基于气体定律的高能炸药密度的测量方法

高正明，赵 娟

(荆楚理工学院 a.计算机工程学院; b.电子信息工程学院，湖北 荆门 448000)

炸药的出现，结束了冷兵器时代靠人数、靠个人力量的战争方式，从此战争对技术的信赖多于人力，并使远距离突袭成为可能，直接改变了战争的形态。随着技术的发展，人们又研制出更高能量密度的高能炸药(或猛炸药)，在进一步提升战争破坏力的同时，也大大改进了人类的生存和生活方式。高能炸药在爆炸工程、航空航天和现代武器系统中日益发挥着不可替代的作用。但是由于高能炸药为有机化合物/混合物，存在老化[1]、分解、变性等各种有机化合物常规劣性[2]，因此其质量性能，尤其是与能量密度密切相关的密度参数，倍受航天工程和军工部门的重视。公开文献资料表明，高能炸药密度的检测与测量，一直是世界各国爆炸工程和现代武器工程领域相关研究的重点内容之一[3]。

高能炸药的密度受加工条件影响[4]，其均匀性、稳定性等，在军事应用中具有特别重要的意义，影响着高能炸药各组分的构成[5]、爆轰效能[6-7]等。在高能炸药密度检测方面，美国Lawrence Livermore国家实验室于20世纪70年代通过专门的研究提出利用物质的克分子体积的基团加和法来计算炸药及相关物的真密度值[8]。国内外一些单位开展了基于X或γ射线[9]、快中子活化法测量高能炸药密度的研究工作[10]。为实现在线检测，北京理工大学还探索了动态称重法和超声波法[11]等。由于高能炸药对静电、撞击敏感，且存在老化、分解等现象，因此高能炸药密度的测量存在较多的限制，尤其是在长期贮存过程中以密度参数来衡量高能炸药实体质量特性的情况下，需要在整个贮存周期开展重复性测量。此时X或γ、中子等微观粒子的能量沉积作用、核反应等使射线检测技术的安全性存在疑虑[12]，超声波法也因应力波的存在和潜在的加速分解能力[13]未被列入常规检测技术手段。工程上常用的基于阿基米德原理的密度测量法在国内简称作液浸法或浸液法(媒介液体包括水、油、汞等)，是高能炸药密度测量的重要手段。该方法应用于高能炸药实体密度检测时，需要采用包裹物将高能炸药和液体隔离，需要仔细排除气泡或抽真空，机械操作步骤繁琐，升降移动复杂，安全隐患较多，更是存在液污风险。因此，寻找一种缩短测量时间、安全可靠有效的替代方法，一直是高能炸药相关工程领域关注的一个重要方面。

为此，于2011年提出了基于玻意尔-马略特气体定律的高能炸药密度的检测方法，并进行了充分论证[14-15]。该方法在显著消减密度测量过程中高能炸药机械操作数量，保证测量精度的同时，进一步提升了密度测量作业的自动化、信息化、智能化和通用化水平。本研究进一步介绍了这种新型测量方法的基本原理，推导了技术指标和应用范围，并与传统的排水法进行了对比分析。

1 高能炸药密度测量方法

高能炸药密度的测量，可区分为生产或使用前后的常规检测和生产过程中的连续监测，前者为一次性测量，用于评估炸药密度质量、密度分布均匀性等。而连续监测方法主要用于生产过程中的在线监测评估。

1.1 基于阿基米德定律的测量方法

基于阿基米德定律的密度测量方法是目前国内外高能炸药密度的主要测量手段。该方法测量精度高，误差可小于0.1 kg/m3[16]。测量的基本原理是根据密度公式ρ=m/V(ρ：密度，m：质量，V：体积)，通过直接或间接的手段测量得到高能炸药的质量和体积，计算得到密度数值。

采用密度瓶法测量炸药密度的基本原理是[16]

(1)

式中：m1为空密度瓶质量；m2为注满液体的密度瓶质量；m3为注满液体和炸药实体的密度瓶质量；ρw为液体在温度t时的密度。通过3次测量计算得到指定温度下的炸药密度数值。国军标中对黑火药的密度测量标准中，使用的参考液体是水银，毒性强、染污大，景银兰等提出采用空气、无水乙醇、饱和销酸钾+氯化钠溶液以及纯水替代水银的方案，并进行了试验验证[17]。结果表明采用空气或其他液体作为测量媒介时，测量对象密度数值变化较大，影响测量密度的主要原因包括附着气泡、炸药实体内部气体残留、质量测量误差以及媒介密度基准误差等。

改善测量技术方案有助于进一步提升测量结果的准确度，但同时也增加了测量对象操作频度。高维权等在测量纤维密度[18]时，采用的密度计算公式为

(2)

式中，m4为密度瓶和待测对象的质量，试验中给出的相对测量误差约1%。

采用基于阿基米德定律的密度测量方法测量高能炸药密度时，为保证高能炸药实体质量性能，需要采用不溶于液体的包裹物包裹，以防止液体污染，为减少附着气体，需要抽真空或排气泡。同时，该方法需要多次移动高能炸药实体到质量测量仪器台上。在高能炸药实体质量较大、爆炸危害严重的情况下，存在着突出的安全隐患。

1.2 连续监测方法

为满足生产过程中高能炸药质量和军工产品装药均匀性监测技术需求，国内外工程技术人员根据物理学、力学等学科知识，提出了高能炸药密度的连续监测方法。包括动态称重法、超声波法[11]、X或γ射线检测法[19-20]、中子活化法[10]等。这些方法仅适用于生产过程中高能炸药密度的连续监测，由于这些方法或多或少地对高能炸药力学状态、化学稳定性等产生影响，尚未应用于高能炸药贮存质量管理过程中。

2 基于玻意尔-马略特定律的高能炸药密度的测量方法

2.1 高能炸药密度测量技术需求

高能炸药密度约在1 400～2 000 kg/m3之间。基于阿基米德定律的密度测量方法中测量精度影响因素是水的密度、附着气体以及质量的测量精度，在采用蒸馏水和高精度天平测量的条件下，目前工程上该方法的测量误差约为1 kg/m3。为替代现有测量方法，新的高能炸药密度测量方法应具有更优异的性能，其测量精度应不低于这一指标，即δ≤1 kg/m3。同时，测量作业时，应减少高能炸药实体转载移动频度和幅度，以增强操作安全性。

2.2 密度测量基本原理

基于玻意尔-马略特定律的高能炸药密度的测量原理是采用如图1所示的体积的非接触式测量系统测量确定高能炸药实体的体积，采用电子天平测量高能炸药质量。基于一体化设计原则进行结构设计，测量装置主要有3个功能模块，体积测量模块、质量测量模块和辅助系统模块，整个测量过程由计算机或单片机实现自动化控制，采用信息技术手段进行数据处理与输出。

图1 测量原理示意图

基于玻意尔-马略特定律的高能炸药密度的测量公式为

(3)

式中:V0为测试箱体体积；V1为加载气体体积；p0为当地大气压力；p为通过压力传感器测量加载气体后测试箱内气体压力；m0、m1为测试箱加载高能炸药实体前后质量。

2.3 测量仪器技术指标

基于玻意尔-马略特定律的高能炸药密度的测量装置组成如文献[14]所示，根据误差传递理论，该方法的测量误差为

(4)

由式可知，基于气体定律的高能炸药密度的测量误差取决于体积、气体压力的测量误差的传递与分配。因此在各功能模块设计时，应尽可能提升体积、气体压力的测量精度。经调研提出模块功能设计要求为：测量系统容器体积采用二等标准金属量器计量方法，相对误差不大于2.5×10-4；电子天平测量质量上限由高能炸药总质量决定，尽量采用高精度电子天平，如目前测量质量上限为100 kg时，测量误差可取1 g(沈阳龙腾ES100K-1型电子天平)，压力测量采用谐振式扩散硅集成压力传感器，气体压力的测量误差不大于0.01%(Gruck DPS/RPS 8000压力传感器)，即δV=2.5×10-4，eM=1 g，δp=0.01%。

测试箱放入高能炸药实体后，剩余体积(V0-V)越小，测量精度越高，若取V1/V0=1，则绝对测量误差Δρ小于 1 kg/m3，相对误差小于0.1%，测量精度很高。密度的测量误差随加载气体体积的增大而减小，且密度越小的实体测量精度越高。加载气体越多，测试箱内终态压力越高，测试箱气密性要求也增高，增大了测量装置制造与维护难度；给定初始质量，随着固体密度的增大，误差逐渐增大；待测量物质质量对测量误差的影响显著，质量越小，密度测量误差也越小。在给定测试箱箱体体积的条件下，待测物质密度必须足够小才能保证测量误差较小。若许可误差δ≦1 kg/m3，则可推算待测实体密度应满足：ρ≦2 550 kg/m3，因此该测量系统的检测范围是ρ≦2 550 kg/m3。

为确保安全，在高能炸药密度的检测过程中，一般情况下转载移动操作和排气泡操作所占时间约占整个测量时间的90%以上。采用液浸法测量高能炸药密度时，由于需要多次测量高能炸药实体及其包裹物的质量，转载移动次数较多，测量时间相应的也很长。而基于气体定律的高能炸药密度的测量方法只需要转载移动高能炸药实体一个来回，显著缩短了测量时间。

2.4 对比分析

表1中列出了新的测量方法测量高能炸药密度与排水法的对比情况，可见，基于气体定律的高能炸药密度的测量方法具有更突出的性能。且可采用计算机接收和处理相关数据，通过程控方式实现密度的批量测量，自动化、信息化程度高，测量原理简单，作业程序少，操作安全，且避免了排水法测量过程中可能造成的水污风险。

表1 新的高能炸药密度测量方法与传统测量方法比较分析

3 结论

根据高能炸药贮存质量管理需要提出了基于气体定律的密度测量新方法，并给出了测量原理，明确了该方法的技术指标。研究结果表明：在现有条件下开展基于气体定律的高能炸药密度的测量，其测量误差与传统的排水法测量误差相当，但可大大提高高能炸药密度测量的自动化、信息化和智能化水平，显著缩短测量时间，大幅缩减高能炸药转载移动次数，减少操作安全隐患。