1 引言

含铝炸药是一种典型的非理想炸药，炸药的组分、铝粉形状和尺寸、约束条件、炸药尺寸、铝含量等对含铝炸药爆轰性能影响显著，国内外已在这些方面进行了大量研究，但对含铝炸药爆轰反应机理的解释还没有一个统一的理论。Vadhe^[1]阐述了含铝炸药发展现状与未来的趋势，Tao等^[2]通过Fabry-Perot激光干涉仪分析了铝粉尺寸对炸药热释放影响，Gogulya等^[3]讨论了铝含量与铝粉尺寸的改变对HMX/Al含铝炸药的温度与压力-时程曲线影响，ZHU^[4]分析了铝粉尺寸对RDX热分解影响，Stromsoe^[5]认为含铝炸药的气泡能高于相应的非含铝炸药; 黄辉等^[6]认为铝粉的颗粒尺寸对含铝炸药的爆轰性能有显著影响，在以RDX为主体的炸药中，加入20%粒径为50 nm的超细铝粉，其爆轰性能和做功能力明显高于含20%粒径为5, 50 μm铝粉的混合炸药。上述研究成果主要集中在铝粉上，传统含铝粉炸药在提高炸药的爆热与爆炸威力的同时也提高了含铝炸药的机械感度^[7]。另外，铝粉的细度粒径要求在微米或纳米量级，加工工艺较为复杂，而且粉尘对环境的污染严重，还存在粉尘爆炸的危险，同时铝粉活性随着储存时间增加而降低。针对传统含铝粉炸药的缺陷，廖学燕^[8]通过空中爆炸实验，研究了铝纤维对炸药的爆炸能量输出影响，结果表明铝纤维能提高炸药的爆热，增强炸药力学性能。

为提高含铝混合炸药力学性能及药柱成型性，本研究用铝薄膜包裹黑索今(RDX)，得到铝薄膜炸药，然后将不同铝薄膜含量(10%~40%)的混合炸药与基体炸药RDX进行水下爆炸实验，得到它们在不同位置的压力时程曲线，分析计算得到不同铝薄膜含量的混合炸药在不同位置的冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、比气泡能，研究了铝薄膜含量对铝薄膜炸药水下爆炸能量输出的影响，为含铝炸药的发展提供参考。

2 药柱制备与实验设备

根据实验需要设计了5种配比的炸药配方，见表 1。根据表 1取10 g药量在模具中压制成长径比相近的圆柱形药柱，具体方法及过程参考专利^[9]，其中铝薄膜厚度为8~10 μm，药柱直径为20.02 mm。

Barnes等^[10]认为小型爆炸水池能测量炸药爆炸冲击波能、气泡能，为评价炸药的能量提供了一条新的技术途径。张立等^[11]为了消除边界效应，在水池内壁设置一种气泡帷幕，从而使所测炸药总能量更接近炸药爆热。池家春^[12]认为对难以从爆热弹试验中得到准确爆热数据的炸药(钝感炸药、含铝炸药)，可通过水下爆炸实验评估炸药能量。故本研究选择在水下爆炸塔中进行水下爆炸实验，塔直径D为5 m，水深H为5 m，测试装置包括泰克示波器(TEKDSO8064A)、恒流源(482A22)、水下压力传感(PCB, ICP W138A25)，为了满足冲击波和气泡脉动的测试要求将药柱和传感器置于水面下2 m处。为了全面对比研究不同铝薄膜含量的混合炸药与RDX水下能量输出的差异，在离药柱的距离(R)为0.7，0.9，1.2，1.5 m处安放传感器，可测得4个不同位置处的压力时程曲线。一次实验在两个不同的位置安装传感器，同等条件下重复测试3次，如图 1所示。

3 实验结果及分析

将不同铝薄膜含量的铝薄膜炸药与RDX进行水下爆炸对比实验，得到不同位置(R/R₀)的压力时程曲线，其中，铝薄膜含量为20%的铝薄膜炸药在R=0.7 m处时的一组压力时程曲线如图 2所示。

分析不同铝薄膜含量混合炸药在不同位置的压力时程曲线，得到压力峰值如图 3所示。为了对不同位置的压力峰值进行曲线拟合，将药柱离传感器的距离R无量纲化为R/R₀，其中，R₀为药柱半径(m)。

由图 3可得:铝薄膜含量为10%的铝薄膜炸药压力峰值在不同位置都与RDX相当，其它含量的铝薄膜炸药压力峰值在不同位置都小于RDX，且压力峰值随着铝薄膜含量增加而减小。

炸药在水中爆炸时冲击波压力峰值可用(1)式描述^[13]:

${p_{\rm{m}}} = A{\left( {\frac{R}{{{R_0}}}} \right)^\alpha }$

(1)

式中，p_m为冲击波压力峰值, MPa; R₀为药柱半径, m; R为药柱离传感器的距离, m; A、α为待拟合的系数。实验数据的拟合曲线如图 3，其拟合系数见表 2。

4 炸药水下爆炸参数计算 4.1 冲击波冲量

炸药在水下爆炸冲击波冲量可用(2)式计算^[14]:

$i = \int_0^{6.7\theta } {\Delta p(t)} {\rm{d}}t$

(2)

式中, i为冲击波冲量, MPa·s; Δp(t)为冲击波压力随时间变化曲线; θ为衰减时间常数, 指时程压力从峰值p_m衰减到p_m/e所需的时间, s。由(2)式计算得到不同铝薄膜含量的铝薄膜炸药与RDX在水中不同位置的冲击波冲量如图 4所示。

由图 4可得:实验数据重复性较好，不同铝薄膜含量的混合炸药与RDX的冲击波冲量都随着距离R增大而减小。相对于RDX，铝薄膜含量分别为10%、20%、30%的铝薄膜炸药冲击波冲量得到提高，但含量为40%的铝薄膜炸药冲击波冲量与RDX相当。铝薄膜含量为10%时，铝薄膜炸药的冲击波冲量相对于RDX提高了9%~9.5%。

炸药在水中爆炸时的冲击波冲量可用(3)式描述:

$i = e{\left( {\frac{R}{{{R_0}}}} \right)^g}$

(3)

式中，i为冲击波冲量, MPa·s; R₀为药柱半径, m; R为药柱离传感器的距离, m; e、g为待拟合的系数。实验数据的拟合曲线如图 4所示，其拟合系数见表 3。

4.2 比冲击波能

水下爆炸比冲击波能可用(4)式计算^[14]:

${E_{\rm{s}}} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}{R^2}}}{{W{\rho _{\rm{w}}}{C_{\rm{w}}}}}\int_0^{6.7\theta } {\Delta {p^2}(t)} {\rm{d}}t$

(4)

式中, E_s为比冲击波能, MJ·kg^-1; R为药柱离传感器的距离, m; W为装药量, kg; ρ_w为水的密度, g·cm^-3; C_w为水的声速, m·s^-1; θ为衰减时间常数, ms; Δp(t)为冲击波压力随时间变化的曲线。根据式(4)对不同铝薄膜含量的混合炸药在不同位置的压力时程曲线进行计算, 得到比冲击波能如图 5所示。

由图 5可得:铝薄膜炸药与RDX的比冲击波能都随着距离增大而减小。相对于RDX，铝薄膜含量分别为10%与20%的铝薄膜炸药比冲击波能都得到提高，且含量为10%的铝薄膜炸药比冲击波能提高量大于含量为20%的铝薄膜炸药，该结论不同于传统含铝炸药(铝含量为20%时比冲击波能最大)，与铝薄膜炸药药柱的装药结构有关。铝薄膜炸药中铝薄膜含量为10%时，铝薄膜炸药比冲击波能相对于RDX提高了9%~12%。铝薄膜含量分别为30%与40%的铝薄膜炸药比冲击波能小于RDX，其中铝薄膜含量为40%的铝薄膜炸药比冲击波能降低幅度要大于含量为30%的铝薄膜炸药，可能与铝薄膜反应不充分有关。

4.3 比气泡能

水下爆炸比气泡能计算公式为^[14]：

${E_{\rm{b}}} = {(\sqrt {1 + 4C{T_{\rm{b}}}} - 1)^3}/8{C^3}k_1^3W$

(5)

${k_1} = 1.135\rho _{\rm{w}}^{1/2}/P_{\rm{h}}^{5/6}$

(6)

${T_{\rm{b}}} = a{W^{\frac{1}{3}}} + b{W^{\frac{2}{3}}}$

(7)

$C = \frac{b}{{{a^2}}}$

(8)

式中，E_b为比气泡能, MJ·kg^-1; T_b是气泡第一次脉动周期, s; ρ_w为水的密度, kg·m^-3; W为装药量, kg; P_h是测点处流体总静水压, Pa; a, b为使用水池和一定静水压力试验条件下的固有常数，可根据(T_b，W^1/3)数据进行最小二乘法近似拟合计算，C是边界效应校正系数。为了确定本实验的C值，取不同质量的RDX(6~10 g)在同等条件下进行实验，并将实验结果根据式(7)进行拟合，如图 6所示。

拟合曲线近似为直线是由于试验药柱的质量区间较小引起的，拟合结果为: a=0.28489，b=-0.07463，故由式(8)可得: C=-0.9195 s^-1。实验中得到不同铝薄膜含量的混合炸药与RDX在不同位置的比气泡能，如图 7所示。

由图 7可得:不同铝薄膜含量混合炸药与RDX的比气泡能不随着距离的变化而变化。当铝薄膜含量小于30%时，铝薄膜的加入能提高混合炸药的比气泡能。含量为40%的铝薄膜炸药比气泡能低于含量为10%的铝薄膜炸药比气泡能，这与传统含铝炸药中比气泡能随着铝含量的增加而增加的结论不同。另外，实验数据重复性相对较差，说明铝薄膜参与反应的程度不稳定。

4.4 比爆炸能

炸药比爆炸能计算公式为^[14]:

$E = {K_{\rm{f}}}(\mu {E_{\rm{s}}} + {E_{\rm{b}}})$

(9)

$\begin{array}{l} \mu = 1 + 1.3328 \times {10^{ - 1}}{p_{{\rm{CJ}}}} - 6.5775 \times {10^{ - 3}}p_{{\rm{CJ}}}^2 + \\ 1.2594 \times {10^{ - 4}}p_{{\rm{CJ}}}^3 \end{array}$

(10)

${p_{{\rm{CJ}}}} = \frac{1}{4}{\rho _0}{D^2}$

(11)

式中, E为比爆炸能, MJ·kg^-1; μ为冲击波损失系数; K_f为炸药的形状参数，对于球形取1.00，对于非球形取1.02~1.10，本文采用的药柱为长径比相近的圆柱形药柱，且测点离药柱距离较远，故形状参数K_f取为1; ρ₀为药柱的密度, kg·m^-3; D为炸药的爆速, m·s^-1; p_CJ为C-J压力, Pa; 式(11)中p_CJ单位为GPa，式(11)适用于单质炸药的p_CJ的计算。传统的含铝炸药的p_CJ可用(12)式计算^[7]:

${p_{{\rm{CJ}}}} = \frac{1}{4}\beta {\rho _{{\rm{e,w}}}}{D^2}$

(12)

由于铝薄膜炸药药柱结构为RDX与铝薄膜在轴向上独立贯通，这种结构有利于降低混合炸药中添加物对基体炸药爆轰波传播的影响，故假定其p_CJ的计算公式为:

${p_{{\rm{CJ}}}} = \frac{1}{4}{\rho _{{\rm{e,w}}}}{D^2}$

(13)

式中, β为装药密度与最大理论密度的比值，即β=ρ₀/ρ_T，ρ_T为药柱的最大理论密度, g·m^-3，ρ_{e, w}为除去金属铝后的炸药与石蜡的基体密度kg·m^-3。爆速实验采用的爆速仪为2BS-110，时基为0.1 μs，探针的间距为药柱的高度，实验药柱如图 8所示。实验得到不同铝薄膜含量的铝薄膜炸药爆速见表 4。

由表 4可得:铝薄膜炸药的爆速随着铝薄膜含量增加而减小，与铝薄膜二次反应放出的能量未能支持爆轰波阵面的传播有关。

理论上铝薄膜炸药爆热应等于相应配比的铝粉炸药爆热，因此假定文献[7]中不同含量的铝粉炸药爆热为相应含量的铝薄膜炸药爆热。综合上述计算，将不同铝薄膜含量铝薄膜炸药水下爆炸能量输出的相关参数列于表 5，如比冲击波能E_s、比气泡能E_b、比爆炸能E、冲击波损失系数μ与气泡第一次脉动周期T_b等，其中μE_s为初始比冲击波能，E_b/E为比气泡能与比爆炸能的比值，E/Q_v为比爆炸能与爆热的比值。

从表 5可得:铝薄膜含量为10%的铝薄膜炸药相对于RDX显著提高了第一次脉动周期和比气泡能。含量分别为20%、30%、40%铝薄膜炸药的第一次气泡脉动周期和比气泡能与含量为10%铝薄膜炸药相当，说明铝薄膜炸药的比气泡能不随着铝薄膜含量增加而显著增加。铝薄膜含量分别为10%、20%、30%的铝薄膜炸药比爆炸能(E)相当，而含量为40%的铝薄膜炸药比爆炸能相对于其它含量的铝薄膜炸药(10%、20%、30%)有所降低。上述结论不同于传统含铝炸药，可能与铝薄膜反应不充分有关。另外，含量为30%铝薄膜炸药的比爆炸能与爆热比值(E/Q_v)低于85%，也说明混合炸药中铝薄膜未充分反应。

5 结论

(1) 铝薄膜含量为10%铝薄膜炸药的比冲击波能在不同位置最大，其相对于RDX提高了9%~12%。铝薄膜含量为10%的铝薄膜炸药冲击波冲量与含量为20%的铝薄膜炸药相当，其相对于RDX提高了9%~9.5%。铝薄膜含量为10%的铝薄膜炸药相对于RDX显著提高了比气泡能，但含量分别为20%、30%、40%的铝薄膜炸药比气泡能与含量为10%的相近，说明铝薄膜炸药的比气泡能不随含量增加而显著增大。综上所述，铝薄膜炸药水下爆炸性能与传统含铝炸药有所不同，可能与铝薄膜反应不充分有关。

(2) 铝薄膜含量为30%的铝薄膜炸药的E/Q_v小于85%，也说明混合炸药中铝薄膜未充分反应，RDX与铝薄膜可能混合不均匀，故需进一步研究铝薄膜炸药的成型工艺，为含铝炸药的发展提供一条参考途径。