空爆条件下硼基燃料对Al_PTFE复合装药能量输出特性的影响.pdf

:./.空爆条件下硼基燃料对/复合装药能量输出特性的影响张学瑞 周 涛西安近代化学研究所(陕西西安)摘 要 为研究空爆条件下硼基燃料对铝/聚四氟乙烯(/)活性材料与温压炸药组成的复合装药的能量输出特性的影响规律设计并制备了质量相同、组分不同的 种复合装药试样进行了自由场静爆试验获取了不同爆心距处的冲击波超压通过高速摄像仪记录了爆炸火球的演变过程 试验结果表明/活性材料能够提高复合装药的冲击波超压发生剧烈的后燃烧反应 硼基燃料分解过程具有.左右的延迟反应初期能量贡献较低使得复合装药冲击波峰值超压降低但是后燃烧反应能够促进火球体积的进一步膨胀降低冲击波超压的下降速率提高冲击波冲量 适当配比的/和硼基燃料能够使复合装药冲击波峰值超压和冲量均获得增强 在/中加入硼基燃料发生了爆燃以上反应冲击波超压出现了明显的二次峰值约为.关键词 复合装药硼基燃料/冲击波超压分类号./()/././././引言铅/聚四氟乙烯(/)活性材料是一类新型含能材料 在高速冲击或者高应变率加载的条件下它能迅速发生剧烈的化学反应释放大量化学能 因此也被称为反应材料 并且/具备良好的力学性能可以成为导弹战斗部的高效毁伤第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:卓越青年科学基金()第一作者:张学瑞()男硕士研究生主要从事爆破战斗部装药技术研究:.通信作者:周涛()男高级工程师主要从事战斗部设计研究:.单元国内外许多学者进行了不同方面的研究 等对/在易燃环境中的反应过程进行了详尽的理论研究郑雄伟等研究了/活性材料在不同冲击载荷下的释能规律陶俊等建立了/活性材料的计算模型并对 与 分子间的相互作用力进行了计算葛超等通过/以不同速度撞击靶板研究了碰撞压力和加载应变率对/材料反应的影响并获得了相应的临界应力和应变率阈值任耶平等结合 有限元软件对/活性材料在冲击载荷下的应力和反应度演化过程以及冲击波传播速度等进行了模拟研究 等研究了/活性材料的爆轰性能结果表明在该反应性材料的固体混合物中达到稳态爆轰原则上是可行的 复合装药通过调整装药结构与材料配比能够实现爆炸能量释放调控 李凌峰等将/活性材料与高能炸药组合成为复合装药通过与裸装药爆炸试验进行对比探究能量释放特性研究表明/复合装药依旧存在诸多问题 本文中将硼基燃料引入复合装药配方设计中促进/快速反应改善产气量少的问题 复合装药内层为温压炸药外层为含/或硼基燃料的混合燃料 通过静爆试验获取了复合装药自由场的爆炸冲击波超压 利用高速摄像仪记录了爆炸火球的演变过程 对复合装药静爆试验的结果进行了分析探究了硼基燃料对/复合装药能量释放特性的影响以期为该复合装药的优化设计提供参考 试验.试样设计并制备种内外同轴的复合装药分别标记为试样、组成如表所示内层为温压炸药以质量分数计的配方为:黑索今()添加剂密度为./外层为相同质量、不同组分的包含/或硼基燃料的混合燃料/按照化学计量比为./.进行配方设计 硼基燃料为某种高纯度化合物 复合装药结构如图 所示 在质量一致的条件下改变外层材料类型 复合装药一端中心装有雷管座利用雷管采用上端面中心起爆 图 复合装药(单位:).(:).装置与布局自由场静爆试验地点为室外靶场 共 发试样每发试验需要架设 路高速摄影仪需在 个测点处测试冲击波超压爆心距分别为.和.每个测点布置 路超压传感器 试验时装药竖直放置在弹架上弹架平台距离地面高度为.传感器高度与装药几何中心保持一致在爆心另一侧树立标杆标杆的爆心距分别为.和.用于观测爆炸火球的半径在垂直于标杆布置走向的方向上布置高速摄影仪 高速摄影仪的拍摄频率为 用于拍摄爆炸火球的演变过程 详细装置布局如图 所示 结果与讨论.复合装药反应机制复合装药通过内、外层材料的性能差异改变能量释放时机匀化能量场提高能量利用率 复合装药起爆后内层炸药会发生爆轰反应外层材料在爆表 复合装药的组成.试样内层装药质量/外层装药质量/总质量/温压炸药/温压炸药/硼基燃料 温压炸药硼基燃料 爆 破 器 材 第 卷第 期 图 试验装置布局(单位:).(:)轰加载下破碎、飞散并与空气混合然后发生二次反应 二次反应主要为燃烧反应以光和热的形式释放能量对于冲击波超压的贡献有限 如果能够加强二次反应速率使冲击波效应产生增益将有助于进一步提高复合装药的毁伤威力和能量利用率根据爆轰发生的条件反应过程需要满足反应速率快、放热量大和产气量大 个条件/活性材料反应热足够高在合适的配方比例下爆热能够超过一些理想炸药及含铝炸药 在反应过程中 作为氧化剂、作为还原剂参与二次反应释放大量热量产生类爆轰反应使得爆炸装置内的准静态压力获得提升两者发生的化学关系表达式为()()自由场中随着扩散距离的增大材料浓度下降将导致反应速率降低并且反应过程中没有气体产物因此对冲击波的贡献有限 文献指出/初始状态和反应的最终产物都是固体这类材料的爆轰机理被定义为混合型爆轰在高爆炸药引发时爆轰性能依赖于本身的组成和密度为了改善/产气量少的问题在复合装药外层材料中加入硼基燃料 该硼基燃料在爆轰加载下能够分解产生大量小分子气体以及单质碳和硼气相分解产物主要由、组成这些气体分散性比固体颗粒好快速反应并释放大量热量有利于加快/的反应速率硼基燃料受到冲击载荷作用而发生分解除上述物质外其余物质为固体和不可燃气体那么()式中:为硼基燃料的相对摩尔质量 为试样中硼基燃料的质量 为单位摩尔硼基燃料产生的气体体积为试样中硼基燃料分解产生气体的体积分数与云团体积的乘积为保证外层材料中/含量足够高分解产生的气体体积分数不宜过高取 云团体积按照内层装药 倍半径到 倍半径之间的环形空间体积进行计算纵向取装药高度的 倍此空间为后燃烧反应时反应材料的主要分布区域 试样中硼基燃料设计质量 的计算结果约为.试样制备时向上取整为 高于设计下限.高速摄像分析复合装药自由场爆炸火球的演变过程如图 所示 爆炸火球形状基本对称为了获得较高帧率与分辨率的图像拍摄了复合装药爆炸火球一侧的变化图像从图 可以看出 组试样的火球膨胀速度相差不多在 左右膨胀到最大半径最大半径在.范围内 组试样内层装药质量相同火球径向膨胀的能量来源主要是内层温压炸药因此火球径向膨胀速度和最大半径接近通过高速摄像图反推 组试样外层材料的飞散初速 高速摄像每帧时间间隔为 通过装药与标杆的实际距离 和图像距离 确定比例关系 颗粒云团边界相邻两帧的图像距离差为 将相邻两帧颗粒边界平均速度近似为瞬时速度则()对外层混合燃料破碎后颗粒飞散初速进行理论推算 对于圆柱形装药格尼公式的形式为.()式中:为内层装药对/活性材料加速达到的最大初速为内层装药质量为外层活性材料质量为格尼能表示炸药装药爆轰后对外层材料的动能输出 一般通过式()进行估算(.)()式中:为炸药爆热温压炸药的 当量为.利用式()估算能量输出时应取下限 经计算温压炸药的格尼能为./利用式()和式()分别计算 组试样外层材料飞散初速的试验值与理论值结果如表 所示 由表 可以看出通过高速摄像图反推的颗 粒飞散初速与理论值十分接近误差小于.考虑到外层材料在抛撒过程中由于颗粒间隙的存在部分爆轰产物流出造成能量损耗计算结果基本可以接受 试样 的试验值与理论值几乎一致表明/活性材料与硼基燃料在加速阶段发生反应释放的能量能够弥补部分能量损失 年 月 空爆条件下硼基燃料对/复合装药能量输出特性的影响 张学瑞等 图 爆炸火球演变过程.爆 破 器 材 第 卷第 期表 颗粒初始速度的理论值与试验值./试样试验值理论值.对火球的亮度与体积进行分析发现含有/活性材料的复合装药火球伴随有高亮度的火光产生持续时间基本超过.试样 的外层材料为硼基燃料硼基燃料在冲击加载下分解需要一定的时间 高速摄像图显示火球亮度在.后获得了二次提高这表明在本次试验条件下硼基燃料大约在起爆后.开始大量分解并发生反应 利用制图软件将爆炸火球近似为不规则多边形计算爆心一侧的多边形面积以此衡量火球的体积 起爆后.从试样 到试样 的火球体积逐渐减小形状比较接近 随后试样 和试样 的火球形态出现差异火球上、下端部半径与最大半径的差距减小火球外轮廓的曲率减小到.时体积增长 左右试样 火球的中部横向增长速度快形状扁平.时增长约 硼基燃料分解产生大量的小分子可燃气体这些气体既能参与反应并释放热能又能够增加产气量改变火球形态使得火球上、下端膨胀速度变快纵向毁伤范围更广.冲击波超压分析相同爆心距测点处自由场冲击波超压相差较小表明复合装药爆轰空间分布较为均匀则可对等爆心距处的超压数据进行平均化处理 不同测点处冲击波超压的时程曲线如图 和图 所示 对部分数据进行适当平移便于进行对比 冲击波峰值超压和冲量列于表 图 .处超压的时程曲线.图 .处超压的时程曲线.表 冲击波峰值超压与冲量.试样/./().通过表 可知试样、在.和.处峰值超压相对于试样分别高出约和冲击波超压能量的主要来源是温压炸药中的 组试样内层装药完全相同 试样 外层/活性材料反应能够释放出大量能量增强冲击波压力 试样 外层硼基燃料本身不发生爆轰反应热分解过程需要一定的时间飞散过程会消耗冲击波能量导致冲击波峰值超压较低 试样 外层材料既含有/活性材料、又含有硼基燃料硼基燃料在爆轰加载下分解形成温度较高的小分子气体产物反应释能促进/材料反应装药整体能量释放速率加快使得冲击波效应获得增强在.处冲击波峰值超压比试样 高出.从冲击波冲量角度分析在.处试样 和试样 含有硼基燃料两者冲击波冲量相对于试样 分别高出约.和.在.处试样 与试样 冲量接近均低于试样 硼基燃料热分解需要一定的时间改变了装药的能量释放时机分解产物反应释能促进了/材料的快速反应使得装药整体释能速率加快并且冲击波超压下降速率变低正压区作用时间被拉长冲击波冲量获得提升冲量下降速率也变低 这表明硼基燃料的加入能够调节复合装药的释能速率提高毁伤威力图 为在不同距离处试样 的冲击波超压时 年 月 空爆条件下硼基燃料对/复合装药能量输出特性的影响 张学瑞等程曲线 可以发现在.和.处试样的超压出现了比较明显的二次峰值冲击波由.传播到.处所用时间为.平均速度约为./图 试样 不同距离处的冲击波超压时程曲线.结合高速摄像图试样在.之后火球亮度二次提升说明硼基燃料在此时大量分解并参与反应 试样 冲击波在.之间到达.传感器处速度略低于外层材料飞散速度.处首峰与二次峰时间间隔约为.二次峰的出现时间也在.左右 可以认为二次峰的出现与硼基燃料分解并参与反应有关硼基燃料分解产生大量小分子可燃气体反应释能并促进/活性材料加速反应使得颗粒云团发生爆燃以上的剧烈反应冲击波超压再次提升二次峰值超压约为.能够对中等防护目标实现毁伤 结论)/活性材料能够提高复合装药的冲击波超压随着爆轰产物继续膨胀与空气混合后发生剧烈的后燃烧反应)硼基燃料分解过程具有.左右的延迟爆炸火球亮度在.左右获得二次提高 反应初期释能速率较低使得复合装药冲击波峰值超压较低硼基燃料在冲击加载下分解产生大量可燃气体发生后燃烧反应促进火球体积的进一步膨胀并且降低了冲击波超压的下降速率冲击波冲量获得提高 这表明硼基燃料能够调节复合装药能量释放速率)适当配比的/和硼基燃料能够弥补飞散过程的能量损失使复合装药的冲击波峰值超压和冲量均获得增强 在/中加入硼基燃料发生了爆燃以上反应冲击波超压出现了明显的二次峰值约为.参 考 文 献 徐松林 阳世清 徐文涛 等./反应材料的力学性能研究.高压物理学报 ():./.():.张先锋 赵晓宁.多功能含能结构材料研究进展.含能材料 ():.():.():.郑雄伟 袁宝慧 陈进 等.活性材料的冲击压力对冲击释能规律影响研究.兵器材料科学与工程 ():.():.陶俊 王晓峰 韩仲熙 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