CN114383768B - 一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法，该方法包括：步骤S5：主期阶段即弹道枪发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段的测量，含能破片撞靶后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；S6：末期阶段即内桶水温度稳定后的阶段的测量，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，共记N2次，N2＝11；在初期、主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控始终要求保持恒定，温度波动保持在0.01℃以内；记录内桶温度计测量得到的内桶水温度变化曲线，记录外桶温度计测量得到的外桶水温度变化曲线，进行校正温升计算。

Description

一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法

技术领域

本发明涉及起爆释能的测量方法技术领域，尤其涉及一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法。

背景技术

现有技术中有一种炸药爆热测量的恒温法与绝热法，国军标GJB772A-97中“方法701.1爆热恒温法和绝热法”是目前通过恒温法和绝热法测量并计算炸药爆热的主要方法，该方法主要用于测量炸药的爆热，样品必须处于静态，无法对高速加载的样品进行能量输出测量。

现有技术还有一种基于超压转换的含能破片冲击起爆总释能测量方法，采用测量含能破片冲击起爆后的超压峰值，再利用热力学定律转换得到含能破片的总释能，总释能ΔU计算公式如下：

式中，ΔU—总释能，J；Δp为冲击波超压峰值，Pa；V为容器内体积；γ为容器内空气的绝热指数，通常取γ＝1.4。

该技术的缺点：

1)空气与理想气体存在差异；

2)超压变化规律复杂，实际升温过程与理想的绝热升温过程存在差异；

3)含能破片的氧化、燃烧过程需要较长时间，且不会产生超压，而氧化、燃烧所产生的能量甚至高于爆轰所产生的能量，与瞬态完全反应的假设存在较大差异。

综上所述，该方法存在较大的测量误差。

含能破片是一种亚稳态爆炸性固体毁伤元，包括高熵合金、活性材料等类型，其特点是在准静态载荷下保持稳定，而在强碰撞载荷下会发生剧烈爆炸性反应，其配方通常包括铝热剂、金属间化合物、金属/聚合物混合物、亚稳态分子间复合物、复合材料和氢化物等，目前最常用的含能破片为金属/聚合物混合物。

含能破片是一种通过动能与化学能联合毁伤的新型杀伤元素，测量含能破片冲击起爆的能量输出特性具有重要的军事意义。含能破片在高速撞击目标后会发生爆炸性化学反应并释放大量化学能，在目标内部产生强烈的内爆反应，且撞击速度越高，能量释放率越大，研究表明，当碰撞速度大于一定的阈值后，含能破片的化学能理论上可达动能的11倍，实际输出能量可达动能的5倍，大幅提高了毁伤目标的能力。

目前，测量含能破片冲击起爆总释能一般采用先测量冲击起爆的超压值，再利用热力学定律转换得到含能破片的总释能，但该方法为间接测量法，不仅转换精度差，而且未考虑氧化、燃烧等慢反应的释能，其测量结果的可信度较差；而测量炸药爆热的恒温法无法直接用于含能破片冲击起爆总释能的测量，对当前的量热计测量装置与测量方法均需要进行改造。

恒温法是量热计测量热量的重要方法，其基本原理是，样品在量热计内发生产热反应后，量热计外桶的温度维持不变，通过测量内桶水的温度曲线结合内外桶热传递的修正，得到内桶系统吸收的热量，即样品的总释能。恒温法对量热计温控要求较低，外桶系统温度无需跟踪内桶系统温度，因此，不存在跟踪误差对测量精度的影响，测量结果精度较高，是目前测量大质量炸药爆热的主要手段。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：添加内桶水，均匀搅拌，使量热计与环境温度达到平衡，在1min内量内桶水与外桶水温度变化不超过0.005℃；

步骤S2：通过控温程序设定外桶温度升高2.5～3.5℃；

步骤S3：初期阶段即弹道枪发射含能破片前的阶段的测量，每分钟读取并记录内桶水温度一次读至0.001℃，共记N1次，N1取限定值，默认N1＝11；

步骤S4：在初期最后一次读数时弹道枪发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭绝热阈门；

步骤S5：主期阶段即弹道枪发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段的测量，含能破片撞靶后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；

S6：末期阶段即内桶水温度稳定后的阶段的测量，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，共记N2次，N2取限定值，默认N2＝11；

在初期、主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控始终要求保持恒定，温度波动保持在0.01℃以内；

记录内桶温度计测量得到的内桶水温度变化曲线，记录外桶温度计测量得到的外桶水温度变化曲线，进行校正温升计算；校正后的温升Δt_c按下式计算：

Δt_c＝T_I(τ_n)-T_I(τ₀)-Δθ (1)

式中，T_I(τ₀)、T_I(τ_n)、n分别为主期的初温读数、末温读数和温度读数个数；Δθ为补偿温升度数。

其中，补偿温升Δθ的计算方法如下：基于梯形积分法，

式中，T_I(τ_i)表示主期τ_i时刻的内桶水温度；θ₀、θ_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的起点温度；V₀、V_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的温升速率，单位为摄氏度每分钟；Δτ为采样间隔，单位为分钟；

θ₀、V₀通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示初期τ_i时刻的内桶水温度；N₁表示初期采样点个数。

优选地，其中，θ_n、V_n通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示末期τ_i时刻的内桶水温度；N₂表示末期采样点个数。

其中，在步骤S1之前，还包括实验前准备步骤，包括：实验室环境温度设定在：20℃～25℃范围；相对湿度不大于83％RH；实验室无强空气对流，无阳光照射或其它热源辐射。

在实验前准备步骤之前，还包括标定系统热容步骤。

本发明实施例提供了一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法。本方法为直接测量法，由于外桶水温度无需跟踪内桶水温度，不存在跟踪误差，因此本方法测量精度高，适用于大质量、高速度、强反应等总释能比较高条件下含能破片冲击起爆总释能的测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种系统总热容计算流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

a)初始调温阶段：初始调整后内外桶达到热平衡阶段，此阶段内外桶温度保持恒定(内桶水温15min内变化不大于0.003℃)。

b)初期阶段：在初始调温阶段之后，外桶水升温完成且恒定后、含能破片发射前的阶段。

c)主期阶段：如果是标定试验，为苯甲酸点火至放热基本完成的阶段；如果是测量含能破片冲击起爆总释能试验，为含能破片发射至冲击起爆放热基本完成的阶段。对于恒温法此阶段外桶水温度保持恒定。

d)末期阶段：为放热基本完成之后的阶段，对于恒温法此阶段外桶水温度保持恒定。

e)补偿温升Δθ：整个主期阶段，外桶系统与搅拌产热向内桶系统传热所引起的内桶系统温升，单位：℃。

f)修正温升Δt：整个主期阶段，燃烧/爆炸产物向内桶系统传热所引起的内桶系统温升，单位：℃。

本发明基于量热计装置，提出测量含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法。总释能包括含能破片侵彻、摩擦靶板过程中释放的热能、含能破片爆轰、燃烧等氧化反应产生的热能，大部分冲击波在量热计内部多次反射消耗产生的热能。

测量原理如下：弹道枪将含能破片加载到指定的速度，含能破片与靶板相撞后冲击起爆所产生的所有热能将会加热总系统(包括内桶系统、靶板、传感器、内部空气等)，在内外桶传热的初期与主期阶段，外桶温度保持恒定，通过测量内桶水的温升曲线结合温度修正计算，得到总系统的修正温升，再乘以总系统的热容，即得到总系统的吸热量，即含能破片冲击起爆的总释能。

标定系统热容为试验前的准备工作，目的是可以根据测量得到系统的温升结合标定得到的系统热容计算出系统吸收的热量。

考虑到内桶系统(包括内桶水、内桶壳体、绝热阀门、内桶空气)的总热容标定工作量比较大，因此，本发明提出分别标定的思路，即：

内桶系统(包括内桶水、内桶壳体、绝热阀门、内桶空气)在重复使用的过程中损耗较小，只做定期的热容标定；而靶板、超压传感器由于在试验中损耗较大，则在每次试验前都进行热容标定。

通过恒温法标定内桶系统热容

内桶系统(包括内桶水、内桶壳体、绝热阀门、内桶空气)的总热容可利用苯甲酸等标准物质标定得到；操作步骤与GJB772A-97方法701.1“爆热恒温法”中量热系统的热容标定流程类似。具体流程如下：

实验条件：实验室环境温度：20℃～25℃；相对湿度：不大于83％RH；实验室无强空气对流，避免阳光照射或其它热源辐射。

注意：对内桶系统进行标定时，内桶内部的靶板及各类传感器均需移除。

参见图1，Step 1：添加内桶水。由于恒温法测量具有内外桶存在温差的特点，若内桶水添加过少，内桶温升较高，将使得内外桶温差过大，辐射传热的非线性影响增加，导致测量误差增大；若内桶水添加过多，内桶水升温时间将大大增加，导致测量时间过长，累积误差的影响也将不可忽略。一般认为，内桶水总温升控制在2～4℃比较合理。

另一方面，含能破片的速度变化区间较大，而化学能释放与碰撞速度、靶板材质密切相关，因此，需要根据含能破片总释能变化范围设置内桶水的添加量。

根据前述分析，内桶水的添加质量按下式计算：

式中，E_KEmax表示恒温法测量装置测量含能破片总释能的上限；

C_shell、C_water分别表示内桶壳体的比热容、内桶蒸馏水的比热容；

m_shell表示内桶壳体的质量；

Δt_max表示内桶水总温升的最大值，取4℃。

注意：

1)恒温法测量装置测量含能破片总释能的下限E_KEmin按下式计算：

E_KEmin＝(C_waterm_water+C_shellm_shell)Δt_min (3)

式中，Δt_min表示内桶水总温升的最小值，取2℃。显然，内桶水添加量确定后，恒温法测量装置测量含能破片总释能的下限也将确定。

2)如果需要调整恒温法测量装置测量含能破片总释能的上限或下限，则根据式、式重新计算内桶水添加量，并重新标定内桶系统；

Step 2：开动搅拌器均匀搅拌，使量热计与环境温度达到平衡，在1min内量热桶(即内桶水与外桶水)温度变化不超过0.005℃。

Step 3：通过控温程序设定外桶温度升高(2.5～3.5)℃；

Step 4：试验分三期：

1)初期：即苯甲酸点火前的阶段，每分钟读取并记录温度一次(读至0.001℃)，共记N₁次(默认N₁＝11)；

2)主期：即苯甲酸点火后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段，在初期最后一次读数时点火，时间不超过1s，点火后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；

3)末期：即内桶水温度稳定后的阶段，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，共记N₂次(默认N₂＝11)；

注意：在初期、主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控保持恒定，始终要求温度波动保持在0.01℃以内。

Step 4：读数完毕，停止搅拌，取下温度计或测温仪探头，打开量热计盖，检查弹是否漏气，如有漏气该试验作废；

Step 5：打开弹盖，检查是否有积碳，金属丝是否燃烧尽；如有积碳则试验作废，发有未燃尽的金属丝，经清洗、干燥后精确称取其质量，以便对燃烧热进行修正。

Step 6：内桶系统的热容(W_A)按下式计算：

式中，W_A—内桶系统的热容，J/K；

Q₁—苯甲酸燃烧放出的热量，J；

Q₂—由水、氧、氮生成硝酸的反应热量，J；

Q₃—金属丝燃烧放出的热量，J；

Q₄—棉线燃烧放出的热量，J；

Δt_c—校正以后的温升，℃。

苯甲酸燃烧放出的热量Q₁按下式计算：

Q₁＝q₁m₁ (5)

式中，q₁—苯甲酸的燃烧热，J/g；

m₁—苯甲酸的质量，g。

由水、氧、氮生成硝酸的反应热Q₂按下式计算：

Q₂＝Am₁ (6)

式中，m₁同式。

A—经验常数，其值为4J/g。

金属丝燃烧放出的热量Q₃按下式计算：

Q₃＝q₃m₃ (7)

式中，q₃—金属丝的燃烧热，J/g；

m₃—已燃烧掉金属丝的质量，g。

棉线燃烧放出的热量Q₄按下式计算：

Q₄＝q₄m₄ (8)

式中，q₄—棉线的燃烧热，J/g；

m₄—棉线的质量，g。

校正后的温升(Δt_c)按下式计算：

Δt_c＝T_I(τ_n)-T_I(τ₀)-Δθ (9)

式中，T_I(τ₀)、T_I(τ_n)、n分别为主期的初温(℃)、末温(℃)、温度读数个数；Δθ为补偿温升，℃；

补偿温升Δθ的计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示主期τ_i时刻的内桶水温度；θ₀、θ_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的起点温度，℃；V₀、V_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的温升速率，℃·min^-1；Δτ为采样间隔，min。

虽然国军标701.1指出θ₀、θ_n通过计算平均温度得到，V₀、V_n通过计算平均温升速率得到，然而通过对量热计的恒温法传热学模型研究表明，该计算方法与恒温法传热学模型并不相符(而恒温法传热学模型的正确性已通过试验验证)，这将导致传统的测量结果出现一定的理论偏差。

恒温法传热学模型表明，θ₀、V₀通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示初期τ_i时刻的内桶水温度；N₁表示初期采样点个数。

恒温法传热学模型表明，θ_n、V_n通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示末期τ_i时刻的内桶水温度；N₂表示末期采样点个数。

按照Step 1～Step 6步骤重复进行至少6次平行试验，相对标准差应小于0.3％，取其算数平均值，作为内桶系统的热容。

通过差式扫描量热仪标定靶板、超压/温度传感器热容

靶板、超压/温度传感器的热容利用差式扫描量热仪(Differential ScanningCalorimeter,DSC)测量得到，记为W_B。

系统总热容计算

系统总热容W计算方法如下：

W＝W_A+W_B (13)

式中，W为系统总热容。

总释能测定

实验前准备：

a)实验室环境温度：20℃～25℃；相对湿度：不大于83％RH；实验室无强空气对流，避免阳光照射或其它热源辐射。

b)根据含能破片预估总释能，以系统温升在1～1.5℃为准选取含能破片的总质量；对含能破片进行精确称重。

冲击起爆总释能测量过程参见图2，如下：

Step 1：添加内桶水，开动搅拌器均匀搅拌，使量热计与环境温度达到平衡，在1min内量热桶(即内桶水与外桶水)温度变化不超过0.005℃。

Step 2：通过控温程序设定外桶温度升高(2.5～3.5)℃；

Step 3：初期阶段(即弹道枪发射含能破片前的阶段)的测量，每分钟读取并记录内桶水温度一次(读至0.001℃)，共记N₁次(默认N₁＝11)；

Step 4：在初期最后一次读数时弹道枪发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭绝热阈门；

为了确保绝热阀门关闭的及时性，可在绝热阀门处安装光幕传感器，当含能破片经过绝热阀门时将会触发受光电路，受光电路立即发出关闭绝热阀门信号，从而保证含能破片冲击起爆产生的热流及超压不会泄漏。

Step 5：主期阶段(即弹道枪发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段)的测量，含能破片撞靶后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；

Step 6：末期阶段(即内桶水温度稳定后的阶段)的测量，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，共记N₂次(默认N₂＝11)；

注意：在初期、主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控始终要求保持恒定，温度波动保持在0.01℃以内。

Step 7：记录内桶温度计与外桶温度计分别测量得到的内桶水与外桶水的温度变化曲线。校正后的温升(Δt_c)按下式计算：

Δt_c＝T_I(τ_n)-T_I(τ₀)-Δθ (14)

式中，T_I(τ₀)、T_I(τ_n)、n分别为主期的初温(℃)、末温(℃)、温度读数个数；Δθ为补偿温升，℃；

基于梯形积分法，补偿温升Δθ的计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示主期τ_i时刻的内桶水温度；θ₀、θ_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的起点温度，℃；V₀、V_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的温升速率，℃·min^-1；Δτ为采样间隔，min。

θ₀、V₀通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示初期τ_i时刻的内桶水温度；N₁表示初期采样点个数。

θ_n、V_n通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示末期τ_i时刻的内桶水温度；N₂表示末期采样点个数。

Step 8：本方法测定的总释能是水为液态时的总释能，含能破片冲击起爆总释能Q_v按下式计算：

Q_v＝WΔt_c (18)

式中：Q_v—冲击起爆总释能，J；

W—系统总热容，J/℃；

Δt_c—修正温升，计算方法同式。

军用油箱是军用装备的重要组成部分，活性破片对军用油箱壁板的冲击起爆毁伤能力是评价战斗部威力的重要指标，构建军用油箱壁板的钢板等效靶标，通过测量弹道枪发射活性破片打击钢板的能量输出特性可较精确地评价活性破片对军用油箱的冲击起爆毁伤能力，对活性破片的威力评估具有重要意义。

试验中，通过恒温法标定内桶系统热容，通过差式扫描量热仪标定靶板、超压/温度传感器热容，继而得到总系统的热容；含能破片进入量热计后迅速关闭绝热阀门，在测量的初期、主期、末期，外桶水温度通过温控系统维持恒定，测量内桶水在整个测量阶段的实际温升，通过温度补偿计算，得到内桶水的修正温升，继而得到总系统的修正温升，乘以总系统的热容，即得到总系统的吸热量，即含能破片冲击起爆的总释能，详见总体技术方案的实现过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种含能破片冲击起爆总释能的恒温法测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：添加内桶水，均匀搅拌，使量热计与环境温度达到平衡，在1min内量内桶水与外桶水温度变化不超过0.005℃；

步骤S2：通过控温程序设定外桶温度升高2.5～3.5℃；

步骤S3：初期阶段即弹道枪发射含能破片前的阶段的测量，每分钟读取并记录内桶水温度一次读至0.001℃，共记N1次，N1取限定值，默认N1＝11；

步骤S4：在初期最后一次读数时弹道枪发射含能破片，含能破片进入内桶后立即关闭绝热阈门；

步骤S5：主期阶段即弹道枪发射含能破片后至内桶水温度变化趋于稳定的阶段的测量，含能破片撞靶后每分钟记录一次温度，温度升到最高开始下降前一个读数或温度不变化时的第一个读数作为温度的最终读数；

步骤S6：末期阶段即内桶水温度稳定后的阶段的测量，主期后每分钟读取并记录温度一次读至0.001℃，共记N2次，N2取限定值，默认N2＝11；

在初期、主期、末期测量过程中，外桶水的温度通过程序温控始终要求保持恒定，温度波动保持在0.01℃以内；

记录内桶温度计测量得到的内桶水温度变化曲线，记录外桶温度计测量得到的外桶水温度变化曲线，进行校正温升计算；校正后的温升Δt_c按下式计算：

Δt_c＝T_I(τ_n)-T_I(τ₀)-Δθ (1)

式中，T_I(τ₀)、T_I(τ_n)、n分别为主期的初温读数、末温读数和温度读数个数；Δθ为补偿温升度数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，补偿温升Δθ的计算方法如下：基于梯形积分法，

式中，T_I(τ_i)表示主期τ_i时刻的内桶水温度；θ₀、θ_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的起点温度；V₀、V_n为线性拟合初期、末期内桶水温升曲线得到的温升速率，单位为摄氏度每分钟；Δτ为采样间隔，单位为分钟；

θ₀、V₀通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示初期τ_i时刻的内桶水温度；N₁表示初期采样点个数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中，θ_n、V_n通过线性拟合得到，计算方法如下：

式中，T_I(τ_i)表示末期τ_i时刻的内桶水温度；N₂表示末期采样点个数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括实验前准备步骤，包括：实验室环境温度设定在：20℃～25℃范围；相对湿度不大于83％RH；实验室无强空气对流，无阳光照射或其它热源辐射。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在实验前准备步骤之前，还包括标定系统热容步骤。

Images