（3）计算［8］：

式中：M为单位长度圆筒的质量；m为单位长度炸药的质量。

图5描述了格尼能与圆筒壁膨胀距离的关系，从图5可以看出，随着铝含量的增加，炸药的格尼能逐渐降低。表4 给出了圆筒壁膨胀距离为50mm时4种炸药的格尼能和格尼系数，可以看出这3种含铝炸药的格尼系数均小于不含铝的R-01 配方。图6描述了格尼系数与铝含量之间的变化关系，可以看出，铝粉质量分数从0 增加至30%的过程中，格尼系数降低的幅度相对较小，但铝粉质量分数继续增加至40%时，格尼系数的下降幅度较大。格尼系数变化曲线拟合公式如下：

式中：w为铝粉的质量分数，%。

图5 格尼能与筒壁膨胀距离的关系曲线Fig.5 Relationship curve between Gurney energy and expansion distance of the cylinder wall

但对于格尼能与炸药密度的积ρ0Eg（即圆筒壁和爆轰产物的动能之和与炸药体积的比值），RL-02的值大于R-01，且RL-03 的值略低于R-01，这表明，虽然RL-02和RL-03的格尼能小于R-01，但由于装药密度的增加，在相同的装药空间内，其作功能力差距变小，甚至超过R-01，这可以从图3 中看出。

图6 铝含量与格尼系数的关系曲线Fig.6 Relationship curve between Al content and Gurney coefficient

表4 炸药的格尼能及格尼系数（R-R0=50mm）Table 4 Gurney energy and Gurney coefficient of the explosives at R-R0=50mm

3 结 论

（1）随着铝含量的增加，RDX 基炸药的能量释放速率逐渐变缓，使得对圆筒壁的加速时间逐渐增长。

（2）将两种作用力对金属的加速作用区分对比发现，随着铝含量的增加，冲击波驱动力对圆筒壁的驱动能力越来越小；而对于爆轰产物膨胀力，铝粉质量分数逐步增加至30%的过程中，其驱动能力逐步增强，铝粉质量分数继续增加至40%时，其驱动能力却呈明显的下降趋势。

（3）随着铝含量的增加，RDX 基炸药的格尼能及格尼系数逐渐降低，但在相同的装药空间内，RDX 基含铝炸药的驱动能力有时甚至能超过不含铝的RDX 基炸药。

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