基于分裝結(jié)構(gòu)的CS刺激劑爆炸分散過(guò)程研究

李 廷，梁 婷，李江存，孫 航，蔣志剛

（1.陸軍防化學(xué)院，北京 陽(yáng)坊 102205；2.軍事科學(xué)院防化研究院，北京 陽(yáng)坊 102205；3.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

我軍現(xiàn)役爆炸型催淚彈的裝藥由刺激劑與炸藥混合而成，稱(chēng)為特種混合炸藥。目前該混裝結(jié)構(gòu)的爆炸型催淚彈難以滿(mǎn)足不同作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)樣式的使用需求，主要表現(xiàn)在對(duì)刺激劑熱穩(wěn)定性要求高（現(xiàn)役裝填的刺激劑僅有CS一種）、裝藥結(jié)構(gòu)單一、刺激劑利用效率低且難以評(píng)估等問(wèn)題［1］。薛田［2］通過(guò)刺激劑混合炸藥爆速試驗(yàn)確定了混合炸藥能爆炸的最小比藥量為14%，再應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)分別研究混合炸藥和中心藥柱空中爆炸形成的氣溶膠云團(tuán)，表明中心藥柱爆炸分散時(shí)氣溶膠云團(tuán)低溫范圍廣，刺激劑熱分解明顯減少，云團(tuán)濃度有大幅度提高，熱性能較差的OC（辣椒素）和CR（二苯并-1，4-氧雜吖庚因）刺激劑在混合炸藥爆炸時(shí)熱分解嚴(yán)重，不適于混合炸藥爆炸方式分散。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究。

爆炸型催淚彈是利用炸藥的能量將裝填在彈體內(nèi)的刺激劑裝藥直接分散，刺激劑氣溶膠云團(tuán)是其主要的毀傷元，刺激劑氣溶膠云團(tuán)形成過(guò)程則是爆炸分散效果的直接體現(xiàn)，研究中心裝藥對(duì)刺激劑分散的作用，是設(shè)計(jì)新型催淚彈藥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是提高催淚彈藥效能的重要途徑。由于爆炸分散過(guò)程的復(fù)雜性，目前工程試驗(yàn)仍是研究涉及爆炸拋撒武器的主要方法，爆炸分散試驗(yàn)常用高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、試驗(yàn)采樣、光學(xué)方法等技術(shù)手段，研究分散過(guò)程的云團(tuán)范圍、分散速度、云團(tuán)濃度等參數(shù)，但是試驗(yàn)采樣存在局限性，對(duì)于爆炸初期高速瞬態(tài)研究困難較大，光學(xué)方法一般用于模擬室內(nèi)爆炸擴(kuò)散，受實(shí)驗(yàn)條件和激光強(qiáng)度等制約，不適用于外場(chǎng)試驗(yàn)中。因化學(xué)防暴裝備較為敏感，公開(kāi)的研究資料較少，尤其是對(duì)爆炸作用刺激劑分散的研究較少，但在其它介質(zhì)材料爆炸分散規(guī)律研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)云爆武器等爆炸拋撒研究較為深入。國(guó)外已有的文獻(xiàn)主要是研究催淚彈藥的彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］，刺激劑傷害效應(yīng)及分析檢測(cè)［4-5］。此外，F(xiàn).Zhang等［6］利用閃光X射線攝影裝置觀測(cè)了球形裝藥對(duì)固體顆粒的拋撒過(guò)程，建立了與試驗(yàn)現(xiàn)象相符的拋撒云團(tuán)半徑模型等等。國(guó)內(nèi)，程萬(wàn)影等［7］采用添加隱形識(shí)蹤劑和后期采樣分析的試驗(yàn)手段，對(duì)懸掛在空中兩米處的新型控暴器材進(jìn)行爆炸分散研究，得到了單發(fā)彈靜爆后形成的威力幅員和作用時(shí)間。薛田［2］運(yùn)用高速攝影系統(tǒng)研究了不同比藥量時(shí)混合炸藥空中爆炸分散刺激劑的過(guò)程，得出氣溶膠云團(tuán)直徑和速度變化規(guī)律。張奇等人［8-9］利用高速攝影系統(tǒng)得到了云爆燃料的運(yùn)動(dòng)情況和拋撒規(guī)律，并將燃料拋撒過(guò)程分為加速階段、減速階段和湍流階段。劉志龍等［10］在爆炸室內(nèi)對(duì)短切碳纖維開(kāi)展了空中爆炸分散試驗(yàn)，利用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)拍攝，獲得了殼體破裂、云團(tuán)特征，得出云團(tuán)參數(shù)變化規(guī)律及相似律。陸曉霞等［11］采用兩臺(tái)高速攝像儀對(duì)固定在密閉空間內(nèi)支架上的液體容器進(jìn)行爆炸拋撒試驗(yàn)，討論和分析了殼體約束對(duì)早期流場(chǎng)的影響、液體狀態(tài)變化和破裂分散機(jī)理，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析。上述研究中的高速攝影法和裝藥結(jié)構(gòu)均可作為借鑒，但研究過(guò)程涉及理論模型分析計(jì)算的較少，均忽略了地面約束條件的影響，在無(wú)約束空間中爆炸，未對(duì)地面爆炸分散的特性進(jìn)行研究，對(duì)地爆和空爆兩種方式下中心裝藥爆炸分散刺激劑的規(guī)律及差異尚未清楚。因此，緊貼爆炸型催淚彈的軍事應(yīng)用需求，結(jié)合其多運(yùn)用于地爆的實(shí)際情況，有必要開(kāi)展分裝結(jié)構(gòu)在不同方式下爆炸分散刺激劑的規(guī)律研究，為新型催淚彈藥設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供參考。

為此，本研究基于云爆武器等拋撒燃料的基本原理，提出分裝結(jié)構(gòu)的裝藥方式，即將中心裝藥和刺激劑裝藥各自分裝壓制后再組合的設(shè)計(jì)方案，利用中心裝藥爆炸作用分散刺激劑形成氣溶膠云團(tuán)。

表1 試驗(yàn)樣彈基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of test sample grenade

2 外場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 試驗(yàn)組成系統(tǒng)與原理

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)原理樣彈、點(diǎn)火系統(tǒng)和高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，首先將電雷管插入中心裝藥內(nèi)，通過(guò)點(diǎn)火系統(tǒng)激發(fā)雷管起爆，進(jìn)而引爆中心裝藥，將裝填的刺激劑直接分散。高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)與點(diǎn)火系統(tǒng)同步觸發(fā)，在起爆瞬間開(kāi)始拍攝記錄。

2.2 主要器材與參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采用高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)記錄氣溶膠云團(tuán)的形成過(guò)程，高速攝影儀為日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA3型，拍攝最高幅頻為120000幅/s，最低幅頻為50幅/s，拍攝時(shí)可以結(jié)合爆炸分散過(guò)程實(shí)際和圖像清晰度要求進(jìn)行調(diào)試，本試驗(yàn)中采用的拍攝頻率為10000幅/s，分辨率達(dá)到512×256，采集到的圖像可以記錄為數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)專(zhuān)門(mén)軟件進(jìn)行處理分析。此外還有移動(dòng)式掩體、起爆控制裝置、風(fēng)向風(fēng)速儀、幕布、支架和筆記本電腦等。

圖1 試驗(yàn)樣彈主要組成部分Fig.1 Main components of test sample grenade

2.3 試驗(yàn)原理樣彈結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理樣彈與現(xiàn)役混裝結(jié)構(gòu)的爆炸型催淚彈不同，采用分裝的裝藥結(jié)構(gòu)，原理樣彈主要組成部分如圖1所示，主要由殼體、刺激劑藥柱、中心炸藥柱等部分組成，選擇常用的CS刺激劑為主裝藥，結(jié)合催淚彈的非致命特點(diǎn)，從降低其炸藥配比和減少附帶損傷方面考慮，并參照爆炸型催淚彈相關(guān)研究［2］，比藥量選定為14%，殼體為聚乳酸（PLA）材料，厚度為2.3 mm，中心裝藥為鈍化黑索金，雷管為8號(hào)電雷管，樣彈其它相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.4 試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)

外場(chǎng)試驗(yàn)選擇在常溫下氣流比較穩(wěn)定的露天靶場(chǎng)進(jìn)行，地面為水泥地面。地爆時(shí)，將樣彈貼地面垂直放置，高速攝影儀放置在彈體正前方，距離樣彈的安全距離為40 m，調(diào)整拍攝角度和位置進(jìn)行拍攝。空爆時(shí)，將樣彈懸掛于距離地面為1.5 m處，高速攝影儀放置在距離樣彈40 m處的正前方，位于同一水平高度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，幕布距離樣彈的水平安全距離設(shè)置為4.6 m，為增強(qiáng)觀測(cè)效果及確定云團(tuán)范圍，幕布選用藍(lán)色，尺寸400 cm×300 cm，分別用黃、白兩種顏色在幕布上標(biāo)記出長(zhǎng)寬為20 cm的單元方格。場(chǎng)地相關(guān)設(shè)置如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用專(zhuān)門(mén)的高速攝影軟件Photron FASTCAM Viewer（PFV）對(duì)高速攝影拍攝的視頻圖像進(jìn)行讀取和處理，試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)采用GetData軟件測(cè)量，先以幕布格子為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，然后選取云團(tuán)邊界點(diǎn)讀取坐標(biāo)，計(jì)算出云團(tuán)直徑和擴(kuò)散高度，對(duì)3次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果求取平均值。通過(guò)高速攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在百微秒的時(shí)間量級(jí)上觀測(cè)刺激劑氣溶膠云團(tuán)的形成過(guò)程，重點(diǎn)觀察殼體的解體分散、云團(tuán)分散范圍、速度變化情況等。

3.1 地面爆炸分散CS刺激劑形成氣溶膠云團(tuán)的過(guò)程

圖3為地爆試驗(yàn)中樣彈在爆炸驅(qū)動(dòng)載荷作用下的CS刺激劑分散過(guò)程，以開(kāi)始觀測(cè)到中心裝藥起爆亮光為0時(shí)刻，選取了50 ms內(nèi)的部分圖像，分幅圖片清晰的反映了CS刺激劑氣溶膠云團(tuán)的形成過(guò)程。

0時(shí)刻中心裝藥起爆產(chǎn)生火光，第2幅圖0.1 ms時(shí)仍能觀察到爆炸余光，生成的射流從殼體中沿軸向和徑向飛出，此后分散的氣溶膠云團(tuán)直徑迅速膨脹變大，約在3 ms左右時(shí)，云團(tuán)直徑增長(zhǎng)速度明顯變緩，開(kāi)始進(jìn)入湍流階段，受氣動(dòng)阻力和湍流的作用，云團(tuán)邊緣開(kāi)始翻滾，云團(tuán)的顏色越來(lái)越白，云團(tuán)范圍在軸向上有進(jìn)一步的擴(kuò)展，使刺激劑顆粒在云團(tuán)中分布的更加均勻，湍流階段維持一段時(shí)間后開(kāi)始進(jìn)入擴(kuò)散階段。氣溶膠云團(tuán)在形成的過(guò)程中，有一些明顯的特征：一是中心裝藥爆炸后出現(xiàn)較亮火光，持續(xù)時(shí)間極短，產(chǎn)生的高溫黑色產(chǎn)物一直處于白色云團(tuán)中心部位，始終與刺激劑云團(tuán)未均勻混合。二是云團(tuán)形狀左右不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，是受到試驗(yàn)中風(fēng)速、空氣阻力和地面條件等因素的影響。三是爆炸初期膨脹階段形成的氣溶膠云團(tuán)中心厚，外部呈現(xiàn)扁平狀，從云團(tuán)中心到邊緣，厚度越來(lái)越小，產(chǎn)生的原因主要在于中心裝藥爆轟過(guò)程中產(chǎn)生的爆轟波，由上向下傳播中出現(xiàn)稀疏波，導(dǎo)致刺激劑藥柱上端顆粒的徑向分散速度小于中部顆粒的徑向速度，刺激劑藥柱上端部的分散距離較近，同時(shí)爆炸產(chǎn)物的軸向分散也會(huì)帶動(dòng)頂端部的刺激劑顆粒運(yùn)動(dòng)。

圖3 地爆試驗(yàn)中CS刺激劑分散過(guò)程Fig.3 The process of CS irritant agent dispersion in ground burst test

3.2 空中爆炸分散CS刺激劑形成氣溶膠云團(tuán)的過(guò)程

圖4為空爆試驗(yàn)中樣彈在爆炸驅(qū)動(dòng)載荷作用下的CS刺激劑分散過(guò)程圖，選取12張分幅圖片記錄了氣溶膠云團(tuán)的形成過(guò)程。同樣以觀測(cè)到中心裝藥起爆亮光為0時(shí)刻，0時(shí)刻中心裝藥起爆火光亮度比地爆時(shí)明顯，此后50 ms內(nèi)基本都能觀察到爆炸余光，第2幅圖0.1 ms以后的刺激劑云團(tuán)形成過(guò)程同地爆時(shí)一樣，同樣經(jīng)歷射流噴出和云團(tuán)膨脹階段后，在3 ms左右時(shí)，云團(tuán)直徑不再明顯增大，進(jìn)入湍流階段，此后為擴(kuò)散階段。空爆形成的氣溶膠云團(tuán)特征同地爆基本一致，空爆過(guò)程的云團(tuán)軸向擴(kuò)展比地爆明顯，云團(tuán)外形厚度大于地爆，主要原因在于地爆時(shí)受地面約束條件的影響，地面對(duì)沖擊波的吸收與反射，造成了部分能量損失。

圖4 空爆試驗(yàn)中CS刺激劑分散過(guò)程Fig.4 The dispersion process of CS irritant agent in air explosion test

3.3 地爆和空爆試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

中心裝藥起爆后，刺激劑藥柱在沖擊波和爆轟產(chǎn)物的共同作用下破碎、運(yùn)動(dòng)形成氣溶膠云團(tuán)。圖5～圖7分別為地爆和空爆分散試驗(yàn)中在水平方向的CS刺激劑氣溶膠云團(tuán)直徑、云團(tuán)軸向擴(kuò)散高度和云團(tuán)徑向分散速度隨時(shí)間的變化圖。

圖5 CS氣溶膠云團(tuán)直徑隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.5 The variation of CS aerosol cloud diameter with time

圖6 CS氣溶膠云團(tuán)軸向擴(kuò)散高度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.6 The axial diffusion height of CS aerosol cloud varies with time

根據(jù)對(duì)云團(tuán)分散成形特征的分析，結(jié)合云團(tuán)直徑、高度和速度變化曲線圖，發(fā)現(xiàn)地爆和空爆云團(tuán)直徑和高度變化規(guī)律基本一致，云團(tuán)直徑隨著時(shí)間呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，3 ms左右時(shí)云團(tuán)直徑增長(zhǎng)速度明顯變緩，地爆的云團(tuán)直徑大于空爆，其云團(tuán)擴(kuò)散高度小于空爆，10 ms時(shí)空爆云團(tuán)擴(kuò)散高度約是地爆的4.7倍，10 ms后軸向擴(kuò)展緩慢，呈平穩(wěn)趨勢(shì)。表明了水泥地面接近剛性地面，沖擊波對(duì)剛性地面發(fā)生反射疊加，強(qiáng)度提高，影響地爆和空爆的結(jié)果差異。地爆和空爆的云團(tuán)徑向速度總體規(guī)律一致，均呈先增大再減小的趨勢(shì)，0.3 ms之前，地爆分散速度小于空爆，0.3 ms之后，地爆分散速度大于空爆，地爆在0.7 ms左右速度達(dá)到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右達(dá)到最大值1697 m·s-1，之后進(jìn)入減速階段，空氣阻力占據(jù)主導(dǎo)作用，速度迅速下降。

圖7 CS氣溶膠云團(tuán)徑向速度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 The radial velocity of CS aerosol cloud varies with time

4 爆炸驅(qū)動(dòng)刺激劑氣溶膠云團(tuán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理論分析與建立模型

試驗(yàn)研究得出分裝結(jié)構(gòu)爆炸分散刺激劑的過(guò)程可以分為加速階段、減速階段、湍流階段和擴(kuò)散階段。爆炸載荷主要在加速階段驅(qū)動(dòng)刺激劑氣溶膠云團(tuán)的擴(kuò)散，加速階段結(jié)束時(shí)形成具有一定初始速度的刺激劑顆粒在外界作用力下開(kāi)始減速運(yùn)動(dòng)，本文主要從理論方面分析研究加速階段云團(tuán)徑向運(yùn)動(dòng)的速度變化規(guī)律。

在整個(gè)爆炸分散過(guò)程中，中心藥柱爆轟和殼體解體時(shí)間非常短暫，不考慮爆轟過(guò)程及沖擊波的傳播與反射，忽略爆轟產(chǎn)物沿裝藥軸向的飛散，可以近似認(rèn)為高溫高壓爆轟產(chǎn)物的膨脹，推動(dòng)刺激劑藥柱整體徑向加速運(yùn)動(dòng)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，云團(tuán)加速階段湍流不顯著，因此空氣作用力主要是空氣對(duì)云團(tuán)的壓力，起始階段，爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動(dòng)壓力pg大于周?chē)鷮?duì)云團(tuán)的壓力pe，云團(tuán)向外做加速運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力對(duì)云團(tuán)所做的正功與空氣阻力對(duì)云團(tuán)所做的負(fù)功之和就是云團(tuán)所獲得的動(dòng)能。根據(jù)爆轟產(chǎn)物做功過(guò)程得出：

式中，下標(biāo)O表示初始時(shí)刻，Vog為中心藥柱體積，Vg為中心藥柱爆轟產(chǎn)物體積，Vop為彈藥體積，Vp為爆轟產(chǎn)物體積Vg和氣溶膠體積Vl之和，單位均為m3；ml為刺激劑總質(zhì)量，kg；ua為刺激劑顆粒的最大速度，m·s-1。

由多方方程，得出爆轟產(chǎn)物的壓力為：

式中，pog為中心裝藥初始爆壓，Pa；由式（1）和式（2）聯(lián)合計(jì)算得出刺激劑加速階段的最大速度ua的表達(dá)式為：

由于加速階段爆轟產(chǎn)物體積Vg遠(yuǎn)大于中心藥柱體積 Vog，則 Vg1-n?Vog

1-n，式（3）可以進(jìn)一步表示為：

以地面爆炸試驗(yàn)結(jié)果為例，由試驗(yàn)結(jié)果得出加速階段速度最大值為1495 m·s-1，通過(guò)讀取地爆時(shí)0.7 ms時(shí)云團(tuán)照片的直徑和高度，將云團(tuán)體積近似處理為圓柱體積，得出Vp為0.35 m3，由試驗(yàn)彈的基本參數(shù)得出，彈藥體積 Vop為 9.9×10-5m3，中心藥柱體積 Vog為6.8×10-6m3，根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］，針對(duì)所使用的鈍化黑索金的含量和裝填密度，選取初始爆壓pog為28.7×109Pa，多方指數(shù)n結(jié)合實(shí)際取近似值3，求解出加速階段速度最大值ua為1444 m·s-1，則理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。同理，讀取空爆0.3 ms時(shí)云團(tuán)照片數(shù)據(jù)，計(jì)算出Vp為0.28 m3，得出速度最大值ua為1523 m·s-1，和空爆試驗(yàn)速度最大值1697 m·s-1也比較吻合，表明建立的數(shù)學(xué)模型有一定的可行性，能較好的描述云團(tuán)膨脹規(guī)律。理論計(jì)算值偏小的主要原因是多方指數(shù)的選取問(wèn)題和模型建立中忽略因素的影響，在爆炸過(guò)程中多方指數(shù)是在變化的，實(shí)際上是一個(gè)近似值，計(jì)算時(shí)取值存在偏大問(wèn)題，另外機(jī)械能守恒方程建立過(guò)程中忽略了次要因素影響及試驗(yàn)值也存在一定的誤差等等。

5 結(jié)論

通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)得到了地爆和空爆分散刺激劑氣溶膠云團(tuán)的直徑、徑向速度、擴(kuò)散高度等變化規(guī)律，從試驗(yàn)結(jié)果和理論上分析了分裝結(jié)構(gòu)爆炸分散刺激劑形成氣溶膠云團(tuán)的過(guò)程，并給出描述云團(tuán)加速階段膨脹規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。主要有以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)表明，在地爆和空爆兩種條件下，分裝結(jié)構(gòu)爆炸分散CS刺激劑的過(guò)程均可以分為徑向加速階段、減速階段、湍流階段和擴(kuò)散階段，加速階段和減速階段決定了云團(tuán)的范圍、速度等參數(shù)，這兩個(gè)階段末期的初始云團(tuán)參數(shù)可為后期擴(kuò)散階段研究提供關(guān)鍵初始條件，也可作為預(yù)測(cè)爆炸型催淚彈有效作用面積及評(píng)估威力幅員的重要指標(biāo)。

（2）試驗(yàn)表明，相比空中爆炸，總體規(guī)律基本一致，地面爆炸分散云團(tuán)直徑較大，擴(kuò)散高度較小，沖擊波對(duì)水泥地面發(fā)生反射疊加，強(qiáng)度大大提高，有利于流場(chǎng)和顆粒本身徑向運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散，對(duì)貼地面徑向擴(kuò)散有積極的影響。

（3）在中心裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，爆炸驅(qū)動(dòng)力和空氣阻力為作用于刺激劑云團(tuán)的主導(dǎo)作用力，兩者的變化決定徑向速度的變化，地爆和空爆的云團(tuán)徑向速度規(guī)律一致，均呈先增大再減小的趨勢(shì)，地爆在0.7 ms左右速度達(dá)到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右達(dá)到最大值1697 m·s-1，結(jié)合爆炸驅(qū)動(dòng)氣溶膠云團(tuán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理論分析，建立的云團(tuán)徑向速度數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)較為吻合。