1.2 炸药燃烧与爆轰国内外研究现状
1.3 本文的主要研究内容及工作
国内外对炸药烧转爆轰的研究已经有很长的一段历史,这方面的研究在理论上和实际上都有很大的意义,对炸药使用的安全性,特别是在雷管的设计和火药的燃烧问题上,显得特别重要。对于已经提出的燃烧模型及燃烧理仍然需要完善,而且炸药燃速与压力之间的关系的研究相对较少。在DDT数值模拟方面,一维模拟与二维定常与非定常流动计算已经相对有实用价值,但三维的数值模拟仍然需要进一步的研究。因此,开展相关工作也就十分必要,本文研究的主要工作就是针对8701炸药(黑索今、二硝基甲苯、聚醋酸乙烯酯、硬脂酸)建立端面燃烧模型,从理论上计算燃速与外界压力之间的关系,并加以实验验证。研究8701炸药的燃烧机理与规律,得出其稳定燃烧与稳定爆轰的界限,为炸药的安全使用作出依据。
2 炸药燃烧基本理论
2.1 引言
依据用途的不同,炸药可分为起爆药、猛炸药、烟火药、火药(推进剂)四种。常见的起爆药:叠氮化铅、叠氮化铜、雷汞、二硝基重氮酚、特屈拉辛等。猛炸药可以是化合物也可以是混合物,化合物的代表有:TNT、特屈儿(TE)、RDX、HMX等;混合物的代表有:TNT-RDX混合炸药。推进剂则可分为单基推进剂、双基推进剂及复合推进剂。
这几类炸药燃烧的稳定性有很大的差别。其中,起爆药最不稳定,其燃烧容易转变为爆轰。火药燃烧的稳定性最好,在几十兆帕的火箭发动机甚至上百兆帕的火炮中仍然可以稳定燃烧。炸药的稳定性介于前面两者之间,即根据所处环境不同,有爆燃、燃烧转爆轰、爆轰三种状态。
因为固体爆炸物的品种非常繁多,状态各异,其物理化学性能及力学性能也有一定的差别,故要研究它们的燃烧是难以用统一的数学物理模型来描述的,必须对不同性质的物质建立不同的燃烧模型。
对凝聚相炸药而言,由于其挥发性不一样,其燃烧的历程也不一样。主要表现为进行化学反应的相态不同。目前认为,挥发性爆炸物燃烧时的化学反应是在气相中进行的;难挥发性爆炸物则既有气相反应又有固相反应。
2.2 挥发性炸药的燃烧理论
1938年前苏联科学家别梁也夫提出了挥发性炸药的燃烧理论,他将炸药在气相中燃烧作为凝聚炸药燃烧理论的前提。别梁也夫的根据是:在点燃或已经燃烧时,传给炸药表面的能量,不仅用于活化分子使其反应,而且还用于使其蒸发。蒸发速度大于反应速度,因此是凝聚相蒸发为蒸气后再进行燃烧的化学反应。
炸药在燃烧时,表面的一层得到热量Q。在热作用下,这一层炸药的温度升高至T。由于温度的升高,一方面发生速度等于 (设为一分子反应)的反应,其中 为加热层的质量;另一方面蒸发的速度可用 表示,其中 指在一定条件下具有蒸发能力的物质质量, 为每秒内分子扰动的次数, 为蒸发热。现在将包括在公式中的各因素进行比较。
1. 首先比较 和
如果当炸药的蒸气压力大于外部压力时,则整个物质将发生蒸发;
如果在温度T时,炸药蒸气压力小于外部压力时,则炸药仅可以表面蒸发,而不能从全部加热层蒸发,此时 。
炸药燃烧时,热量仅传于表面,而表面层因蒸发关系,热量不会大量深入物质内部,因而 与 不应相差太大。一级反应时,A值的物理意义与v(每秒内分子扰动的次数)一样,约等于 。
2.