海军武器工程导论

化学爆炸物

任何弹头的主要目的是对目标造成伤害。造成伤害的方式可能因弹头类型的不同而不同，但在最一般的意义上，伤害是由从弹头到目标的能量转移造成的。这种能量在本质上是典型的机械性的，以冲击波或碎片动能的形式存在。在任何一种情况下，都必须释放大量的能量。对于许多弹头来说，能量是以化学炸药的形式储存的。

爆炸反应

有许多化学反应会释放能量。这些被称为放热反应。如果反应进行得很慢，所释放的能量就会耗散，除了温度升高外，几乎不会有什么明显的影响。另一方面，如果反应进行得很快，能量就不会消散。因此，大量的能量可以沉积在一个相对较小的体积中，然后通过热气体的快速膨胀表现出来，这反过来可以产生冲击波或将碎片高速向外推进。化学爆炸与其他放热反应的区别在于它们的反应极为迅速。除了猛烈的能量释放外，化学爆炸还必须提供一种将能量转化为机械功的手段。这是通过膨胀反应产生的产物气体来实现的。如果不产生气体，那么能量将以热的形式留在产品中。

大多数化学爆炸都涉及一系列有限的简单反应，所有这些反应都涉及氧化(与氧气的反应)。平衡化学爆炸方程的一个相对简单的方法是假设下列部分反应发生到最大程度(意味着其中一个反应物被完全消耗掉)，并按顺序排列:

表格
1.爆炸性反应的优先级。

例-平衡TNT燃烧:C₇H₅N_3.O₆．

没有金属，所以从优先级2开始:
6C + 60 6CO，留下1C, 5H, 3N;

没氧气了，跳过第3和第4项。

最后，气体结合起来:
3 N 3/2₂

5 H 5/2 H₂，只剩下1摄氏度没有被消耗。

总体:
C₇H₅N_3.O_{6 6co + 5/2 h2}+ 3/2 N₂+ C。

反应中释放的总能量称为热爆炸．它可以通过比较反应前后的生成热来计算DE =DE_f(反应物)-DE_f(产品)。生成物和许多常见炸药(反应物)的生成热如表2所示。爆炸热的定义是使放热反应的爆炸热为正。

表2。的生成热。

注:
1)有限公司有限公司₂和H₂O都被假定为气态。
2）DE_fN₂H₂阿,₂其他元素都是零。



例:计算TNT炸药的爆炸热量。

之前:DE_f= -54.4焦每摩尔

后:DE_f= 6(-111.8) + 5/2(0) + 3/2(0) + 1(0) = -670.8焦每摩尔

DE = (-54.4) + 670.8 - = 616.4 kJ/mol，

自De> 0，反应放热，爆炸热+616.4 kJ/mol。

在大规模的基础上，TNT发布

(1 mol/227 g) = 2175 J/g。

1公斤TNT释放2.175 × 10⁶J的能量。

由于大部分能量释放来自氧化反应，可用氧的数量是一个关键因素。如果没有足够的氧气与可用的碳和氢发生反应，炸药被认为是缺氧的。反之则被认为富氧。定量测量称为氧平衡，定义为:

OB = - (100%) MW (O) /兆瓦(炸药)[2 H / c + 2 + M - O)

地点:

C、H、M&O为平衡反应中碳、氢、金属和氧的摩尔数，MW为氧的分子量(= 16 g/mol)或炸药。



例子-找到TNT的氧气平衡。

b = -(100%)(16/227)[2(7) + 5/2 - 6] = -72%

一般来说，氧平衡应该接近于零，以获得最大的能量释放量。其他问题，如稳定性或挥发性，往往限制了化合物的氧平衡。TNT是一种较强的缺氧炸药的例子。

有些炸药是化学物质的混合物，不会发生反应复合材料．一个常见的例子是复合B-3，它是由64/36的RDX (C_3.H₆N₆O₆)和TNT。如果用同样的符号，它就是C_6.851H_8.750N_7.650O_9.300氧气平衡OB = -40.5%铵油铵油是94/6硝酸铵和燃料油的混合物，氧平衡为-0.6%。复合炸药的氧平衡通常接近于零的理想情况。以下是一些常用的混合炸药的混合物:

表3。复合炸药。

炸药的力量

爆炸热转化为机械功的决定因素是可供膨胀的产物气体的量。以TNT为例，每1mol炸药产生10mol气体。我们可以利用这一事实来预测其他化学物质的实际爆炸强度。这被称为Berthelot近似，规定一种材料的相对爆炸强度(以质量为基础与TNT相比)可根据以下两个因素计算:

热力学能的变化(DE)和

产生的气体量。如果我们把这些因素结合起来，放入我们参考的值，TNT，我们得到:

相对强度(%)= 840DnDE /兆瓦²

地点:
DN =每摩尔炸药所含气体的摩尔数
DE =爆炸热，单位为kJ/mol
MW =炸药的分子量(g/mol)

系数840的单位和值DE和Dn为TNT。

举例-计算Berthelot相对强度的RDX

黑索今:C_3.H₆N₆O_{6 3co + 3h2}O + 3 n₂

MW = 222 g/mol
DN = 9 mol

DE_f(前)= 83.82焦每摩尔

DE_f(后)= 3(-111.8)+ 3(-240.6)= -1057.2 kJ/mol

因此:
Rs = 840 (9) (83.82 + 1057.2)/222²
Rs = 175%

用这种方法计算的相对爆炸强度的用途有限。真正重要的是实际的强度，这只能通过实验来衡量。有各种各样的标准测试，其中大多数都涉及对所执行工作的直接测量。以下是RDX的一些测量示例:

弹道迫击炮试验:140%
特劳兹块试验:186%
砂压试验:136%

所有这些都与我们的贝特罗近似相比较。

类别的炸药

爆炸性物质不仅必须具有较高的能量(其特点是相对强度)，而且还必须具有强烈的反应。反应的速度对于将大量的能量积累成小体积是至关重要的。缓慢进行的反应允许释放的能量被耗散(这是考虑到冲击波与目标的相互作用)。爆炸会产生冲击波，向外抛掷碎片我们都。当能量释放较慢时，冲击波将逐渐扩展，破片速度较低。另一方面，剧烈反应的特征是非常尖锐(持续时间短，压力高)的冲击波和大的碎片速度。这种快速的反应被称为爆破力，或爆炸的粉碎潜能。它是材料的属性和限制的程度。如果爆炸一开始就受到抑制，它就能积聚起很大的压力，达到同样的效果。反应的快速性被用作炸药的分类方法。

反应非常剧烈的爆炸性物质被称为烈性炸药．它们只被用于它们的破坏力。相比之下，有些材料的反应更慢。这些被称为低的炸药．它们释放出大量的能量，但由于反应速度相对较慢，这种能量作为推进剂更有用，因为气体的膨胀是用来移动弹丸的。例如火药，它虽然能量很大，但被归类为低炸药，主要用作推进剂。禁闭确实会增加火药的威力，但有很多材料的反应比火药快得多，也剧烈得多。

爆炸反应的起始

尽管在爆炸反应中释放能量的氧化反应在能量上是可能的，但它们不是自发发生的。通常有一个小势垒必须被启动反应的能量输入所克服，然后反应会自行进行直到完成。为克服势垒而输入的能量称为起爆(或爆轰)。有时只需要机械力，就像硝化甘油那样。在其他情况下，它需要热量，比如火柴或电。炸药引爆的容易程度就在于它灵敏度．出于安全考虑，爆炸性材料分为三类:易爆炸的，称为敏感的或易爆炸的主炸药；那些需要稍微多一点能量才能引爆的，叫做中间炸药；而那些需要更多能量才能引爆的，称为不敏感或二次爆炸．这些术语指的是在一个工作中的爆炸装置中，不同的材料将如何进行物理配置。

表4。常见爆炸物及其用途。

起爆材料用于引爆整个爆炸装置。也就是说，它们通常与一些启动爆炸的外部装置相连。在这种能力下，起爆炸药被称为引信。一次材料爆炸产生的能量被用来引爆助推器，助推器又引爆由二次材料(不敏感材料)组成的主装药。这种用少量敏感材料引爆大量次级材料的组合称为爆炸串。它被称为火车，因为事件是按顺序发生的。主电荷必须由不敏感材料组成，以保证设备的安全。在实践中，熔断器很少被储存在设备中，直到需要使用。通过这种方式，该装置仍然相对安全，因为它只由次级(钝感)材料组成，不能引爆。

图1所示。高爆炸药
火车。

一旦安装了引信，整个装置在操作时需要非常小心，以防止意外爆炸。通常，该装置的配置是，爆炸列车必须通过一个小的物理端口，将保险丝连接到主电荷。这个端口可以被阻塞，直到设备被使用。例如，端口可能由两个偏心孔的旋转板组成。当板对齐时，两个孔将对齐并允许操作。这叫做武装装置。否则，孔位无法对准，设备将无法正常使用。这种带钢板的机械装置称为保险保险装置。其他配置也存在，但它们都实现了相同的功能:防止意外爆炸，并在授权时允许爆炸。