PBX-01炸药水中爆轰产物状态方程研究

提出通过水中实验确定炸药的水中爆轰产物JWL状态方程参数的方法;选择PBX-01高能炸药进行水中实验,利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验模型,将实验结果与数值计算结果进行对比,确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数。研究结果显示,圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足,水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确地描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程,因此对水中爆炸的研究需要通过水中爆炸实验建一套状态方程参数。

     

一类爆轰合成用乳化炸药的爆轰反应特征

结合热分解特性、爆轰产物状态及数值计算探讨所制备的含Fe、Mn(Zn)元素乳化炸药的爆轰反 应特征。对该系列乳化炸药及其爆轰产物分别进行DSC和DTG实验、XRD检测和TEM 表征,通过比较不 同类型炸药及其爆轰产物的热分解特征、爆轰产物的成分和形貌、晶型畸变度等研究该类炸药爆轰反应特征; 并通过数值计算研究和佐证了不同温度和压强状态下,爆轰固体产物可能存在状态。结果表明:硝酸铵有利 于炸药爆轰时形成相对比较均匀和平稳的爆轰反应结构,而这种结构有利于可重复性合成比较单一和均匀 的爆轰产物。高密度炸药的爆轰产物比低密度炸药的相对纯净。低密度炸药不完全爆轰,导致了爆轰产物杂 质较多;数值计算结果表明,爆轰固体产物分布相图可以辅助分析爆轰固体产物可能存在状态及Mn(Zn)的 爆轰合成机制。     

炸药爆轰驱动水的初期过程

采用高速转镜分幅相机,利用阴影照相技术研究了PBX-01炸药爆轰产物在水中的初期演变过程, 获得了爆轰产物与水界面在不同时刻的图像。利用LS-DYNA程序对该实验进行了数值模拟,得到了水中冲 击波迹线、炸药爆轰产物与水界面随时间膨胀的位置、速度。数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,所 得参数可为进一步设计改进实验提供参考。理论分析表明,水在爆轰产物作用下的最高瞬间温度约342K, 未到达水在实验压力条件下的相变汽化温度。     

高密度B炸药的燃烧转爆轰实验研究

采用电探针及压力传感器测试技术对密度为1.597 g/cm3的固体B炸药（TNT/RDX=40/60）的燃烧转爆轰性能进行研究。实验结果表明,在较强的约束条件下（45号钢管,内径20 mm,外径64 mm,长500 mm）,B炸药形成了DDT现象,诱导爆轰距离为295~310 mm。     

PBX9502炸药爆轰产物的状态方程

采用vanderWaals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型,计算了爆轰气相产 物的状态方程;用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态描述凝聚成分,由Gibbs自由能最 小确定了不同状态下的凝聚产物相态。对爆轰产物混合系统采用自由能最小原理,通过化学平衡方程组求解 了炸药爆轰产物系统的平衡组分。使用该理论计算了高含碳炸药PBX9502Chapman-Jouguet(CJ)点的爆轰 参数,计算值与实验值符合很好;同时计算了3条等温线,并与Sesame库比较,发现温度超过1000 ℃时,计 算值与Sesame库的计算结果比较接近。在计算的5802K 等温线上发现了一个拐点,分析发现是由于在此 处游离态的碳发生了相变。     

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

JB-9014炸药超压爆轰产物的状态方程

根据P.K.Tang等提出的对炸药爆轰产物超压状态方程建模时只对JWL状态方程CJ等熵线中 高压指数项做修正的研究思路,首先给定超压状态下内能等熵线的修正项,再根据热力学定律对内能等熵线 求微分而得到沿压力等熵线的修正项。对JB-9014炸药超压爆轰冲击Hugoniot实验数据和声速实验数据同 时进行拟合,得到了3个JWL状态方程在超压爆轰状态下的修正项,并进行了分析与比较。得到超压修正项 的方法简单,3组超压修正项与P.K.Tang的修正项一样,都能很好地拟合超压Hugoniot数据。在实验数据 范围外,对超压状态下的声速-压力实验数据的拟合精度有所差别。     

RDX基含铝炸药爆轰波结构实验研究

为了获得含铝炸药爆轰反应区附近铝粉的反应情况,对两种RDX/Al炸药和一种RDX/LiF炸药的爆轰波结构进行了测量。实验过程中,利用火炮加载产生一维平面波,通过光子多普勒测速仪测量炸药/LiF窗口的界面粒子速度。结果表明:含铝炸药爆轰波的结构与理想炸药的差异较大,其界面粒子速度曲线没有明显的拐点;反应初期,由于气相产物与添加物之间温度的非平衡性,RDX/Al界面的粒子速度低于RDX/LiF炸药的;随后,由于铝粉反应放能,RDX/Al界面的粒子速度高于RDX/LiF炸药的;微米尺度铝粉在CJ面前几乎不发生反应;2、10 μm等两种粒度铝粉的反应延滞时间小于0.8 μs;在本文中,两种粒度铝粉的反应度为16%~31%。     

高-低爆速圆板炸药串联爆轰引起平面爆轰波的变凸现象

为分析高-低爆速圆板炸药于空中串联爆轰时平面爆轰波在传播过程中演变成凸面波的现象,分别对平面爆轰波阵面后爆轰产物状态参数的分布、有效药量与柱面装药几何尺寸的关系、爆轰产物的状态方程及强爆轰关系式进行了讨论。并以100 mm50 mm的TNT与RC炸药串联爆轰为例,描述了平面爆轰波演变为凸面爆轰波的过程,预估了爆轰波的平面范围和波形差。预估结果与实验结果基本符合。     

工业炸药的原子经济性分析

运用原子经济性概念,引进了工业炸药氧化剂和可燃剂的能量贡献量和能量因子、爆炸产物的单位质量生成热和单位质量比容等指标,分析结果表明:工业炸药应选择能量贡献量、能量因子较大,爆炸产物的单位质量生成热和单位质量比容较大,氢、氧、碳元素含量较高的物质作为原材料,以利于获得性能优越的工业炸药。     

水下爆炸焊接和压实

回顾了水下爆炸在军事海战和经济建设方面的应用,并且探索了水下爆炸在工业方面的发展。结合水下冲击波独特的性能,提出了水下爆炸焊接和水下冲击波压实粉末混合物2种加工方法。焊接试样显微组织中典型的波状界面表明水下冲击波对于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果。粉末混合物在水下冲击波加载作用下能形成致密体。利用水下冲击波,在纯铜表面制备出了性能优良的弥散强化涂层。涂层内部弥散颗粒分布均匀,高硬度显示了优良的机械性能。     

炸药水中爆炸的冲击波性能

采用PCB138压力传感器测量了TNT、RS211、HLZY-1和HLZY-3等几种炸药水中爆炸冲击波远场的压力时间历程,计算得到了这几种炸药水中爆炸冲击波性能参数及其相似常数。研究表明,含铝炸药水中爆炸冲击波远场的传播服从指数变化的相似律,其冲击波性能比标准炸药TNT优越。含铝炸药HLZY-1具有较好的水中爆炸冲击波性能。     

TNT药柱水中爆炸近场压力轴向衰减规律

通过TNT药柱水中爆炸实验,建立了利用高速相机测量水中爆炸近场冲击波的实验方法,得到了药柱轴向的扫描图像,并对图像进行了数字化分析;利用Rankine-Hugoniot关系从冲击波的扫描轨迹求得冲击波阵面压力,并外推至冲击波的初始压力;用LS-DYNA计算了柱形装药近场压力沿轴向的衰减曲线;用锰铜压力传感器测量了冲击波的初始压力。研究结果表明,测试结果与计算结果比较符合,TNT药柱的近场轴向压力遵循指数衰减规律。     

水中爆炸表面空穴的理论研究

针对水中装药爆炸直达冲击波在自由面反射形成表面空穴的问题,应用水中爆炸冲击波声学近似理论,认为冲击波不能穿过空穴传播,得出一维水中爆炸表面空穴范围、水质点运动速度、水层抛射速度、空穴闭合时间以及空穴闭合产生的压力峰值与持续时间等,并将结论扩展到二维空间.通过具体算例,对比本方法与F.A.Costanzo等采用Arons...     

圆柱装药在偏心定向起爆时水中近场压力特性

对UHL-5装药在侧向9点偏心定向起爆和几何中心点起爆时的水下爆炸近场峰值压力分布特性进行实验研究和数值模拟,得到2种起爆条件下不同距离与方位角测点处冲击波峰值压力和侧向9点起爆时的定向增益区域.结果表明,对于5 kg圆柱形UHL-5装药,采用侧向9点偏心定向起爆方式时,在爆距750 mm、方位角90°范围内的流场区域...     

金属壳体装药水下爆炸的冲击波特性

为了研究装药壳体厚度对水下爆炸冲击波特性的影响,对1kg柱形含铝炸药分别在厚6mm 的钢壳或硬铝壳装药下进行了水下爆炸实验与数值模拟研究。实验结果表明,相对硬铝壳,钢壳装药的冲击波冲量、衰减时间常数以及冲击波能都偏大,而冲击波峰值相差不大。针对不同厚度钢壳装药的数值模拟表明,随着壳体厚度的增加,冲击波参数明显增强,当壳体厚度超过最优值时这种效应减弱;金属壳的存在导致冲击波峰值爬升产生滞后效应;对一定质量的炸药,存在可有效提高冲击波压力峰值的最优壳厚,填装比可以作为衡量效果的重要指标。     

爆轰产物压力势能缓释方法研究

为扩大脉冲爆轰技术的应用领域 ,抑制其振动、噪声等不利因素 ,提高能源转换效率的可能性 ,本文通过实验和数值计算 ,研究了单次爆轰产物通过孔盘将压力势能缓慢释放到相邻腔体的现象。实验在长 2m、内径 40mm的爆轰管中进行 ,数值模拟采用自适应的有限体积方法和有限速率化学反应模型。实验和数值模拟分析的结果均表明 ,在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘 ,可以使爆轰产物的压力势能逐渐地传递到腔体内 ,造成随时间逐渐上升的压力分布。     

一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径的研究

研究了氧平衡及爆炸下极限条件对燃料空气炸药（Fuel Air Explosive,FAE）云雾爆轰半径的影响。由固相FAE燃料的氧平衡及爆炸下极限条件,导出一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径计算公式,并从理论上给出了FAE云雾爆轰半径的范围。通过对FAE爆炸场超压的测量及对FAE爆炸过程高速摄像分幅照片的定量分析,得到一次引爆型固相FAE的云雾爆轰半径,并将其与计算的云雾爆轰半径进行了对比,计算的云雾爆轰半径与试验值是一致的。研究结果表明,FAE燃料负氧越多,对应的云雾爆轰半径值越大;燃料爆炸下极限值越小,对应的云雾爆轰半径值越大,且固相FAE的爆轰半径不超过爆炸下极限条件爆轰半径。FAE中的高效燃料可以通过氧平衡以及爆炸下极限条件来选择,以此提高FAE的功率。