CN103364441B - 基于激波动态混合的硝铵类炸药爆炸方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸方法和装置，其特征在于：该装置包括激波管和样品固定装置，其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜以及信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的信号光纤、圆环底座、支撑杆以及实验粉末包装袋。这种装置实现了金属纳米粉/硝铵类炸药快速反应的动态混合，不仅增大了爆炸威力，而且还能模拟新型硝铵类炸药快速反应时的真实状态。本发明具有简单易行，价格便宜，可重复使用等优点，可广泛应用于各种炸药爆炸实验领域。
Description
技术领域
本发明的各实施方式涉及含能材料爆炸力学技术领域，具体涉及基于激波动态混合的硝铵类炸药爆炸方法和装置。
背景技术
含能材料在国民经济各领域，特别是军用领域有着广泛的研究与应用。在各类型多系列含能材料中，氮杂环硝胺类炸药一直是研究的重点，而作为氮杂环硝胺代表的黑索今(RDX)和奥克托今(HMX)是许多高性能炸药和先进复合推进剂的重要成分之一，对其燃烧、爆炸过程在实验和理论方面都已作了许多研究工作。
由于纳米金属粉可以加速含能材料的分解，使含能材料在能量释放的时候反应更充分、更彻底，间接地提高了含能材料的能量使用效能。因此纳米金属粉在高含能材料中的应用成为科学与技术发展的重要方向，多年来世界各国都高度重视并开展了新型炸药的实验及其爆炸机理的研究工作。从目前国内外公开的实验结果来看，研究主要集中在燃烧理论的建立和宏观力学性能的研究。实验方法大都限于热重分析(TGA)和差热分析(DTA)等热分析的方法。热分析方法是一种在缓慢温度程序控制下研究材料的各种转变和反应的过程，但是，它并不能真正模拟含能材料在燃烧、爆炸过程中那种高温高压条件下的反应过程。而且纳米金属粉活性大、易团聚、氧化，不能和含能材料充分接触反应，大大降低了纳米金属粉在含能材料燃烧、爆炸过程中的催化性能，这将成为研究添加纳米金属粉的新型含能材料的难题。
由于新型含能材料的广阔军事应用及对寻求一种既使得纳米金属粉和硝铵类炸药充分混合、又能真正模拟新型硝铵类炸药真实爆炸 的装置技术的迫切要求，本申请提出了一种基于激波动态混合金属纳米粉和硝胺类化合物的快速反应技术，对金属纳米粉/硝胺类化合物在高温(＞2000K)高压(＞10Mpa)条件下的爆炸现象进行模拟研究。
发明内容
本发明的一个目的在于针对现有方法不能真实模拟新型含能材料在燃烧、爆炸过程中的反应过程，以及反应物不能充分反应的问题，提供了一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸方法和装置，使得金属纳米粉/硝胺炸药在燃烧、爆炸过程中得到充分混合而快速反应。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸装置，其特征在于，包括：激波管和样品固定装置；其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜以及信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的光纤、圆环底座、支撑杆以及实验粉末包装袋；
其中在样品固定装置中，固定铜质圆环固定在圆环底座上；活动铜质圆环每次试验后能够取下来；两铜质圆环的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置都留有相同的光纤观察口；实验粉末包装袋中心为圆形，半径等于所述铜质圆环的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环的相应位置上有四个相对应的螺丝口，用螺丝将三者紧紧固定；圆环底座的作用有二，其一保持固定铜质圆环和活动铜质圆环的稳定性；其二收集爆炸反应后的残渣；支撑杆的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管和试验后的回收；其二，支撑杆的长度等于第一压力传感器到信号光纤出口的距离，由此将所述固定铜质圆环正好放在第一压力传感器正下方处；支撑杆的尾部紧贴激波管的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动。
根据本发明进一步的实施方式，第一压力传感器和第二压力传感器之间间隔55cm。
根据本发明进一步的实施方式，第一压力传感器1-4距离激波管末端为2.45m；两个铜质圆环的外径为6cm、内径为3cm、厚度为5mm；圆环底座为铸铁底座，长度为0.45m；支撑杆长度为2m。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸方法，其特征在于：该爆炸方法使用激波管和样品固定装置，其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜以及信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的信号光纤、圆环底座、支撑杆以及实验粉末包装袋；
其中在样品固定装置中，固定铜质圆环固定在圆环底座上；活动铜质圆环每次试验后能够取下来；两铜质圆环的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置都留有相同的光纤观察口；实验粉末包装袋中心为圆形，半径等于所述铜质圆环的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环的相应位置上有四个相对应的螺丝口，用螺丝将三者紧紧固定；圆环底座的作用有二，其一保持固定铜质圆环和活动铜质圆环的稳定性；其二收集爆炸反应后的残渣；支撑杆的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管和试验后的回收；其二，支撑杆的长度等于第一压力传感器到信号光纤出口的距离，由此将所述固定铜质圆环正好放在第一压力传感器正下方处；支撑杆的尾部紧贴激波管的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动；
实验前，将硝胺炸药和纳米金属粉分别装在两个实验粉末包装袋中，将袋四周固定在两个铜质圆环之间，用螺丝固定；
实验中，将信号光纤置于固定铜质圆环上的光纤观察口处，且端面背向冲击波传播方向，以防止信号光纤的误触发，光纤用高温管和波纹管保护；光纤端面和实验粉末包装袋放在第一压力传感器的正下方，以保证压力传感器和信号光纤记录数据的时间同步。
根据本发明的进一步的实施方式，利用入射激波的冲击作用，包装袋中的纳米金属粉将向空间抛撒并分布在激波管的实验段内，并与硝胺炸药爆炸后的产物发生充分的接触而发生二次爆炸，从而实现了 金属纳米粉/硝胺类化合物快速反应的动态混合，不仅增大了爆炸威力，而且还能模拟新型硝铵类炸药快速反应时的真实状态。
根据本发明的进一步的实施方式，安装好信号光纤和实验粉末包装袋后，将激波管密封，驱动段充气口和实验段充气口分别用真空泵同时抽真空至0.005MPa；驱动段充气口充入化学计量比为2∶1的氢气和氧气，并预留一定时间使其充分混合；用点火装置电火花点火，使氢氧混合气体爆炸，冲破聚乙烯薄膜1-6后，入射激波分散实验粉末包装袋中样品，从而使样品快速反应。
更具体地，用点火装置电火花点火，使氢氧混合气体爆炸，冲破聚乙烯薄膜后，形成入射激波将固定在两铜质圆环之间的实验粉末包装袋冲破，封装在其中的纳米金属粉在强激波作用下迅速向周围空间抛撒，同时从高温入射激波中吸收充分热量达到气态，与硝胺炸药爆炸后的产物发生充分的接触而发生二次爆炸。在纳米金属粉和硝铵类炸药剧烈反应的同时，第一压力传感器和信号光纤分别同时记录下激波传感器和硝铵类炸药的爆炸点火时间，从而得到硝铵类炸药爆炸过程压力信号和点火时间的两个重要信息。
根据本发明的装置和方法所具有的有益效果为：
在激波管中增加了样品固定装置结构，利用激波动态混合的方法，减少了反应过程中凝聚的可能性，使得纳米金属粉和硝铵类炸药反应接触更加充分，反应更快，增大了爆炸威力，能真实模拟含能材料爆炸燃烧时的状态，更贴近实际应用。此爆炸装置具有简单易行，价格便宜，可重复使用等优点，可广泛应用于各种炸药爆炸领域。
附图说明
当结合附图阅读下文对示范性实施方式的详细描述时，这些以及其他目的、特征和优点将变得显而易见，在附图中：
图1是根据本发明的爆炸装置使用状态结构示意纵面图；
图2是根据本发明的爆炸装置使用状态结构示意立体图；
图3是根据本发明的铜质圆环示意平面图；
图4是根据本发明的实验粉末包装袋平面图；以及
图5是根据本发明的防止光纤误触发平面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，一种基于激波动态混合法研究的新型硝铵类炸药爆炸的装置，包括激波管1和样品固定装置；其中激波管1包括点火装置1-1、驱动段充气口1-2、实验段充气口1-3、第一压力传感器1-4、第二压力传感器1-5、聚乙烯薄膜1-6、信号光纤出口1-7；样品固定装置包括固定铜质圆环2-1、活动铜质圆环2-2、光纤观察口2-3、螺丝口2-4、高温管保护的信号光纤2-5、圆环底座2-6、支撑杆2-7、实验粉末包装袋2-8。
样品固定装置中，固定铜质圆环2-1固定在圆环底座2-6上；活动铜质圆环2-2每次试验后可以取下来；两个铜质圆环2-1和2-2的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置留有相同的光纤观察口2-3；实验粉末包装袋2-8呈方形，其容纳实验粉末的中心部分为圆形，半径等于铜质圆环2-1和2-2的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环2-1和2-2相应位置上有四个相对应的螺丝口2-4，可用螺丝可将三者紧紧固定；圆环底座2-6的作用有两个，其一保持固定铜质圆环2-1和活动铜质圆环2-2的稳定性；其二可以收集爆炸反应后的残渣；支撑杆2-7的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管1和试验后的回收；其二，支撑杆2-7的长度等于第一压力传感器1-4到信号光纤出口1-7的距离，这样可将固定铜质圆环2-1正好放在第一个传感器1-4正下方处；支撑杆2-7的尾部紧贴激波管1的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动。
实验前将硝胺炸药和纳米金属粉分别装在两个实验粉末包装袋2-8中(图4)，两个包装袋平行放置。其中装入硝胺炸药的包装袋靠近聚乙烯薄膜1-6，将两个包装袋的阴影部分四周固定在两个铜质圆环2-1和2-2之间，用螺丝固定。
实验中，信号光纤2-5置于固定铜质圆环2-1上的光纤观察口2-3处，且端面背向冲击波传播方向，以防止信号光纤2-5的误触发，光纤用高温管和波纹管保护；信号光纤2-5端面和实验粉末包装袋2-8放在第一个压力传感器1-4的正下方(图5)，以保证压力传感器1-4和信号光纤2-5记录数据的时间同步。
安装好信号光纤2-5和实验粉末包装袋2-8后，将激波管1密封，驱动段充气口1-2和实验段充气口1-3分别用真空泵同时抽真空至0.005MPa。驱动段充气口1-2充入化学计量比为2∶1的氢气和氧气，并预留一定时间使其充分混合。用点火装置1-1电火花点火，使氢氧混合气体爆炸，冲破聚乙烯薄膜1-6后，入射激波分散实验粉末包装袋2-8中样品，从而使样品快速反应。
本实施方式的工作方式为：放在激波管中的样品固定装置，在激波管驱动段入射激波的冲击作用下，将固定在两铜质圆环之间的实验粉末包装袋冲破，封装在其中的纳米金属粉在强激波作用下迅速向周围空间抛撒而均匀分布在激波管实验段里，同时从高温入射激波中吸收充分热量达到气态，与硝胺炸药爆炸后的产物发生充分的接触而发生二次爆炸。在纳米金属粉和硝铵类炸药剧烈反应的同时，第一个压力传感器和信号光纤分别同时记录下激波到达传感器时间和硝铵类炸药的爆炸点火时间，从而得到硝铵类炸药爆炸过程压力信号和点火时间的两个重要信息。正是在激波管中放入了样品固定装置这一设计，才使得金属纳米粉/硝胺类炸药在燃烧、爆炸过程中得到了充分混合产生而快速反应。
本发明能够实现金属纳米粉和硝铵类炸药的充分接触而快速反应的关键技术为在于，在激波管中增加了样品固定装置结构，其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜、信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的信号光纤、圆环底座、支撑杆、实验粉末包装袋。
样品固定装置中，固定铜质圆环固定在圆环底座上；活动铜质圆 环每次试验后可以取下来；两个铜质圆环的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置都留有相同的光纤观察口；实验粉末包装袋呈方形，用于容纳实验粉末的中心为圆形，半径等于铜质圆环的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环的相应位置上有四个相对应的螺丝口，可用螺丝将三者紧紧固定；圆环底座的作用有两个，其一保持固定铜质圆环和活动铜质圆环的稳定性；其二可以收集爆炸反应后的残渣；支撑杆的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管和试验后的回收；其二，支撑杆的长度等于第一压力传感器到信号光纤出口的距离，这样可将固定铜质圆环正好放在第一个传感器正下方处；支撑杆的尾部紧贴激波管的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动。
实验前将硝胺炸药和纳米金属粉分别装在两个实验粉末包装袋中(图4)，两个包装袋平行放置。其中装入硝胺炸药的包装袋靠近聚乙烯薄膜，将两个包装袋的阴影部分四周固定在两个铜质圆环之间，用螺丝固定。
实验中，信号光纤置于固定铜质圆环上的光纤观察口处，且端面背向冲击波传播方向，以防止信号光纤的误触发，光纤用高温管和波纹管保护；信号光纤端面和实验粉末包装袋放在第一个压力传感器的正下方(图5)，以保证压力传感器和信号光纤记录数据的时间同步
本实施例中：激波管1长6.00m，内径为10cm；实验段两个压力传感器1-4和1-5间隔55cm，第一个压力传感器1-4距离激波管末端为2.45m，铜质圆环2-1和2-2外径6cm、内径3cm，厚度为5mm，铸铁底座2-6长度为0.45m，支撑杆长度为2m，驱动段氢气和氧气化学计量比为2∶1，光纤为普通石英光纤(直径0.9mm)。
已经出于示出和描述的目的给出了本发明的说明书，但是其并不意在是穷举的或者限制于所公开形式的发明。本领域技术人员可以想到很多修改和变体。
因此，实施方式是为了更好地说明本发明的原理、实际应用以及使本领域技术人员中的其他人员能够理解以下内容而选择和描述的，即，在不脱离本发明精神的前提下，做出的所有修改和替换都将落入 所附权利要求定义的本发明保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸装置，其特征在于，包括：激波管和样品固定装置；其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜以及信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的光纤、圆环底座、支撑杆以及实验粉末包装袋；
其中在样品固定装置中，固定铜质圆环固定在圆环底座上；活动铜质圆环每次试验后能够取下来；两铜质圆环的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置都留有相同的光纤观察口；实验粉末包装袋中心为圆形，半径等于所述固定铜质圆环的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环的相应位置上有四个相对应的螺丝口，用螺丝将三者紧紧固定；圆环底座的作用有二，其一保持固定铜质圆环和活动铜质圆环的稳定性；其二收集爆炸反应后的残渣；支撑杆的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管和试验后的回收；其二，支撑杆的长度等于第一压力传感器到信号光纤出口的距离，由此将所述固定铜质圆环正好放在第一压力传感器正下方处；支撑杆的尾部紧贴激波管的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动；
其中所述第一压力传感器距离激波管末端为2.45m；两个铜质圆环的外径为6cm、内径为3cm、厚度为5mm；圆环底座为铸铁底座，长度为0.45m；支撑杆长度为2m。
2.如权利要求1所述的爆炸装置，其特征在于：第一压力传感器和第二压力传感器之间间隔55cm。
3.一种基于激波动态混合法研究的硝铵类炸药爆炸方法，其特征在于：该爆炸方法使用激波管和样品固定装置，其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜以及信号光纤出口；样品固定装置包括固定铜质圆环、活动铜质圆环、光纤观察口、螺丝口、高温管保护的信号光纤、圆环底座、支撑杆以及实验粉末包装袋；
其中在样品固定装置中，固定铜质圆环固定在圆环底座上；活动铜质圆环每次试验后能够取下来；两铜质圆环的厚度相同，内外半径相等，且在相同的位置都留有相同的光纤观察口；实验粉末包装袋中心为圆形，半径等于所述固定铜质圆环的内半径；在实验粉末包装袋、两铜质圆环的相应位置上有四个相对应的螺丝口，用螺丝将三者紧紧固定；圆环底座的作用有二，其一保持固定铜质圆环和活动铜质圆环的稳定性；其二收集爆炸反应后的残渣；支撑杆的作用有二：其一便于样品固定装置放入激波管和试验后的回收；其二，支撑杆的长度等于第一压力传感器到信号光纤出口的距离，由此将所述固定铜质圆环正好放在第一压力传感器正下方处；支撑杆的尾部紧贴激波管的尾部，即使在激波的作用下也不会有大的移动；
其中所述第一压力传感器距离激波管末端为2.45m；两个铜质圆环的外径为6cm、内径为3cm、厚度为5mm；圆环底座为铸铁底座，长度为0.45m；支撑杆长度为2m；
实验前，将硝胺炸药和纳米金属粉分别装在两个实验粉末包装袋中，将袋四周固定在两个铜质圆环之间，用螺丝固定；
实验中，将信号光纤置于固定铜质圆环上的光纤观察口处，且端面背向冲击波传播方向，以防止信号光纤的误触发，光纤用高温管和波纹管保护；光纤端面和实验粉末包装袋放在第一压力传感器的正下方，以保证压力传感器和信号光纤记录数据的时间同步。
4.如权利要求3所述的硝铵类炸药爆炸方法，其特征在于：利用入射激波的冲击作用，包装袋中的纳米金属粉将向空间抛撒并分布在激波管的实验段内，并与硝胺炸药爆炸后的产物发生充分的接触而发生二次爆炸，从而实现了金属纳米粉/硝胺类化合物快速反应的动态混合，不仅增大了爆炸威力，而且还能模拟新型硝铵类炸药快速反应时的真实状态。
5.如权利要求3所述的硝铵类炸药爆炸方法，其特征在于：
安装好信号光纤和实验粉末包装袋后，将激波管密封，驱动段充气口和实验段充气口分别用真空泵同时抽真空至0.005MPa；驱动段充气口充入化学计量比为2∶1的氢气和氧气，并预留一定时间使其充分混合；用点火装置电火花点火，使氢氧混合气体爆炸，冲破聚乙烯薄膜后，入射激波分散实验粉末包装袋中样品，从而使样品快速反应。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20161005 Termination date: 20190726 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |