CN102253083B - 高能内爆炸药爆轰性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能内爆炸药爆轰性能测试方法，该方法将带有雷管的炸药药柱放置在一个密闭爆炸容器内，对炸药的准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分进行测试，密闭爆炸容器上设置有温度传感器和压力传感器，用于试验过程中监测密闭爆炸容器内的温度和压力变化；密闭爆炸容器还连接气体采集测试系统、起爆器、爆速测试设备、机械真空泵和气瓶，适用于各种内爆炸药的性能测试，可以对气体膨胀做功进行实验室定量评估。
Description
技术领域
本发明属于火炸药技术领域，具体涉及一种高能内爆炸药爆轰性能测试方法，该方法能对高能内爆炸药在密闭的空气或其他环境氛围下爆炸气体膨胀做功能力进行评估。
背景技术
随着军事技术的飞速发展，现代作战和防御的范围大大拓展，已经从陆地扩展到坚固的地下工事、水下目标。弹药技术也随之发展。例如对付地下目标的钻地弹；为高效毁伤潜艇和水面舰艇，发展的水下爆破弹等。这些应用于非敞开空气环境的弹药就是快速发展的内爆弹药。炸药装药在目标结构内部爆炸产生的破坏比在结构表面爆炸产生的破坏强烈多倍。战斗部内爆毁伤涉及炸药装药爆炸的多种毁伤元素，包括冲击波、热效应、振动/冲击、爆轰产物膨胀做功、作用时间及其他耦合效应等等。其中爆轰产物膨胀做功能力是重要的影响因素之一。爆炸产物中的气体是作功的介质，炸药的能量通过介质膨胀而作功，气态产物越多，爆炸反应热转变为机械功的效率越高。因此气态爆轰产物的多少与膨胀做功能力即炸药威力大小有密切关系，爆炸气体产物中小分子组分越多，气体膨胀能力越大，威力也越大。
目前对炸药威力的传统测试方法有铅铸法、威力摆、抛掷漏斗试验、水下爆炸试验等，但都是对炸药做功总能力的表征。文献对于内爆环境下爆轰气体产物膨胀做功的方法没有报道。美国曾经采用“举屋顶实验”评价内爆炸药膨胀做功能力。原理是利用举起试验装置，通过高速摄像系统记录内爆环境下爆轰气体产物举起屋顶的高度，从而推知气体膨胀做功能力，得到不同类型炸药爆轰产物膨胀做功能力的对比，衡量炸药装药爆轰产物的综合作用效果。这些方法主要存在如下的问题：
（1）试验需要建设半地下装置，场地要求严，试验花费大；
（2）只能利用空气介质试验，无法灵活选取试验环境；
（3）利用高速摄影对试验结果进行比对，是一种半定量的方式，无法准确定量比较。
因此有必要建立一种利用小型爆炸容器实现内爆用炸药气体膨胀做功能力评估的方法，以满足内爆炸药快速发展对炸药性能试验小药量、多试验环境、高精度的要求，完成对大当量野外实验的比对和补充。
发明内容
针对内爆弹药膨胀做功能力评估的需要，本发明的目的在于，提供一种高能内爆炸药爆轰性能测试方法，该方法利用小型爆炸容器模拟各种密闭环境，对弹药在内爆环境下的爆炸产物的瞬态温度、准静态气体压力进行实时测量和记录，最后通过测试曲线和计算公式实现内爆炸药气体膨胀做功的定量比较，为内爆炸药气体膨胀功实验室评价评估提供依据。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种高能内爆炸药爆轰性能测试方法，其特征在于，该方法将带有雷管的炸药药柱放置在一个密闭爆炸容器内，对炸药的准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分进行测试，所述的密闭爆炸容器上设置有温度传感器和压力传感器，用于试验过程中监测密闭爆炸容器内的温度和压力变化；密闭爆炸容器还连接气体采集测试系统、起爆器、爆速测试设备、机械真空泵和气瓶；其中：
气体采集测试系统用于密闭爆炸容器内气体浓度的测定；
爆速测试设备用于炸药药柱的爆速的测定；
起爆器用于炸药药柱的起爆；
机械真空泵和气瓶用于给密闭爆炸容器内提供真空介质或不同气体介质，模拟不同的内爆环境；
具体按下列步骤进行：
步骤一，将同一批次试验炸药样品压成相同规格的圆柱体状的炸药药柱，炸药药柱上留有安装雷管的孔，将压制的炸药药柱存放于炸药暂存区；
步骤二，用雷管测试仪对雷管进行电阻检测，测量好的雷管放在雷管暂存区，暂存期间雷管的引线保持短路状态；
步骤三，检查密闭爆炸容器应不漏气，同时检查和调试气体采集测试系统、爆速测试设备、起爆器、温度传感器、压力传感器、机械真空泵和气瓶，使之达到正常工作状态，在密闭爆炸容器内安装炸药药柱之前关闭上述气体采集测试系统、爆速测试设备、起爆器、温度传感器、压力传感器和机械真空泵的电源；
步骤四，从炸药暂存区取出炸药药柱，在炸药药柱中间装入爆速测试设备的爆速测试探针并用胶带固定；再将炸药药柱悬挂在密闭爆炸容器内，并使炸药药柱的高度位于密闭爆炸容器中心位置；
步骤五，从雷管暂存区取出雷管，将雷管插入炸药药柱并固定，再用引线将起爆器与雷管连接；
步骤六，关闭密闭爆炸容器，开启气体采集测试系统、爆速测试设备、起爆器、温度传感器、压力传感器和机械真空泵的电源，机械真空泵和气瓶按实验要求给密闭爆炸容器内提供内爆环境；用起爆器将雷管和炸药药柱引爆；
步骤七，在炸药药柱爆炸瞬间，温度传感器和压力传感器（8）同时进行瞬态温度和准静态压力数据采集；其中，温度传感器监控记录温度随时间的变化曲线；压力传感器监控记录气体压力值随时间的变化曲线；爆速测试设备（2）记录爆速数据，当记录的爆速值大于等于炸药药柱配方的稳定爆速时，认为炸药药柱正常爆轰，则进行气体膨胀做功的评估；否则，认为试验数据无效；
步骤八，待密闭爆炸容器内压力处于稳定状态后，将气体导入到气体采集测试系统中进行气体浓度的测定；
步骤九，打开密闭爆炸容器，用风扇将密闭爆炸容器内的气体吹出，并将密闭爆炸容器内固体残渣清扫干净，晾干，以待下次实验。
本发明的有益效果体现在以下几个方面。
1）本发明高能内爆炸药爆轰性能测试方法，所使用的密闭爆炸容器可利用真空泵、气瓶，通过密闭爆炸容器上的法兰接口实现真空介质、不同气体介质（如惰性气体、氮气、氧气、潮气等）的自由变换，灵活模拟不同的内爆环境。
2）可实现准静态压力和瞬态温度在现有技术条件下的同步测量，得到爆炸产物的准静态气体压力、瞬态温度随时间变化的P-t、T-t曲线图。
3）可对实时采集数据的进行分析，利用拟定公式对爆炸过程的温度、压力变化通过积分准确计算，给出准确的E 内爆/E TNT数值，实现内爆炸药气体膨胀功的定量比较。
4）实验用炸药量小，操作安全简便，可以满足不同条件下大量试验要求。与大当量的野外实验相比更加灵活、经济、准确。
附图说明
图1是试验中炸药药柱与传感器和各设备之间的置位关系示意图。
图2和图3为实施例中20g TNT炸药实验的P-t、T-t曲线图。
下面结合附图及发明人给出的实施例对本发明作进一步的详述。
具体实施方式
参见图1，本发明的高能内爆炸药爆轰性能测试方法，将带有雷管5的炸药药柱6放置在一个密闭爆炸容器4内，对炸药的准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分进行测试。
密闭爆炸容器4上设置有温度传感器7和压力传感器8，用于试验过程中监测密闭爆炸容器4内的温度和压力变化；温度传感器7和压力传感器8均选择市售的产品，如温度传感器7选择热电耦。
密闭爆炸容器4还连接气体采集测试系统1、起爆器3、爆速测试设备2、机械真空泵9和气瓶10；其中：
气体采集测试系统1位于密闭爆炸容器4侧壁的另一侧，用于密闭爆炸容器4内气体浓度的测定；
爆速测试设备2位于密闭爆炸容器4的顶部，用于炸药药柱6的爆速的测定；
起爆器3也位于密闭爆炸容器4的顶部，用于炸药药柱6的起爆；
机械真空泵9和气瓶10位于密闭爆炸容器4侧壁一侧下方，用于给密闭爆炸容器4内提供真空介质或不同气体介质，模拟不同的内爆环境；
密闭爆炸容器4制作成钢质立式圆柱形，温度传感器7和压力传感器8安装在密闭爆炸容器4的侧壁上。密闭爆炸容器4和上述所有设备的连接接口处采用“O”型橡胶密封圈密封，其中的电接口用胶木和环氧树脂粘接，以保证密闭爆炸容器4的强度和密封性。
具体试验时，按下列步骤进行操作：
将同一批次试验炸药样品压成相同规格的圆柱体状的炸药药柱（6），炸药药柱6上留有安装雷管5的孔，将压制的炸药药柱6存放于炸药暂存区；
用雷管测试仪对雷管5进行电阻检测，测量好的雷管5放在雷管暂存区，暂存期间雷管5的引线保持短路状态；
检查密闭爆炸容器4应不漏气，同时检查和调试气体采集测试系统1、爆速测试设备2、起爆器3、温度传感器7、压力传感器8、机械真空泵9和气瓶10，使之达到正常工作状态，在密闭爆炸容器4内安装炸药药柱6之前关闭上述气体采集测试系统1、爆速测试设备2、起爆器3、温度传感器7、压力传感器8和机械真空泵9的电源；
从炸药暂存区取出炸药药柱6，在炸药药柱6中间装入爆速测试设备2的爆速测试探针并用胶带固定；再将炸药药柱6悬挂在密闭爆炸容器4内，并使炸药药柱6的高度位于密闭爆炸容器4中心位置；
从雷管暂存区取出雷管5，将雷管5插入炸药药柱6并固定，再用引线将起爆器3与雷管5连接；
当需要进行不同环境介质实验时，机械真空泵9用于密闭容器4的抽真空，通过气瓶10实现不同气体环境介质的模拟。
关闭密闭爆炸容器4，开启气体采集测试系统1、爆速测试设备2、起爆器3、温度传感器7、压力传感器8和机械真空泵9的电源，机械真空泵9和气瓶10按实验要求给密闭爆炸容器4内提供内爆环境；用起爆器3将雷管5和炸药药柱6引爆；
在炸药药柱6爆炸瞬间，温度传感器7和压力传感器8同时进行瞬态温度和准静态压力数据采集；其中，温度传感器7监控记录温度随时间的变化曲线；压力传感器8监控记录气体压力值随时间的变化曲线；爆速测试设备2记录爆速数据，当记录的爆速值大于等于炸药药柱6配方的稳定爆速时，认为炸药药柱6正常爆轰，则进行气体膨胀做功的评估；否则，认为试验数据无效；
待密闭爆炸容器4内压力处于稳定状态后，将气体导入到气体采集测试系统1中进行气体浓度的测定；
打开密闭爆炸容器4，用风扇将密闭爆炸容器4内的气体吹出，并将密闭爆炸容器4内固体残渣清扫干净，晾干，以待下次实验。
以下是发明人给出的具体实施例。
实施例1：
本实施例是20g的TNT炸药在空气介质中进行准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分测试，其试验方法包括以下步骤：
1）将同一批次试验20g的炸药样品压成相同规格的圆柱体状的炸药药柱6，并在炸药药柱6上留有直径7mm、深10-15mm的雷管孔。压制的炸药药柱6存放于炸药暂存区；
2）将起爆器、爆速测试设备、压力传感器、温度传感器、气体采集测试系统分别布置于爆炸容器相应的接口处，并将温度传感器和压力传感器分别与相应的无纸记录仪、温度变送器、数据采集仪、示波器相连以便数据记录。调试仪器使之达到正常工作状态，装药前关闭所有设备电源。
3）用雷管测试仪对雷管5进行电阻检测，测量好的雷管5放在雷管暂存区（不得与炸药放在同一位置），在此期间雷管5的引线应保持短路状态。
4）从炸药暂存区取出炸药药柱6，在炸药药柱6中间装入爆速测试设备2的爆速测试探针并用胶带固定（探针应在操作火工品前将端头断开并与接线柱焊接），再将炸药药柱6悬挂在密闭爆炸容器4内，保证炸药的高度位于容器中心位置。
5）从雷管暂存区取出雷管5，将雷管5插入炸药药柱6并固定，再用引线将起爆器3与雷管5连接；合上密闭爆炸容器4。
6）检查密闭爆炸容器4应不漏气，开启各连接设备，用起爆电缆连接起爆器3，然后用起爆器3将雷管6和炸药药柱6引爆。
7）炸药药柱6爆炸瞬间，气体采集测试系统1监控记录气体压力值随时间的变化曲线（P-t曲线，图2）；温度传感器7和压力传感器8同时进行瞬态温度和准静态压力数据采集；其中，温度传感器7监控记录温度随时间的变化曲线（T-t曲线，图3）；压力传感器8监控记录气体压力值随时间的变化曲线；爆速测试设备2记录爆速数据，当记录的爆速值大于等于炸药药柱6配方的稳定爆速时，认为炸药药柱6正常爆轰，则进行气体膨胀做功的评估；否则，认为试验数据无效；
8）待密闭爆炸容器4内压力处于稳定状态后，将气体导入到气体采集测试系统1中进行气体浓度的测定。
9）打开密闭爆炸容器4，用风扇将密闭爆炸容器4内的气体吹出，并将密闭爆炸容器4内固体残渣清扫干净，晾干，以待下次实验。
本实施例的实验形成如表1的记录数据。
表1 TNT爆炸气体膨胀测试数据
9)计算爆炸后产生的能量
爆炸后产生的能量（E）由机械能（W）和热能（Q）两部分组成。机械能（W）也就是通常的膨胀作功，热能（Q，由热量表征）和温度的变化密切相关，即：
首先计算膨胀做功
（2）
式中，v为爆速，s为传感器的受力面积（在同一试验中v和s都是常数），
为准静态压力与其所持续的时间的积分。
再计算热量： （3）
其中c为爆炸罐内混合气体的比热容，m为混合气体的质量，ΔT为爆炸时温度与稳定后的温度差。
式（3）中c和ΔT的计算公式如下：
其中
为瞬态温度与其所持续的时间的积分，t 1为瞬态温度峰形起始时间，t 2为瞬态温度峰形终止时间，T 稳为爆炸稳定后容器内部的温度。m i 是爆炸后气体的质量，c i 为常数（m i 由气体测试系统测得，根据得到的m i 可查得c i ）。
由本实施例试验数据获得的计算结果是：E TNT =126.99KJ，即为20g TNT爆炸后产生的能量，将其作为基准。
实施例2：
本实施例是分别测试10g、15g、31g、40g的PBXIH-18炸药的准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分测试，实验步骤与实施例1相同，其实验数据如表2所示：
表2 PBXIH-18爆炸气体膨胀测试数据
由本实施例试验数据获得的计算结果如表3所示，按照式（1）对测试数据进行计算，并与基准值E TNT的测试结果相除得到比值，用以表征做功能力的强弱，结果见表3。
表3 E PBX-IH与E TNT的结果对比
由表3可看出，PBX-IH炸药的做功能力远远大于20gTNT，且随着PBX-IH药量的增大，E PBX-IH也逐渐增大。
本发明的核心内容是以E来表征爆炸后产生的能量，试验过程中同时测定准静态压力、瞬态温度随时间的变化曲线、爆速值、气体产物组成，试验结果由计算公式（1）得到，适用于各种内爆炸药的爆炸后能量测试，可以对气体膨胀做功进行实验室定量评估。
Claims (2)
1.一种高能内爆炸药爆轰性能测试方法，其特征在于，该方法将带有雷管（5）的炸药药柱（6）放置在一个密闭爆炸容器（4）内，对炸药的准静态压力、瞬态温度、爆速、气体成分进行测试，所述的密闭爆炸容器（4）上设置有温度传感器（7）和压力传感器（8），用于试验过程中监测密闭爆炸容器（4）内的温度和压力变化；密闭爆炸容器（4）还连接气体采集测试系统（1）、起爆器（3）、爆速测试设备（2）、机械真空泵（9）和气瓶（10）；其中：
气体采集测试系统（1）用于密闭爆炸容器（4）内气体浓度的测定；
爆速测试设备（2）用于炸药药柱（6）的爆速的测定；
起爆器（3）用于炸药药柱（6）的起爆；
机械真空泵（9）和气瓶（10）用于给密闭爆炸容器（4）内提供真空介质或不同气体介质，模拟不同的内爆环境；
具体按下列步骤进行：
步骤一，将同一批次试验炸药样品压成相同规格的圆柱体状的炸药药柱（6），炸药药柱（6）上留有安装雷管（5）的孔，将压制的炸药药柱（6）存放于炸药暂存区；
步骤二，用雷管测试仪对雷管（5）进行电阻检测，测量好的雷管（5）放在雷管暂存区，暂存期间雷管（5）的引线保持短路状态；
步骤三，检查密闭爆炸容器（4）应不漏气，同时检查和调试气体采集测试系统（1）、爆速测试设备（2）、起爆器（3）、温度传感器（7）、压力传感器（8）、机械真空泵（9）和气瓶（10），使之达到正常工作状态，在密闭爆炸容器（4）内安装炸药药柱（6）之前关闭上述气体采集测试系统（1）、爆速测试设备（2）、起爆器（3）、温度传感器（7）、压力传感器（8）和机械真空泵（9）的电源；
步骤四，从炸药暂存区取出炸药药柱（6），在炸药药柱（6）中间装入爆速测试设备（2）的爆速测试探针并用胶带固定；再将炸药药柱（6）悬挂在密闭爆炸容器（4）内，并使炸药药柱（6）的高度位于密闭爆炸容器（4）中心位置；
步骤五，从雷管暂存区取出雷管（5），将雷管（5）插入炸药药柱（6）并固定，再用引线将起爆器（3）与雷管（5）连接；
步骤六，关闭密闭爆炸容器（4），开启气体采集测试系统（1）、爆速测试设备（2）、起爆器（3）、温度传感器（7）、压力传感器（8）和机械真空泵（9）的电源，机械真空泵（9）和气瓶（10）按实验要求给密闭爆炸容器（4）内提供内爆环境；用起爆器（3）将雷管（5）和炸药药柱（6）引爆；
步骤七，在炸药药柱（6）爆炸瞬间，温度传感器（7）和压力传感器（8）同时进行瞬态温度和准静态压力数据采集；其中，温度传感器（7）监控记录温度随时间的变化曲线；压力传感器（8）监控记录气体压力值随时间的变化曲线；爆速测试设备（2）记录爆速数据，当记录的爆速值大于等于炸药药柱（6）配方的稳定爆速时，认为炸药药柱（6）正常爆轰，则进行气体膨胀做功的评估；否则，认为试验数据无效；
步骤八，待密闭爆炸容器（4）内压力处于稳定状态后，将气体导入到气体采集测试系统（1）中进行气体浓度的测定；
步骤九，打开密闭爆炸容器（4），用风扇将密闭爆炸容器（4）内的气体吹出，并将密闭爆炸容器（4）内固体残渣清扫干净，晾干，以待下次实验。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体膨胀做功的评估方法是：
高能炸药在内爆条件下爆炸后产生的能量越大，气体膨胀做功能力也越强，即：
膨胀作功W=FL=Psvt=∫Psvdt=sv∫Pdt
热量Q=cmΔT
c=∑cimi/∑mi
爆炸后产生的能量为：
其中，v为爆速，s为传感器的受力面积，∫Pdt是爆炸后容器内气体准静态压力随时间变化的积分，是气体膨胀做功冲量的定量表达；c为密闭爆炸容器内混合气体的比热容，m为混合气体的质量，ΔT为爆炸时温度与稳定后的温度差；∫Tdt为瞬态温度与其所持续的时间的积分，t1为瞬态温度峰形起始时间，t2为瞬态温度峰形终止时间，T稳为爆炸稳定后容器内部的温度，mi是爆炸后气体的质量，ci为常数。
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