關(guān)于炸藥爆炸性能與戰(zhàn)斗部威力相關(guān)性的思考

王新穎

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

炸藥是常規(guī)武器爆炸產(chǎn)生破壞與殺傷作用的能源，是武器裝備實(shí)現(xiàn)高效毀傷的基礎(chǔ)，也是決定武器系統(tǒng)威力的關(guān)鍵因素。從公元10世紀(jì)發(fā)明的黑火藥和19世紀(jì)末沿用至今裝填彈藥的TNT炸藥，到二次大戰(zhàn)中受到各國普遍重視的RDX和HMX，再到1987年以來以CL-20為代表的高能量密度化合物，炸藥技術(shù)的所有領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步[1]。高能炸藥爆炸后，快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間釋放巨大能量，以高溫高壓的爆轟產(chǎn)物為載體，通過爆轟產(chǎn)物的膨脹轉(zhuǎn)化為毀傷元能量，由毀傷元對目標(biāo)進(jìn)行毀傷。

目前，與炸藥能量釋放有關(guān)性能參數(shù)包括：TNT當(dāng)量、爆熱、爆速、爆壓、爆容、爆溫，迄今為止，尚不能真正建立起這些炸藥性能參數(shù)和戰(zhàn)斗部毀傷元威力參數(shù)的因果聯(lián)系，其中的主要難點(diǎn)在于炸藥所攜帶能量與毀傷元能量之間的轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)認(rèn)識不清，以及這種能量轉(zhuǎn)化受環(huán)境和介質(zhì)的影響較大等因素。但是，這個問題不能有所解決，直接影響到對高能量水平或高TNT當(dāng)量炸藥應(yīng)用于戰(zhàn)斗部后的效果評定，也極大地限制了炸藥研制、合理匹配以及針對性的應(yīng)用。

1 炸藥能量轉(zhuǎn)換

從準(zhǔn)靜態(tài)膨脹[2]的角度考慮，炸藥爆炸釋放出的能量以爆轟產(chǎn)物為載體，所攜帶的能量包括高溫所對應(yīng)的內(nèi)能、高壓所對應(yīng)的位能以及高速所對應(yīng)的動能三部分，在其膨脹過程中，其組成比例在不斷變化，同時以熱輻射或熱傳導(dǎo)、產(chǎn)物驅(qū)動做功等方式部分地傳遞給與其接觸的環(huán)境和介質(zhì)，由此導(dǎo)致的環(huán)境和介質(zhì)的高強(qiáng)度、劇烈突變的力學(xué)效應(yīng)，是炸藥應(yīng)用于武器并成為毀傷能源的物理基礎(chǔ)。

炸藥爆轟在微秒級時間內(nèi)釋放巨大能量，爆轟產(chǎn)物驅(qū)動周圍介質(zhì)產(chǎn)生破壞作用。長期大量的理論和試驗(yàn)研究表明，炸藥的能量與利用是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題。炸藥的爆炸產(chǎn)物所完成的有效爆炸功，不僅與炸藥本身的爆轟參數(shù)有關(guān)，而且與炸藥爆炸時的具體條件、周圍介質(zhì)的性質(zhì)等等有關(guān)，決定于它們之間相互耦合的具體情況。以炸藥為毀傷能源的常規(guī)毀傷效應(yīng)，廣義上講是爆轟產(chǎn)物能量轉(zhuǎn)換為毀傷元能量毀傷目標(biāo)的過程；狹義上針對不同的目標(biāo)介質(zhì)，其炸藥能量釋放速率、輸出結(jié)構(gòu)等差異決定了炸藥應(yīng)用于戰(zhàn)斗部后威力特征不同，針對驅(qū)動典型目標(biāo)（金屬、空氣和水）有以下認(rèn)識。

1.1 炸藥驅(qū)動金屬能量轉(zhuǎn)換

常規(guī)戰(zhàn)斗部通常由炸藥和殼體組成，炸藥爆轟形成爆轟產(chǎn)物驅(qū)動金屬加速運(yùn)動，主要用于破片殺傷戰(zhàn)斗部和聚能戰(zhàn)斗部（射流/EFP）。驅(qū)動金屬殼體形成破片或射流，依靠其動能毀傷目標(biāo)，通常情況將其表征為初速v0，它是衡量戰(zhàn)斗部威力的主要指標(biāo)之一，也是在常規(guī)武器中炸藥驅(qū)動金屬能力的重要指標(biāo)，所以如何將炸藥爆轟時釋放出的能量最有效的轉(zhuǎn)化為金屬的動能，是武器設(shè)計(jì)者們一直關(guān)心的一個重要問題。

廣泛適用性的計(jì)算破片初速的方法為Gurney[3]等人提出的格尼公式，假定爆轟前炸藥裝藥的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為爆轟后的金屬動能和爆轟產(chǎn)物的膨脹，這種能量稱為格尼能E，雖然格尼能在某種程度上反應(yīng)了炸藥對物體的驅(qū)動能力，但從各經(jīng)驗(yàn)公式上可以看出，格尼能均單一從炸藥的爆轟參數(shù)考慮，并沒有考慮膨脹過程中爆轟產(chǎn)物膨脹規(guī)律的影響，也沒有考慮驅(qū)動的金屬對膨脹過程的影響，不同的膨脹過程對金屬做功的驅(qū)動能力是不同的。

炸藥驅(qū)動金屬能量的根本還是來自于本身的爆炸性能，其爆轟參數(shù)與戰(zhàn)斗部威力有著直接的關(guān)系。爆轟驅(qū)動過程的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換，理想炸藥瞬時定容爆轟，釋放出的化學(xué)能以爆轟產(chǎn)物為載體，通過爆轟產(chǎn)物的膨脹，不斷轉(zhuǎn)化為爆轟產(chǎn)物的能量和驅(qū)動金屬的能量，用于驅(qū)動金屬的能量只占炸藥釋放總能量的一部分，甚至是一小部分，故計(jì)算破片初速既和炸藥的性質(zhì)(爆轟參數(shù))有關(guān)，又和爆轟產(chǎn)物膨脹過程(狀態(tài)方程)有關(guān)，也與金屬殼體性質(zhì)(材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù))有關(guān)，如圖1所示。

圖1 爆轟驅(qū)動金屬模型示意圖

1.2 炸藥驅(qū)動空氣能量轉(zhuǎn)換

炸藥爆炸形成爆轟產(chǎn)物在空氣中膨脹時，壓縮空氣形成沖擊波，沖擊波能、滯后流場動能以及近場的爆轟產(chǎn)物動能均可成為毀傷能量。炸藥爆轟參數(shù)決定產(chǎn)物膨脹的初始值，產(chǎn)物狀態(tài)方程與膨脹規(guī)律決定爆炸空氣沖擊波的結(jié)構(gòu)，爆熱決定沖擊波的能流密度，從而影響到峰值超壓的衰減規(guī)律；爆轟產(chǎn)物二次反應(yīng)能量可提高初始沖擊波壓力，并增大正壓區(qū)作用時間（脈寬）和比沖量。

沖擊波是炸藥在空氣中爆炸時對周圍物體破壞的主要形式，并且在很大范圍內(nèi)對建筑物和人員都有損傷作用[4]。從爆炸安全的角度考慮，科學(xué)的確定爆炸沖擊波的毀傷準(zhǔn)則，是制定爆炸安全距離和進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算的重要依據(jù)。沖擊波對人員、建筑物等目標(biāo)的破壞作用是一個極其復(fù)雜的過程，不僅與作用在目標(biāo)上的沖擊波波陣面上的壓力、沖量、作用時間有關(guān)，而且與目標(biāo)的形狀、自身的強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。目前常見的沖擊波破壞、傷害準(zhǔn)則有超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、超壓-沖量準(zhǔn)則等[5]。目前常用的確定空中爆炸沖擊波參數(shù)的方法多為經(jīng)驗(yàn)公式或試驗(yàn)獲取，在從炸藥本身爆轟參數(shù)出發(fā)，從能量轉(zhuǎn)換角度考慮問題較少，牛余雷等[6]根據(jù)爆炸相似理論，研究了炸藥爆轟參數(shù)與空中爆炸沖擊波超壓之間的關(guān)系，給出炸藥空中爆炸沖擊波超壓與爆熱、爆容和爆速乘積TNT當(dāng)量的1/3次方滿足線性關(guān)系，表明炸藥的爆熱、爆速和爆容對空中爆炸沖擊波超壓的影響相同。這方面問題的研究關(guān)系到炸藥在空氣中爆炸的毀傷能力，基于能量守恒，探討炸藥的能量釋放和空氣沖擊波能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)問題是解決空氣沖擊波毀傷的基礎(chǔ)。

1.3 炸藥驅(qū)動水的能量轉(zhuǎn)換

爆轟產(chǎn)物在水介質(zhì)中膨脹，基本動力學(xué)過程體現(xiàn)為沖擊波輻射和氣泡脈動，沖擊波能和氣泡能便為爆炸能量轉(zhuǎn)換的基本形式，也是對目標(biāo)產(chǎn)生破壞效應(yīng)的基本能量，后續(xù)壓力波能、振蕩沖擊水流和水射流動能以及近場的爆轟產(chǎn)物動能也可成為毀傷能量[7]。美國NSWC收集了175次水中爆炸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，對于氣泡能和沖擊波能量的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了沖擊波能量和氣泡能量的估算公式，研究了水中兵器戰(zhàn)斗部殼體對水中爆炸沖擊波和氣泡的影響。

通常情況下，在水中爆炸沖擊波過后，炸藥爆轟產(chǎn)物形成的氣泡含有炸藥爆炸總能量約47%的能量，在周圍水介質(zhì)的作用下膨脹和壓縮，產(chǎn)生滯后流和脈動壓力[8]。

從炸藥本身出發(fā)，一些學(xué)者也做了一定的研究，俞統(tǒng)昌等[9]研究了水下爆炸沖擊波性能和炸藥的爆速、爆壓的關(guān)系及幾種炸藥的沖擊波超壓峰值與藥量及距離的關(guān)系，提供了幾種炸藥的水中沖擊波能的測試結(jié)果。梁龍河，張阿漫等人[10-12]應(yīng)用一維不可壓縮流體的動力學(xué)理論，考慮到爆轟產(chǎn)物的等熵膨脹，建立了水中爆炸氣泡脈動流場的基本方程，采用四階龍格-庫塔法計(jì)算了幾種類型炸藥的氣泡脈動半徑及周期，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合。水中爆炸沖擊波與炸藥爆炸性能的相關(guān)性與爆炸空氣沖擊波類似；氣泡脈動特性決定于爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程與膨脹規(guī)律，非理想炸藥和產(chǎn)物二次反應(yīng)能量釋放是發(fā)揮脈動氣泡作用的關(guān)鍵，由此產(chǎn)生的二次壓力波、水射流、振蕩沖擊水流等對毀傷目標(biāo)極具意義，提高氣泡能、控制脈動周期等方面研究具有十分重要的應(yīng)用價值。

2 結(jié)論

綜上，炸藥的爆轟參數(shù)和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程決定炸藥的爆炸性能，爆轟產(chǎn)物膨脹規(guī)律和戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)分別構(gòu)成炸藥爆炸性能與戰(zhàn)斗部威力性能的內(nèi)因和外因。炸藥需從提高絕對能量水平和調(diào)整產(chǎn)物膨脹規(guī)律（二次反應(yīng)與狀態(tài)方程）兩方面入手；戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵在于設(shè)法提高能量轉(zhuǎn)換效率以及針對目標(biāo)毀傷和使用環(huán)境的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)炸藥與目標(biāo)的最優(yōu)化選擇。

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