第6章-凝聚炸药爆轰

1第6章凝聚炸药爆轰理论（DetonationofCondensedExplosives)2第6章凝聚炸药爆轰理论所谓凝聚炸药是指液态和固态炸药。与气体爆炸物相比，除形态不同外，凝聚炸药还具有密度大、爆速高、爆轰压力大、所形成的能量密度高等特点，因而爆炸的破坏性强、威力大。此外，凝聚炸药的体态便于存储、运输、成型加工和使用，因而在军事和民用上获得了广泛的应用。3第6章凝聚炸药爆轰理论军事：有关炸药的研究：（1）高能钝感炸药－配方（单质炸药分子及晶体设计、混合炸药设计与制备；（2）损伤、爆轰、安全性能；（3）与目标的作用－能量输出结构。数字化技术：数码雷管弹药技术军民共用：反恐民用：爆炸加工、爆炸合成等4第6章凝聚炸药爆轰理论5爆轰合成UFD过程的物理模型P,TDYie温度T压力P碳液滴直径DUFD得率Yie43210爆轰化学反应区金刚石稳定区石墨稳定区爆轰产物膨胀区碳液滴聚结UFD生成石墨化亚稳态UFDt(μs)6本章内容6.1爆轰参数的实验测量方法6.2凝聚炸药爆轰参数的理论计算及工程计算6.3凝聚炸药爆轰波的传播6.4DDT，XDT问题6.5爆轰波的波形及其控制76.1爆轰参数的实验测量方法86.1.1爆速的测定96.1.1爆速的测定所谓爆速是指爆轰波沿爆炸物进行传播的速度，炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重要标志量，也是爆轰波参数中当前能测量的最准确的一个参数。爆速的测试方法通常有两种：（1）测时法（2）高速摄影法106.1.1爆速的测定1、测时法原理：利用各种类型的测时仪器或装置测定爆轰波从一点传到另一点所经历的时间间隔，然后去除两点间的距离，这样就可得到爆轰波在两点间的传播平均速度，即……(1)tStSDD116.1.1爆速的测定图6－1探针法测爆速装置图实验装置如图6－1所示，探针用的是直径为10～30um的细镍丝或铜丝，两根针的间隙为1mm左右。126.1.1爆速的测定当爆轰波沿药柱传播至A点时，因为爆轰波阵面上的产物处于高温高压状态下，电离为正、负离子，具有很好的导电性，因而使A点处相互绝缘的一对探针接通，使电容C1放电，给示波器一个脉冲信号。当爆轰波传播至B、C、D点时，C2、C3、C4依次放电，示波器记录不同位置的脉冲信号。即可得到A、B、C、D各点间的时间间隔，算出相应的平均速度值。136.1.1爆速的测定图6－2Thetypicalpulsesignals146.1.1爆速的测定目前采用电子探针－高精度波形存储器（或瞬态记录示波器）系统测量爆速的精度已相当高，误差一般小于0.1％。需要指出的是，为了避免引爆端爆速不稳定对测量精度的影响，A点应离开起爆端一定距离，以使爆轰波传播速度达到稳定值，这个距离一般取为装药直径的3～4倍。156.1.1爆速的测定2.高速摄影法（High-speedPhotography）原理：利用爆轰波阵面传播时的发光现象，用高速摄影机将爆轰波沿药柱传播过程的轨迹连续地拍摄下来，得到爆轰波传播的时间－距离扫描曲线，而后用工具显微镜或光电自动读数仪测量曲线上各点的瞬时传播速度。166.1.1爆速的测定高速摄影机通常有两种：转鼓式和转镜式。（1）转鼓式176.1.1爆速的测定把感光胶片固定在摄影机内的转鼓上，它随转鼓而转动，因此，在爆轰波沿药柱传播过程反映在胶片上则为一条扫描曲线。这种装置在转鼓上的胶片在高速转动时，因受到离心力作用容易引起破坏，因此只能用它测定低速过程。186.1.1爆速的测定（2）转镜式196.1.1爆速的测定转镜式高速摄影机克服了上述缺点，它的特点是胶片固定不动，而以高速旋转的平面转镜代替转鼓，故称为转镜式高速摄影机。转镜式高速摄影机广泛地用来研究高速过程。其扫描线速度高达每秒数千米乃至每秒数万米。若装上分幅装置进行分幅照像，其拍摄速度可达每秒数百万幅到数千万幅。206.1.1爆速的测定基本原理：药柱引爆后，爆轰波由A经B传至C，爆轰波阵面所发射出的光经过物镜到达转镜上，再由转镜反射到固定的胶片上。由于转镜以一定的角速度旋转，因此，当爆轰波由A传至B时，反射到胶片上的光电就由A’移动到B’。这样，在胶片上就得到一条扫描曲线，这条扫描曲线与爆轰波沿炸药的传播过程相对应的。216.1.1爆速的测定设摄影机的放大系数为（一般1），则：……(2)因此……(3)由物理光学原理可知：……(4)Dvtg＝物体的尺寸像的尺寸vtgDnRv4226.1.1爆速的测定……(5)国产GSJ型高速摄影机的平均扫描半径R＝238.6mm。由（5）式可知，D的测量精度与的测量精度关系很大，因此在实验中应尽量通过调整转速n使得接近450。tgnRvtgD4236.1.1爆速的测定【例】1——战斗部壳体组件；2——主装药；3——隔板垫；4——沉头螺钉；5——隔板；6——纸垫(纸板)；7——螺栓；8——垫圈；9——盖板(45钢)246.1.1爆速的测定实验装置照片256.1.1爆速的测定低速266.1.1爆速的测定高速27二维冲击起爆2829Φ160×30mm波形Φ160×40mm波形30Φ160×50mm波形Φ160×60mm波形316.1.2CJ压力的测量326.1.2CJ压力的测量实验原理：利用锰铜材料在动态高压作用下的压阻效应，也就是利用从实验得到的关系确定压力值，测量CJ压力。RRP1234563334356.1.2CJ压力的测量典型信号366.1.2CJ压力的测量这种方法实际上测试的是炸药与锰铜计之间的界面压力。CJ压力的其它测试方法参考“张宝平等，爆轰物理学，pp406~414”29.156.522.2075.04.40RRRRpRRpGPaGPa6.35~1919~07.5376.2凝聚炸药爆轰参数的理论计算及工程计算386.2.1爆轰参数的计算396.2.1爆轰参数的计算凝聚炸药的爆轰也可用ZND模型描述，也适用CJ条件。爆轰波基本关系式：……(1)……(2)……(3)CJ条件：……(4)jjvvppvD000jjjjvvppvvu000ejjjQvvppee00021Dcujj406.2.1爆轰参数的计算1.爆轰产物状态方程（1）JWL方程JWL（Jones-Wilkins-Lee）状态方程的压力形式为：……(5)过CJ点的等熵方程为：……(6)VEeVRBeVRApVRVR212111121CVBeAepVRVRs416.2.1爆轰参数的计算式中A、B、C、R1、R2和ω均为常数，由圆筒实验标定得到。圆筒实验：是由克莱提出的，已得到广泛应用，我国已定为国家军用标准。试验方法：将待测炸药以一定密度装入外径为30.4mm，内径为25.4mm，的紫铜管内，一端起爆，用转镜式高速摄影仪（狭缝垂直圆管轴线）记录铜管外半径R的径向膨胀轨迹。426.2.1爆轰参数的计算设定一组R1，R2，ω值，用假设的JWL方程通过二维流体弹塑性程序数值模拟爆炸驱动圆管的外径膨胀轨迹，和实验值作比较，不断调整三个参数，直到和实验值误差小于1%。但同一炸药，JWL方程的六个系数随密度而变，通常文献仅给出一种密度的JWL方程系数。436.2.1爆轰参数的计算薛再清等提出了适用于不同密度范围的JWLG状态方程。通过爆轰数值计算表面，在一定密度范围内，单位质量炸药的产物摩尔数变化很小，而相对体积V=v/v0的变化很大。用单位质量炸药的产物的体积Vm=V/ρ0代替V作自变量，就可以适用于不同密度的炸药了。446.2.1爆轰参数的计算（2）BKW方程BKW状态方程是由Becker-Kisiakowsky-wilson提出来的：……(7)v为气态产物的克分子体积；xi为产物中i种气体的分子分数；ki为第i种气体的余容因子；α,β,K,θ为经验常数。该方程考虑了产物的化学组分。TvkxKxxenRTpvii1456.2.1爆轰参数的计算通过大量的计算和实验，最后确定一套适用于“RDX”一类炸药参数，一套适用于“TNT”一类炸药的参数。随着电子计算机的发展，出现了许多计算爆轰参数的计算软件，不仅可以计算P、T、D、v之外，还可以计算爆热、爆轰波阵面两侧的内能变化量等等。eQ0ee466.2.1爆轰参数的计算（3）常γ状态方程根据兰道－斯达纽科维奇给出的状态方程式……(8)对于实际常用的炸药，其装药密度一般大于1g/cm3，其爆轰产物中分子热运动所表现的压强的影响对于弹性压强可以忽略不计，因此，上式可写作……(9)TvfAvp0TvfAAvp476.2.1爆轰参数的计算(2)凝聚炸药爆轰参数的近似计算利用公式（10）的状态方程，可推导爆轰参数的近似计算公式：……(10)DcDuDpQDjjjje111111120202486.2.1爆轰参数的计算对于大多数炸药，。则……(11)3DcDuDpQDjjjje434134414020496.2.1爆轰参数的计算需注意（1）的值应根据爆轰产物的组成确定，可按近似表达式确定:……(12)式中，——爆轰产物第i成分的摩尔分数；——爆轰产物i第成分的局部等熵指数。iix1ixi506.2.1爆轰参数的计算凝聚炸药爆轰产物各主要成分的等熵指数γ为H2OCO2CON2CO21.904.502.853.703.552.45516.2.1爆轰参数的计算爆轰产物组成确定的原则为：炸药中的氧首先将H和O化成H2O，而后将C氧化成CO，若还有剩余的O再将CO氧化成CO2，N以分子形式存在。TNT爆炸反应方程可写为：C7H5O6N3→2.5H2O+3.5CO+3.5C+1.5N2其γ为：2.8。526.2.1爆轰参数的计算（2）爆轰产物的热力学平衡计算出来的与炸药的爆轰热（在化学反应区释放的热量）数值上有明显差别。因此，通常不直接采用上式计算爆速，而是采用实验测得的爆速去计算其它爆轰参数，这样计算的结果与测量值比较符合。536.2.2爆轰参数的工程计算546.2.2爆轰参数的工程计算1、爆速和爆压1968年，康姆莱特（Kamlet）等人提出了计算（CHNO）炸药爆压和爆速的半经验计算公式，称为Kamlet公式或N-M-Q公式，它适用于装药密度大于1g/cm3的情况，公式的形式为：……(1)……(2)……(3)20558.1jp0213.1101.1D2121QNM556.2.2爆轰参数的工程计算式中——CJ爆轰压力（GPa）；D——爆速（km/s）；——炸药的装药密度（g/cm3）；N——每克炸药爆炸后所形成的气体产物的摩尔数（mol/g）；M——气体爆轰产物的平均摩尔量（g/mol）；——炸药的特征值；Q——炸药的爆热（J/g）。jp0566.2.2爆轰参数的工程计算N，M和Q的值可以用下面的方法计算：CaHbNcOd——1/2cN2+1/2bH2O+(1/2d-1/4b)CO2+(a-1/2d+1/4b)C……(4)……(5)dcbabdcN645644822bdcbdcM2288856576.2.2爆轰参数的工程计算……(6)式中为炸药的生成热焓（J/g），可直接从有关表中查找或计算。dcbaHbdbQf161412217.1979.120fH586.2.2爆轰参数的工程计算用Kamlet公式计算凝聚炸药的爆轰参数时只需要知道炸药的组成（即分子式）、密度以及炸药的生成热焓，而不需要其它数据。该方法的计算值与实验值的误差在3％以内。该公式用于C-H-N-O系列