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摘 要：针对水下爆炸的爆炸威力，论述了铝粉在水下爆炸中对炸药爆炸冲击波压力及能量的影响。铝粉的增加可提高炸药的爆热，适当比例铝粉的加入，可使炸药获得最大的冲击波能及机械气泡能，进而提高炸药水下爆炸威力。
关键词：铝粉 水下爆炸 威力
中图分类号：U661.72 文献标识码：Ａ 文章编号：1674-098X(2012)2(c)-0000-00
含铝炸药最早是在1899年由德国人首先提出，以用来提高炸药的爆炸能力，并于1900年取得了专利。此后，含铝炸药逐渐发展，目前已成为军用混合炸药的一个重要系列，广泛用于对空导弹、水下武器弹药等。发展至今，国内外水中兵器所装炸药几乎全部是含铝炸药，如H-6、HBX-1、RS-111、RS-211等。由于含铝炸药在水中兵器中的良好应用，含铝炸药的研究引起了国内外学者的广泛关注。本文重点进行含铝炸药对水下爆炸爆轰性能的影响进行分析。
1 含铝炸药的爆炸反应机理分析
普通的化学反应，通过原位光谱技术能够确定反应过程的产物。而对于炸药的爆轰，由于反应速度极快，且爆炸瞬间所产生的压力和温度对爆炸产物的组成又有着密切的影响，因此，准确地描述爆炸瞬间发生的现象当前很难实现。通过设计相关的试验方案，考察所关心的数据，就基本能够达到对铝粉在炸药爆炸中产生作用的认识。炸药在水下爆炸能产生冲击波、气泡和压力波，这三者都能使目标受到一定程度的破坏。基于此，衡量炸药水下爆炸威力的两个重要能量参数是冲击波能和机械气泡能，因而，可以通过设计的试验考察上述几个数据。
2 对冲击波压力及压力衰减的影响
炸药在水中爆炸后，形成向四周扩展并迅速衰竭的冲击波，同时形成气泡压力脉动现象。铝粉对炸药水下爆炸过程中气泡压力脉动的影响较大。国内周俊祥等采用单因素试验对含铝炸药的水下爆炸进行了对比研究。试验选8701和RDX/Al含铝炸药为测试样品。8701是以RDX为主体的高能理想炸药。RDX/Al含铝炸药Al粉含量为20%。试验结果显示，与8701炸药明显不同的是，RDX/Al含铝炸药水下爆炸冲击波压力衰减时间常数θ有了显著提高。这表明Al粉在爆轰产物中的氧化反应具有提高爆轰产物压力的作用，从而减缓了水中冲击波后的压力衰减。此外，在相同的装药质量条件下，含铝炸药的冲击波峰值压力Pm比8701炸药有所提高。大量试验证明，在能量释放特性方面，RDX/Al含铝炸药与8701炸药的不同之处在于爆热的提高和存在Al燃烧所产生的慢速能量释放。当RDX/Al发生爆炸时，在前沿冲击波的冲击压缩下，黑索金首先进行分解反应：
C3H6O6N6→3H2O+3CO+3N2+1192×103 J （1）
这一阶段，黑索金的分解反应在化学反应区内进行，放出热量维持爆轰波的运动。然后气体产物CO和N2再与铝粉进行反应
3CO+2Al→Al2O3+3C+1305×103 J （2）
0.5N2+Al→AlN+241J （3）
这一阶段，产物气体与铝粉的反应，时间较晚，在化学反应区之后进行，这部分反应放出的热量无法供给前沿冲击波，所以就造成了含鋁炸药爆热增加而爆速降低的结果。
因此，含铝炸药爆炸总能量的提高和Al的慢速燃烧反应对水下爆炸冲击波的超压和压力衰减时间常数都会产生不同程度的影响。对于给定炸药量的水下爆炸，压力衰减时间常数增大幅度远大于冲击波峰值压力的提高幅度，因而对冲击波后压力衰减速率的影响是主要的，即含铝炸药显著延长了冲击波压力的衰减时间。
3 对冲击波能和机械气泡能的影响[2]
炸药在水下爆炸后，大部分能量以冲击波的形式从爆炸点向外扩散，其余能量留给爆炸产物作为气泡脉动的气泡能。冲击波在向外扩散的过程中，对所经之处的水造成冲击加热，大量能量以热的形式损失在水中，单位质量炸药所释放的能量分为以下几个部分
初始冲击波经过压力计时的冲击波能量es;初始冲击波从爆炸点扩散到压力计的过程中以热的形式消耗在水中的能量ed;气泡反抗静水压力膨胀到第一个最大半径时所需的能量eb，则单位质量炸药爆炸所做的总膨胀功可用下式表示：
μ称为冲击波能量损失系数，μ越大，说明以热的形式消耗在水中的能量ed越大。
关于水下爆炸，美国人P•库尔针对水下爆炸问题建立的理论框架至今仍然适用。其将冲击波的传播视为绝热膨胀过程，则根据热力学第一定律可得出炸药爆炸时所做的功为：
式中 Qv——炸药的爆热
可得： μes+eb= Qv 从上式可以看出，若要提高炸药的水下冲击波能和气泡能，必须提高炸药的爆热。TNT黑索金两种炸药均由C、H、O、N组成，炸药爆炸反应过程，实质上就是炸药中所包含的可燃元素和助燃元素在爆炸瞬间发生高速化学反应的过程，反应的结果重新组合形成新的稳定产物，并且放出大量的热量。形成的产物主要有CO2、H2O、CO、N2等
由于反应
C+O2→CO2+395.4×103J/mol （9）
H2+1/2O2→H2O+241.8×103J/mol （10）
向炸药中加入铝后后，它能夺取H2O和CO2中的氧，生成放热更多的金属氧化物，如：2Al+1.5O2→Al2O3+1669×103 J （11）
同时，铝粉还能与爆炸产物中原来没有来得及反应的氮气发生剧烈的反应，放出更多的热量
Al+0.5N2→AlN+241×103J （12）
所以，加入铝粉后，会使爆热显著提高，成为高爆热类型的炸药。
在高能炸药中加入Al粉后改变了炸药的能量释放过程，进而影响到水下爆炸冲击波的特征参数，Al粉在含铝炸药中质量分数的大小也必然影响到冲击波能量的变化，不同Al粉含量增加到一定程度后，爆炸组分RDX的快速爆轰反应不足以建立Al粉氧化反应所需的初始条件，即随着RDX含量的持续减少，将引起混合炸药总能量和Al粉氧化反应热效应的持续下降，从而必然降低冲击波的能量水平。可以看出，存在着一个与最大冲击波能相对应的最佳Al粉含量。成都科技大学应用物理研究所的胡栋[3]采用X光电子能谱技术发现过量铝含量的RDX/Al炸药爆炸后有为燃烧的单质铝存在，同时发现了炸药中铝粉与RDX爆炸后产生的H进行的氢化反应。用铝粉取代部分炸药或其它成分将使爆热增大，相应地，铝粉的加入对水下冲击波能和气泡能也产生了很大的影响。作者的研究结果表明，当Al/O=0.4左右时，冲击波能达到最大。由于冲击波对目标的破坏起着决定性的作用，气泡和压力波一般引起附加的破坏作用，因而，此铝氧比是冲击波能和气泡能之间能量分布的最佳点，也是铝粉加入的最佳值。
4 结语
铝粉的加入提高了炸药的爆热,降低了炸药的爆速，并具有典型的后燃效应。含铝炸药显著延长了冲击波压力的衰减时间。适当含量的铝粉加入可获得最大的冲击波能及机械气泡能。
参考文献
[1] 周俊祥,于国辉,李澎,周霖. RDX/Al含铝炸药水下爆炸实验研究,爆破，2005,22(2):5-6.
[2] 王晓峰,陈鲁英.炸药的水下爆炸威力,兵工学报,1995,1:30-33
[3] 胡栋,孙珠妹.铝粉含量对黑索今含铝炸药快速反应的影响,火炸药,1994,4:9-11
作者简介：邵建军，男，1967年8月生，工学博士，工程师，2009年进入92493部队博士后工作站，主要从事水中兵器爆炸威力试验及舰船设备抗冲击试验研究。2010年获得中国博士后基金资助(20100471808).
关键词：铝粉 水下爆炸 威力
中图分类号：U661.72 文献标识码：Ａ 文章编号：1674-098X(2012)2(c)-0000-00
含铝炸药最早是在1899年由德国人首先提出，以用来提高炸药的爆炸能力，并于1900年取得了专利。此后，含铝炸药逐渐发展，目前已成为军用混合炸药的一个重要系列，广泛用于对空导弹、水下武器弹药等。发展至今，国内外水中兵器所装炸药几乎全部是含铝炸药，如H-6、HBX-1、RS-111、RS-211等。由于含铝炸药在水中兵器中的良好应用，含铝炸药的研究引起了国内外学者的广泛关注。本文重点进行含铝炸药对水下爆炸爆轰性能的影响进行分析。
1 含铝炸药的爆炸反应机理分析
普通的化学反应，通过原位光谱技术能够确定反应过程的产物。而对于炸药的爆轰，由于反应速度极快，且爆炸瞬间所产生的压力和温度对爆炸产物的组成又有着密切的影响，因此，准确地描述爆炸瞬间发生的现象当前很难实现。通过设计相关的试验方案，考察所关心的数据，就基本能够达到对铝粉在炸药爆炸中产生作用的认识。炸药在水下爆炸能产生冲击波、气泡和压力波，这三者都能使目标受到一定程度的破坏。基于此，衡量炸药水下爆炸威力的两个重要能量参数是冲击波能和机械气泡能，因而，可以通过设计的试验考察上述几个数据。
2 对冲击波压力及压力衰减的影响
炸药在水中爆炸后，形成向四周扩展并迅速衰竭的冲击波，同时形成气泡压力脉动现象。铝粉对炸药水下爆炸过程中气泡压力脉动的影响较大。国内周俊祥等采用单因素试验对含铝炸药的水下爆炸进行了对比研究。试验选8701和RDX/Al含铝炸药为测试样品。8701是以RDX为主体的高能理想炸药。RDX/Al含铝炸药Al粉含量为20%。试验结果显示，与8701炸药明显不同的是，RDX/Al含铝炸药水下爆炸冲击波压力衰减时间常数θ有了显著提高。这表明Al粉在爆轰产物中的氧化反应具有提高爆轰产物压力的作用，从而减缓了水中冲击波后的压力衰减。此外，在相同的装药质量条件下，含铝炸药的冲击波峰值压力Pm比8701炸药有所提高。大量试验证明，在能量释放特性方面，RDX/Al含铝炸药与8701炸药的不同之处在于爆热的提高和存在Al燃烧所产生的慢速能量释放。当RDX/Al发生爆炸时，在前沿冲击波的冲击压缩下，黑索金首先进行分解反应：
C3H6O6N6→3H2O+3CO+3N2+1192×103 J （1）
这一阶段，黑索金的分解反应在化学反应区内进行，放出热量维持爆轰波的运动。然后气体产物CO和N2再与铝粉进行反应
3CO+2Al→Al2O3+3C+1305×103 J （2）
0.5N2+Al→AlN+241J （3）
这一阶段，产物气体与铝粉的反应，时间较晚，在化学反应区之后进行，这部分反应放出的热量无法供给前沿冲击波，所以就造成了含鋁炸药爆热增加而爆速降低的结果。
因此，含铝炸药爆炸总能量的提高和Al的慢速燃烧反应对水下爆炸冲击波的超压和压力衰减时间常数都会产生不同程度的影响。对于给定炸药量的水下爆炸，压力衰减时间常数增大幅度远大于冲击波峰值压力的提高幅度，因而对冲击波后压力衰减速率的影响是主要的，即含铝炸药显著延长了冲击波压力的衰减时间。
3 对冲击波能和机械气泡能的影响[2]
炸药在水下爆炸后，大部分能量以冲击波的形式从爆炸点向外扩散，其余能量留给爆炸产物作为气泡脉动的气泡能。冲击波在向外扩散的过程中，对所经之处的水造成冲击加热，大量能量以热的形式损失在水中，单位质量炸药所释放的能量分为以下几个部分
初始冲击波经过压力计时的冲击波能量es;初始冲击波从爆炸点扩散到压力计的过程中以热的形式消耗在水中的能量ed;气泡反抗静水压力膨胀到第一个最大半径时所需的能量eb，则单位质量炸药爆炸所做的总膨胀功可用下式表示：
μ称为冲击波能量损失系数，μ越大，说明以热的形式消耗在水中的能量ed越大。
关于水下爆炸，美国人P•库尔针对水下爆炸问题建立的理论框架至今仍然适用。其将冲击波的传播视为绝热膨胀过程，则根据热力学第一定律可得出炸药爆炸时所做的功为：
式中 Qv——炸药的爆热
可得： μes+eb= Qv 从上式可以看出，若要提高炸药的水下冲击波能和气泡能，必须提高炸药的爆热。TNT黑索金两种炸药均由C、H、O、N组成，炸药爆炸反应过程，实质上就是炸药中所包含的可燃元素和助燃元素在爆炸瞬间发生高速化学反应的过程，反应的结果重新组合形成新的稳定产物，并且放出大量的热量。形成的产物主要有CO2、H2O、CO、N2等
由于反应
C+O2→CO2+395.4×103J/mol （9）
H2+1/2O2→H2O+241.8×103J/mol （10）
向炸药中加入铝后后，它能夺取H2O和CO2中的氧，生成放热更多的金属氧化物，如：2Al+1.5O2→Al2O3+1669×103 J （11）
同时，铝粉还能与爆炸产物中原来没有来得及反应的氮气发生剧烈的反应，放出更多的热量
Al+0.5N2→AlN+241×103J （12）
所以，加入铝粉后，会使爆热显著提高，成为高爆热类型的炸药。
在高能炸药中加入Al粉后改变了炸药的能量释放过程，进而影响到水下爆炸冲击波的特征参数，Al粉在含铝炸药中质量分数的大小也必然影响到冲击波能量的变化，不同Al粉含量增加到一定程度后，爆炸组分RDX的快速爆轰反应不足以建立Al粉氧化反应所需的初始条件，即随着RDX含量的持续减少，将引起混合炸药总能量和Al粉氧化反应热效应的持续下降，从而必然降低冲击波的能量水平。可以看出，存在着一个与最大冲击波能相对应的最佳Al粉含量。成都科技大学应用物理研究所的胡栋[3]采用X光电子能谱技术发现过量铝含量的RDX/Al炸药爆炸后有为燃烧的单质铝存在，同时发现了炸药中铝粉与RDX爆炸后产生的H进行的氢化反应。用铝粉取代部分炸药或其它成分将使爆热增大，相应地，铝粉的加入对水下冲击波能和气泡能也产生了很大的影响。作者的研究结果表明，当Al/O=0.4左右时，冲击波能达到最大。由于冲击波对目标的破坏起着决定性的作用，气泡和压力波一般引起附加的破坏作用，因而，此铝氧比是冲击波能和气泡能之间能量分布的最佳点，也是铝粉加入的最佳值。
4 结语
铝粉的加入提高了炸药的爆热,降低了炸药的爆速，并具有典型的后燃效应。含铝炸药显著延长了冲击波压力的衰减时间。适当含量的铝粉加入可获得最大的冲击波能及机械气泡能。
参考文献
[1] 周俊祥,于国辉,李澎,周霖. RDX/Al含铝炸药水下爆炸实验研究,爆破，2005,22(2):5-6.
[2] 王晓峰,陈鲁英.炸药的水下爆炸威力,兵工学报,1995,1:30-33
[3] 胡栋,孙珠妹.铝粉含量对黑索今含铝炸药快速反应的影响,火炸药,1994,4:9-11
作者简介：邵建军，男，1967年8月生，工学博士，工程师，2009年进入92493部队博士后工作站，主要从事水中兵器爆炸威力试验及舰船设备抗冲击试验研究。2010年获得中国博士后基金资助(20100471808).