炸药爆热测量方法及应用的研究进展_王浩旭.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:王浩旭(),男,:。通信作者:高大元(),男,博士,高级工程师,:。:炸药爆热测量方法及应用的研究进展王浩旭,昝继超,贾路川,王 翔,张建明,蒋治海,菅国梁,卢校军,高大元,(中国工程物理研究院 化工材料研究所,四川 绵阳;中国工程物理研究院 安全弹药研发中心,四川 绵阳)摘要:爆热是表征炸药能量释放的重要参数。方法 “爆热 恒温法和绝热法”规定了小当量炸药的测试方法,在各类炸药的测量中发挥了重要作用。从炸药爆热的理论计算和测量原理出发,介绍了恒温法和绝热法爆热测试仪的组
2、成和测试方法,分析了高能炸药和金属化炸药的爆热测试结果,以及炸药爆热的影响因素。归纳了爆热测试仪几十年来不断更新和发展动态。当量从 增加到 ,内外桶测温精度和设备自动化程度不断提高,样品平行试验的最大偏差进一步降低。目前,中物院化材所研制的 绝热法爆热测试仪是国内最大当量的爆热测试仪,能够满足多种较大尺寸炸药的爆热测试需求。关键词:炸药;爆热测试仪;当量;发展现状;综述本文引用格式:王浩旭,昝继超,贾路川,等 炸药爆热测量方法及应用的研究进展 兵器装备工程学报,():,():中图分类号:;文献标识码:文章编号:():“”,(,;,),:;引言炸药爆热是一项重要的性能参数,是军用炸药安全性和性能
3、鉴定试验中规定的炸药定型、鉴定的必测项目。炸药爆热是自身的化学性质,是决定炸药爆炸毁伤特性的源动力,可用爆热测试仪对其爆热进行测量。然而,炸药爆热的测试结果与多种因素有关。对 炸药,组分的氧平衡、样品密度和尺寸、装药外壳材料和壁厚,环境气氛、甚至药柱的起爆方式都对爆热测量结果有不同程度的影响。因此,研究炸药爆热的影响因素有利于正确认识和利用爆热文献数据,并从爆轰机理上解释样品密度、氧平衡、装药外壳等因素对炸药爆热实测值的影响。炸药在不同气氛中的爆热测量方法一直备受国内外同行关注。测量了几十个炸药配方的爆热,并对产物组分进行了分析,研究了真空、二氧化碳和氧气 种环境下炸药爆热和爆轰产物的差别。结
4、果表明,氧气环境时,爆轰产物中可燃组分和 粉能够更好地和氧反应,放出更多的热量。美国 公司于 年建立了基于量热法原理测量炸药爆炸能量的装置,能够测量小药量 炸药的爆炸能量。等对 基含铝炸药分别在氩气、氮气和氩气 氧气环境中的爆热进行了测量,表明在惰性气体中爆热的测试结果基本一致,而增加氧气可以提高含铝炸药的能量释放。在国内方面,中物院化材所和西安近代化学研究所从 世纪 年代就开始研制恒温法和绝热法爆热测试仪,并对许多高能炸药、炸药和金属化炸药的爆热进行了测量,为炸药在武器弹药中的应用提供了试验数据支撑。爆热测试的 当量从 增加到 ,内外桶测温精度和设备自动化程度不断提高,样品平行试验的最大偏差
5、进一步降低。近年来,南京理工大学、重庆 厂、兰州 厂和山西 厂等单位均建立了爆热测试方法,国内的炸药爆热测试技术已接近世界领先水平。本研究综述了国内爆热测试仪几十年来不断更新和发展动态。从炸药爆热的理论计算和测量原理出发,介绍了恒温法和绝热法爆热测试仪的组成和测试方法。总结了国内许多同行开展高能炸药和金属化炸药爆热测试以及相关研究成果,讨论了炸药爆热的影响因素,并展望了今后爆热测试技术和应用的发展趋势。炸药爆热测量仪俄罗斯和欧美从 世纪 年代就开始研制炸药爆热测量仪。但双方用于测量炸药爆热的仪器设置略有不同,主要差别在于弹体内部结构设计。俄罗斯采用柱形空腔弹体结构,而欧美则使用球型空腔弹体结构
6、。中国参考了俄罗斯 的 设 计 思 路。根 据 炸 药 试 验 方法,爆热测试方法有恒温法和绝热法 种。恒温法爆热测试仪在整个实验过程中外桶温度保持恒定,温度变化不大于 ,但量热内桶和外桶的热交换须用数学公式进行修正,可由被测炸药试样的质量、量热计的热容量和试验修正温升求出炸药的爆热。绝热法爆热测试仪在测试过程中要求外桶通过温控系统始终跟随内桶同步温度升高,使内外桶没有温差,确保内桶与外桶间无热量交换。炸药放出的热量全部用来加热量热体系,可由被测炸药试样的质量、量热计的热容量和温升求出炸药的爆热。中物院化材所从 世纪 年代就开始用 当量恒温量热仪测量炸药的爆热。年 月,中国工程物理研究院第一本
7、科技丛书高能炸药及相关物性能出版,董海山院士对许多高能炸药、混合炸药和 炸药的爆热进行了系统总结。结果表明,环境气氛、样品密度、约束材料和厚度对炸药爆炸测试结果均有影响。年,长沙矿冶院姜炯和贾丁海介绍了 型绝热式爆热测试系统的主要工作特性。对 铜雷管、部分工业炸药的爆热测试结果表明,型测试系统具有灵敏度和精度高、操作简便、受环境温度影响小的优点,适用于工业炸药、军用炸药爆热的测量。西安近代化学研究所从 世纪 年代也开始用绝热量热仪测量炸药的爆热。年,俞统昌等报道了绝热型爆轰热量仪的建立和高能炸药的爆热测定。年,俞统昌等编写了 方法 爆热 恒温法和绝热法。从此以后,国内各单位的军用炸药爆热测试均
8、参照国军标执行。温控装置对于爆热量热仪非常重要,只有温控装置设计合理并保证一定精度才能保证测试结果可靠性。年,王翔等对传统爆热测试仪的温控系统进行了改进,研制了 当量绝热型爆热测试仪,并为国内的山西 厂和兰州 厂建立了爆热测试装置。该装置以分别插入量热内桶和王浩旭,等:炸药爆热测量方法及应用的研究进展外桶的两支铂电阻作感温元件,采用比例型温控线路,能自动跟踪温度控制仪控制外桶温度,同步跟踪量热桶水温的变化。非理想炸药达到稳定爆轰的临界直径较大,大当量的爆热测试仪是测量非理想炸药爆热的必备条件。同时,为确保数据的可靠性和客观性,要求尽量减少测量过程中的人为因素,提高设备的自动化程度。年,张建明等
9、研发了 当量的绝热型爆热测试仪(),并测量了 组炸药样品,最大偏差为 ,小于国军标规定的。结果表明,爆热测试仪满足国军标规定要求。年,张建明等从提升设备自动化程度、降低系统比热容,提高系统绝热性和温控灵敏度等需求出发,研发了 当量的绝热型爆热测试仪(),其外形照片见图 所示。图 绝热型爆热测试仪 使用 发标准物质苯甲酸测定的系统比热容为 ,相对标准差 ,优于国军标要求的 。测量 发 炸药爆热的最大偏差为 ,小于国军标规定的。结果表明,测试仪满足技术要求,精度明显优于国军标规定的技术指标。几十年来,爆热测试仪经过不断更新和发展,当量从 增加到 ,提高了内外桶测温精度和设备自动化程度,降低了样品平
10、行试验的最大偏差,已能满足多种高能钝感炸药爆热测试需求。高能炸药的爆热 理论和经验计算用盖斯定律计算爆热时需要炸药的化学组成、爆炸反应方程式、炸药以及爆炸产物的生成热。例如,用盖斯定律计算 和阿马托()的定容爆热分别为 和 。然而,当缺乏生成热数据和接近真实情况的爆炸反应方程式时,给计算带来了困难。对高能炸药,本综述介绍 种方法。)阿瓦克杨法该法的实质是将爆炸产物和它们的生成热作为氧系数的函数。按照最大放热原则,炸药分子中所有的 氧化为,而剩余的氧使 的一部分或全部氧化为。此时,爆热产物生成热的总和为实际的爆炸产物生成热总和的极值,用 表示。但是,在真实情况下,甚至在氧系数 时,由于完全氧化的
11、产物产生离解而生成、等组分,使产物生成热总和发生变化。对 炸药,其爆热计算式为:()()()()式中:为产物生成热总和的极值,;为产物生成热总和的实际值,;为真实性系数;为氧系数;为炸药的定容生成热,。该法也可用于计算混合炸药爆热。计算时假设各组分对爆热的贡献与含量成正比,则爆热为:()式中:为混合炸药中 组分的质量百分数,;为混合炸药中 组分的爆热,。用阿瓦克扬法计算获得、和 混合炸药的爆热分别为、和 。)俞统昌法通过大量炸药爆热数据的分析,俞统昌等发现绝大多数炸药的爆热随密度变化规律,提出了下列计算公式:()()式中:为炸药密度,;为炸药的理论密度,;为炸药密度 时的爆热,;为理论密度下的
12、爆热,;为标准测试条件下炸药爆热对密度的比值,;为负氧程度系数。苗勤书用上述方法计算的爆热值与文献值几乎具有相同的精度,表明此方法同时反映了密度和氧平衡对炸药爆热的影响。试验测试部分 炸药样品爆热的测试结果见表 所示。其中,为中物院化材所用恒温法测量的爆热;为西安近代化学研究所用绝热法测量的爆热。对同种炸药,因样品密度、试验装置和数据处理方法不尽相同,测试精度存在局限性,各单位获得的爆热测试结果存在偏差。因此,在使用炸药爆热数据时,需要注明其样品尺寸、密度、测试方法和试验条件。年,俞统昌等研制了炸药爆热计量标准装置,使试验精度得到了较大提高。方法 爆热 恒温法和绝热法颁布后,各单位均参照国军标
13、进行军用炸药爆热测试,对相同密度和尺寸的炸药样品,其测试可信度不断提高。针对恒温法爆热经典测量方法存在测量时间长、出现系统故障易导致测量失败等问题,杨杰等提出了一种基于兵 器 装 备 工 程 学 报:故障前数据辨识爆热的解决方案,以期为恒温法测炸药爆热提供有益补充。误差分析表明,爆热的辨识值可稳健地收敛于经典值,有效降低了系统故障导致测量失败的风险。表 一些炸药的爆热实测值 炸药密度()()密度()()钝化 目前,对 高能炸药爆热的理论和经验计算、测量方法已非常成熟。改善炸药氧平衡是提高其爆热的途径之一,尽量达到或接近零氧平衡。即高能炸药分子中所含的 能完全氧化 与 而生成 和,此时放出的热量
14、最高。金属化炸药的爆热 含铝炸药 年,韩勇等用恒温法测定了 含铝炸药()在空气、真空和水中的爆热分别为 、和 。结果表明,含铝炸药在空气中的爆热显然高于水中爆热。含铝炸药中至少部分 粉与空气中的氧发生了氧化反应放热。至于在真空中测出的爆热大于水中的爆热,这是因为在真空环境下存在 的压力,还有 的氧气;水中含氧较少,炸药中的 更难与水中的氧进行较完全的反应。根据爆热分析了含铝炸药的反应机理,认为含铝炸药在空气中爆炸时,粉在化学反应区和 点后都参加了反应,且在后一阶段释放大量的热量。年,冯博等用绝热法测试了 种 基含铝炸药(蜡)的爆热。根据爆热的测定值,通过最小吉布斯自由能法确定了不同配比含铝炸药
15、的爆炸产物组成,进而计算得到不同组成的含铝炸药中 粉的反应率。含铝炸药爆热与 粉反应率和 粉质量分数的关系见图 所示。图 铝粉含量与爆热和铝粉反应率的关系 从图 可知,对于 基含铝炸药,随着 粉质量分数增加,粉的反应率呈线性增大,爆热也增加。粉质量分数在 时达到最大,爆热也达到最大。随 粉质量分数的增加,粉的反应率呈下降趋势,爆热也呈下降趋势。年,李媛媛等用恒温法测定了 种含铝炸药(粘结剂)在真空、空气和纯氧环境的爆热。结果表明,含铝炸药在真空、空气和纯氧中的爆热依次递增,表明在密闭环境下,爆轰产物膨胀受到约束,反应在较长时间内完成,粉有足够时间和周围的氧发生燃烧反应释放能量。关于 粉颗粒尺寸
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