基于水中爆炸近场压力测试的含铝炸药能量释放规律研究

Aluminized explosives are widely used composite explosive, and it is widely used to load different warheads. Different with ideal explosive, aluminum mainly reacts with detonation products gas after the CJ point in the expanded zone. Because the high temperature and high pressure of detonation products, there is a lack of effective and reliable way diagnose secondary reaction of aluminum with detonation products. Concerning this issue, in this program Ultrahigh-speed simultaneous framing and streak photography would be used to study the shock wave propagation in the near field of underwater explosion for aluminized explosives. The shock front pressure will be gained from scanning trace of shock wave by using the Rankine-Hugoniot relation. Also the hydrocode will be used to simulate underwater explosion progress of aluminized explosives. In the simulation, equation of state containing programmed ‘on-time burning’ model will be applied. The timescale of aluminum reaction in detonation products will be obtained according the simulation and experiment. The result of this program will provide basis parameter and scientific direction for the compound design of aluminized explosive.

含铝炸药是一类用途较为广泛的炸药，被广泛用于装填各种对空武器弹药、水下武器弹药、对舰武器弹药等。不同于理想炸药，含铝炸药中的铝粉主要在CJ点后与炸药的气体产物发生二次反应，由于炸药爆轰时产生的高温、高压气体，目前对于铝粉二次反应速率还缺乏有效、可靠的实验手段进行诊断。针对这一问题，本项目拟采用超高速同时分幅/扫描相机对含铝炸药水中爆炸近场冲击波传播规律进行研究，结合水的冲击雨贡钮关系，获得含铝炸药水中爆炸时在不同位置处的冲击波峰值压力。同时利用流体力学程序，采用包含铝粉二次反应速率模型的含铝炸药状态方程，结合水中爆炸近场压力测试数据，拟合铝粉的二次反应速率参数，得到不同粒度铝粉反应时间尺度，从而为高能炸药的配方设计提供基础数据与科学指导。

为了获得含铝炸药配方中铝粉的二次反应规律，针对典型含铝炸药配方开展了水中爆炸测试和圆筒实验测试，结合数值模拟研究获得了铝粉二次反应速率数据。建立了基于超高速同时分幅/扫描技术的含铝炸药水中爆炸近场冲击波压力测试方法，能够实现水中爆炸近场GPa量级冲击波压力的连续测量，为研究炸药水中爆炸近场冲击波特性提供了技术支撑。针对三种不同铝粉含量的RDX/Al炸药开展了水中爆炸实验，测试获得了三种配方炸药水中冲击波传播轨迹，拟合得到了不同位置处的冲击波峰值压力及传播规律，结果显示铝粉反应释放的能量能够支持近场爆炸冲击波的传播，该实验结果已经被用于标定水中爆炸数值模拟模型，并用于研究含铝炸药水中爆炸效应。针对三种铝粉含量、三种铝粉粒度的RDX/Al开展了标准圆筒实验测试，利用激光干涉技术测量圆筒膨胀速度，通过与RDX/LiF配方炸药进行对比，获得铝粉的二次反应规律数据，结果显示铝粉反应的起始时间小于3μs，铝粉在10~15μs时间内已经反应完毕；发展了一种考虑铝粉二次反应速率的含铝炸药状态方程拟合方法，新方法拟合得到的炸药状态方程较好再现了圆筒膨胀过程，并能够对炸药中铝粉的反应情况进行半定量计算。基于实验结果和理论分析，建立了铝粉颗粒在爆轰产物中反应模型，模型认为铝粉颗粒在爆轰反应产物的作用下发生了熔化并形成铝液滴，在气动力作用下，铝液滴发生剪切破碎形成小液滴，颗粒越大，越容易发生破碎。通过本项目的研究，提升了对于含铝炸药爆轰反应过程的认识，为含铝炸药配方的设计及应用提供了理论和实验支撑。