不同氣體環(huán)境中溫壓炸藥爆炸特性的試驗研究

李芝絨，王勝強，殷俊蘭

（西安近代化學研究所，陜西 西安710065）

引 言

溫壓炸藥是由高能炸藥、金屬或非金屬超細燃料粉、黏結劑、塑性劑按一定比例混合制成［1］，也是一種負氧平衡炸藥，爆轟過程不向金屬或非金屬燃料粉提供充分的氧氣，燃料微粒與周圍空氣中的氧氣混合，產生氧化還原反應，釋放出大量的熱量。相對于高能炸藥，溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓峰值不具有明顯的優(yōu)勢，然而后燃燒過程產生的持續(xù)高溫和壓力效應，對密閉／半密閉空間的軟目標和有生力量產生大的毀傷作用，因此，溫壓炸藥爆轟和后燃燒過程能量釋放規(guī)律，成為溫壓炸藥配方研究和裝藥工藝研究的重要內容。

研究溫壓炸藥能量釋放規(guī)律的試驗方法有密閉／半密閉環(huán)境試驗方法和自由場環(huán)境試驗方法［3］。密閉／半密閉環(huán)境試驗主要模擬地堡、洞穴、船艙等爆炸工況，觀察炸藥爆炸后壓力、燃燒演化和產物擴散流動情況。陳昊等［6］在幾個聯(lián)通的密閉空間研究了溫壓炸藥沖擊波超壓傳播規(guī)律；胡宏偉［7］等在爆炸塔中研究PBX 炸藥的沖擊波特性。自由場環(huán)境試驗主要研究溫壓炸藥爆炸沖擊波傳播特性和爆炸火球擴散演化特性。相對于密閉／半密閉環(huán)境試驗，自由場環(huán)境試驗方法是次要的實驗方法。

本研究采用密閉爆炸罐裝置，在大氣和充氮氣環(huán)境中測量了溫壓炸藥和TNT 爆炸的壓力曲線和熱電偶響應溫度曲線，研究溫壓炸藥在不同氣體環(huán)境中爆轟和后燃燒特性。

1 實 驗

1.1 樣品制備及實驗裝置

溫壓炸藥由西安近代化學研究所研制，配方（質量分數）為：HMX 64.4%、Al 30%、其他5.6%，密度為1.84g／cm3。TNT（湖北東方化工廠）的密度為1.62g／cm3。將TNT和溫壓炸藥制成1kg的球形，用20gTHL藥柱起爆。球形藥柱由兩個半圓球形藥柱對扣形成，半圓球形藥柱由半圓球形模具壓制而成。在半圓球形藥柱的中心有放置起爆藥柱的凹槽。

實驗爆炸罐內徑Φ2.6m，體積26m3，罐體中部壁面上設有4 個傳感器測試點，實驗環(huán)境為空氣和氮氣環(huán)境?？諝猸h(huán)境實驗模擬炸藥在大氣環(huán)境下的爆炸工況，充氮環(huán)境實驗模擬炸藥在絕氧環(huán)境下的爆炸工況。充氮試驗前，先由真空泵對罐體抽真空，當真空度達到要求時開始充氮氣。當罐體內壓力等于環(huán)境大氣壓力時停止充氮。

試驗時，細棉線穿過爆炸罐頂部的固定環(huán)，將炸藥懸掛到罐體的幾何中心。試驗測點布置如圖1所示。

圖1 試驗測點布置Fig.1 Arrangement of the experimental measuring points

1.2 爆炸效應的測量

為了準確測量爆炸罐內壓力-時間信號，本實驗采取分段測量，第一階段急劇變化的沖擊波超壓信號用PCB公司的ICP 型高頻響應壓力傳感器測量，量程為6.9MPa。第二階段緩慢變化的低壓信號用昆山傳感器廠的CYG508 壓阻型壓力傳感器測量，量程為1MPa。

瞬態(tài)響應熱電偶傳感器［4］測量溫壓炸藥后燃燒過程釋放的熱量，熱電偶偶絲材料為WRe5／26，偶絲直徑為0.2mm，熱響應時間小于2ms。

2 結果與討論

2.1 密閉空間溫壓炸藥的壓力變化規(guī)律

圖1是溫壓炸藥和TNT 在空氣和氮氣環(huán)境中的沖擊波超壓及準靜態(tài)壓力測量曲線。為便于觀察，分別將TNT 的沖擊波超壓曲線和罐體內的準靜態(tài)壓力曲線沿時間軸正方向向右移動一段時間。

圖2 溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中的壓力曲線Fig.2 Overpressure curves of thermobaric explosive and TNT under different gas environments

由圖2可知，溫壓炸藥起爆后在爆炸罐內的壓力-時間歷程可分為兩個階段：沖擊波壓力在21μs內上升到壓力峰值并快速衰減，沖擊波超壓峰值高，正壓持續(xù)時間短；沖擊波在罐體壁面間來回多次反射，罐體內壓力緩慢升高，在100ms內達到穩(wěn)定并保持準靜態(tài)壓力不變。準靜態(tài)壓力持續(xù)時間長，壓力峰值低，約為沖擊波超壓峰值的三十分之一。

2.2 氧氣對溫壓炸藥爆轟反應的影響

溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中爆炸沖擊超壓峰值、沖量、準靜態(tài)壓力測量結果見表1。

表1 兩種炸藥的p、I和p1 值Table 1 The values of p、Iand p1for two explosives

從表1可以看出，空氣環(huán)境溫壓炸藥的沖擊波超壓峰值比氮氣環(huán)境增加20%，說明氧氣參與了溫壓炸藥的爆轟反應，提高了溫壓炸藥的爆轟能量。分析認為，在炸藥爆轟反應產生的瞬態(tài)超高壓和熱的作用下，鋁粉中超細粉末的活性增加［5］，與氧氣產生了燃燒反應，釋放的熱量使爆轟波的能量增加，沖擊波超壓峰值增大。

由圖2（a）可知，空氣環(huán)境溫壓炸藥的沖擊波超壓曲線比氮氣環(huán)境衰減緩慢，正壓持續(xù)時間長，沖量大。說明在沖擊波擴展過程中，沖擊波波陣面后的鋁粉與氧氣生二次燃燒反應［2］，釋放的熱量使爆轟產物的溫度升高，使沖擊波壓力維持較長的時間不衰減，從而延長了正壓持續(xù)時間，增大了沖量。

2.3 氧氣對溫壓炸藥后燃燒效應的影響

表2是溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中爆炸熱響應溫度和升溫時間測量結果。

表2 兩種炸藥爆炸熱響應溫度測試結果Table 2 Test results of the response peak temperature of two explosive

從表2和圖2（b）可知，溫壓炸藥在空氣環(huán)境的熱響應溫度峰值是氮氣環(huán)境的4.9倍，準靜態(tài)壓力是氮氣環(huán)境的1.8倍，升溫速率比氮氣環(huán)境快，說明氧氣與鋁粉產生急劇的燃燒反應，釋放大量的熱量，使罐體內的溫度升高、壓力增大。炸藥爆轟反應后，沖擊波在罐體壁面之間來回多次反射，促進了鋁粉與空氣的混合。鋁粉與氧氣產生燃燒反應，釋放大量的燃燒熱。按照理想氣體的絕熱方程，燃燒熱使爆轟產物氣體的溫度升高，壓力增大。隨著燃燒反應釋放的能量增多，罐體內溫度、壓力緩慢升高。當燃燒反應完成后，罐體內的溫度、壓力達到了最大值并保持穩(wěn)定不變。實驗結果表明，在26m3的爆炸罐內，1kg溫壓炸藥在100ms時間內，燃燒反應基本完成。

2.4 TNT 溫壓效應分析

TNT 是一種典型的負氧平衡炸藥，氧平衡值為-0.74g／g，氧的不足使爆炸產物中存在還沒有釋放的潛在化學能。從表1和表2可以看出，空氣環(huán)境TNT 的沖擊波超壓峰值比氮氣環(huán)境大，準靜態(tài)壓力、熱響應溫度峰值也比氮氣環(huán)境高，說明TNT的爆轟產物與介質中的氧氣發(fā)生了劇烈的氧化反應，釋放了大量的燃燒熱。與溫壓炸藥在空氣環(huán)境的爆炸參量相比，同樣產生了沖擊波壓力效應和熱效應，只是由于TNT 后燃燒反應釋放的熱量比溫壓炸藥少，形成的準靜態(tài)壓力和熱響應溫度低，溫壓效應相對弱。因此，可以認為TNT 是一種溫壓效應不顯著的溫壓炸藥。

3 結 論

（1）溫壓炸藥在爆轟過程中，氧氣與超細鋁粉產生氧化反應，使空氣環(huán)境中的沖擊波超壓峰值、沖量比氮氣環(huán)境略高；在后燃燒階段，氧氣與鋁粉產生燃燒反應，釋放大量的燃燒熱，使爆炸罐內準靜態(tài)壓力和熱響應溫度峰值比氮氣環(huán)境顯著增大。

（2）TNT 的爆轟產物與氧氣產生劇烈的后燃燒反應，釋放大量的燃燒熱，產生溫壓效應。認為TNT 是一種溫壓效應不顯著的溫壓炸藥。

［1］王志軍，尹建平.彈藥學［M］.北京：北 京理工大學，2005.

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