摘要
为了研究RDX基金属化炸药组分对爆轰过程的影响，采用光子多普勒测速技术（PDV）测试界面粒子速度法对两种RDX基金属化炸药的爆轰反应区参数进行了实验研究。利用造粒法制备了含铝（RDX/AP/Al）与含储氢合金（RDX/AP/Al/B/MgH2）两种金属化炸药，利用爆轰波加载起爆被测金属化炸药，并与钝化RDX炸药的爆轰反应区参数进行对比分析。结果表明AP/Al组分的加入使RDX的CJ爆轰压力从25.8 GPa降低到20.1 GPa，此外金属化炸药的爆轰反应区时间（53.6 ns）和长度（0.29 mm）均高于钝化RDX的爆轰反应区时间（24.3 ns）和长度（0.15 mm）。B/MgH2的加入进一步升高了炸药的爆轰反应区时间（58.0 ns）和长度（0.30 mm）。高能金属燃料组分的加入降低了炸药的输出压力，提高了炸药的爆轰反应区时间和反应区长度。
图文摘要
The detonation reaction zone parameters of RDX‑based metallized explosives were studied by the interface particle velocity history using photonic Doppler velocimetry （PDV）. The detonation properties of a new explosive containing hydrogen storage alloy were evaluated by using detonation reaction zone parameters and compared with those of traditional aluminized RDX and phlegmatized RDX.
高热值的铝（Al）金属添加剂被用来提高炸药的做功能力已经有一百多年的历
ZND（Zel′dovich‑Neumann‑Döring）爆轰模型假设了爆轰波中两种重要的状态，分别为表示初始化学反应开始的VN（von Neumann）峰和表示爆轰反应结束的CJ（Chapman‑Jouguet）
许多研究报道了理想和非理想炸药的爆轰反应区的测试，方法包括纳秒时间分辨率的埋入式压力测量、埋入式粒子速度测量和激光干涉法
本研究利用光子多普勒测速（photonic Doppler velometer，PDV）技术对RDX基金属化炸药（分别添加了高氯酸铵AP/Al和AP/Al/B/MgH2）的爆轰反应区参数进行研究，获得新型金属化炸药的爆轰反应区参数。通过爆轰反应区参数测量，可评估新型添加剂对金属化炸药爆轰性能的影响规律，理解高能金属燃料对炸药爆轰反应区的影响，相关研究结果可为金属化炸药的配方设计提供依据。
本研究利用造粒法制备了RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9和RDX/AP/储氢合金/binder=36/20/35/9两种RDX基金属化炸药（分别称为AH和BH），其中储氢合金为Al/B/MgH2=70/15/15，RDX的中粒径D50=30 μm，AP的D50=40 μm，球形Al粉的D50=2 μm，颗粒状储氢合金粉的D50=3 μm。此外，还使用了钝化RDX炸药（RDXph，RDX/binder=95/5）作为对比。AH、BH和RDXph三种炸药的压制密度分别为1.85（±0.005）、1.77（±0.005）和1.66（±0.005） g·c
利用界面粒子速度（up）研究炸药的爆轰反应区结构，PDV测速系统用于测试炸药与LiF窗口的界面粒子速度，进而评估炸药的爆轰反应区参数。使用Φ50 mm×50 mm的RDXph炸药起爆Φ50 mm×45 mm的金属化炸药样品，利用Φ20 mm×10 mm LiF（Lithium‑Fluoride）窗口测试炸药样品中心输出端面的界面粒子速度。为了给界面粒子速度测试提供一个反射面，在LiF窗口靠近炸药的端面镀有0.6 μm厚的Al膜，装配时在炸药窗口界面涂抹少量硅油以排除界面空气间隙。实验测试示意图如
图1 界面粒子速度测试示意图
Fig.1 Schematic of the interface particle velocity measurement
按文献［
图2 炸药与LiF窗口的界面粒子速度曲线
Fig.2 Interface particle velocity histories between explosives and LiF windows
通常有两种方法进行CJ点的判
本研究利用方法一确定了RDXph的CJ点，如
| （1） |
图3 RDXph炸药的界面粒子速度曲线
Fig.3 Interface particle velocity histories of RDXph
a. AH
b. BH
图4 AH和BH炸药的界面粒子速度微分曲线
Fig.4 Derivative of the interface particle velocity histories of AH and BH
利用阻抗匹
| （2） |
式中，pi是爆轰压力，GPa；ρLiF为LiF的初始密度，为2.64 g·c
为了获得爆轰反应区宽度（XCJ），利用如下公式计算获得炸药的XCJ：
| （3） |
因此，利用压力‑粒子速度阻抗匹配关系获得炸药的爆轰反应区VN峰压力pVN、CJ压力pCJ、化学反应区时间tCJ和宽度XCJ。
Al组分的加入将会降低炸药的总产气量，但金属Al在爆轰反应区后的爆轰产物中氧化时会释放大量的热从而提高产物气体的温度，气体温度的提高有助于抵消气体体积的减小所带来的能量损失，从而提高炸药对外做功的威力。从实验结果来看，添加了AP/Al的RDX炸药爆轰波压力有所降低，这是由于金属Al在发生高能放热反应前首先要吸收热量将表面的高熔点氧化铝层（熔点2327 K）融化破坏，然后Al金属才能参与反应释放热量；金属Al组分在爆轰反应区极短的时间内几乎不发生反应，相当于炸药配方中的惰性组分含量增加，支持爆轰波的组分含量下降。因此，金属Al的加入降低了炸药的爆轰压力，导致爆轰反应区中反应速率降低，使反应时间增加，反应区宽度变大。此外含铝炸药中AP组分的爆压较RDX组分的低，也会使得金属化炸药的爆轰压力降低。由于这些因素的共同影响，使得添加了AP/Al的RDX金属化炸药的爆轰化学反应区时间和反应区宽度提高了近一倍，而爆轰压力也有所降低。而添加了B和MgH2之后，形成的含AP/Al/B/MgH2的RDX金属化炸药的输出压力进一步降低，在爆轰反应区内储氢材料MgH2和Al/B金属燃料并没有对爆轰能量释放起到增强效应。这是由于Al、B表面氧化物分解及MgH2（Δf
通过爆轰反应区测试结果可以看出，本研究使用的两种新配方降低了RDX的爆轰压力和反应速率，增长了爆轰反应时间，使得反应区的宽度变大。炸药的爆轰反应是一种十分迅速的化学释能过程，在提升炸药输出能力时不能仅仅着眼于提升炸药的某一项爆轰性能参数。合理的添加高能金属材料能够提高炸药总的能量输出、体积威力和爆温。对于金属化炸药，爆轰反应区后爆轰产物中的后燃烧反应也是重要的能量输出组成部分，在对外做功、增加爆炸威力方面至关重要；因此要针对各个组分的释能机理、作用过程进一步深入的探讨和分析，才能更为合理地有针对性地进行配方设计，从而对金属化炸药各组分材料的能量释放进行有效利用，实现更高输出威力的新型炸药配方设计。
（1）针对两种RDX基的金属化炸药AH（RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9）和BH（RDX/AP/合金/binder=36/20/35/9，合金为Al/B/MgH2=70/15/15）和钝化RDX（RDXph），利用光子多普勒测速技术获得了炸药的界面粒子速度曲线，通过不同的CJ点判读方法获得了两种金属化炸药的爆轰反应区参数。
（2） RDX基的金属化炸药AH和BH的爆轰反应区压力参数PVN、PCJ均低于RDXph，而AH和BH的爆轰化学反应区时间和宽度均高于RDXph，化学反应区时间和宽度约为RDXph的两倍。高能金属组分的加入降低了炸药的爆轰压力，导致爆轰反应区中反应速率降低，使得炸药的反应时间增加，反应区宽度变大。
（3） 添加了Al/B/MgH2（70/15/15）高能材料的RDX基金属化炸药BH的爆轰反应区压力参数PVN、PCJ较AH更低，而爆轰反应区时间和宽度较AH更高，Al/B/MgH2的加入进一步降低了炸药的爆轰压力。储氢组分MgH2在爆轰反应区极短的时间内相当于惰性物质，与高能Al和B组分一样对爆轰波无支持作用。
致谢
感谢南京理工大学徐森副教授提供的实验样品。
参考文献
Vadhe P P， Pawar R B， Sinha R K， et al. Cast aluminized explosives［J］. Combustion， Explosion， and Shock waves， 2008， 44（4）： 461-477. [百度学术]
Ulas A， Kuo K K， Gotzmer C. Ignition and combustion of boron particles in fluorine‑containing environments［J］. Combustion and Flame， 2001， 127（1‑2）： 1935-1957. [百度学术]
Glassman I， Yetter R A， Glumac N G. Combustion， 5th edition［M］. Cambridge： Academic Press， 2014. [百度学术]
Blackburn P E， Gulbransen E A. Aluminum reactions with water vapor， dry oxygen， moist oxygen， and moist hydrogen between 500 and 625 ℃［J］. Journal of The Electrochemical Society， 1960， 107（12）： 944. [百度学术]
Krier H， Burton R L， Pirman S R， et al. Shock initiation of crystalline boron in oxygen and fluorine compounds［J］. Journal of Propulsion and Power， 1996， 12（4）： 672-679. [百度学术]
Yoshida T， Yuasa S. Effect of water vapor on ignition and combustion of boron lumps in an oxygen stream ［J］. Proceedings of the Combustion Institute， 2000， 28（2）： 2735-2741. [百度学术]
Xu S， Chen Y， Chen X， et al. Combustion heat of the Al/B powder and its application in metallized explosives in underwater explosions［J］. Combustion， Explosion， and Shock Waves， 2016， 52（3）： 342-349. [百度学术]
Li X， Cao W， Song Q， et al. Study on energy output characteristics of explosives containing B/Al in the air blast［J］. Combustion， explosion， and shock waves， 2019， 55（6）： 723-731. [百度学术]
Chen Y， Chen X， Wu D， et al. Underwater explosion analysis of hexogen‑enriched novel hydrogen storage alloy［J］. Journal of Energetic Materials， 2016， 34（1）： 49-61. [百度学术]
Cao W， Song Q， Gao D， et al. Detonation characteristics of an aluminized explosive added with boron and magnesium hydride［J］. Propellants， Explosives， Pyrotechnics， 2019， 44（11）： 1393-1399. [百度学术]
Cao W， Guo W， Ding T， et al. Laser ablation of aluminized RDX with added ammonium perchlorate or ammonium perchlorate boron magnesium hydride［J］. Combustion and Flame， 2020， 221： 194-200. [百度学术]
Pachman J， Künzel M， Němec O， et al. A comparison of methods for detonation pressure measurement［J］. Shock Waves， 2018， 28（2）： 217-225. [百度学术]
Tarver C M. Detonation reaction zones in condensed explosives［C］//AIP Conference Proceedings， AIP， 2006， 845（1）： 1026-1029. [百度学术]
覃锦程， 裴红波， 黄文斌， 等. 基于PDV的JOB‑9003炸药爆轰反应区测量［J］. 爆炸与冲击， 2019， 39（4）： 041404. [百度学术]
QIN Jin‑cheng， PEI Hong‑bo， HUANG Wen‑bin， et al. Measuring the detonation reaction zone structure of JOB‑9003 explosive using PDV［J］. Explosion and Shock Waves， 2019， 39（4）： 041404. [百度学术]
Liu D， Chen L， Wang C， et al. Detonation reaction characteristics for CL‑20 and CL‑20‑based aluminized mixed explosives ［J］. Central European Journal of Energetic Materials， 2017， 14（3）： 573-588. [百度学术]
裴红波， 黄文斌， 覃锦程， 等. 基于多普勒测速技术的JB‑9014炸药反应区结构研究［J］. 爆炸与冲击， 2018， 38（3）： 485-490 [百度学术]
PEI Hong‑bo， HUANG Wen‑bin， QIN Jin‑cheng， et al. Reaction zone structure of JB‑9014 explosive measured by PDV［J］. Explosion and Shock Waves， 2018， 38（3）： 485-490. [百度学术]
Pei H， Huang W， Zhang X， et al. Measuring detonation wave profiles in plastic‑bonded explosives using PDV［J］. AIP Advances， 2019， 9（1）： 015306. [百度学术]
杨洋， 段卓平， 张连生， 等 .两种DNAN基含铝炸药的爆轰性能［J］.含能材料， 2019， 27（8）： 679-684. [百度学术]
YANG Yang， DUAN Zhuo‑ping， ZHANG Lian‑sheng， et al. Detonation performance of two DNAN based aluminized explosives［J］. Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）， 2019， 27（8）： 679-684. [百度学术]
Yang Y， Duan Z P， Zhang L S， et al. Measurements of reaction zone and determination of the equation of state parameters of DNAN‑based melt‑cast aluminized explosive［J］. Journal of Energetic Materials， 2020， 38（2）： 240-251. [百度学术]
Rigg P A， Knudson M D， Scharff R J， et al. Determining the refractive index of shocked ［100］ lithium fluoride to the limit of transmissibility［J］. Journal of Applied Physics， 2014， 116（3）： 033515. [百度学术]
Loboiko B G， Lubyatinsky S N. Reaction zones of detonating solid explosives［J］. Combustion， Explosion and Shock Waves， 2000， 36（6）： 716-733. [百度学术]
Liu Q， Zhou X， Zeng X， et al. Sound velocity， equation of state， temperature and melting of LiF single crystals under shock compression［J］. Journal of Applied Physics， 2015， 117（4）： 045901. [百度学术]
Rigdon J K， Akst I B. An analysis of the aquarium technique as a precision detonation pressure measurement gage ［C］// Proceedings of the Fifth Symposium （International） on Detonation， Pasadena， CA， 1970： 59-66. [百度学术]
