含铝炸药空气中爆炸冲击波特性研究

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含铝炸药作为一族性能优良的混合炸药被广泛应用于空中爆炸。针对含铝炸药爆炸过程的非理想性,以及铝粉粒度及含量、约束空间等对含铝炸药空气中爆炸冲击波特性影响的复杂性,本文以实验和理论分析为基础,结合数值模拟,研究了铝粉含量、铝粉粒度、约束空间对含铝炸药空中爆炸冲击波特性的影响规律,具体工作概括如下:(1)开展了10 kg级铝含量为0%40%的RDX/Al炸药空中爆炸地面反射冲击波参数测试实验,对距爆心水平距离3m12m处的测点的冲击波参数进行了研究。同一距离处的冲击波超压和冲量均随着铝含量的增加呈现先上升后下降的趋势。对于冲击波超压,在距离爆心水平投影点9m内,铝含量为20%的配方的冲击波超压值最大;在12 m处,铝含量为30%配方的冲击波超压值最大;对于冲量,在距离爆心水平投影点3 m、4 m、5 m和9 m处,铝含量为30%配方最大;同时,在不同位置处的正压作用时间均为铝含量30%的配方最长。(2)为定量表征含铝炸药的地面反射冲击波参数的传输衰减特性,本文利用实验测试结果标定了地面反射冲击波参数与对比距离的多项式形式相似关系和幂指数形式相似关系,结果表明:幂指数形式拟合公式与实验结果的相关性更高,说明含铝炸药空中爆炸地面反射冲击波参数符合幂指数形式相似关系,同时,由于幂指数公式拟合参数只有两个,更易与爆压、爆热之间建立联系。(3)开展了含有25%和40%、粒度为50 nm、5μm和50μm铝粉的RDX/Al炸药,以及含有15%45%的50μm铝粉的RDX/Al炸药在密闭空间内爆炸实验,提出通过多点平均降噪法获得准静态压力、指数衰减近似法获得压力衰减速率的实验数据处理方法,并采用准静态压力pQS、压力上升时间tQS和压力衰减速率ω三个特征量组合来表征含铝炸药内爆炸效应的方法。(4)同一铝含量下(25%或40%),pQS和tQS随着铝粉粒度的增大而增大,ω随着铝粉粒度的增加而减小,对于同一铝粉粒度,铝含量为40%的配方的pQS和tQS均大于铝含量为25%的配方,ω低于铝含量为25%的配方;铝含量为15%45%的系列含铝炸药的内爆炸压力测试结果表明,pQS随着铝含量的增加先增大后减小,在铝含量为40%时取得最大值,tQS随着铝含量的增加一直增加,ω随着铝含量的增加先减小后增大,在铝含量为40%时取得最小值。(5)对HL0、HL15、HL30三种炸药在近地空中爆炸冲击波的传播过程进行了数值模拟。结果表明:在距爆心水平距离2.5 m6 m内,任一炸药在同一炸高下,其三波点高度随水平距离的增加而增加;对于HL30,炸高为1 m的三波点高度比炸高为1.5 m和2 m的三波点高度高;数值模拟得到的地面反射冲击波压力时程曲线与实验值较为接近,可以较好地对含铝炸药地面反射冲击波进行模拟;对三种炸药空中爆炸冲击波特性的模拟结果显示:同种炸药在不同距离处的冲击波能随距离的增加大幅减少;同一距离处的冲击波能随着铝含量的增加而增加,而冲击波能占总能量(爆热)的比例随铝含量的增加而减小。(6)TNT、HL0、HL15、HL30四种炸药在密闭空间内爆炸压力特性的数值模拟结果表明,通过在TNT和含铝炸药的JWL状态方程中添加完全后燃烧能量(炸药完全燃烧释放的能量与爆热的差值),数值模拟得到的准静态压力和压力上升时间与实验值结果的误差不超过2.2%。对于同一V/W(爆炸罐容积/药量),爆炸罐几何形状的对称性主要影响初始冲击波的反射过程以及准静态压力上升时间,基本不会对准静态压力的值有影响;对于不同V/W(5 m3·kg-120 m3·kg-1),三种含铝炸药的准静态压力和压力上升时间,随着V/W的增加而减少。
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