某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸威力特性對比研究

蔣澤朋，王伯良，李　席，黃兆亮，葛大慶，林秋漢，詹高澍

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某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸威力特性對比研究

蔣澤朋1，王伯良1，李席1，黃兆亮1，葛大慶1，林秋漢1，詹高澍2

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2.福建兵工裝備有限公司，福建 三明，366000）

為比較某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸威力特性，通過野外靜爆試驗(yàn)，對兩種藥劑公斤級(jí)爆炸沖擊波參數(shù)和溫度參數(shù)進(jìn)行了測試，并觀測兩種藥劑公斤級(jí)爆炸火球的發(fā)展過程。試驗(yàn)結(jié)果表明：在相同裝藥質(zhì)量情況下，某固體溫壓藥劑沖擊波峰值超壓、正壓區(qū)沖量均比“什米爾”藥劑的高，正壓作用時(shí)間略有下降，其爆炸火球溫度超過2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時(shí)間比“什米爾” 分別提高了了2.368倍、1.548倍、3.248倍，且平均最大火球直徑提高48.32%，平均最大火球高度提高49.50%。說明某固體溫壓藥劑爆炸威力超過“什米爾”藥劑。

爆炸力學(xué)；固體溫壓藥劑；“什米爾”藥劑；野外靜爆；爆炸威力

一次引爆燃料空氣炸藥（即Single-event FAE，簡稱SEFAE）能簡化武器系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、作用可靠性高、受牽連速度和大氣參數(shù)等影響較小、成本低廉、改善武器性能等特點(diǎn)，已成為目前研究的熱點(diǎn)［1-2］。該類藥劑的典型代表為俄羅斯的“什米爾”藥劑，其組分為鎂粉和硝酸異丙酯。由于硝酸異丙酯屬于液態(tài)可燃物，它揮發(fā)性大、滲透性強(qiáng)，因而對彈體的密封性要求極高。目前由于工藝技術(shù)等問題，殼體無法做到絕對密封，滲漏等問題嚴(yán)重影響彈藥的長貯性、安全性和能量的輸出。固體溫壓藥劑是在SEFAE的基礎(chǔ)上研制出來的，它具有能量高、分布爆炸等傳統(tǒng)高能凝聚相藥劑所不具備的特點(diǎn)，并且具有體積爆炸特征，能形成溫度較高、范圍較大、持續(xù)時(shí)間較長的爆炸火球；而且其后燃燒過程所釋放的能量對爆炸沖擊波有很大的加強(qiáng)作用［3］。對于固體溫壓藥劑的爆炸壓力場和溫度場特征，國內(nèi)的試驗(yàn)研究均表明其能量輸出較TNT有大幅度提高［4］，而關(guān)于“什米爾”藥劑與固體溫壓藥劑爆炸壓力場和溫度場對比分析情況，國內(nèi)尚未見報(bào)道。

本文采用壓力測試系統(tǒng)和光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)對某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸壓力場和溫度場特征進(jìn)行了比較分析，采用高速攝像技術(shù)觀測爆炸火球的發(fā)展過程，為固體溫壓藥劑配方優(yōu)化和戰(zhàn)斗部威力設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

1　試 驗(yàn)

1.1樣品

爆炸威力特性對比試驗(yàn)的樣品為兩類藥劑中的典型產(chǎn)品。某固體溫壓藥劑組分為一定比例的 Al /RDX/添加劑，試驗(yàn)裝藥密度為1.90g/cm3，裝藥質(zhì)量為2.1kg。在裝藥質(zhì)量相同的情況下，“什米爾”藥劑裝藥密度為 1.06g/cm3。兩種藥劑的試驗(yàn)測試條件等均相同，二者均進(jìn)行4發(fā)試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)儀器

PCB 113B型壁面壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為TraNET FE208S；高速攝像機(jī)型號(hào)為Phantom V12，最大分辨率為1 280×800像素，最大拍攝速率1 000 000幀/s；南京理工大學(xué)自主研發(fā)的光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)。

1.3試驗(yàn)條件及場地布置

為避免試驗(yàn)過程中因沖擊波繞射和爆炸火球受障礙物的阻擋而造成的測量誤差，選擇中等硬度和視野開闊的平坦地面作為靜爆場地，在爆炸沖擊波和爆炸火球瞬態(tài)溫度測量范圍內(nèi)沒有建筑物、樹木等障礙物的阻擋。試驗(yàn)方案如圖1所示。

（1） 距爆源在地面投影3m、5m、7m、9m的圓周上，每隔90°各布置4個(gè)傳感器，所有測點(diǎn)均位于離開爆炸源的同一徑線上，試驗(yàn)前進(jìn)行儀器調(diào)試，確保測試系統(tǒng)工作正常；（2） 將試驗(yàn)戰(zhàn)斗部放置于木質(zhì)彈架上，戰(zhàn)斗部頭部朝下并垂直于地面，戰(zhàn)斗部質(zhì)心距地面1.0m，采用8號(hào)軍用電雷管引爆；（3）光纖多譜線光譜測溫儀的光纖探頭放置于距離爆心 5.0米、距離地面1.1m處，并做好光纖防護(hù)工作；（4）高速攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)試驗(yàn)戰(zhàn)斗部，安放在距爆源安全距離內(nèi)。

圖1　試驗(yàn)方案示意圖Fig.1　Schematic of test scheme

2　結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

進(jìn)行爆炸空氣沖擊波壓力測試時(shí)，受傳感器和測試線路等的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能存在一定的偏差，為了更準(zhǔn)確對比兩種裝藥爆炸威力情況，最簡單有效的辦法是分析測試得到的沖擊波壓力時(shí)程曲線，對波形與典型爆炸空氣沖擊波［5］一致性較好的數(shù)據(jù)予以保留并分析求解。

2.2試驗(yàn)結(jié)果對比

藥劑爆炸時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波是評價(jià)藥劑爆炸威力的重要指標(biāo)之一，表征其特征的參數(shù)主要有3個(gè)：沖擊波峰值超壓Δp、正壓區(qū)沖量i＋和正壓作用時(shí)間t＋。空氣中爆炸沖擊波對目標(biāo)作用時(shí)，對目標(biāo)的破壞主要取決于峰值超壓Δp和正壓區(qū)沖量i＋［6］。因此，在比較兩藥劑爆炸威力時(shí)，應(yīng)主要比較峰值超壓Δp和正壓區(qū)沖量i＋，將正壓作用時(shí)間t＋作為輔助比較對象。各參數(shù)的測試結(jié)果見表1（結(jié)果為各測點(diǎn)有效數(shù)據(jù)的平均值）。

表1　某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑的沖擊波參數(shù)對比Tab.1　Comparison of shockwave parameters for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

固體溫壓藥劑的爆炸過程由3個(gè)階段組成。第1階段：最初無氧爆炸反應(yīng)，主要是炸藥內(nèi)分子化合物形成氧化還原反應(yīng)，不需要從周圍空氣中吸取氧氣，此階段僅釋放一部分能量，并產(chǎn)生大量富含能量產(chǎn)物；第2階段：爆炸后無氧燃燒反應(yīng)，主要是爆轟產(chǎn)物CO2、CO和H2O在高溫高壓條件下與可燃劑（一般為高能鋁粉）的二次反應(yīng)，該階段尚無外來空氣參與反應(yīng)；第3階段：爆炸后有氧燃燒反應(yīng)，需要從周圍空氣中吸取氧氣，主要是爆炸后藥劑中的可燃物質(zhì)或碎片，如Al、H、CO、C等與空氣中氧氣混合快速燃燒反應(yīng)，此階段釋放大量能量，延長了高壓沖擊波的持續(xù)時(shí)間。這3個(gè)階段確定了固體溫壓藥劑的基本性能：前面的無氧爆炸和二次反應(yīng)使其具有高壓性能和一定的猛炸作用；爆炸后的有氧燃燒反應(yīng)確定了高熱性能，并對空氣沖擊波又有進(jìn)一步加強(qiáng)作用。

從表1可以看出：距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m處，某固體溫壓藥劑的沖擊波峰值超壓比“什米爾”藥劑分別提高了 47.32%、41.53%、19.48%和17.18%，正壓區(qū)沖量分別提高了 26.20%、25.31%、17.66%和 17.19%，正壓作用時(shí)間略有下降。以上數(shù)據(jù)表明，相同裝藥質(zhì)量時(shí)，某固體溫壓藥劑空中爆炸沖擊波參數(shù)遠(yuǎn)高于“什米爾”藥劑。

2.3爆炸火球尺寸和溫度

采用光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)測試爆炸火球瞬態(tài)溫度，表2為從測試曲線上的對應(yīng)點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)判讀的實(shí)際溫度值。采用高速攝像機(jī)（試驗(yàn)時(shí)采用的拍攝速率為3 000幀/s）記錄爆炸火球的發(fā)展過程；從高速攝像照片判讀出爆炸后15ms時(shí)火球體積最大，最大火球直徑和最大火球高度如表3所示，爆炸火球的典型照片如圖2所示。某固體溫壓藥劑被雷管引爆后，爆轟并形成灼熱且富含能量的顆粒（既包含爆轟中間產(chǎn)物，也包含某些尚未反應(yīng)的固體溫壓藥劑組分），高溫顆粒從正在破裂的戰(zhàn)斗部殼體裂縫以“射流”的形式高速噴出，與空氣相遇并發(fā)湍流混合（包含多種組分的產(chǎn)物顆粒同環(huán)境大氣的湍流混合）。由于某固體溫壓藥劑是嚴(yán)重負(fù)氧平衡，顆粒在與空氣混合時(shí)發(fā)生后燃反應(yīng)，強(qiáng)勁的湍流混合使后燃反應(yīng)具有更高的反應(yīng)速率并且持續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間［7］。

表2　爆炸火球瞬態(tài)最高溫度及在不同溫度的持續(xù)時(shí)間Tab.2　The highest instantaneous temperature of the fireball and duration in different high temperature regions

表3　某固體溫壓藥劑和“什米爾”藥劑的爆炸火球尺寸Tab.3　The size of fireball for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

圖2　某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸火球的對比Fig.2　Contrast of fireball for a solid thermobaric explosive and “Kashmir”

由表2可見，二者爆炸瞬態(tài)最高溫度差別不大；但某固體溫壓藥劑的爆炸火球溫度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時(shí)間明顯大于“什米爾” 藥劑。從表3和圖2可以看出，某固體溫壓藥劑的爆炸火球體積明顯優(yōu)于“什米爾” 藥劑的爆炸火球。這是由于后燃反應(yīng)，使高溫顆粒擴(kuò)散更加迅速，形成持續(xù)時(shí)間更長、體積更大的高溫高壓火球。

2.4討 論

SEFAE的爆炸過程是一種邊拋撒邊反應(yīng)的過程，由于反應(yīng)的高速性，藥劑不能與空氣充分混合，導(dǎo)致能量不能完全釋放，是非理想爆轟［8］。因此，其爆炸威力低于相同組分的DEFAE（即Double-event FAE）；為了實(shí)現(xiàn)藥劑能量的完全釋放，SEFAE中往往添加了一定比例的助燃劑等成分，這部分物質(zhì)在增強(qiáng)燃料反應(yīng)程度的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的能量。對于某固體溫壓藥劑，由于其是嚴(yán)重負(fù)氧平衡的，所以其爆炸反應(yīng)過程與SEFAE類似［9］；戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)，藥劑在傳爆藥的爆炸作用下飛散到四周，同時(shí)藥劑中的高能炸藥組分首先被點(diǎn)火或引爆，發(fā)生劇烈反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓，從而點(diǎn)燃藥劑中其他組分（主要為高能鋁粉），在擴(kuò)散中與空氣混合，形成邊飛散邊與空氣中的氧反應(yīng)的后燃燒過程，進(jìn)一步提高了爆炸沖擊波參數(shù)和溫度參數(shù)。因此，本試驗(yàn)中出現(xiàn)了在相同裝藥質(zhì)量時(shí)，某固體溫壓藥劑爆炸威力明顯高于“什米爾”藥劑。該試驗(yàn)是針對兩類藥劑中的典型產(chǎn)品進(jìn)行的對比試驗(yàn)，由于溫壓藥劑的種類較多，不能簡單地說明所有溫壓藥劑的爆炸威力高于“什米爾”藥劑，但是至少證明了該配方固體溫壓藥劑的爆炸威力是明顯優(yōu)于“什米爾”藥劑的。

3　結(jié) 論

在相同裝藥質(zhì)量情況下，通過比較某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑的爆炸威力特性，可得出如下結(jié)論：

（1）距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m處，某固體溫壓藥劑的沖擊波峰值超壓比“什米爾”藥劑分別提高了47.32%、41.53%、19.48%和17.18%；正壓區(qū)沖量分別提高了 26.20%、25.31%、17.66%和17.19%；正壓作用時(shí)間略有下降。

（2）某固體溫壓藥劑的平均最大火球直徑和平均最大火球高度比“什米爾”藥劑分別提高了48.32%和 49.50%；某固體溫壓藥劑的爆炸火球溫度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時(shí)間比“什米爾”藥劑分別提高了2.368倍、1.548倍、3.248倍。

（3）某固體溫壓藥劑后燃反應(yīng)所釋放的能量對爆炸威力的貢獻(xiàn)主要是產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長的高溫火球，并延緩了沖擊波幅值的衰減，增加了沖擊波的正壓作用時(shí)間，相應(yīng)提高了藥劑的沖擊波破壞效應(yīng)，使戰(zhàn)斗部具有更高的威力。固體溫壓藥劑配方設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)法加強(qiáng)后燃反應(yīng)，包括利用空氣中的氧，從而提高戰(zhàn)斗部的爆炸威力。

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Comparison Study of Blast Power of A Solid Thermobaric Explosive and "Kashmir"

JIANG Ze-peng1， WANG Bo-liang1， LI Xi1， HUANG Zhao-liang1， GE Da-qing1， LIN Qiu-han1， ZHAN Gao-su2
（ 1. School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing， 210094；2. Fujian Ordnance Equipment Co.Ltd. ， Sanming， 366000 ）

In order to compare the blast power of a solid thermobaric explosive and "Kashmir"， the explosion shock wave and temperature parameters of two types explosives were kilogram-level tested. Results show that when the charge qualities are the same， the peak pressure and the positive phases of a solid thermobaric explosive are increased greatly than that of "Kashmir"，while the positive phase durations of a solid thermobaric explosive are less shorter. The average maximum diameter of fireball is increased by 48.32% higher than that of "Kashmir"， and the average maximum height of fireball is increased by 49.50%. The duration of fireball temperature exceeds 2 800K ， 2 500K and 2 200K are 2.368， 1.548 and 3.248 times as much as that of the "Kashmir". It is proved that the blast power of a solid thermobaric explosive can overtake that of "Kashmir".

Explosion mechanics； Solid thermobaric explosive； "Kashmir"； Field static explosion； Explosive power

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0028-04

2015-07-20

蔣澤朋（1989 -），男，碩士研究生，主要從事爆炸理論及其應(yīng)用研究。

國家基礎(chǔ)重大專項(xiàng)（00401030502）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。