CN112556517A - 一种炸药爆炸功率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供给一种炸药爆炸功率测量方法，本方法通过喷撒装置在试验腔体内形成体相均匀分布的炸药，通过等离子体起爆实现炸药在腔体内的体相爆轰，采用阻尼器记录活塞杆的运动速度、加速度和阻尼力，实现对炸药瞬时功率的评价。解决现有炸药体爆轰的爆炸功率测量问题，优点是：采用封闭体系，分散均匀性易于控制，起爆系统安全性高，场地布置简单、快速。适用于各类体爆轰炸药的爆炸功率测量。

Description

一种炸药爆炸功率测量方法

技术领域

本申请涉及一种炸药爆炸功率测量方法，适用于炸药体爆轰时的爆炸作功功率测量。

技术背景

对炸药爆炸性能的评价主要依据爆热、爆速、爆压、爆容、爆温等“五爆”参数，其中目前最常用的是爆热，爆热是表征炸药爆炸潜能和预估其爆炸作功效能的本质性参数。通过测定爆热，一方面可以较为准确的确定出炸药的爆炸反应的方程式，得到炸药爆炸反应的生成产物，从而利用炸药爆炸化学的反应原理得到炸药爆炸反应的基本爆轰性能参数，如爆容、爆温、爆压等；另一方面，根据炸药的爆热值可以指导单质炸药的合成设计及其性能预估，优化单质炸药的合成方式或路线；第三，可以促进单质炸药在高能混合炸药中的应用基础研究，指导单质炸药与混合炸药各组分的匹配性设计。目前国内外已经建立了爆热评价方法，包括绝热法和恒温法，试验药量25g和200g，基本可以满足理想炸药和非理想炸药的爆热测量。

虽然炸药爆热是评价炸药性能的重要参数，但是爆热是热力学参数，是炸药对外作功的最大潜能，根据热力学定律，热不能全部转化为功，炸药的做功能力是炸药爆炸能量中的有效能量部分，做功功率是做功能量输出的快慢。所以炸药做功能力和功率的测量对实际应用具有很高的实用价值。

目前建立了多种基于炸药爆炸作功能力测试方法，如圆筒试验、铅铸法、爆破漏斗法、弹道臼炮法、抛掷法等。圆筒试验是作功能力评价的经典方法，通过测定炸药爆炸后驱动铜管膨胀速率可以获得格尼系数、格尼能等作功能力参数。圆筒试验主要适用于理想炸药作功能力的测量，对于非理想炸药，其爆轰反应随着产物膨胀持续进行，且后续反应释放的能量也可用于作功。但是对于圆筒试验而言，其直径一般只有25mm或50mm，装药直径较小，即使是延展性较好的铜管，膨胀破裂之前的空间也非常有限。当铜管破裂后炸药爆轰产物快速耗散，难以表征非理想炸药的后续爆炸的做功过程，导致其测量获得的作功能力不完整，更无法获得整个炸药爆炸过程的功率。对于新型的温压炸药、燃料空气炸药等具有明显体爆轰效应的炸药，所需要的体积空间更大，圆筒试验已经完全无法测试这些炸药的作功能力和功率。

铅铸法在1903年第五次应用化学国际会议上被确定为测定炸药功的国际标准方法，该方法利用炸药爆炸后压缩铅块的程度来评价作功能力的强弱，的优点是操作简单、无需专门的测试仪器、测量结果重复性好，但缺点是试验药量小(标准规定为10g)，无法实现非理想炸药的完全爆轰，而且测量结果只能相对比较不同炸药的爆炸功大小，无法确定出具体的爆炸功特性量值。由于铅铸法不能提供时间相关的过程参数，不能获得炸药爆炸功率。弹道臼炮法是根据动量守恒原理设计的一种用于评价炸药爆炸功的测量装置，测量结果的重复性比铅铸法更好，但缺点是只能进行10g以内的理想炸药爆炸功的测量，而且由于炸药爆炸后臼炮弹丸会冲出臼炮体，致使无法测量爆轰产物膨胀阶段所作的功，因此用该方法测到的炸药爆炸功值只是炸药爆炸总能量的20％～30％，也无法获得功率相关的参数。

温压炸药和燃料空气炸药是典型的非理想炸药，且都具有体爆轰的特点，非理想炸药与理想炸药的区别在于，理想炸药的爆轰基本在爆轰波阵面上全部完成，波阵面之后不会发生反应，而非理想炸药则在爆轰波阵面之后持续发生反应，爆轰反应区的时间跨度可以达到微秒量级。体爆轰则比传统非理想炸药的爆轰持续时间更长，甚至可达到毫秒量级。体爆轰的特点是具有显著是空间效应，小尺寸空间下完全无法评价温压炸药和燃料空气炸药等体爆轰效应下的爆炸作功及功率。

目前温压炸药和燃料空气炸药对体爆轰的评价主要采用空中爆炸法和爆炸罐法，空中爆炸法测定在开阔空间下充分分散的炸药体相爆轰之后的冲击波超压、冲量和火球直径、持续时间等参数，所需试验药量较大，一般在公斤级以上；爆炸罐法则在密闭的、体积不可变的罐体内测定爆炸后的准静态压力和温度，试验量级20g至公斤级。前述作功能力测量方法均针对凝聚相炸药，采用雷管起爆，对于装配复杂下的安全风险较难控制。对于温压炸药和燃料空气炸药等体爆轰特性显著的炸药，其爆炸反应随着爆轰产物的体相扩展而同步进行，上述方法采用的开放环境均不适用与体爆轰作功能力的测量。由于传统温压炸药和燃料空气炸药对体爆轰作功能力的关注不足，目前缺少可用的体爆轰炸药作功能力测量方法，随着爆炸反应动力学设计技术的发展，与时间相关的爆炸输出参数测量愈发重要，因此，继续开发新的适应于体爆轰炸药爆炸功率测量方法。

综上所述，现有技术存在以下不足：

(1)缺少适用于温压炸药和燃料空气炸药等具有体爆轰特点炸药的爆炸功率测量方法，无法测量这些炸药的爆炸功率；

(2)温压炸药和燃料空气炸药随着产物膨胀会持续进行爆炸反应并用于作功，现有开放式作功能力测量方法，爆轰产物会自由扩散，作功能力测量不完全，不能获得爆炸功率数据；

(3)温压炸药和燃料空气炸药具有明显的体爆轰效应，需要足够的空间尺寸以保证爆轰反应进行完全，密闭式作功能力测量方法采用成型药柱，难以实现完全的体爆轰；

(4)现有作功测量方法采用雷管起爆方式，雷管对静电、摩擦、撞击等均较为敏感，装配过程的安全风险高。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本申请提供一种炸药爆炸功率测量方法，采用体积可变的爆炸管，通过喷撒器将待测炸药喷入爆炸管内形成空间分布的炸药，以等离子体作为起爆方式，实现体相爆轰，通过测定阻尼力、速度、加速度、质量，测定炸药在体爆轰下的作功功率。

具体内容如下：一种炸药爆炸功率测量方法，其特征在于，试验系统包括冲击端盖1、爆炸管2、密封端盖3、活塞杆4、阻尼器5、喷头6、喷撒器7、等离子体发生装置8和金属丝9；

所述冲击端盖1安装有两个贯穿式的电极，外侧电极可以与等离子体发生装置8的输出电缆连接，内侧电极可以与金属丝9连接；所述爆炸管2为圆柱形管状金属制品，沿管壁对称安装有喷头6；所述阻尼器5装有力传感器、速度传感器和加速度传感器，可记录阻尼力、活塞杆速度和加速度参数；所述喷撒器7通过连接管与喷头6连接，可喷撒固相、液相或气相物质；所述爆炸管2和阻尼器5通过地脚螺栓固定在地面或试验台面上；

一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆4的质量为m，单位为千克，在爆炸管2远离喷头6一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆4穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆4穿过密封端盖3的中心通孔，通过螺栓将密封端盖3紧固在爆炸管2的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆4与阻尼器5；

步骤4，在冲击端盖1内侧的电极之间安装金属丝9，所述金属丝9为铜丝、钨丝或镍铬合金丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖1紧固在爆炸管2的一侧端面，在冲击端盖1和爆炸管2的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置8和冲击端盖1外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器7和喷头6，使喷头6处于开启状态，喷撒器7将物料喷撒入爆炸管2内，喷撒完毕后关闭喷头6和喷撒器7；

步骤8，设定等离子体发生装置8充电电压20kV～35kV，电容6μF～20μF，充电完毕后对金属丝9放电，起爆爆炸管2内的炸药，阻尼器5记录数据；

步骤9，通过阻尼器(5)记录的阻尼力F，单位为牛，加速度a，单位为m/s²，、速度v，单位为m/s，按照P＝(F+ma)v计算爆炸功率，单位为瓦；

步骤10，等离子体发生装置8接地，释放电容器中残留的电能。

本方法的设计思路首先是基于温压炸药和燃料空气炸药的体爆轰进行试验方法设计。温压炸药和燃料空气炸药是典型的非理想炸药，且都具有体爆轰的特点，非理想炸药与理想炸药的区别在于，理想炸药的爆轰基本在爆轰波阵面上全部完成，波阵面之后不会发生反应，而非理想炸药则在爆轰波阵面之后持续发生反应，爆轰反应区的时间跨度可以达到微秒量级。体爆轰则比传统非理想炸药的爆轰持续时间更长，甚至可达到毫秒量级。体爆轰的特点是具有显著是空间效应，小尺寸空间下完全无法评价温压炸药和燃料空气炸药等体爆轰效应下的爆炸作功及功率。因此，为了满足体爆轰炸药爆炸功率测量的需要，测量装置首先需要是密闭环境，密闭环境可以保证爆轰产物不扩散，爆轰波阵面之后产物二次反应释放的能量也可以用于作功并可测量功率，这样可以更加完整的测量爆炸作功。

其次，为了满足体爆轰炸药爆炸功率测量的需要，试验所用的装置的装药空间要与试验药量相匹配，体爆轰炸药的后燃反应不仅包括炸药自身爆轰产物的二次反应，还包括爆轰产物与空气的反应，因此本申请设计时需要考虑腔体内的空气、压力，炸药与空气的比例，如果炸药过多则空气含量太少，体爆轰后燃反应不完全，难以充分表征炸药爆炸的作功功率。

再次，同时为了更快速的实现体爆轰，密闭腔体中炸药的分布过程采用喷撒的方式进行，相比于目前常用的凝聚相炸药，采用喷撒方式可以在起爆前将炸药与空气充分混合，起爆后迅速形成体爆轰效应，这样设计可以减少对装置腔体空间的体积要求和测试系统时间尺度的要求。采用电爆炸等离子体起爆，可以充分利用等离子体的高反应活性，迅速实现体爆轰。

然后，基于能量守恒原理，将爆炸作功转换为活塞杆的动能和阻尼器的势能，通过P＝(F+ma)v计算获得炸药爆炸的功率。

最后，针对大体积装置装配工艺复杂性导致的采用雷管起爆安全风险大的问题，通过等离子体起爆显著降低装配过程雷管带来的安全风险，为体爆轰状态下炸药的作功功率和爆炸反应动力学评价提供技术支撑。

本申请的有益效果体现在以下几个方面：

(1)首次提出了适用于具有体爆轰效应的温压炸药和燃料空气炸药爆炸功率测量方法，可以测定爆炸功率；

(2)采用密闭式作功能力测量装置，爆轰产物作功过程可以持续发生化学反应，实现对全部作功的完全测量；

(2)采用喷撒器在爆炸管内均匀分散炸药，体爆轰程度高，适用于固相、液相、气相等不同状态下炸药的体爆轰作功功率测量；

(3)采用等离子体起爆方式，装配过程安全性高。

附图说明

图1是试验各部件位置关系示意图。

图中，1-冲击端盖、2-爆炸管、3-密封端盖、4-活塞杆、5-阻尼器、6-喷头、7-喷撒器、8-等离子体发生装置和9-金属丝。

实施例1

本发明的一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆4的质量m＝50千克，在爆炸管2远离喷头6一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆4穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆4穿过密封端盖3的中心通孔，通过螺栓将密封端盖3紧固在爆炸管2的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆4与阻尼器5；

步骤4，在冲击端盖1内侧的电极之间安装金属丝9，所述金属丝9为镍铬合金丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖1紧固在爆炸管2的一侧端面，在冲击端盖1和爆炸管2的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置8和冲击端盖1外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器7和喷头6，使喷头6处于开启状态，喷撒器7将50g配方质量比为RDX：Al：粘结剂＝65：30：5的粉状炸药喷撒入爆炸管2内，喷撒完毕后关闭喷头6和喷撒器7；

步骤8，等离子体发生装置8充电电压20kV，电容6μF，完毕后对金属丝9放电，起爆爆炸管2内的炸药，阻尼器5记录数据；

步骤9，通过阻尼器5记录的阻尼力F、加速度a、速度v，按照作功功率P＝(F+ma)v计算作功功率，爆炸功率为3.2×10⁶W。

实施例2

本发明的一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆4的质量m＝50千克，在爆炸管2远离喷头6一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆4穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆4穿过密封端盖3的中心通孔，通过螺栓将密封端盖3紧固在爆炸管2的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆4与阻尼器5；

步骤4，在冲击端盖1内侧的电极之间安装金属丝9，所述金属丝9为铜丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖1紧固在爆炸管2的一侧端面，在冲击端盖1和爆炸管2的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置8和冲击端盖1外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器7和喷头6，使喷头6处于开启状态，喷撒器7将50g配方质量比为RDX：Al：粘结剂＝65：30：5的粉状炸药喷撒入爆炸管2内，喷撒完毕后关闭喷头6和喷撒器7；

步骤8，等离子体发生装置8充电电压35kV，电容20μF，完毕后对金属丝9放电，起爆爆炸管2内的炸药，阻尼器5记录数据；

步骤9，通过阻尼器5记录的阻尼力F、加速度a、速度v，按照作功功率P＝(F+ma)v计算作功功率，爆炸功率为3.3×10⁶W。

实施例3

本发明的一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆4的质量m＝50千克，在爆炸管2远离喷头6一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆4穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆4穿过密封端盖3的中心通孔，通过螺栓将密封端盖3紧固在爆炸管2的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆4与阻尼器5；

步骤4，在冲击端盖1内侧的电极之间安装金属丝9，所述金属丝9为钨丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖1紧固在爆炸管2的一侧端面，在冲击端盖1和爆炸管2的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置8和冲击端盖1外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器7和喷头6，使喷头6处于开启状态，喷撒器7将配方质量比为RDX：Al：粘结剂＝65：30：5粉状炸药喷撒入爆炸管2内，喷撒完毕后关闭喷头6和喷撒器7；

步骤8，等离子体发生装置8充电电压25kV，电容12μF，完毕后对金属丝9放电，起爆爆炸管2内的炸药，阻尼器5记录数据；

步骤9，通过阻尼器5记录的阻尼力F、加速度a、速度v，按照作功功率P＝(F+ma)v计算作功功率，峰值做功功率为3.1MW。

实施例4

本发明的一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆4的质量m＝50千克，在爆炸管2远离喷头6一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆4穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆4穿过密封端盖3的中心通孔，通过螺栓将密封端盖3紧固在爆炸管2的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆4与阻尼器5；

步骤4，在冲击端盖1内侧的电极之间安装金属丝9，所述金属丝9为镍铬合金丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖1紧固在爆炸管2的一侧端面，在冲击端盖1和爆炸管2的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置8和冲击端盖1外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器7和喷头6，使喷头6处于开启状态，喷撒器7将质量50g、配方为质量比为硝酸异丙酯：Al＝65：35的固液相炸药喷撒入爆炸管2内，喷撒完毕后关闭喷头6和喷撒器7；

步骤8，等离子体发生装置8充电电压25kV，电容12μF，完毕后对金属丝9放电，起爆爆炸管2内的炸药，阻尼器5记录数据；

步骤9，通过阻尼器5记录的阻尼力F、加速度a、速度v，按照作功功率P＝(F+ma)v计算作功功率，峰值做功功率为3.5MW。

Claims (1)

1.一种炸药爆炸功率测量方法，其特征在于，所述测量方法所用的试验系统包括冲击端盖(1)、爆炸管(2)、密封端盖(3)、活塞杆(4)、阻尼器(5)、喷头(6)、喷撒器(7)、等离子体发生装置(8)和金属丝(9)；

所述冲击端盖(1)安装有两个贯穿式的电极，外侧电极与等离子体发生装置(8)的输出电缆连接，内侧电极可以与金属丝(9)连接；所述爆炸管(2)为圆柱形管状金属制品，沿管壁对称安装有喷头(6)；所述阻尼器(5)装有力传感器、速度传感器和加速度传感器，可记录阻尼力、活塞杆速度和加速度参数；所述喷撒器(7)通过连接管与喷头(6)连接，可喷撒固相、液相或气相物质；所述爆炸管(2)和阻尼器(5)通过地脚螺栓固定在地面或试验台面上；

一种炸药爆炸功率测量方法，具体按下列步骤进行：

步骤1，称取活塞杆(4)的质量为m，单位为千克，在爆炸管(2)远离喷头(6)一侧的内壁安装聚四氟乙烯管，在聚四氟乙烯管内壁涂抹硅油减小摩擦力，将活塞杆(4)穿入聚四氟乙烯内；

步骤2，将活塞杆(4)穿过密封端盖(3)的中心通孔，通过螺栓将密封端盖(3)紧固在爆炸管(2)的一侧端面上；

步骤3，连接活塞杆(4)与阻尼器(5)；

步骤4，在冲击端盖(1)内侧的电极之间安装金属丝(9)，所述金属丝(9)为铜丝、钨丝或镍铬合金丝，采用螺旋形缠绕方式；

步骤5，通过螺栓将冲击端盖(1)紧固在爆炸管(2)的一侧端面，在冲击端盖(1)和爆炸管(2)的接触面中间安装有密封垫圈；

步骤6，通过同轴高压电缆连接等离子体发生装置(8)和冲击端盖(1)外侧的电极；

步骤7，连接喷撒器(7)和喷头(6)，使喷头(6)处于开启状态，喷撒器(7)将物料喷撒入爆炸管(2)内，喷撒完毕后关闭喷头(6)和喷撒器(7)；

步骤8，设定等离子体发生装置(8)充电电压20kV～35kV，电容6μF～20μF，充电完毕后对金属丝(9)放电，起爆爆炸管(2)内的炸药，阻尼器(5)记录数据；

步骤9，通过阻尼器(5)记录的阻尼力F，单位为牛，加速度a，单位为m/s²，、速度v，单位为m/s，按照P＝(F+ma)v计算爆炸功率，单位为瓦；

步骤10，等离子体发生装置(8)接地，释放电容器中残留的电能。

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