黑索金含铝炸药水中爆炸能量输出与效应研究

发布时间：2020-06-10 13:22

【摘要】：水中用兵器的毁伤效果是基于内部装填炸药以及炸药的能量输出方式决定的,黑索金含铝炸药是目前广泛配备于海军武器并大幅提高水下爆炸威力的炸药品种之一。本文通过试验、数值模拟和理论推导的方法研究了黑索金基含铝(RDX/Al)炸药的能量输出规律,从大型室内含铝炸药的水罐实验、含铝炸药中二次反应行为和水下典型结构对含铝炸药的动态响应三个方面对含铝炸药的水下爆炸的能量输出效应进行研究,主要研究内容包括以下三个部分:(1)对铝氧比为0、0.24和0.63的RDX/Al炸药进行了水罐爆炸试验。对于含铝炸药,第一次在水下爆炸实验中捕捉到了气泡脉动的一个完整周期,基于水下爆炸气泡脉动方程和试验测试结果,提出了适应于含铝炸药的三组经验参数用于拟合气泡边界点的位移和速度随时间的变化以及气泡内部压力的变化过程。用该组经验参数对同配方大药量含铝炸药的气泡脉动过程进行计算,验证了参数的精确性。研究该类炸药的尺寸效应,比较相同配方不同质量炸药的能量输出并得出如下结论:在1 kg以下的质量范围内,RDX/Al炸药的能量释放并没有表现出不可忽略的尺寸效应,小尺寸炸药输出的爆炸能量可以准确反应大药量含铝炸药的做功能力。(2)对RDX/Al/LiF炸药配方体系进行一系列爆热测量试验和水下爆炸试验。为了达到控制单一变量为铝氧比的目的,用氟化锂作为铝的惰性替代物,研究铝粉二次反应的能量释放。本文采用恒温式量热计实验来确定铝氧比对爆热的影响,使用EXPLO5程序对爆轰产物中的含氧物质(CO_2、CO和H_2O)进行预测。研究结果表明,含铝炸药中,无论铝粉含量为多少,铝都不能完全与爆炸产物中的氧元素结合,随着铝粉含量的增加,铝的反应度降低,这是因为黑索金含量一定时,产物中的氧元素有限,大量的铝粉在爆炸反应过程中作为惰性物质存在。同时铝的能量释放率增高,由于铝氧比提高后,铝粉与爆轰产物反应的初温提高,使得铝粉与爆轰产物结合更充分。水下爆炸试验研究了炸药配方与水下爆炸能量释放、冲击波压力和冲量信号之间的关系。水下实验研究发现,冲击波能、气泡能和总能量随铝氧比单调增加。(3)对不同铝氧比的黑索金含铝炸药的水下爆炸毁伤效果进行模拟,对水下爆炸两个经典工况(加筋板和舰船结构)的结构动态响应做了详细分析。模拟结果表明,铝粉的加入对舰船结构冲击的影响与舰船和炸药之间的距离有关。与常规理想炸药相比,RDX/Al炸药可以产生更高的能量密度,从不同程度上增加水下爆炸的冲击波能和气泡能。此外,数值模拟结果表明,炸药在不同攻击距离处的破坏效果和铝粉含量有关。从结构动态响应来看,水中结构的动态响应排名依次为:JHL20(Al/O=0.36)JHL30(Al/O=0.63)JHL10(Al/O=0.16)JHL0(Al/O=0)。这与冲击波能随铝氧比的变化相同,由此可知,在近场范围内,含铝炸药的冲击波能越大,加筋板的最大撕裂面积,加筋板上各测点的最大位移、最大速度、最大应力和最大应变越大。本文通过对高能黑索金含铝炸药能量释放规律及其毁伤效应进行了试验测试、理论分析和数值模拟。对含铝炸药中铝粉的二次反应进行了多方面的研究,对于优化含铝炸药配方,改善含铝炸药水下爆炸能量输出结构,提高炸药威力具有重要意义。本文第四章研究也为近距离水中结构毁伤提供了理论依据和数值模拟结果参考。
【图文】：

Al2O3浓度,颗粒表面,温度曲线,铝颗粒

北京理工大学博士论文先气化后燃烧。1999 年，为了探究铝粉燃烧过程中的用扫描电镜(SEM)和光电相机对 210 μm 的铝颗粒燃烧过程，得到了铝粉燃烧的不同阶段的火焰形状。如图 1.1 所示，六倍铝颗粒直径的表面处，约为 3800 K，在颗粒表面的最ucher 对铝颗粒在 CO 环境下的燃烧产物进行分析，发现固相铝元素，作者认为可能是铝和碳的化合物。

主视图,水下爆炸,威力,主视图

炸药水中爆炸形成初始冲击波，同时爆轰产物形成气泡，用爆炸水罐系统和水中近场冲击波压力采集系统同时收集冲击波输出的P-t曲线和气泡脉动过程，，构建水中小药量爆炸气泡膨胀运动过程与近场压力历程的测试体系，如图2.1所示。获得气泡脉动过程详细图像，是开展炸药水中爆炸气泡动力学研究的基础。根据气泡脉动规律及其特点，设计炸药威力性能水罐测试系统，并采用光学测量的方法获得气泡脉动全过程的清晰图像。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ560.1

【参考文献】