不同气体环境对液固混合燃料空气炸药爆炸能量的影响研究

第16卷第29期2016年10月科学技术与工程VoL I6 N。.29O c t.施6 1671 —1815(2016)29-0330-04Sc ie n c e T ech n ology an d E n g in eerin g©2016Sci. T ech. E ngrg.

不同气体环境对液固混合燃料空气炸药爆炸

能量的影响研究

姜夕博赵省向金朋刚

(西安近代化学研究所，西安710065)

摘要为了研究不同气体环境对液固混合燃料空气炸药（FAE)爆炸能量的影响，利用爆热量热计和密闭爆炸容器，分别在 真空、空气和纯氧三种条件下，测定了液固混合F A E的爆热和准静态压力。结果表明：爆热和准静态压力的大小符合如下顺 序：纯氧> 空气 > 真空，即随着环境中氧气含量的增加，试样的氧化完全性更高，且释放出更多的能量；同时，通过对试验数据 进行分析，拟合得到了准静态压力与试样爆炸释放能量的关系，即：试样的能量与准静态压力近似呈现线性关系，并满足Apq s

=0. 18 +0.52A(?的关系式。

关键词燃料空气炸药（FAE) 爆热 准静态压力 爆炸能量 气体环境

中图法分类号X932; 文献标志码B

燃料空气炸药（f u l e a i r explosive,F A E)用于装 填燃料空气炸弹，其燃料大多由碳氢化合物和金属 粉组成，本身不含氧或含氧量极少。使用时在中心 拋撒装药爆炸作用下，将燃料拋撒后与空气混合形 成了爆炸性云雾，实现云雾爆轰[1_3]。F A E不同于 传统的高能炸药，其燃料本身并不属于爆炸物，它是 在拋撒到周围环境中后，与周围具有氧化性的气体 混合后才能组成爆炸性混合物，所以不同环境条件 将对F A E爆炸能量产生显著的影响。因此深入研 究F A E在不同环境中的爆炸能量，成为F A E配方 设计和安全性研究的重要内容。

爆热和准静态压力是反映炸药爆炸能量的重要 参数;其中爆热能够反映出炸药爆炸时释放热量大 小，准静态压力是炸药在密闭空间中爆炸能量的最 终体现。在此方面国内外研究人员开展了一定的研 究[4,5]，李媛媛等[6]利用恒温式量热计测定了三种 含铝炸药在不同环境中的爆热，发现含细铝粉的含 铝炸药爆热低于含粗铝粉的炸药。金朋刚等[7]研 究了 T N T在密闭空间中的能量释放特性，发现随着 环境中氧含量的增加，准静态压力和爆炸场温度均 有所增加。Ames等[8]测量了多种温压炸药的准静 态压力-时间曲线，并量化了温压炸药爆轰和后燃烧 两个过程中的能量，试验得到了温压炸药密闭空间 中的典型压力-时间曲线。

2016年6月18日收到

第一作者简介:姜夕博。E-mail:jiangxibonj@ 163. c o m。

国内外相关资料表明，对于F A E燃料，尤其是 目前广泛采用的液固混合F A E燃料的爆炸能量的 研究较少。本文采用含金属铝粉的液固混合FAE 作为研究对象，分别在真空、空气和纯氧三种条件 下，开展了爆热实验和准静态压力试验研究，分析了 不同环境条件对其爆炸能量的影响。

1实验

1.1样品准备

实验样品为含有金属铝粉的液固混合F A E，实 验中先将带有雷管孔的5 g压装JH-14传爆药柱放 在玻璃烧杯底部，后放入质量为20 g的液固混合 F A E试样，试样密度为1.3 g/cm3，实验装药结构如 图1所示。

1为雷管;2为烧杯;3为F A E燃料;4为传爆药柱

图1装药结构

F ig. 1 C h argin g stru ctu re

1.2试验装置

爆热测量用爆热量热计装置如图2所示，容积 为5.8 L。实验中以蒸馏水作为测温介质，

采用测

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1为控温仪;2为铂电阻;3为温度计;4为潜水泵;5为试样；

6为爆热弹;7为量热桶;8为外桶;9为加热电极板；

10为冷却管;H为泵

图2爆热量热计示意图

Fig. 2 Calorimeter apparatus for measuring

detonation heat

温仪实时跟踪测量水温，根据爆热量热计系统的热 容值和温升得到单位质量液固混合F A E的定容爆 热值。

准静态压力测量采用密闭爆炸容器简图如图3 所示，为自行设计的密闭爆炸容器系统，由密闭耐压 罐体、充气装置、真空泵和排气装置等组成。爆炸容 器直径为〇.9 m，高为0. 7 m，总体积为0. 5 m3。装 置中部壁面对称的两侧各设有一个压力测试窗口，两窗口位于距离圆柱形罐体顶端〇.35 m的高度处，每个测量窗口安装P C B压电式压力传感器。

1.3实验条件

爆热实验参照G J B 772A—97的绝热法测定液 固混合F A E的定容爆热。爆热和准静态压力实验 中，将图1中的装药吊装在两装置中进行试验。

为研究试样在不同气体环境中的爆热和准静态 压力，除在真空环境中测量外，还分别进行了 〇. 1 M P a空气环境和纯氧环境的测量。真空条件采用 真空泵将容器内抽真空至压力约为-〇.096 M P a,空 气环境中爆热弹中的压力为0.1 M P a,纯氧环境中 首先利用真空泵将爆热弹中空气抽走，再充入〇. 1M P a压力的纯氧。

2实验结果与分析

2.1爆热实验

爆热是炸药爆轰性能五大基本参数之一，是衡 量炸药能量性能的重要参数[9]。采用爆热量热计 测量得到三种环境中的液固混合F A E爆热值见 表1〇

表1爆热测量实验条件

Table 1 Experimental conditions of the detonation heat 序号实验条件爆热/(J.g-1)

1真空 4 365

2空气 6 685

3纯氧12 663

从表1可以看出，真空、空气和纯氧三种条件的 爆热值逐渐增加，空气环境较氧气环境爆热值增加 了 53. 1%，纯氧环境中爆热值是真空环境的2.9 倍。由于F A E燃料本身并不属于爆炸物，所以即使 在传爆药柱强冲击波的作用下也不会使F A E试样 发生起爆。传爆药柱在雷管作用下起爆后，瞬时变 成高温、高压的气态爆轰产物，此爆轰气体产物急剧 膨胀使得F A E燃料发生拋撒，拋撒后与爆热量热计 中气体组成爆炸性混合物。随着爆热量计中氧气含 量的增加，F A E燃料与氧气接触的几率逐渐增加，试样的氧化性更加完全，从而释放的热量逐渐增加。此外由于F A E燃料中含有铝粉，含铝炸药属于典型 的非理想炸药，其爆轰行为呈现出显著的非理想爆 轰特性[1°]。铝粉在爆轰反应区内不参加反应或者 反应的量很少，而在化学反应区后的后燃阶段继续 反应，表现出明显的二次反应释能过程。在氧气含 量较充足时，铝粉与氧气的反应几率更大，越来越多 的铝粉参与到反应释能的过程中，导致在纯氧环境 中的爆热值最大，而在真空中的爆热值最小。

2.2准静态压力实验

绝热性能较好的密闭容器中，只要等待足够长 的时间，炸药爆炸的能量最终将通过容器内的气体 压力体现出来，此时的气体压力被称为“准静态压 力”（A/>q s)。F A E试样在三种环境条件下的准静态 压力如表2所示。

表2不同环境条件准静态压力试验结果

Table 2 Experiment results of quasi-static

pressure under different gas environment 序号质量/g实验条件A p q s/M P a

120真空0.221

220空气0.255

320纯氧

0.310