DNAN基大尺寸帶殼裝藥的能量輸出特性

楊 斐，羅一鳴，高 杰

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DNAN基大尺寸帶殼裝藥的能量輸出特性

楊 斐，羅一鳴，高 杰

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為驗(yàn)證2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基高爆熱熔鑄炸藥與通用爆破戰(zhàn)斗部殼體的威力匹配特性，通過(guò)理論計(jì)算和百公斤級(jí)靜爆試驗(yàn)獲得了DNAN基大尺寸帶殼裝藥的空中爆炸沖擊波參數(shù)及傳播規(guī)律；采用高速攝影儀測(cè)定了爆炸火球的特征參數(shù)，并與TNT裝藥進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：帶殼裝藥沖擊波峰值超壓理論計(jì)算值與試驗(yàn)值接近，比例距離2.5 m/kg1/3處DNAN基試樣的入射沖擊波、馬赫反射波峰值超壓較TNT提高了92.0％和68.4％，沖量提高了5.1％，特性乘積Δ?提高了77％，毀傷效應(yīng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在近場(chǎng)；火球發(fā)光亮度、最大直徑、面積和火球持續(xù)時(shí)間也明顯優(yōu)于TNT試樣。

2,4-二硝基苯甲醚；能量輸出特性；帶殼裝藥；沖擊波參數(shù)；爆炸火球

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥的威力和不敏感性要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)熔鑄載體TNT能量較低，且存在毒性較大[1]、滲油等問(wèn)題，對(duì)彈藥的感度、易損性和運(yùn)輸?shù)榷紩?huì)產(chǎn)生影響[2]，難以滿(mǎn)足不敏感彈藥發(fā)展的要求[3]。因此，人們一直在尋找它的替代物，2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）作為一種載體炸藥，其感度和黏度均低于TNT，而且不存在異構(gòu)物，純度達(dá)99.8％；其安全性?xún)?yōu)于TNT，毒性小于TNT，與高氯酸銨（AP）相容，在配方設(shè)計(jì)中可通過(guò)調(diào)節(jié)AP含量改善氧平衡來(lái)提高能量[4]。美軍研制出了一系列以DNAN為基的熔鑄炸藥[5]，已經(jīng)用于155mm榴彈、120mm迫彈等戰(zhàn)斗部。近些年我國(guó)也開(kāi)展了DNAN基高爆熱熔鑄炸藥的研制工作，研制出的熔鑄炸藥配方具有裝藥密度高（1.80g/cm3以上）、能量高（1.8倍TNT體積當(dāng)量）、低易損性（通過(guò)快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊）和成本低等特點(diǎn)，有望替代TNT基熔鑄炸藥，大幅提升當(dāng)前戰(zhàn)斗部裝藥的能量水平與安全性能。

目前DNAN基熔鑄炸藥研究主要在配方、工藝以及安全性等方面，對(duì)大尺寸帶殼裝藥的能量輸出特性研究甚少，不明確DNAN基熔鑄炸藥的能量輸出優(yōu)勢(shì)能否在殼體約束下完全發(fā)揮出來(lái)。戰(zhàn)斗部殼體對(duì)爆炸沖擊波強(qiáng)度有重要影響[6]，殼體、炸藥以及爆炸介質(zhì)的匹配特性對(duì)爆炸沖擊波有重要影響[7-8]，直接影響到裝藥的殺傷威力性能。本文通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了不同比例距離下大尺寸帶殼裝藥的沖擊波超壓，通過(guò)百公斤級(jí)帶殼裝藥的靜爆試驗(yàn)研究了DNAN基熔鑄炸藥的沖擊波輸出特性；利用高速攝影儀，記錄并分析了爆炸火球的成長(zhǎng)歷程及特征，并與TNT裝藥進(jìn)行了對(duì)比，為戰(zhàn)斗部的威力設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 沖擊波參數(shù)理論計(jì)算

根據(jù)爆炸相似率，TNT裝藥在無(wú)限空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)的沖擊波超壓為[9]：

炸藥在剛性地面爆炸時(shí)，由于地面阻擋，沖擊波不是向整個(gè)空間傳播，而只向一半空間傳播，被沖擊波帶動(dòng)的空氣量減少一半，可看作兩倍的裝藥在無(wú)限空間爆炸，w=2，代入式（1）可得：

如果是土壤地面，則取w=1.8來(lái)修正式（1），見(jiàn)式（3）：

根據(jù)炸藥TNT當(dāng)量的計(jì)算公式，可計(jì)算質(zhì)量為的DNAN基炸藥的TNT當(dāng)量質(zhì)量為：

由式（3）~（4）可以計(jì)算出DNAN基熔鑄炸藥在土壤地面爆炸時(shí)入射沖擊波峰值超壓Δp為：

式（6）中：為沖擊波入射角。

現(xiàn)取比例距離2m/kg1/3、2.5m/kg1/3、3m/kg1/3、4 m/kg1/3和5m/kg1/35個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別代入式（3）和式（4）中計(jì)算TNT與DNAN基炸藥入射沖擊波峰值超壓，代入式（6）計(jì)算馬赫反射波超壓峰值，計(jì)算結(jié)果如表1所示，兩種炸藥入射波和馬赫波的沖擊波峰值超壓變化曲線(xiàn)如圖1所示。

表1 不同比例距離處的沖擊波峰值超壓計(jì)算值 (MPa)

圖1 沖擊波峰值超壓變化曲線(xiàn)

由表1可以看出，在比例距離2m/kg1/3處，DNAN基炸藥的入射波和馬赫波峰值超壓為0.470MPa和0.572MPa，較TNT試樣均提高了52.5％；通過(guò)圖1曲線(xiàn)可以看出，這種沖擊波能量的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在近場(chǎng)，隨著比例距離的增大，兩種炸藥的沖擊波峰值超壓差距逐漸減小，當(dāng)比例距離為5m/kg1/3時(shí)，兩者峰值超壓已非常接近。

2 靜爆試驗(yàn)狀態(tài)及布置

2.1 試驗(yàn)樣品與殼體狀態(tài)

試驗(yàn)樣品為T(mén)NT和DNAN基帶殼裝藥各1發(fā)，采用熔鑄工藝裝藥，試驗(yàn)樣彈見(jiàn)圖2，試驗(yàn)樣品技術(shù)狀態(tài)見(jiàn)表2。裝藥殼體直徑為457mm，材料為35CrMo SiA鋼，殼體厚度為16mm。

圖2 試驗(yàn)樣彈

表2 百公斤級(jí)靜爆試驗(yàn)樣品參數(shù)

Tab.2 The parameters of the static explosion experiment samples

樣品置于木質(zhì)彈架之上，裝藥中心距地面高度為1.5m，彈架下放置平整鋼板，確保試樣起爆水平，采用φ45mm×50mm（約131.8g）的JH-14作傳爆藥柱，用8#銅殼電雷管起爆。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)及試驗(yàn)布局

本次試驗(yàn)測(cè)試側(cè)重于沖擊波參數(shù)的測(cè)試，并配合高速攝影系統(tǒng)，可直觀反映爆轟反應(yīng)情況，具體布局如圖3所示。

圖3 靜爆試驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

與裸裝藥不同，由于戰(zhàn)斗部殼體的存在，對(duì)爆炸作用場(chǎng)有很大影響，帶殼裝藥爆炸后，炸藥放出的能量一部分消耗于殼體變形、破碎和破片的驅(qū)動(dòng)飛散，另一部分能量才能消耗于爆炸產(chǎn)物的膨脹和形成爆炸沖擊波。不同的結(jié)構(gòu)對(duì)于當(dāng)量的等效公式不同，對(duì)于圓柱形帶殼裝藥，留給爆炸產(chǎn)物的能量當(dāng)量可由式（7）計(jì)算[10-11]：

式（7）中：W為戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量，kg；為裝填系數(shù)，取0.44；為多方指數(shù)，取2.22；0為裝藥半徑，r為破片達(dá)到最大速度時(shí)的半徑，r/0≈1.5。

壓力傳感器布設(shè)比例距離分別為2m/kg1/3、2.5 m/kg1/3、3m/kg1/3、4m/kg1/3和5m/kg1/3，根據(jù)裝藥量以及式（7）可以計(jì)算出留給爆炸產(chǎn)物的能量當(dāng)量，并根據(jù)比例距離計(jì)算公式可以反推出各個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器的布置距離。傳感器布設(shè)距離見(jiàn)表3。

表3 靜爆試驗(yàn)傳感器布置距離表

Tab.3 The sensor distance in static explosion experiment

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 宏觀現(xiàn)象

靜爆試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，可以看出，DNAN基炸藥起爆后的爆坑直徑明顯大于TNT的爆坑直徑，見(jiàn)證鋼板的破壞程度也明顯大于TNT試樣。

3.2 爆炸火球?qū)Ρ确治?/h3>

通過(guò)高速攝影系統(tǒng)（2 000fps）對(duì)2發(fā)試驗(yàn)的整個(gè)爆轟過(guò)程以及沖擊波傳播和爆轟產(chǎn)物膨脹、收縮過(guò)程進(jìn)行記錄，不同時(shí)刻TNT試樣和DNAN基試樣的高速攝影圖像分別見(jiàn)圖5和圖6。

通過(guò)圖片及高速攝影視頻可以看出，炸藥被引爆后初始階段，爆炸沖擊波與火球界面分離之前，在爆炸能量的驅(qū)動(dòng)下，火球呈規(guī)則球形快速擴(kuò)張；當(dāng)爆炸沖擊波與火球界面分離后，火球呈尖錐形，軸向向上會(huì)出現(xiàn)“尖峰”，同時(shí)徑向半徑也快速擴(kuò)張，當(dāng)軸向達(dá)到最大特征半徑后，其徑向擴(kuò)張基本停止。軸向向上產(chǎn)生“尖峰”的原因可能是：爆炸所產(chǎn)生的高壓爆轟產(chǎn)物推動(dòng)周?chē)目諝庑纬杀_擊波，由于沖擊波的傳播速度大于爆轟產(chǎn)物的傳播速度，隨著兩者的傳播，逐漸出現(xiàn)了分離，隨著沖擊波繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，波陣面上的氣體便被向前壓縮，這樣就在沖擊波陣面和已分離的爆轟產(chǎn)物之間形成了一個(gè)負(fù)壓區(qū)，沖擊波后面已被壓縮的空氣開(kāi)始反向膨脹，形成了膨脹波。

圖5 不同時(shí)刻TNT試樣爆炸圖像

圖6 不同時(shí)刻DNAN基試樣爆炸圖像

分別對(duì)比兩種試樣在相同時(shí)刻的圖像可以看出，DNAN基試樣初始沖擊波發(fā)光階段的亮度明顯高于TNT試樣，與環(huán)境光色對(duì)比鮮明、邊界清晰，火球直徑與火球面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TNT試樣。

試驗(yàn)前在距爆心10m處放置一個(gè)對(duì)比桿，DNAN基試樣起爆后火球邊界到達(dá)對(duì)比桿的時(shí)間為10ms，TNT試樣則為12.5ms，說(shuō)明DNAN基試樣的火球擴(kuò)展速度更快；DNAN基試樣到達(dá)火球最大直徑的時(shí)間為325ms，TNT試樣為245ms，這說(shuō)明DNAN基試樣火球擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間比TNT長(zhǎng)，綜上分析，DNAN基試樣的火球最大直徑和火球持續(xù)時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)大于TNT試樣。

3.3 沖擊波參數(shù)分析

對(duì)試驗(yàn)得到壓力——時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行處理，匯總不同比例距離處的超壓峰值Δ、沖量及特性乘積Δ?數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同比例距離處沖擊波測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3.1 馬赫反射波峰值超壓計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

將不同比例距離處馬赫波超壓峰值的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值作圖，見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，在近場(chǎng)時(shí)，試驗(yàn)值均稍大于理論計(jì)算值，兩種試樣理論計(jì)算值與試驗(yàn)值曲線(xiàn)基本吻合，可見(jiàn)通過(guò)理論計(jì)算的方法計(jì)算帶殼裝藥的沖擊波超壓峰值具有可行性。

圖7 馬赫波超壓峰值計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

3.3.2 兩種試樣沖擊波參數(shù)對(duì)比分析

對(duì)比表4的數(shù)據(jù)可得，DNAN基試樣在不同比例距離處的入射波和馬赫波峰值超壓較TNT均有大幅提高，在比例距離2.5m/kg1/3處入射波峰值超壓增量達(dá)到92％，馬赫波峰值超壓增量為68.4％。而DNAN基試樣較TNT的沖量?jī)?yōu)勢(shì)則不明顯，通過(guò)分析沖擊波壓力——時(shí)間曲線(xiàn)圖（圖8）可以看出，在同一測(cè)點(diǎn)，沖擊波的峰值壓力雖高出TNT很多，但是其壓力隨時(shí)間衰減速率過(guò)快，總的沖擊波壓力持續(xù)時(shí)間為4.55ms，較TNT的5.74ms也縮短了不少，兩者因素綜合則導(dǎo)致沖量提高較小。常見(jiàn)的沖擊波毀傷準(zhǔn)則有超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓-沖量準(zhǔn)則，通過(guò)超壓-沖量準(zhǔn)則評(píng)價(jià)試樣空中爆炸沖擊波威力毀傷效應(yīng)更具普遍意義。由表4中Δ?數(shù)據(jù)可見(jiàn)，不同測(cè)點(diǎn)下DNAN基試樣的特性乘積較TNT試樣均較大提高，近場(chǎng)優(yōu)勢(shì)更加明顯，最大增量達(dá)77％，說(shuō)明DNAN基試樣對(duì)近場(chǎng)目標(biāo)的沖擊波威力毀傷效應(yīng)較大。

圖8 比例距離2.5m/kg1/3處沖擊波壓力——時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算方法預(yù)估DNAN基帶殼裝藥的沖擊波超壓峰值，與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試值接近，具有可行性。

（2）DNAN基炸藥的爆坑直徑、見(jiàn)證鋼板的破壞程度均明顯大于TNT試樣。

（3）DNAN基試樣初始沖擊波發(fā)光階段的亮度明顯高于TNT試樣，與環(huán)境光色對(duì)比鮮明、邊界清晰，火球直徑與火球面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TNT試樣，火球擴(kuò)展速度更快，火球擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間也比TNT長(zhǎng)。

（4）DNAN基試樣的沖擊波峰值超壓、沖量及特性乘積均高于TNT試樣，其中沖擊波峰值超壓和特性乘積較TNT有較大提高，沖擊波毀傷效應(yīng)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在近場(chǎng)。

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The Energy Output Characteristic of DNAN-based Explosive in Big Charging Size with Shell

YANG Fei，LUO Yi-ming，GAO Jie

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

To verify the energy matching characteristics between DNAN-based melt-cast composition explosive and shell of blast warhead, the air blast shock wave parameters and propagation regularity of DNAN-based explosive with big charging size and shell were acquired, by the theoretical calculation and the static explosion experiment. The characteristics parameter of explosion fireball was measured by high-speed photography, and contrasted with those of TNT sample. The results show that the calculated value is close to the test value of peak pressures of shock wave with shell. Incident shock wave and Mach reflection wave overpressure of DNAN-based sample are increased by 92％ and 68.4％ at 2.5m/kg1/3, impulse is increased 5.1％, air explosion powerΔ?is increased 77％. The advantage of damage effect mainly shows in the near field. The luminance, diameter and area, as well as duration time of explosion fireball of DYAN-based sample are much better than those of TNT sample.

DNAN; Energy output characteristics; Charge with shell; Shock wave parameters; Explosion fireball

1003-1480（2019）01-0013-05

TQ565

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.004

2018-09-12

楊斐（1990-），男，工程師，主要從事熔鑄炸藥配方及工藝研究。