馮 凇，饒國寧，彭金華，汪 斌

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999)

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是一種高能量密度炸藥[1]，其爆壓、爆速等參數(shù)均優(yōu)于奧克托今(HMX)[2]，在CL-20炸藥中加入金屬粉(鋁粉)可以大幅度提高其爆炸能量[3-5]。隨著當(dāng)代水下武器的發(fā)展，提高炸藥的水中爆炸威力一直是各國科研人員的研究熱點(diǎn)。目前，CL-20基及其含鋁炸藥已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用到水下武器戰(zhàn)斗部中[6]。

炸藥水中爆炸后，首先在水介質(zhì)中產(chǎn)生初始沖擊波并向四周傳播，隨后爆炸產(chǎn)物在水介質(zhì)中形成氣泡，開始不斷的收縮與膨脹[7]。沖擊波載荷與氣泡脈動載荷對于水下艦船、潛艇將產(chǎn)生一定程度的損害，但二者引起的毀傷卻并不相同。雖然氣泡脈動的壓力要遠(yuǎn)小于沖擊波壓力，但其作用時間卻遠(yuǎn)大于沖擊波，尤其當(dāng)爆炸中心距離附近目標(biāo)物較近時，會產(chǎn)生“鞭狀效應(yīng)”[8]，造成目標(biāo)物結(jié)構(gòu)的破壞，這對于研究炸藥水中氣泡脈動過程具有重要的戰(zhàn)略意義。在實(shí)驗(yàn)室條件下，汪斌等[9]采用高速攝影技術(shù)得到PETN水下爆炸的氣泡脈動過程以及水射流過程。王樹山等[11]利用高速錄像技術(shù)得到RDX水下爆炸氣泡脈動過程與水幕形成過程。馬坤等[12采用1.2 m爆炸容器模擬深水爆炸過程，利用高速相機(jī)拍攝小當(dāng)量TNT深水下爆炸氣泡脈動過程，擬合得到氣泡脈動周期與氣泡最大半徑隨爆炸深度增大的衰減系數(shù)。然而，前人的研究主要針對理想炸藥氣泡脈動情況，關(guān)于含鋁炸藥的氣泡脈動實(shí)驗(yàn)鮮有報道。在此基礎(chǔ)上，本文中利用高速攝影技術(shù)，觀測CL-20基炸藥和CL-20基含鋁炸藥水中爆炸氣泡脈動過程，對比分析二者水下爆炸氣泡運(yùn)動時的不同現(xiàn)象；分析鋁粉對于氣泡脈動過程的影響規(guī)律，為計算炸藥的能量輸出規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為水下爆炸武器、水下爆炸氣泡動力學(xué)提供數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品包含2種配方圓柱形壓裝藥柱，每種配方2發(fā)，共4發(fā)，實(shí)驗(yàn)藥柱的具體狀態(tài)如表1所示。圖1為水中爆炸實(shí)驗(yàn)時所用藥柱。

表1 實(shí)驗(yàn)藥柱參數(shù)Table 1 Parameters of explosive grain

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在2 m×2 m×2 m的水箱中進(jìn)行，水箱由5 mm厚的鋼板焊接而成，內(nèi)裝自來水，水面高度為1.6 m，炸藥位于水箱水平面的中心位置，實(shí)驗(yàn)時利用細(xì)線將裝配好的待測藥柱懸掛在水中，藥柱距離水箱底部的距離為0.8 m，距離水面的距離也為0.8 m。藥柱中心、壓力傳感器和高速攝像機(jī)處于同一條水平直線上，實(shí)驗(yàn)選用PCB138系列水下爆炸壓力傳感器，傳感器的靈敏度為0.144 5 V/MPa，傳感器敏感部位與炸藥中心位于同一高度，藥柱中心與傳感器的距離為0.7 m，與高速攝像機(jī)的距離為1.4 m，高速攝像機(jī)為APX-RS數(shù)字式高速相機(jī)，拍攝頻率為10 000 s-1，在1 ms內(nèi)能夠得到10幅氣泡脈動圖像，實(shí)驗(yàn)采用LED冷光源作為外照明光源，其發(fā)出的光線亮度高、顯色好，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

炸藥在水箱中爆炸時，為了避免來自界面處反射波對沖擊波以及氣泡脈動信號的影響[13]，實(shí)驗(yàn)設(shè)計時，在水箱內(nèi)壁周圍粘貼一層白色吸波材料，當(dāng)沖擊波波陣面?zhèn)髦了浣缑鏁r，消除強(qiáng)反射沖擊波，保證測量數(shù)據(jù)不受干擾[14]，裝置如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中以同步脈沖發(fā)生器為高壓起爆臺，由高速攝影機(jī)及示波器提供觸發(fā)信號，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)控制臺和各類數(shù)據(jù)的記錄同步。藥柱起爆后，高速攝相機(jī)獲得氣泡脈動圖像，PCB傳感器測得沖擊波壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 CL-20基理想炸藥氣泡脈動

1號藥柱與2號藥柱，為平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好，此處我們以2號藥柱為例。實(shí)驗(yàn)得到的CL-20基理想炸藥氣泡脈動過程，如圖4所示，從圖中可以清晰地觀測到2號藥柱水下爆炸氣泡的產(chǎn)生、膨脹和收縮過程。炸藥起爆后，高溫高壓的爆炸產(chǎn)物劇烈壓縮周圍水介質(zhì)，并迅速向外膨脹，形成爆炸氣泡，此時氣泡內(nèi)壓力最大，且不均勻分布，氣泡內(nèi)有少量的爆轟產(chǎn)物從氣泡表面溢出(t=0.2 ms)；隨著氣泡膨脹增大，氣泡內(nèi)部壓力逐漸減小，由于慣性的作用，氣泡過度膨脹，t=22.5 ms附近時，氣泡膨脹到最大半徑為59.9 cm，此時氣泡內(nèi)壓力最小，氣泡膨脹過程基本呈球形，膨脹過程中氣泡的中心位移很小，幾乎保持不動。由于氣泡的過度膨脹，氣泡在靜水壓力作用下收縮，氣泡半徑迅速減小：t=41.0 ms時，氣泡仍為球形；t=45.1 ms時，氣泡下表面收縮速度更快，底部先開始坍塌，向氣泡內(nèi)部凹陷，產(chǎn)生豎直向上的射流；t=46.4 ms附近時，氣泡收縮至最小半徑并迅速上浮，從氣泡收縮過程開始，氣泡表面爆炸產(chǎn)物溢出時產(chǎn)生清晰跡線，此時氣泡內(nèi)的壓力遠(yuǎn)高于周圍流體壓力，氣泡將再次膨脹；t=47.1 ms時，氣泡上表面開始向上凸起；t=50.2 ms時，氣泡繼續(xù)膨脹，同時不再是規(guī)則的球形，隨著爆炸產(chǎn)物的溢出，氣泡表面也不再是光滑的表面。隨后，氣泡又開始新一輪的脈動，隨著脈動過程中能量的消耗，各氣泡脈動周期和氣泡半徑極大值逐漸減小，直至氣泡能量被消耗殆盡。

實(shí)驗(yàn)得到距藥柱0.7 m處壓力時程曲線，如圖5所示。從圖5中可以清晰地分辨出沖擊波、第一次氣泡脈動、第二次氣泡脈動壓力及周期，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有明顯的干擾信號。由圖5可知，首先傳播的是初始沖擊波，沖擊波峰值壓力高，壓力為15.49 MPa，持續(xù)時間短，波形陡峭。沖擊波過后，當(dāng)氣泡半徑達(dá)到最大值時開始收縮，水中壓力將低于靜水壓力，出現(xiàn)負(fù)壓；而后當(dāng)氣泡半徑鄰近最小值時，水中的壓力又逐漸上升，出現(xiàn)二次壓力波，二次壓力波的峰值壓力雖遠(yuǎn)低于沖擊波的峰值壓力，但持續(xù)時間長，基本呈對稱形狀。因此其作用不容忽視，如圖6所示。二次壓力波之后還會出現(xiàn)三次壓力波，二次壓力波和三次壓力波之間也會出現(xiàn)負(fù)壓，但是二次壓力波過后的氣泡能量所剩無幾，其作用可忽略不計，在此不作相關(guān)討論。

2.2 CL-20基含鋁炸藥氣泡脈動

實(shí)驗(yàn)得到的CL-20基含鋁炸藥氣泡脈動過程如圖7所示。以3號藥柱為例，與理想炸藥相比，二者的氣泡脈動規(guī)律大體一致。當(dāng)t=25.3 ms附近時，氣泡膨脹到最大(半徑為68.1 cm)；t=50.2 ms附近時，氣泡半徑收縮至最小。對于含鋁炸藥，Cook等[15]提出了二次反應(yīng)理論，首先是單質(zhì)炸藥和其他組分的爆轟，其次是在C-J面之后，鋁粉與爆轟產(chǎn)物間的二次氧化反應(yīng)。二次反應(yīng)放熱發(fā)生時刻為炸藥爆轟后的十幾到幾十微秒，鋁粉相對于炸藥是惰性物質(zhì)，在反應(yīng)動力學(xué)上對反應(yīng)物的濃度起稀釋作用，因而導(dǎo)致爆速、爆壓及波陣面上的化學(xué)能降低。CL-20基含鋁炸藥達(dá)到氣泡半徑最大的時間以及氣泡半徑都比理想炸藥大一些，這些都充分說明了含鋁炸藥二次反應(yīng)放熱的特點(diǎn)。圖8反映了含鋁炸藥二次反應(yīng)放熱的現(xiàn)象：炸藥爆轟結(jié)束后，鋁粉與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)放出大量的熱，使氣泡內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物溫度不斷升高；在氣泡收縮至最小半徑時，此時氣泡內(nèi)壓力最大，在持續(xù)的高壓與高溫作用下，氣泡內(nèi)部高溫的二次反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生火球。攝像機(jī)以幅頻10 000 s-1拍攝，在1 ms內(nèi)能夠得到10幅氣泡脈動圖像，而氣泡內(nèi)部捕捉到49.5～49.8 ms四張圖片，時間間隔只有0.4 ms，這也充分體現(xiàn)了高幅頻攝像機(jī)在觀測水下爆炸氣泡實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢。

實(shí)驗(yàn)得到距CL-20基含鋁炸藥0.7 m處壓力時程曲線，如圖9～10所示。對比圖5，CL-20基含鋁炸藥與CL-20基理想炸藥水下爆炸沖擊波傳播規(guī)律大體相同，峰值壓力為15.20 MPa，略低于CL-20基理想炸藥；此外，從2幅圖中可以直觀地看出，2種炸藥的脈動周期、二次壓力波的大小及區(qū)別。4發(fā)實(shí)驗(yàn)水下爆炸參數(shù)如表2所示，1與2, 3與4為平行實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，重復(fù)性較好。

工況脈動周期/ms氣泡半徑/cm壓力峰值/MPa146.7560.615.52246.7659.915.49349.9768.115.20450.4367.615.12

2.3 CL-20基理想炸藥與含鋁炸藥氣泡脈動對比

由圖4和圖7可以看出，氣泡在膨脹階段基本為球形，氣泡收縮階段為不規(guī)則球形，為了對比CL-20基理想炸藥(2號藥柱)與含鋁炸藥(3號藥柱)的氣泡脈動情況，對氣泡半徑進(jìn)行近似處理。圖11為2號藥柱與3號藥柱水下爆炸氣泡半徑隨時間的變化曲線。與理想炸藥相比，含鋁炸藥爆轟后氣泡脈動周期較長，氣泡半徑較大：對于2號藥柱非含鋁炸藥，氣泡的脈動周期為46.76 ms，氣泡最大半徑為59.9 cm，3號藥柱含鋁炸藥，氣泡的脈動周期為49.97 ms，氣泡最大半徑為68.1 cm；CL-20基含鋁炸藥的氣泡半徑、脈動周期都明顯升高，半徑增大13.7 %，周期增大6.9 %。

將氣泡脈動過程中的直徑-時間變化關(guān)系對時間微分，可以得到氣泡膨脹、收縮速度隨時間變化的關(guān)系曲線[16](圖12)。圖12中縱坐標(biāo)為正值的曲線段對應(yīng)氣泡膨脹過程，炸藥爆轟結(jié)束后，對應(yīng)氣泡膨脹速度最大，2號藥柱起始膨脹速度約為132 m/s，3號藥柱起始膨脹速度約為138 m/s，隨著時間的推移，氣泡膨脹速度逐漸減小直至零，此時對應(yīng)氣泡最大半徑，氣泡停止膨脹；縱坐標(biāo)為負(fù)值的曲線段對應(yīng)氣泡收縮過程，隨著時間增大收縮速度絕對值逐漸增大，2號藥柱氣泡收縮最大速度約109 m/s (t=44.1 ms)，3號藥柱氣泡收縮最大速度約為105 m/s (t=48.0 ms)，達(dá)到最大收縮速度后，氣泡繼續(xù)收縮同時收縮速度逐漸減小，當(dāng)收縮速度為零時，氣泡達(dá)到最小半徑，此后氣泡繼續(xù)下一輪的膨脹和收縮。由于氣泡脈動過程中抵抗水的阻力消耗了部分能量，氣泡的起始膨脹速度大于收縮階段的最大速度。從圖12可以看出，速度縱坐標(biāo)為正值代表氣泡膨脹階段，3號藥柱氣泡曲線段在2號藥柱曲線段上方，說明含鋁炸藥氣泡膨脹速度大于非含鋁炸藥，由于鋁粉與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)放熱，使氣泡內(nèi)的壓力升高導(dǎo)致膨脹速度加快；速度縱坐標(biāo)為負(fù)值即氣泡收縮階段，3號藥柱氣泡曲線段在2號藥柱曲線段上方，說明2號藥柱非含鋁炸藥氣泡收縮速度大于3號藥柱含鋁炸藥，因?yàn)闅馀菔湛s過程由流場中周圍流體靜壓力驅(qū)動，當(dāng)周圍水的靜水壓力相同時，3號藥柱含鋁炸藥氣泡收縮速度小，表明3號藥柱含鋁炸藥氣泡內(nèi)壓力比2號藥柱非含鋁炸藥氣泡大，這從側(cè)面反應(yīng)了鋁粉的二次反應(yīng)放熱特點(diǎn)。

將氣泡脈動速度時間關(guān)系曲線對時間微分，擬合得到氣泡脈動加速度隨時間變化關(guān)系[16]，如圖13所示。氣泡膨脹過程中加速度的絕對值逐漸減小，即膨脹速度變化逐漸減慢，對應(yīng)圖12中速度曲線逐漸平緩以及圖11中氣泡半徑逐漸增大；氣泡收縮過程加速度絕對值逐漸增大，即速度變化加快，對應(yīng)圖12中速度曲線逐漸陡峭以及圖11中氣泡半徑逐漸變小。從圖13中可以看出，氣泡剛開始膨脹階段，2號藥柱非含鋁炸藥氣泡加速度絕對值要大一些，隨著氣泡的繼續(xù)膨脹，3號藥柱含鋁炸藥氣泡加速度絕對值慢慢超過2號藥柱非含鋁炸藥直至氣泡最大半徑處，加速度絕對值接近于零；隨后氣泡開始收縮，2號藥柱非含鋁炸藥氣泡加速度絕對值大于3號藥柱含鋁炸藥，這都是含鋁炸藥中鋁粉二次反應(yīng)的緣故，釋放的熱量繼續(xù)支持氣泡的脈動過程。

3 結(jié) 論

為研究CL-20基及其含鋁炸藥水下爆炸氣泡脈動過程規(guī)律，采用水箱實(shí)驗(yàn)及高速攝影技術(shù)，基于小當(dāng)量炸藥水中爆炸試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：獲得CL-20基及其含鋁炸藥氣泡脈動過程的圖片，水中爆炸沖擊波傳播曲線；擬合得到氣泡半徑、速度、加速度與時間的變化曲線，對比分析發(fā)現(xiàn)，CL-20基含鋁炸藥的氣泡半徑、脈動周期都明顯升高，半徑增大13.7 %，周期增大6.9 %，沖擊波峰值壓力略有下降, CL-20基含鋁炸藥氣泡膨脹速度快，收縮速度慢；在實(shí)驗(yàn)條件下，通過高速攝相技術(shù)，捕捉到CL-20基含鋁炸藥中鋁粉與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)放熱，致使反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生火球現(xiàn)象，可為今后的含鋁炸藥爆炸機(jī)理的研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段。

感謝中國工程物理研究院化工材料研究所聶福德研究員和楊志劍助理研究員提供的實(shí)驗(yàn)樣品。

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