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第二章理论基础及系统方案设计 爆速理论计算爆炸速度简称爆速 既

归档日期:06-19       文本归类:爆速      文章编辑:爱尚语录

  第二章理论基础及系统方案设计 爆速理论计算爆炸速度简称爆速 既是炸药的重要性能指标也是炸药的重要性能参数。爆炸速度是目前我们能够用简单方法就能准确测量的唯一的爆轰参数 并且爆炸速度与爆轰压 炸药的猛度等密切相关 12 。所以爆速也就成了衡量炸药爆炸性能的重要指标之一。 炸药的爆轰反应就是爆轰波以一定

  第二章理论基础及系统方案设计 爆速理论计算爆炸速度简称爆速 既是炸药的重要性能指标也是炸药的重要性能参数。爆炸速度是目前我们能够用简单方法就能准确测量的唯一的爆轰参数 并且爆炸速度与爆轰压 炸药的猛度等密切相关 12 。所以爆速也就成了衡量炸药爆炸性能的重要指标之一。 炸药的爆轰反应就是爆轰波以一定的速度在炸药的内部传播的过程。爆轰波的本质即为沿着炸药传播的强冲击波。爆轰波区别于普通的冲击波主要原因在于爆轰波在炸药当中传播的时候 炸药受到高温高压的作用并且产生快速的剧烈的化学反应释放出巨大的能量。因为释放出的能量的一部分对没有反应的炸药带来强烈的冲击压缩 所以爆轰波完成了不衰减的平稳的在炸药当中传播下去 13 。通常我们提到的爆速 都是在爆轰波传播稳定条件下的爆速 文献和书刊中给出的爆速实测值 均为在一定条件下炸药稳定爆轰的爆速值 14 各种种类的炸药在爆炸速度和性能方面有很大的差别。因为单体炸药猛炸药混合物炸药的极限直径很小 大多数情况下它们都处于理想爆轰状态 与其相比工业炸药的大部分爆轰都处于非理想爆轰状态 它主要受炸药颗粒度、装药密度等的影响 所以研究工业炸药的爆速对其在工程领域的应用有着非同一般的意义 15 炸药界应用近年来迅速发展起来的状态方程和计算机技术对爆轰性能和爆轰的全部参数进行准确的预测16 。状态方程和计算机技术总结出了很多计算爆速和爆压的经验公式和半经验公式 17 。在满足一定精度要求的情况下为炸药合成设计等提供了很好的工具。 Kamlet计算爆炸速度根据炸药爆速的实验数据和BKW Ru by代码的计算结果 计算炸药爆炸速度和爆炸压力的经验公式被康姆莱特 Kamlet 等人总结了出来。在此经验公式中由四个参数综合作用影响爆炸速度参数分别是单位质量炸药爆轰气体产物的摩尔数 爆轰气体的平均摩尔质量 爆轰反应的总化学热 炸药的装药密度 18 。单位质量炸药爆轰气体产中北大学学位论文 物的摩尔数爆轰气体的平均摩尔质量 爆轰反应的总化学热这三个参数直接取决于炸药的爆炸反应 炸药的爆炸反应是十分复杂的化学反应 所以这三个参数随着炸药反应的不同而有巨大的变化 但是他们在整个爆炸反应当中又存在着缓冲平衡的现象 即这三个参数的综合变化的总体结果受爆炸反应的不同的影响很小。康姆莱特的经验公式对多种不同密度不同种类的单质炸药和混合炸药的爆炸速度计算 统计结果显示绝大部分单质炸药和混合炸药的爆炸的爆速的计算值和实验值的误差在3 以内 19 。炸药的装药密度ρ0和炸药的生成热 Hf0 可以利用Mader的最新参数和余容因子的基础上的BKW Ruby代码的计算得到。炸药爆轰过程中的化学能 E0 也就是爆轰波内能的总改变量、每克炸药爆轰气体产物总分子和C J密度ρJ等 也就是我们前边提到的由康姆莱特等人总结出来的Kamlet经验公式2 NM12Q12 D—密度为ρ时炸药的爆速km N—单位质量炸药爆轰过程中生成的气体的物质的量M—单位质量炸药爆轰过程中生成的气态产物的平均摩尔质量 φ—不同炸药的特性参数 Q—单位质量炸药爆轰产生的化学能 给出N、M、Q三个参数时假定为H2O CO2平衡 即最大放热的情况 炸药爆炸时它的分子式CaHbOcNd中的全部氮元素生成氮气 全部氢元素和氧元素结合生成H2O 剩余的氧元素和碳元素结合生成CO2 若是氧元素不够完全氧化碳元素 那么剩余的碳元素以固态碳的形式存在 如果存在反应完全后还有多余的氧的情况那么它将以氧气的形式存在。按照上述原则对于化学式为CaHbOcNd炸药的N、M、Q值的计算可按表2 1进行。 中北大学学位论文 N、M、Q的计算方法参数 5b2a 2c2d4Mr 2c2d4Mr 4Mrb2c 2d 56d 88c 8bb 2c 2d 2d 28b 32cb 1209b 196 8a Hf0Mr 120 9b 196 5bHf0Mr 241 8c Hf0Mr 表中Mr—炸药的摩尔质量Hf0—炸药的标准生成焓 KJ mol 混合炸药爆速计算前面介绍的公式主要适用于单体炸药爆速的计算。当计算混合炸药的爆速时 可将其看作同样分子式的单体炸药处理 不过前述Kamlet公式和氮当量公式 只适用于由猛炸药组成的混合炸药 Kamlet公式并不适用炸药的成分当中含有较多惰性附加物或金属粉的混合炸药 目前广泛使用的混合炸药大多含有惰性附加物或金属粉 如高聚物粘合炸药、含金属粉炸药等等 找到适用于计算这种混合炸药爆速的方法具有很重要的意义。尤瑞泽 Urizav 认为可以利用各种组成成分的炸药爆炸速度或者是传爆速度和各组成成分的体积分数的乘积然后加和得到混合炸药的爆炸速度 20 DTDiεi ViVi εi—组分的体积分数Vi—组分的体积cm3 Vi—待计算炸药的总体积 cm3 在尤瑞泽 Urizav 的公式当中 如果炸药中存在空隙 也就是装药密度小于理论的装药密度 在计算时把空气也当成混合炸药的组成成分 但是只计算它的体积不计算它的质量。炸药当中没有空隙的时候 混合炸药完全由各组成成分组成 它的爆速加和公式可写为 DT Diεi 式中i只包括凝聚物质组分。计算密度为任意密度的混合炸药的爆速时可以看成混合炸药是有炸药物质和空气的混合 它的爆速加和公式可写为 Dς—空气的特征速度ες—空气的体积分数 DT—混合炸药理论密度时的爆速 εi—混合炸药理论密度时的体积分数 根据 14DT34DT 可见计算混合炸药的爆速 必须先计算理论密度的最大爆速 再计算装药密度条件下的爆速。为应用方便 将混合炸药爆速的计算公式归纳如下 75DTρρTMD miVi Vimiρi Vi—i组分在理论密度时占有的体积cm3 mi—i组分的质量 部分炸药或附加物的理论密度及特征爆速炸药或附加物 理论密度 cm特征爆速 炸药或附加物理论密度 cm特征爆速 656970 Kel F弹性体 855380 黑索今 818800 825390 737660 硅酮树脂 055100 909150 聚四氟乙烯 155330 778280 石蜡 905400 硝基胍 727740 蜂蜡 965460 677708 硬脂酸 875400 硝化甘油 598000 Kel 785620 硝化棉 506700 铝粉 706850 968850 747200 526200 硝酸钡 646070 聚乙烯 935550 高氯酸钾 525470 聚苯乙烯 055280 高氯酸铵 956250 硅橡胶 055720 5400聚醋酸乙烯酯 175400 空气 1500 Dautriche使用爆速已知的导爆索测定未知炸药速度的方法 21 其装置如图2 1所示。炸药被图中雷管引爆之后 与B端相连的导爆索被引爆爆轰在导爆索当中向A端传播。接下来某一个时间沿导爆索两端向着导爆索中间传播的爆轰波相遇于N点 然后在N点留下爆轰波相撞的印记。根据爆轰波在AN端传播的时间和在AB BN段传播的时间相等即 TAN TAB TBN 可以求得位置炸药的爆炸速度的计算如式2 中北大学学位论文10 LAB—药卷AB段长度mm L—图中MN之间的距离mm ABLABLMN1234 电探针法或者测时仪法。电测法是利用炸药爆炸时爆轰波波阵面的电离导电特性或者是它的压力突变特性 使爆轰波通过两个离子探针时探针的通断状态发生改变 进而计算出通过两个探针时所需要的时间 从而计算出来平均的爆炸速度。此方法具有操作简单 精度较高、测试结果可以直接显示 并且可以和计算机相连等优点 所以在生产和检测等方面得到了广泛的应用。测试仪记时测量法的基本工作原理如图2 2所示 22 中北大学学位论文11 晶体振荡器计数门计数译码显示控制器倒相整形倒相整形启动信号停止信号雷管药卷探针LAB 电测法爆速测试装置示意图上图为例 如果采用的是断通测量方式的电探针 炸药的爆轰波未传输到电探针位置时电探针处于断开状态 爆轰波沿着药卷传播到A位置的探针时 探针在爆轰波的作用下接通 爆速仪接到一个触发的电信号 同样爆轰波传播到B位置时爆速仪也接到一个触发信号 通过对触发信号的检测电子测试仪记录下来A、B两点间传播的时间t 从而计算出来AB段的平均爆速。爆轰波在A、B两点之间的传播时间可以通过2 9求得 N为计数值T为晶振周期。 爆速可以通过式 10求得 LtLN 连续示波法连续示波法测量爆速一般有两种情况 通常情况下在药柱样品中心插入两根电阻丝 另一种情况是药柱样品的外壳是金属就可以只插入一根电阻丝。当炸药开始爆炸时 由于高能的电离作用使得电阻丝的电阻发生变化 然后通过检测电阻丝电阻的变换显示出来爆炸速度 23 。原理图如图2 3所示 中北大学学位论文 12 触发信号整形电路10 数字存储示波器 此方法应用于爆炸速度迅速变化的炸药 或者用于不稳定爆轰的测试。 高速摄影法高速摄影法的原理是 当炸药爆轰时 将爆轰过程中爆轰波波震面发出的光拍射 记录下来爆轰波传播的距离时间曲线 再利用仪器测量出来曲线上个点的斜率 也就是爆轰波任一点的瞬时速度 dt也可以用分幅照相法测量爆轰波通过一段炸药的平均速度。高速摄影法又可分为分转鼓式和转镜式两种 转鼓式适合于测量低速炸药 转镜式适合于测量高速爆轰过程 24 光导纤维法光导纤维测量爆速常用两种 即有源光纤法和无源光纤法 25 半导体激光器高速的光电探测器 存储示波器 光纤这个是有源光纤法。 无源光纤法测爆炸速度由无源光纤光电探测器 光电转换等组成。无源光纤测爆速法的发展为电干扰或者是磁干扰的特殊环境测量爆炸速度提供了一个新的选择 无源光纤测爆速的这种光电法得到了炸药届专业人士的广泛关注。光电法测量导爆索爆速的方法在2002年被列入英国颁布的导爆索测试方法 26 中北大学学位论文13 埋入式压力探针法某些工业炸药爆轰区的导电性差 不易使电离探针接通 也不适合连续示波法测定。但是埋入式压力探针法就可以测定这种导电性差的爆轰区的连续爆炸速度。 压力探针为一根直径约为1mm的铝管或铜管 管中装有一根极细的电阻丝 将其沿轴向插入炸药中 炸药爆轰时 在压力作用下电阻丝与管壁接触 通过测量电阻值随时间的变化 就可以测定炸药的爆炸速度 27 。这种方法还广泛应用于不稳定爆轰及殉爆过程的研究。 各种方法对比前面章节的测试方法当中道特里什法是最古老的一种测量爆速的方法。并且测试精度也比较低 高速摄影法成本很高 可以知道瞬间的爆炸速度 但是他的系统复杂 安装使用都很不方便 对操作人员的技术水平要求较高 埋入式压力探针法和连续示波法都利用的电阻的变化而测得爆速的变化 常用来测量不稳定爆轰 操作复杂 对操作人员的技术要求比较高。测时仪法是目前最常用的测试方法 多数的测时仪基本都采用的电探针的通断式或者断通式来采集爆炸信号 但是这种电探针法在电磁干扰很强 或者是水下等特殊场合没法完成测试要求 在爆轰波的压力扰动和位移扰动的影响下电探针已发生误触发 给出错误的计时信号。综上常用测试方法本文选用的是测时仪法 但是信号的获取部分采用的光导纤维法获得信号而不是电探针法 这样避免了电磁干扰 28 光纤具有不受电磁干扰耐腐蚀 良好的光响应和弱衰减特性 29 并且光纤直接接触炸药测量爆炸速度提高了安全性能 有利于测试人员和设备安全性能 30 。基于上述优点光纤测量爆速技术应运而生 并且光纤测量技术慢慢走向成熟 31 。光纤探针测量爆炸飞片速度 炸药样品中的冲击波速度等在国外都有研究并且获得了重大的突破 32 光电探测器原理中北大学学位论文 14 光电探测器的作用主要就是实现光电变换 各种类型的探测器都是利用不同的原理将其他信号转换成电信号然后对电信号进行处理 因为电信号的处理技术最成熟、可靠性最好 各种光电效应均是由入射的光子致使物质本身的电子受激跃迁从价带移动到导带 生成光生载流子 33 。由于受激跃迁而产生的这些载流子被PN结或者肖特基势垒聚集起来 使得物质形成光电压或光电流。受激跃迁的速率取决于入射光的强度 入射光的强度在单位时间内越大产生光生载流子的数目就越多。所以测量光电压或者是光电流就可以得到光强所携带的信号 34 外光电效应光照射在光电器件上 物质本身的电子由于入射光的光子有足够大的能量而能从物质的表面逸出的现象被称为外光电效应。而这些向外发射的电子被称为光电子 35 每一个入射光子的能量为Ehv 11h—普朗克常数 62610 34J 斯托列托夫定律和爱因斯坦定律是外光电效应的两个基本定律其中斯托列托夫定律的内容是照射到光阴极的入射光频率或频谱成分不变 则单位时间内发射的电子数目与入射光强度成正比即 36 Ik SkF0 12式中Ik—光电流 Sk—光强 F0—该阴极对入射光线的灵敏度 爱因斯坦定律的内容是 被照射的物质中的电子一次只能接受一个光子的能量 若想电子能够从物质表面溢出 入射的光子必须满足携带的能量大于物质表面的逸出功 光子携带的能量大于物质表面的逸出功的部分将转换为电子的动能而存在满足能量守恒定律。从光照射物质到电子逸出的时间一般小于 10 9s。 由能量守恒定律可以得到2 13 一般容易产生外光电效应的物质是金属或者是金属氧化物。 hv 12mv02 m—电子的质量v0—电子逸出速度 该方程为爱因斯坦光电效应方程。 内光电效应内光电效应多发生于半导体物质内 物质的电阻率ρ由于光照射而发生变化 这个现

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