温压炸药固体化及性能研究
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摘要
为指导固体温压炸药设计,采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法对温压炸药固体化的相关技术进行了系统研究。主要内容包括配方设计方法、粘结剂对黑索今(RDX)颗粒的包覆情况、固体化制备工艺和固体化后温压炸药的性能,以及固体化温压炸药的后燃反应释能规律等。
在现有研究成果的基础上,提出了固体温压炸药配方设计原则和设计方法。根据lkg温压炸药静爆试验结果,采用灰色关联方法分析了5种主体组分原材料对冲击波超压的关联程度。结果表明,与距爆心3m处冲击波超压正相关的因素从大到小依次为：高能炸药(RDX)、超细高氯酸铵(AP,D50为3μm)；而与距爆心9m处冲击波超压正相关的则为：特细铝粉Ⅱ(D5o为6μmm)、特细铝粉Ⅰ(D5o为25μm)、工业AP(D50为120μmm)。说明高能炸药和超细AP对较近距离冲击波超压具有主要贡献,而对较远距离冲击波超压贡献作用较小；两种粒度的特细铝粉和工业AP对不同距离上冲击波超压的作用则与之相反。该研究成果可用于指导固体温压炸药主体组分及颗粒级配的初步选择。
为进一步研究主体组分配比对爆炸场超压的影响,建立了固体温压炸药爆炸场性能预测的遗传-神经网络模型,并根据设定的冲击波参数反推较好的药剂配方。首先,针对实验测量数据存在误差和人工神经网络在训练预测时对样本数据依赖性大的缺点,借鉴Whittaker修匀思想对原始数据进行预处理,从而建立了基于遗传算法的人工神经网络模型并用于不同配方的温压炸药爆炸场性能预测。然后,根据冲击波毁伤准则设定了某一距离处的超压和冲量,利用建立的遗传神经网络模型计算得到了较优的温压炸药配方。结果表明,采用处理后的数据进行训练预测与采用原始数据直接进行训练预测的结果相比,温压炸药爆炸超压和冲量参数预报的稳定性和准确性都有所提高,误差不超过5%,且网络收敛速度较快。
根据固体化制备工艺的需求,筛选了适合于压装型温压炸药的粘结剂和钝感剂。采用接触角测定仪测试了添加不同助剂的粘结剂溶液表面张力及其在RDX炸药颗粒表面的接触角,分析了铺展系数、粘附功与包覆度、特性落高的关系,发现包覆度和特性落高随铺展系数的增大而增大,随粘附功的增大而减小,说明铺展系数越大、粘附功越小,对润湿包覆越有利。采用扫描电镜、X射线能谱仪(XPS)和机械感度测定仪等从微观和宏观两个角度研究了不同助剂对RDX颗粒表面包覆情况的影响,扫描电镜观察结果表明,包覆后样品表面有一层均匀的橡胶薄膜。XPS分析结果表明,未添加助剂时的包覆度仅为16.85%,添加增粘剂和表面活性剂后样品包覆度可提高到95.41%。机械感度测试结果也表明,添加合适的助剂后特性落高由11.47cm提高到25.12cm,摩擦感度也从68%降低到16%。根据实验结果初步讨论了粘结剂对RDX颗粒的粘结-包覆过程和机理。
采用扫描电镜和X射线能谱仪从微观角度研究了液态端羟基聚丁二烯(HTPB)粘结剂对RDX颗粒的包覆情况,通过对包覆度的计算和分析,优选出一种低分子树脂(表面活性剂J)作为该体系较好的表面活性剂。并通过正交实验确定了浇注型温压炸药较佳的制备工艺参数,即控制捏合温度50℃,搅拌速度25r/min,捏合时间45min,保养温度50℃。
阐述了熔铸型固体温压炸药载体组分的选择依据和注装工艺理论,根据实际情况选择了合适的载体组分和敏化剂等,并在实验室制备了熔铸型固体温压炸药样品。
对温压炸药固体化性能进行了研究,包括物理性能、力学性能、安全性能和爆炸性能等。以压装型固体温压炸药为例,重点研究了不同粘结剂种类和助剂对其成型性能和力学性能的影响。结果表明,采用P树脂作为粘结剂比采用D橡胶制备的固体温压炸药的力学强度高一倍左右；在所选用的助剂中,增粘剂和6#表面活性剂对力学性能的改善具有明显的作用。对比了温压炸药固体化前后的爆炸TNT当量,分别为1.70和1.71,说明固体化前后药剂威力基本相当,固体化方案可行。提出了含有对比炸高和对比距离两个变量的冲击波超压拟合公式,分析得到了最有利的起爆高度(对比炸高)与对比距离的关系,进而得出最佳炸高条件下冲击波超压随对比距离的衰减曲线,该曲线上的冲击波超压高于其他条件的超压值。
采用实验和数值模拟相结合的方法对温压炸药能量输出结构进行了初步研究。结果表明,距爆心较近时冲击波压力时程曲线上呈现两个峰值,而在较远处则存在较宽的正压作用区,该温压炸药正压作用区冲量约为相同质量TNT的1.6～1.8倍。并根据JWL-Miller模型参数得出后燃反应释放的能量约占总能量的1/3,以及非理想组分反应度随时间的变化关系,在理想条件下,后燃持续时间可达400ms。说明温压炸药中铝粉等高能添加剂的后燃反应对增强冲击波效应和提高炸药做功能力有显著贡献。
For the design of solid Thermobaric Explosive (TBE), the solidification techniques of thermobric explosive was investigated by theoretical, numerical and experimental methods, including formulation design, the bonding and insensitive mechanism, manufacture techniques, solidification performances and the after-burnning energy output structure.
Based on existing research results, the principles and methods of formulation design were proposed. According to the blast field test results of lkg thermobaric explosive, the method of Grey Correlation Analysis was used to investigate the influence rule of5raw materials and their contents on blast performances. The results show that the decreasing order of the factors investigated for the overpressure at a distance of3m from the explosion center is:high explosive RDX, fine particles of AP; and for the overpressure at9m the decreasing order is:fine particles of aluminum powder Al(Ⅱ), coarse particles of aluminum powder Al(Ⅰ) and coarse particles of AP. It indicates that high explosive RDX and fine particles of AP are in favor of the overpressure at3m, but weaken the overpressure at9m. Whereas the aluminum powders both fine and coarse, and the coarse particles of AP have the inverse influence on overpressure at both distances.
The explosion parameters of TBE were investigated by combining the experimental results and neural network predictions. To overcome the problems of that experimental data exist error, and the training of Artificial Neural Network largely depends on initial sample data for prediction, the smooth thoughts of Whittaker were applied to improve the initial data. A new Artificial Neural Network model based on Genetic Algorithm was established and used to predict the overpressures of TBE in field tests. And the optimal formulations of TBE were predicted with the method according to certain peak overpressure or impulse.The results show that with the new prediction method the stability and accuracy of the predicted results were improved and the error was less than5%, also the convergence rate of Network was improved.
The optimal binder and desensitizer were selected according to the solidification technology of pressed type TBE. The surface tension of binder containing different additives and the contact angle with RDX were measured by a contact angle meter. The coating quality was characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the impact sensitivity was tested. The spreading coefficient (S) and adhesive work (W12) were calculated, and then the dependence of the coverage degree (R) and characteristic fall distance (H5o) on S and W12were analyzed. The results show that R and H50increase with the increase of S, and reduce with the increase of W12. It indicates that the bigger S and the smaller W12, the better the coating quality. The results of SEM show that a thin layer of film was formed on the surface of RDX. The results of XPS show that the additives can extend the coverage degree from16.85%to95.41%. The results of impact sensitivity show that the additives can prolong the characteristic fall distance from11.47cm to25.12cm, and significantly reduce friction sensitivity. The mechanism of bonding and desensitization was further discussed.
The coverage degrees of HTPB binder on RDX particles were studied by SEM and XPS, and a low molecular weight resin (surfactant J) was chosen as surfactant. The optimal parameters of preparation process were determined by orthogonal experiments, that is the mixing temperature50℃, the stirring rate25r/min, the mixing time45min and the maintenance temperature50℃.
The cast loading theory of TBE was expounded and the main components and sensitizer were selected. The samples of casting TBE were produced in lab, and their combustion heat and hardness were measured. The explosion peak overpressure of the samples before and after curing were compared by field test, the result shows that the overpressure of casting TBE is no less than that of liquid-solid composite TBE, and the casting scheme is feasible.
The application properties of solid TBE were tested, especially the formabilty and mechanical performance. The results show that the mechanical strength of resin P is twice as rubber D, and the1#tackifier and6#surfactant are in favour of improving the mechanical strength.
The explosion power of solid TBE and liquid-solid composite TBE were compared and the TNT equivalents were1.71and1.70respectively. It indicates that the casting scheme is practicable.The influence rule of bursting height on blast pressure was studied both theoretically and experimentally. Based on the theory analysis, a formula was proposed to describe the variation of overpressure with specific bursting height and distance to explosion center. From the partial derivatives with specific bursting height, the optimal specific bursting height varying with distance was obtained. Variation of the peak overpressure with scaled distance to explosion center was deduced under the condition of optimal specific bursting height consequently, and it can be approximated as a straight line, under which the pressure is not less than other conditions. It can be used to guide the warhead performance design of TBE.
In order to investigate the influence of after-burning on the strength of shock waves produced by the thermobaric explosive explosion in air, experiments and numerical simulations were performed to study the energy output structure. The results show that the pressure histories have two peaks in the near field and a long period in the far field. The impulse is1.6～1.8times of the same quality of TNT. Based on the analysis of JWL-Miller model parameters, the energy of after-burning is about1/3of the total energy. Furthermore, the curve of reaction degree(λ) versus time was obtained. In the case of complete reaction, the after-burning time can reach at400ms. It indicates that the after-burning of high energy additive is important to enhance the power of thermobaric explosive.
在现有研究成果的基础上,提出了固体温压炸药配方设计原则和设计方法。根据lkg温压炸药静爆试验结果,采用灰色关联方法分析了5种主体组分原材料对冲击波超压的关联程度。结果表明,与距爆心3m处冲击波超压正相关的因素从大到小依次为：高能炸药(RDX)、超细高氯酸铵(AP,D50为3μm)；而与距爆心9m处冲击波超压正相关的则为：特细铝粉Ⅱ(D5o为6μmm)、特细铝粉Ⅰ(D5o为25μm)、工业AP(D50为120μmm)。说明高能炸药和超细AP对较近距离冲击波超压具有主要贡献,而对较远距离冲击波超压贡献作用较小；两种粒度的特细铝粉和工业AP对不同距离上冲击波超压的作用则与之相反。该研究成果可用于指导固体温压炸药主体组分及颗粒级配的初步选择。
为进一步研究主体组分配比对爆炸场超压的影响,建立了固体温压炸药爆炸场性能预测的遗传-神经网络模型,并根据设定的冲击波参数反推较好的药剂配方。首先,针对实验测量数据存在误差和人工神经网络在训练预测时对样本数据依赖性大的缺点,借鉴Whittaker修匀思想对原始数据进行预处理,从而建立了基于遗传算法的人工神经网络模型并用于不同配方的温压炸药爆炸场性能预测。然后,根据冲击波毁伤准则设定了某一距离处的超压和冲量,利用建立的遗传神经网络模型计算得到了较优的温压炸药配方。结果表明,采用处理后的数据进行训练预测与采用原始数据直接进行训练预测的结果相比,温压炸药爆炸超压和冲量参数预报的稳定性和准确性都有所提高,误差不超过5%,且网络收敛速度较快。
根据固体化制备工艺的需求,筛选了适合于压装型温压炸药的粘结剂和钝感剂。采用接触角测定仪测试了添加不同助剂的粘结剂溶液表面张力及其在RDX炸药颗粒表面的接触角,分析了铺展系数、粘附功与包覆度、特性落高的关系,发现包覆度和特性落高随铺展系数的增大而增大,随粘附功的增大而减小,说明铺展系数越大、粘附功越小,对润湿包覆越有利。采用扫描电镜、X射线能谱仪(XPS)和机械感度测定仪等从微观和宏观两个角度研究了不同助剂对RDX颗粒表面包覆情况的影响,扫描电镜观察结果表明,包覆后样品表面有一层均匀的橡胶薄膜。XPS分析结果表明,未添加助剂时的包覆度仅为16.85%,添加增粘剂和表面活性剂后样品包覆度可提高到95.41%。机械感度测试结果也表明,添加合适的助剂后特性落高由11.47cm提高到25.12cm,摩擦感度也从68%降低到16%。根据实验结果初步讨论了粘结剂对RDX颗粒的粘结-包覆过程和机理。
采用扫描电镜和X射线能谱仪从微观角度研究了液态端羟基聚丁二烯(HTPB)粘结剂对RDX颗粒的包覆情况,通过对包覆度的计算和分析,优选出一种低分子树脂(表面活性剂J)作为该体系较好的表面活性剂。并通过正交实验确定了浇注型温压炸药较佳的制备工艺参数,即控制捏合温度50℃,搅拌速度25r/min,捏合时间45min,保养温度50℃。
阐述了熔铸型固体温压炸药载体组分的选择依据和注装工艺理论,根据实际情况选择了合适的载体组分和敏化剂等,并在实验室制备了熔铸型固体温压炸药样品。
对温压炸药固体化性能进行了研究,包括物理性能、力学性能、安全性能和爆炸性能等。以压装型固体温压炸药为例,重点研究了不同粘结剂种类和助剂对其成型性能和力学性能的影响。结果表明,采用P树脂作为粘结剂比采用D橡胶制备的固体温压炸药的力学强度高一倍左右；在所选用的助剂中,增粘剂和6#表面活性剂对力学性能的改善具有明显的作用。对比了温压炸药固体化前后的爆炸TNT当量,分别为1.70和1.71,说明固体化前后药剂威力基本相当,固体化方案可行。提出了含有对比炸高和对比距离两个变量的冲击波超压拟合公式,分析得到了最有利的起爆高度(对比炸高)与对比距离的关系,进而得出最佳炸高条件下冲击波超压随对比距离的衰减曲线,该曲线上的冲击波超压高于其他条件的超压值。
采用实验和数值模拟相结合的方法对温压炸药能量输出结构进行了初步研究。结果表明,距爆心较近时冲击波压力时程曲线上呈现两个峰值,而在较远处则存在较宽的正压作用区,该温压炸药正压作用区冲量约为相同质量TNT的1.6～1.8倍。并根据JWL-Miller模型参数得出后燃反应释放的能量约占总能量的1/3,以及非理想组分反应度随时间的变化关系,在理想条件下,后燃持续时间可达400ms。说明温压炸药中铝粉等高能添加剂的后燃反应对增强冲击波效应和提高炸药做功能力有显著贡献。
For the design of solid Thermobaric Explosive (TBE), the solidification techniques of thermobric explosive was investigated by theoretical, numerical and experimental methods, including formulation design, the bonding and insensitive mechanism, manufacture techniques, solidification performances and the after-burnning energy output structure.
Based on existing research results, the principles and methods of formulation design were proposed. According to the blast field test results of lkg thermobaric explosive, the method of Grey Correlation Analysis was used to investigate the influence rule of5raw materials and their contents on blast performances. The results show that the decreasing order of the factors investigated for the overpressure at a distance of3m from the explosion center is:high explosive RDX, fine particles of AP; and for the overpressure at9m the decreasing order is:fine particles of aluminum powder Al(Ⅱ), coarse particles of aluminum powder Al(Ⅰ) and coarse particles of AP. It indicates that high explosive RDX and fine particles of AP are in favor of the overpressure at3m, but weaken the overpressure at9m. Whereas the aluminum powders both fine and coarse, and the coarse particles of AP have the inverse influence on overpressure at both distances.
The explosion parameters of TBE were investigated by combining the experimental results and neural network predictions. To overcome the problems of that experimental data exist error, and the training of Artificial Neural Network largely depends on initial sample data for prediction, the smooth thoughts of Whittaker were applied to improve the initial data. A new Artificial Neural Network model based on Genetic Algorithm was established and used to predict the overpressures of TBE in field tests. And the optimal formulations of TBE were predicted with the method according to certain peak overpressure or impulse.The results show that with the new prediction method the stability and accuracy of the predicted results were improved and the error was less than5%, also the convergence rate of Network was improved.
The optimal binder and desensitizer were selected according to the solidification technology of pressed type TBE. The surface tension of binder containing different additives and the contact angle with RDX were measured by a contact angle meter. The coating quality was characterized by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and the impact sensitivity was tested. The spreading coefficient (S) and adhesive work (W12) were calculated, and then the dependence of the coverage degree (R) and characteristic fall distance (H5o) on S and W12were analyzed. The results show that R and H50increase with the increase of S, and reduce with the increase of W12. It indicates that the bigger S and the smaller W12, the better the coating quality. The results of SEM show that a thin layer of film was formed on the surface of RDX. The results of XPS show that the additives can extend the coverage degree from16.85%to95.41%. The results of impact sensitivity show that the additives can prolong the characteristic fall distance from11.47cm to25.12cm, and significantly reduce friction sensitivity. The mechanism of bonding and desensitization was further discussed.
The coverage degrees of HTPB binder on RDX particles were studied by SEM and XPS, and a low molecular weight resin (surfactant J) was chosen as surfactant. The optimal parameters of preparation process were determined by orthogonal experiments, that is the mixing temperature50℃, the stirring rate25r/min, the mixing time45min and the maintenance temperature50℃.
The cast loading theory of TBE was expounded and the main components and sensitizer were selected. The samples of casting TBE were produced in lab, and their combustion heat and hardness were measured. The explosion peak overpressure of the samples before and after curing were compared by field test, the result shows that the overpressure of casting TBE is no less than that of liquid-solid composite TBE, and the casting scheme is feasible.
The application properties of solid TBE were tested, especially the formabilty and mechanical performance. The results show that the mechanical strength of resin P is twice as rubber D, and the1#tackifier and6#surfactant are in favour of improving the mechanical strength.
The explosion power of solid TBE and liquid-solid composite TBE were compared and the TNT equivalents were1.71and1.70respectively. It indicates that the casting scheme is practicable.The influence rule of bursting height on blast pressure was studied both theoretically and experimentally. Based on the theory analysis, a formula was proposed to describe the variation of overpressure with specific bursting height and distance to explosion center. From the partial derivatives with specific bursting height, the optimal specific bursting height varying with distance was obtained. Variation of the peak overpressure with scaled distance to explosion center was deduced under the condition of optimal specific bursting height consequently, and it can be approximated as a straight line, under which the pressure is not less than other conditions. It can be used to guide the warhead performance design of TBE.
In order to investigate the influence of after-burning on the strength of shock waves produced by the thermobaric explosive explosion in air, experiments and numerical simulations were performed to study the energy output structure. The results show that the pressure histories have two peaks in the near field and a long period in the far field. The impulse is1.6～1.8times of the same quality of TNT. Based on the analysis of JWL-Miller model parameters, the energy of after-burning is about1/3of the total energy. Furthermore, the curve of reaction degree(λ) versus time was obtained. In the case of complete reaction, the after-burning time can reach at400ms. It indicates that the after-burning of high energy additive is important to enhance the power of thermobaric explosive.
引文
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