固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE水中爆炸性能研究

萬文乾，孫百連，史俊超，唐平江

（總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫，214035）

FAE是一種新的爆炸能源，在近幾十年得到了迅速發(fā)展，目前已發(fā)展到第三代FAE。與兩次起爆型FAE相比，一次起爆型FAE的根本變革是將二次起爆系統(tǒng)改為一次起爆系統(tǒng)，在燃料被迅速拋撒形成云霧的同時(shí)誘發(fā)云霧的爆轟，這樣可大大簡化武器的結(jié)構(gòu)，降低成本，提高起爆的可靠性和武器的效能[1-3]。

對于一次起爆型 FAE，研究較多的是以環(huán)氧丙烷、乙醚硝酸異丙酯等典型液態(tài)組分的液態(tài)FAE，近幾年來以鋁粉、鎂粉或鋁鎂合金粉等固態(tài)組分的固態(tài)FAE發(fā)展較快。固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE具有適用范圍廣、易壓成型、穩(wěn)定、威力高等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到研究人員的關(guān)注［4-11］。

固態(tài)一次起爆 FAE的爆炸性能研究主要集中在空氣中，由于固態(tài)一次起爆 FAE中鋁粉含量較多，水中爆炸時(shí)可以增加 FAE的正壓作用時(shí)間和沖量，更有利于對水中目標(biāo)的破壞。本文利用試驗(yàn)研究了固態(tài)一次起爆 FAE水中沖擊波的傳播規(guī)律以及對圓柱鋼殼的破壞情況，并與其它水中炸藥進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)對象和條件

1.1 試驗(yàn)對象

1.1.1 試驗(yàn)用戰(zhàn)斗部

試驗(yàn)用的裝藥均采用圓柱體結(jié)構(gòu)，口徑60mm。殼體采用1mm厚的灰塑料，頂部用厚3mm的鋼板通過螺紋固定，并用密封膠密封做防水處理。鋼板中間安裝雷管和傳爆藥。

圖1 試驗(yàn)用戰(zhàn)斗部示意圖Fig.1 Schematic of tested warhead

1.1.2 炸藥

本次試驗(yàn)共采用200g共4個(gè)種類的炸藥，分別為鈍化黑索今（RDX）、鈍黑鋁（DHL）、海薩爾（HSL）和燃料空氣炸藥（FAE）。鈍黑鋁（DHL）為w鈍化黑索今∶w鋁粉=80∶20；海薩爾（HSL）為w鈍化黑索今∶w鋁粉∶w鎢＝76∶20∶4；固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE：w鈍化黑索今∶w鋁粉∶w氯丁橡膠＝65∶30∶5。

1.1.3 薄壁圓筒

試驗(yàn)用薄壁圓柱殼材料采用45號鋼，具體尺寸為：外徑230mm，高750mm，壁厚2.5mm。薄壁圓柱殼為密封結(jié)構(gòu)，兩端面均用相同材料、相同壁厚的鋼板焊接封閉并做防水處理。

圖2 試驗(yàn)用薄壁圓柱筒Fig.2 Thin shell cylinder used in test

1.2 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)在水中進(jìn)行，需滿足：（1）水質(zhì)良好、清澈，水面無漂浮物和懸浮物；（2）試驗(yàn)場地水深大于 3m；（3）場地范圍不小于 200m2，以克服邊界效應(yīng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水中沖擊波傳播規(guī)律

2.1.1 水中沖擊波壓力曲線

圖3為測量到的4種炸藥的水中沖擊波壓力曲線，測點(diǎn)距爆心1.5m。從圖3中可以看出，鈍化黑索今的超壓峰值最高，F(xiàn)AE超壓最低；除鈍化黑索今外，其它3種炸藥均測量到氣泡脈動產(chǎn)生的二次壓力波。

圖4為放大的氣泡脈動產(chǎn)生的壓力曲線。圖4中可以看出，海薩爾和鈍黑鋁兩種炸藥的氣泡脈動的壓力相差不大。FAE氣泡脈動的壓力峰值最高，達(dá)到3.08MPa。

圖3 測量的典型的水中沖擊波壓力曲線Fig.3 Overpressure curve of blast wave in water

圖4 氣泡脈動的壓力曲線Fig.4 Pressure curve formed by bubble

2.1.2 水中沖擊波超壓峰值

4種炸藥淺水爆炸沖擊波壓力峰值隨距離的變化情況如圖5所示。

圖5 不同炸藥種類沖擊波超壓隨距離的變化Fig.5 Overpressure of blast wave vs distance curve for different kinds of explosive

從圖5可以看出，除FAE外，其它3種炸藥的壓力峰值相差不大，約10%左右。表明RDX基炸藥中摻入鋁粉含量低于20%時(shí)，對炸藥在水中爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值的影響并不大。FAE炸藥由于含鋁粉較多（30%），對水中沖擊波的壓力峰值有一定影響，壓力峰值下降20%左右。

2.1.3 水中沖擊波正壓作用時(shí)間

4種炸藥淺水爆炸沖擊波正壓作用時(shí)間隨距離的變化情況見圖6。從圖6中可以看出，炸藥中摻入鋁粉后明顯增加爆炸沖擊波的正壓作用時(shí)間。鋁粉含量越大，正壓時(shí)間越長。海薩爾炸藥雖然含鋁粉，但由于鎢的燃燒需要大量的熱能來激發(fā)，因此正壓作用時(shí)間反而較小。

2.1.4 水中沖擊波沖量

4種炸藥淺水爆炸沖擊波比沖量隨距離的變化情況見圖7。圖7中，距離1m處比沖量最大的是FAE炸藥。雖然此處壓力峰值最小，但正壓作用時(shí)間長，比沖量最大。隨著距離的增加，F(xiàn)AE由于沖擊波壓力峰值較小，比沖量下降較快。海薩爾炸藥中鎢的燃燒熱較大，比沖量下降較鈍黑鋁慢。鈍化黑索今比沖量最小

圖7 不同炸藥種類比沖量隨距離的變化Fig.7 Impulse vs distance curve for different kinds of explosive

2.2 對薄壁圓柱殼體的破壞

圖8為殼體距裝藥中心0.5m時(shí)的破壞情況。從圖8中可以看出，200g炸藥在0.5m的范圍內(nèi)對薄壁圓筒的破壞是比較嚴(yán)重的。破壞最嚴(yán)重的為FAE，其次是鈍黑鋁炸藥，海薩爾相對破壞最輕。

圖8 殼體距裝藥中心0.5m時(shí)的破壞情況Fig.8 Damage of cylinder apart from explosive for 0.5m

圖9為殼體距裝藥中心1m時(shí)的破壞情況。從圖中可以看出，距離裝藥中心1m時(shí)，200g的鈍黑鋁和鈍化黑索今裝藥只能對殼體造成輕微的破壞，僅距離炸藥最近的殼體中心位置向內(nèi)凹陷，而燃料空氣炸藥對圓柱殼體的破壞最嚴(yán)重，其次為鈍黑鋁炸藥，鈍化黑索今破壞程度最輕。

圖9 殼體距裝藥中心1m時(shí)的破壞情況Fig.9 Damage of cylinder apart from explosive for 1m

3 結(jié)論

通過對固態(tài)一次起爆 FAE水中爆炸沖擊波的測試和對薄壁圓柱殼體的破壞，并與其它常用炸藥進(jìn)行了對比，得出：

（1）固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE水中爆炸時(shí)，峰值超壓較鈍化黑索今下降約20%。但由于其鋁粉含量較高，增加了水中沖擊波的正壓作用時(shí)間和比沖量。20倍裝藥口徑范圍內(nèi)，F(xiàn)AE的比沖量最大。

（2）固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE水中爆炸時(shí)，氣泡收縮產(chǎn)生的二次壓力峰值為3MPa左右，比沖量5.5×102（N·s）/m2。二次壓力峰值和比沖量大約為爆炸沖擊波的10%左右，高于其它常用炸藥。

（3）薄壁圓柱殼體距炸藥中心0.5m和1m時(shí)，固態(tài)一次起爆F(xiàn)AE對它的破壞都是最嚴(yán)重的。

[1]Smirnov N N, Nikitin V F. Ignition and combustion of turbulized dust air mixtures[J].Combustion and Flame,2000,123(1): 46-47.

[2]陳瑛,劉家驄,解立峰,等.液固復(fù)合云爆藥劑爆炸特性的試驗(yàn)研究[J].含能材料,2004,12(3):1-4.

[3]Kuhl A L , Forbes J , Chandler J , et al . Confined combustion of TNT explosion products in air [C]//The 8th International Colloquium on Dust Explosions. Schaumburg Illinois: Defense Special Weapons Agency ,1998.

[4]劉家驄.液體燃料的爆炸拋散和FAE云霧特性研究[J].爆炸現(xiàn)沖擊,1997(增刊):1-6.

[5]許學(xué)忠,裴明敬,王宇輝,等.一次起爆 FAE的燃料擴(kuò)散特征[J].火炸藥學(xué)報(bào),2000,23(1):47-49.

[6]王德潤,沈兆武,周凱元,等.固液相 FAE 一次引爆實(shí)驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊,2004,24(5):391-395.

[7]張奇,白春華,劉慶明,等.一次引爆燃料空氣炸藥及其爆炸效應(yīng)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2000,15(4): 448-453.

[8]徐勝利.無約束可燃?xì)庠票▓龅臄?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].南京:南京理工大學(xué),1994.

[9]洪滔,秦承森.氣體-燃料液滴兩相系統(tǒng)爆轟的數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊,1999,19(4):335-342.

[10]趙玉坤,白春華,孫曉明,等.一次起爆F(xiàn)AE裝置爆轟過程研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),1998,21(3):36-39.

[11]劉庚冉,曹保榆,周凱元,等.一次起爆固態(tài)FAE爆炸沖擊波傳播規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào),2007 (17):14-15.