温压炸药能量输出结构的初步研究*

黄 菊，王伯良，仲 倩，惠君明

(南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

金属粉末在含能材料中可以起到增加能量、提高爆热和做功能力等作用，对于这类含高能金属添加剂的混合炸药，能量释放存在持续且分步进行的特点，它的能量输出结构对指导炸药配方设计具有重要意义。辛春亮等［1］采用AUTODYN软件对含铝炸药和理想炸药进行了对比研究后指出，由于铝粉的二次燃烧放热可以在较远距离处保持较大的冲击波能，做功能力高于理想炸药;采用JWL-Miller能量释放模型计算了含铝炸药水中爆炸过程，讨论了人工粘性和网格密度对计算结果的影响，并反推炸药Miller模型参数，较好地反映了含铝炸药的能量输出结构［2］。周俊祥等［3］将含铝炸药化学反应划分为快速反应和慢速反应，建立了含铝炸药非理想爆轰的简化模型，合理地描述了含铝炸药非理想爆轰的主要过程和非理想特性。

温压炸药也是一类含有高能金属粉(如Al)的混合炸药，一般还添加助燃剂(如AP)使其在高能炸药爆炸后快速反应以提供后期铝粉燃烧需要的高温条件，因而与普通含铝炸药反应过程有明显的不同。由于药剂中各组分的化学能释放速率存在显著差异，在配方设计时应使各组分反应分阶段持续进行，达到释能过程的良好匹配，提高能量利用率。由于对于温压炸药空中爆炸能量输出结构的研究较少，本文中借鉴JWL-Miller简化模型对温压炸药空中爆炸进行数值计算，并根据实验数据确定能量释放模型参数，在此基础上讨论温压炸药后燃反应释放的能量及其对冲击波的影响规律。

1实验

1.1 实验条件

采用自制的含铝粉、黑索今及高氯酸铵的固体温压炸药试样约50 g进行静爆实验，实验装置为轴对称圆柱形薄壁钢制壳体模拟弹，外形尺寸为∅35 mm×70 mm，置于距水平地面25 cm高的支架上，采用8号电雷管从下端起爆。实验在开阔平坦的硬质土壤场地进行，以爆心为中心，分别在相互垂直的2条主力学线上依次布置5个传感器，测点距爆心距离分别为 1.0、1.5、2.0、2.5 和 3.0 m，测试场地布置如图1所示。

1.2 测试系统

实验所用测试系统主要包括美国PCB公司的102A型压电式压力传感器、481A型信号调理仪和VXI-1115数据采集分析仪。传感器输出电压为5 V，信号调理仪与传感器配套，增益在0.1～200范围内任意调节，数采设置量程为16 V，期望值为5 V。与各测点有关的测试系统参数见表1，其中，d为测点距爆炸中心的距离;s为传感器灵敏度，R为传感器最大量程;G为信号调理仪的放大倍数;m为数据采集分析仪的标定系数。

表1 测试系统实验参数Table 1 The parameters of experiment system

2 计算模型

模拟上述实验中温压炸药空中爆炸冲击波的传播情况，装药量、炸高及起爆方式均与实验一致。按照爆炸场实际尺寸建立2维轴对称计算模型，计算域由炸药和空气2个部分组成，采用欧拉算法。网格划分尺寸为10 mm，炸药附近适当加密。

炸药单元的材料模型采用JWL-Miller状态方程［4］描述

等熵条件下

式中:p和pS为爆轰产物压力;V为爆轰产物的相对比容，V=v/v0，其中v=1/ρ是爆轰产物的比容，v0是爆轰前炸药的初始比容;A、B和C为材料参数;R1、R2和ω为常数。E为冲击面前释放的比内能;Q为冲击面后额外释放的比内能;λ为非理想组分的燃烧分数。非理想组分的反应速率

式中:a为能量释放常数;m为能量释放指数;n为压力指数。

空气采用理想气体状态方程

式中:p为压力;γ为气体多方指数，γ=1.4;ρ为密度，ρ=1.225 kg/m3;e为比内能。

3 分析与讨论

3.1 JW L-M iller模型参数的确定

通过保持计算结果与实验数据之间的一致性确定JWL-Miller模型参数。表2中分别列出了不同距离的冲击波超压峰值pp和冲量i的计算值xi，s、实测值xi，e以及二者之间的误差(此处的误差定义为εi=(xi，s－xi，e)/xi，e×100%)，表2中所列实测值为2条测试线的算术平均值。由计算结果和实验对比可以看出，冲击波初始压力峰的计算值小于测量值，这是人工粘性作用导致的结果。由于本程序的有限元计算不能反应冲击波这种强间断，需要在几个网格内用人工粘性光滑强间断，使得求解结果随空间的变化变得缓和。因而人工粘性的加入使得数值计算的峰值压力比测量值小。

表2 冲击波超压峰值和冲量的数值模拟结果与实验结果对比Table 2 Comparison of peak overpressure and impulse obtained by calculation and experiment

辛春亮等［2］的研究表明，人工粘性和网格划分密度对冲击波超压的影响较大，对冲量的影响较小。冲量也是炸药做功能力的体现，对结构响应起主要作用，所以主要以冲量误差大小作为评判依据，除1.5 m处的冲量误差为10.0%以外，其余各测试点的超压峰值和冲量的误差均小于10%，根据此结果确定了温压药剂 JWL-Miller模型参数:A=212.2 GPa，B=8.0 GPa，C=1.253 GPa，R1=3.8，R2=1.6，ω=0.25，ρ=1.85 g/cm3，vCJ=7.3 km/s，ECJ=20 GJ/m3，pCJ=30 GPa，Q=10 GJ/m3，a=0.062，m=0.65，n=0.254，其中，vCJ为冲击波速，pCJ为冲击波压力，其余相关物理量的含义同前一致。

JWL-Miller能量释放模型中参数E为冲击面前释放的比内能，主要与温压炸药中的理想组分有关，Q为冲击面后额外释放的比内能，主要与铝粉等非理想组分有关，由表2可以计算出铝粉的二次反应释放的能量占总能量的1/3。这与阚金玲等［5］的研究结果一致，说明本文给出的参数具有合理性。

在此基础上进一步讨论非理想组分反应燃烧分数λ随时间t的变化关系。根据JWLMiller模型参数可以得到非理想组分反应燃烧分数λ随时间t的变化曲线如图2所示。从图2中可以看出，约400 ms时，λ=1，说明铝粉等添加剂在空气中进行彻底的有氧燃烧反应时间可达400 ms，其中数毫秒至几十毫秒内释放的能量对冲击波具有增强作用，其余则对热辐射等其他释能形式具有重要贡献，说明后燃效应可以大大提高温压炸药的做功能力。

图2 温压炸药非理想组分燃烧分数随时间的变化曲线Fig.2 Reaction degree for thermobaric explosive

3.2 冲击波衰减规律

图3 1.0 m处温压炸药和TNT冲击波压力时程曲线Fig.3 Shock wave pressure histories at1.0 m

图3给出了1.0 m处温压炸药冲击波压力计算值、测量值随时间的变化曲线以及与普通高能炸药TNT计算结果之间的对比情况。可以看出，温压炸药在爆轰时与普通高能炸药的一个显著区别是出现了二次压力峰，郭炜等［6］和张奇等［7］也提及过类似的二次冲击波，李秀丽等［8］曾在同一实验场地进行多次重复性实验，发现不同距离处测得的压力时程曲线上均观察到两个正压区，且第二个正压区呈现较好的规律性，并分析认为是由于铝粉的二次反应释能所导致。

从图3中可以直观的看出温压炸药具有爆炸和后燃2个作用过程:首先药剂中高能炸药爆轰引起的冲击波形成第1个峰值(计算值为199.2 kPa，测量值为 239.9 kPa)。随后大量未一次氧化完全的含能颗粒(如Al等)的爆轰产物爆炸抛撒的同时与周围空气中的氧反应(即后燃反应)释放大量热能，由此产生的压缩波或冲击波形成了第2个波峰(计算值为18.6 kPa，测量值为16.0 kPa)，使温压炸药冲击波呈现2个正压作用区，增加了爆炸冲量，而TNT几乎没有后燃效应，只出现1个波峰(计算值为131.0 kPa)。由计算可知温压药剂2个正压作用区冲量之和为相同质量TNT的约1.6倍。

图4给出了2.5 m处温压炸药冲击波压力计算和测量值随时间的变化曲线以及与普通高能炸药TNT计算结果之间的对比情况。由图4可以看出，温压炸药的正压作用区与普通高能炸药相比较宽，计算得到温压药剂正压作用区冲量为相同质量TNT的约1.8倍，说明在温压药剂一次爆轰反应结束后，爆轰产物中的Al、H2和CO等与空气中的氧发生放热反应，由此产生的二次冲击波在一定条件下追赶上前驱爆炸冲击波，拉长了第1个正压区，这部分能量的释放对冲击波具有明显的增强作用，使之传播得更远。

图4 2.5 m处温压炸药和TNT冲击波压力时程曲线Fig.4 Shock wave pressure histories at2.5 m

4结论

以实验为基础，采用JWL-Miller能量释放模型计算了温压药剂空中爆炸冲击波传播情况，所得结论如下:

(1)确定的JWL-Miller能量释放模型参数较合理地描述了该温压炸药的能量释放规律。温压药剂能量输出结构可以为药剂配方设计提供参考依据，以实现各组分反应过程可控和能量释放效率最大化。

(2)所研究的温压炸药后燃反应释放的能量占总能量的约1/3，延缓了冲击波的衰减，对冲量具有增强作用，使温压炸药与普通高能炸药相比，在中、远场具有更高的威力。

(3)得到该温压炸药非理想组分反应燃烧分数随时间的变化曲线λ(t)，在完全燃烧的理想情况下，铝粉等添加剂的后燃效应持续时间可达400 ms。

(4)温压炸药冲击波压力在较近和较远处分别呈现不同规律，在较近处呈现两个正压区，在较远处则为一个较宽的正压区，计算得到具有后燃效应的该温压炸药正压作用区冲量为相同质量TNT的约1.6～1.8倍，反映了铝粉等添加剂的后燃反应释能对冲击波效应有明显的增强作用，考虑到温压药剂还有更强的热辐射等释能形式，总的输出能量会比TNT高得更多。

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