金属化炸药爆轰驱动理论及其应用研究

Abstract：Due to the addition of reactive metal powder to condensed explosive, the properties of the detonation are not ideal and the classical detonation theory for ideal detonation is not applicable to the analysis of non-ideal detonation. The detonation of metal explosive is more complex than which of ideal explosive, because of reaction of metal powder with detonation products. At present, the detonation performance of metal explosive is mainly studied by experiments. The research of metal explosive consists of four parts: entropy analysis of detonation products, the kinetics response of aluminum powder under shock wave pressure, aluminum particle ignition and combustion in detonation products and non-constant entropy expansion of detonation products. Based on the entropy analysis of detonation products of the metal explosive, the model of the entropy flow and entropy production of the detonation products will be established. Study on the kinetics response of aluminum powder under wave pressure, the kinetics model of the impact of aluminum particles will be established and the physical and temperature changes of aluminum particles are analyzed by numerical simulation. The ignition and combustion mechanism of aluminum particles in detonation products are explored. The ignition and combustion model of aluminum particles will be initially established and the reaction rate equation for the combustion of aluminum powder will be obtained. The non-constant entropy expansion of detonation is analyzed, the model of non-constant entropy expansion of detonation will be established and the model will be validated by driving plate test and cylinder test.

摘要:对于含铝炸药爆轰驱动过程的认识仍然停留在采用等熵膨胀理论方法来描述，本项目，针对含铝炸药爆轰膨胀驱动过程，采用非等熵热力学理论和非线性特征线方法的研究还处于空白的状态。.通过对非等熵膨胀驱动过程的热力学分析、金属成份化学反应的贡献与流场压力和速度的耦合模型、含二次能量释放过程的爆轰产物状态方程等方面的研究；突破有爆轰产物气体和燃烧产生气体影响的铝粉实时燃烧-加热的热力学模型、考虑膨胀驱动过程参数实时交互影响的热力学模型和理论；建立以微过程等熵-整体过程非等熵描述的理论和非线性特征线分析方法；得到与含铝炸药爆轰驱动试验曲线相匹配的理论分析曲线，得到含铝炸药非等熵膨胀驱动过程的研究理论和新概念分析方法。

本文将针对含铝炸药的非理想特性，对其爆轰产物的膨胀做功进行理论研究，分析铝粉反应引起的热力学熵变，提出含铝炸药爆轰产物膨胀的局部等熵假设，建立含铝炸药爆轰产物的非等熵流动模型，为研究含铝炸药爆轰产物的非等熵流动和膨胀做功提供理论依据。首先，对含铝炸药爆轰产物的流动过程进行了热力学分析，发现铝粉在爆轰产物中的二次反应将引起产物的熵变，且这部分熵变是不可忽略的，为理论研究含铝炸药爆轰产物非等熵流动提供了思路和方法。.其次，对爆轰波作用下铝粉的动力学响应进行了详细的研究。采用数值计算方法研究了不同位置、不同直径的铝粒子在受到不同炸药爆轰波作用下的动力学响应。同时，分析了不同粒径铝粒子的变形情况，其变形量可以忽略。提出了含铝炸药爆轰产物的局部等熵假设。在局部等熵假设的基础上，建立了含铝炸药爆轰产物的非等熵流动模型，并应用特征线方法分析了含铝炸药爆轰产物的流动规律，理论计算了含铝炸药驱动的金属板的速度。.设计了铝粉粒径为20μm的含铝炸药和含LiF炸药驱动和1mm金属板实验，通过激光速度干涉仪（PDV）测试金属板运动的速度历程。通过实验结果间接计算了铝粉在爆轰产物中的反应度，结合含铝炸药爆轰产物的非等熵流动模型，理论计算了不同炸药驱动金属板的速度历程。实验结果与非等熵理论计算结果进行对比，验证了含铝炸药爆轰产物非等熵流动模型的正确性并且描述了铝粉二次反应对炸药做功能力的贡献。本文针对不同铝粉含量的含铝以及含LiF炸药进行标准Φ25µm的圆筒实验，实验通过PDV测量不同炸炸驱动的圆筒壁膨胀的速度历程，此实验用来衡量炸药的驱动做功性能，并且对爆轰产物状态方程进行标定，得到了铝粉的点火延滞时间以及铝粉在爆轰环境下的反应度曲线。此项目的研究对研究含铝炸药在爆轰产物膨胀过程提供了理论依据。