含鋁炸藥爆炸光輻射能量輸出特性研究

宋 浦，楊 卓，趙向軍，楊 磊，梁安定

(西安近代化學(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

炸藥作為典型的高能量密度材料，在一定外界刺激下能夠發(fā)生劇烈的爆炸反應(yīng)，快速釋放出大量能量，其中部分爆炸能量會以多波段光輻射的形式傳播。由于強光輻射能夠?qū)σ欢ň嚯x上的人員和光電探測裝備產(chǎn)生干擾、壓制或毀傷[1-4]，因此，基于爆炸源的強光輻射作為一種新型功能毀傷模式，受到了高度關(guān)注。

20世紀60年代起，美國就開始研發(fā)燃爆閃光技術(shù)，主要應(yīng)用于高速攝影及光電傳感器干擾等領(lǐng)域[3-5]。近年來裝填煙火劑的聲光彈等主動拒止武器系統(tǒng)成為美國國防部21世紀新戰(zhàn)略計劃—非致命武器技術(shù)發(fā)展計劃的重要內(nèi)容之一[6]。由于燃燒效應(yīng)作用時間長、能量釋放充分等特點，目前國內(nèi)外的應(yīng)用研究主要集中于煙火劑的燃燒輻射[7-8]，利用層流燃燒和對流燃燒的反應(yīng)形式實現(xiàn)不同的應(yīng)用效果。如北京理工大學(xué)研究了閃光煙火劑的輻射機理、配方組成、性能測試和對夜視探測器材的干擾情況[9]并進行了模擬樣彈試驗，結(jié)果表明，以KClO4為氧化劑、以Al為可燃物和以環(huán)氧樹脂(或酚醛樹脂)為黏合劑組成的三元配方(質(zhì)量比50∶50∶3)裝藥爆燃可見光強度可達107坎德拉量級。

凝聚態(tài)炸藥爆炸光輻射的主要機制為：(1)爆轟波，即爆轟界面和化學(xué)反應(yīng)區(qū)構(gòu)成的復(fù)合體；(2)在爆轟波陣面后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物；(3)空氣沖擊波。因此與燃燒光輻射相比，高能炸藥爆炸光輻射的作用過程迅速、瞬間強度峰值大、釋放功率高，高能炸藥爆炸反應(yīng)能夠在極短時間內(nèi)達到高能量功率密度，從而釋放出更強的光輻射。尤其是高能含鋁炸藥，通過爆轟反應(yīng)、無氧燃燒反應(yīng)和有氧燃燒反應(yīng)的三階段釋能[10-16]，可以在更長的作用時間內(nèi)激發(fā)出強度更高的光輻射，已在前沿毀傷技術(shù)中獲得關(guān)注。含鋁炸藥等典型非理想炸藥的爆轟反應(yīng)通常有較寬反應(yīng)區(qū)，而且在C-J面后仍能釋放一部分能量。由于炸藥配方設(shè)計中含有大量可燃金屬顆粒，需要利用空氣中的氧氣持續(xù)反應(yīng)釋能，因此一般認為典型非理想炸藥爆炸歷程可分為如下階段：最初的無氧爆轟(微秒量級)、爆轟后的無氧燃燒(毫秒量級)、后續(xù)的有氧燃燒(百毫秒量級)，由于燃燒遠大于爆轟歷程的跨時間尺度，非理想炸藥反應(yīng)演化過程十分復(fù)雜[17-21]?？紤]含鋁炸藥不同反應(yīng)階段的不同作用機制，不同波段爆炸光輻射的能量輸出特性也存在差異，對應(yīng)不同的毀傷作用機制會有較大區(qū)別，這是國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用研究中缺失的一個方向。

本研究基于含鋁炸藥爆炸光輻射試驗設(shè)計，通過不同波段可見光、中波紅外和長波紅外的輻射強度測定，對比計算不同波段光輻射的能量利用率，獲取含鋁炸藥爆炸光輻射能量輸出參量，得到爆炸強光輻射的特性規(guī)律，結(jié)合含鋁炸藥的爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)特點，為新型光電對抗技術(shù)提供理論支撐。

1 試 驗

選取典型HMX基高能含鋁炸藥，設(shè)計鋁殼體試驗樣彈，含鋁炸藥配方(質(zhì)量分數(shù))為：HMX，65%；Al粉，30%；黏結(jié)劑，5%。裝藥密度為1.85g/cm3，裝藥質(zhì)量約為1.5kg，樣彈結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用強光紅外瞬態(tài)輻射強度測試儀，分別測量中波紅外(MWIR)、長波紅外(LWIR)波段的輻射強度等特征參量，得到輻射強度隨時間的變化特性；同時利用瞬態(tài)光強測定儀，測量可見光的平均照度、峰值照度、最大值時間、有效光強等特征參量隨時間的變化特性，研究含鋁炸藥在不同反應(yīng)階段的光輻射規(guī)律。

圖1 樣彈結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental warhead structure

爆炸強光效應(yīng)試驗現(xiàn)場布局如圖2所示。在距離爆心40m距離處分別布置可見光光強瞬態(tài)測試系統(tǒng)、紅外光輻射強度測試系統(tǒng)和高速動態(tài)分析儀。要求各測試系統(tǒng)探頭對準爆心位置，為了盡量減少干擾因素，試驗在深夜進行，保持試驗場周邊無燈光照射，測量爆炸可見光光強和中/長波段紅外光輻射強度時程曲線。

圖2 爆炸強光效應(yīng)試驗布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of the explosion light effect test system

采用GQ-100瞬態(tài)光強測定儀，對可見光的平均照度、有效光強隨時間的變化曲線、峰值照度、最大值時間等進行測試；采用MWIR/LWIR強光紅外瞬態(tài)輻射強度測試儀對中/長波紅外光的最大輻射強度、最大輻照度、平均輻照度、峰值時刻、響應(yīng)電壓最大值等特征參量進行測試。首先進行三發(fā)小質(zhì)量藥柱標定試驗，測試藥柱爆炸發(fā)光強度，標定試驗的誤差范圍，確定試驗測試系統(tǒng)的可能誤差范圍。然后進行含鋁炸藥樣彈爆炸激發(fā)試驗，得到爆炸輻射強度隨時間的瞬態(tài)變化規(guī)律。

通過光電信號采集的響應(yīng)電壓最大值和同一工況試驗結(jié)果的重復(fù)性判斷試驗結(jié)果的有效性。若同一工況多發(fā)試驗結(jié)果的響應(yīng)電壓值均遠小于5V測試基值且符合度高，則判定該工況試驗結(jié)果有效。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同波段光輻射強度的變化過程

凝聚相炸藥爆炸反應(yīng)是炸藥分子間的快速氧化還原反應(yīng)，光輻射主要由沖擊波陣面和熾熱的爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生。根據(jù)熱輻射理論，可見光譜段對應(yīng)的溫度范圍是7000～13000K，在爆炸作用近區(qū)空氣沖擊波的發(fā)光類似于絕對黑體，輻射譜連續(xù)，因而可以認為空氣沖擊波是在寬譜段內(nèi)發(fā)出輻射的灼熱體，爆轟產(chǎn)物則是以紅外輻射為主的強熱輻射源[22]。由于含鋁炸藥中添加了金屬可燃劑鋁粉，利用鋁粉在加熱狀態(tài)下燃燒釋放出大量的熱來增強其燃燒效應(yīng)，同時主基高能炸藥可以用來增強爆炸效應(yīng)，因此一般認為其反應(yīng)是分三階段進行的非理想爆轟[23]，不同反應(yīng)階段對應(yīng)不同的光輻射特性規(guī)律。

典型工況下含鋁炸藥爆炸激發(fā)的可見光輻射強度和中/長波段紅外光輻射強度時程曲線如圖3所示。由圖3可以看出，可見光峰值處于爆轟零點后的396μs，中波紅外(波長為3～5μm)的曲線峰值位于爆轟零點后的774μs，長波紅外(波長為8～14μm)的輻射強度有兩個明顯峰值，其中最大值時刻在爆轟零點后的24.2ms。

第一階段爆轟反應(yīng)，初始時刻主要發(fā)生炸藥分子的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生持續(xù)微秒量級的爆轟波，近似認為在這一階段Al粉基本不參加反應(yīng)[24]。根據(jù)Le Chatelier方法，這一階段生成的爆轟產(chǎn)物主要由CO、H2、N2、H2O、CO2等組成，同時高溫高速的空氣沖擊波會迅速引起一系列電離和離解反應(yīng)[25-26]。由圖3(a)可知，可見光輻射時程曲線在最大峰A2之前有一個截斷的短脈沖尖峰A1，此尖峰是暴露在殼體外的傳爆藥柱爆炸發(fā)出的可見光引發(fā)。根據(jù)經(jīng)驗，爆轟波破碎直徑為150mm的鋁制殼體所需時間約為120～150μs，因此時程曲線在尖峰A1、A2之間有間斷，然后觀測到主體炸藥爆炸激發(fā)的可見光峰值及其持續(xù)時間?？紤]含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)特征，可見光峰值與第一反應(yīng)階段的時程基本重合，主要由第一反應(yīng)階段的爆轟波激發(fā)。

第二階段是在高溫高壓條件下發(fā)生的劇烈的無氧燃燒反應(yīng)。由于劇烈的沖擊壓縮，金屬鋁粉表面的氧化層破裂，與爆轟產(chǎn)物在C-J面后發(fā)生反應(yīng)，持續(xù)時間為毫秒量級，通常是幾百微秒。由圖3(b)可知，中波紅外的輻射峰值(圖中B1點處)處于第二反應(yīng)階段的持續(xù)時間段的中后期。無氧燃燒階段中后期的激波速度大幅衰減，激發(fā)光輻射頻率隨之下降；但隨著反應(yīng)的持續(xù)，積累的熱量逐漸增加，在第二階段反應(yīng)結(jié)束后，中波紅外的輻射強度也迅速下降。因此認為中波紅外的最大輻射主要在第二反應(yīng)階段發(fā)生。

圖3 典型工況不同波段光輻射測量時程曲線Fig.3 Time-history curves of light radiation in different bands under typical operating conditions

第三階段反應(yīng)中，空氣中的氧與炸藥中的可燃組分Al、H2、C、CO等繼續(xù)充分混合，發(fā)生持續(xù)數(shù)十毫秒量級的有氧燃燒。隨著產(chǎn)物的進一步擴散，反應(yīng)物濃度和壓強下降導(dǎo)致反應(yīng)速率減慢，但此階段仍然釋放出大量能量，延長了反應(yīng)的持續(xù)時間，爆炸火球的溫度會進一步提升。由圖3(c)可知，長波紅外的輻射峰值(圖中C1點處)位于爆炸零時后的24.2ms，正處于爆炸反應(yīng)的第三階段?？梢哉J為長波紅外輻射主要由第三階段反應(yīng)激發(fā)。

2.2 爆炸激發(fā)光輻射的能量轉(zhuǎn)化效率

由于爆炸光輻射瞬態(tài)測量難度大，因此基于能量分析爆炸能量轉(zhuǎn)換為光輻射的效率。

HMX分子式為C4H8N808，是一種典型的負氧平衡炸藥，根據(jù)Le Chatelier方法(假定Al不參加第一階段反應(yīng))，反應(yīng)第一階段生成的爆轟產(chǎn)物主要有CO、H2、N2、H2O、CO2等成分[25-26]，若Al在后兩個階段反應(yīng)完全，則可計算出1.5kg的含鋁炸藥在第一階段反應(yīng)釋放的能量和反應(yīng)過程釋放的總能量分別為4666.5kJ和22089kJ。由于HMX爆炸反應(yīng)速率高，在與氧氣充分混合之前反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，因此無法達到完全氧化的反應(yīng)程度。通常鋁粉的反應(yīng)率為50%～70%，爆熱取7417kJ/kg[23]，則反應(yīng)過程釋放的總能量為11125.5kJ。

為便于進行分析比較，統(tǒng)一能量單位，將可見光光強換算為5.4×1014Hz的單色輻射強度[27]，輻射強度單位是W/Sr，對測量值進行積分計算：

(1)

式中：E為測試頻段內(nèi)光輻射總能量；F為某波段光輻射強度測量值；Ω為爆炸火球光輻射球面角。本研究假設(shè)炸藥爆炸后的反應(yīng)產(chǎn)物形成一個爆炸火球，系統(tǒng)測量到的輻射強度為火球表面的輻射值。

可見光輻射和紅外光輻射的總能量及能量利用率計算結(jié)果見表1。

表1 炸藥爆炸激發(fā)光輻射的能量利用率

注：E為輻射能量；Φ為能量利用率。

含鋁炸藥爆炸產(chǎn)生的可見光及中/長波紅外光最大輻射強度均大于105W/Sr量級，光輻射的總能量利用率為5.91%。其中激發(fā)可見光輻射的能量轉(zhuǎn)化率僅為0.41%，主要原因在于爆轟反應(yīng)階段的能量釋放速率和功率均高，因此要提高可見光輻射強度，提高爆轟反應(yīng)階段的能量釋放及適當降低釋放速率是有效途徑。

作為常規(guī)炸藥的含鋁炸藥爆炸光輻射能量利用率僅為5.91%，遠低于核爆炸利用率的30%量級，主要在于核爆炸時較大能量以熱輻射形式釋放，能夠達到n×107℃的高溫，激發(fā)出更長時間的高強度輻射[25]；而常規(guī)化學(xué)爆炸的溫度為幾千攝氏度量級，持續(xù)時間短，因此導(dǎo)致二者產(chǎn)生光輻射強度及能量利用率的數(shù)量級的差異[28-30]。含鋁炸藥能量轉(zhuǎn)化率與炸藥質(zhì)量、鋁粉含量等影響因素的定量關(guān)系有待于進一步研究。

3 結(jié) 論

(1)含鋁炸藥爆炸激發(fā)的可見光、中波紅外和長波紅外3個頻段的光輻射分別在含鋁炸藥爆炸的3個反應(yīng)階段達到最大峰值，光輻射強度與溫度呈正相關(guān)，激發(fā)的光輻射頻段與不同階段的反應(yīng)機制和釋能特性吻合。

(2)含鋁炸藥爆炸激發(fā)光輻射的能量轉(zhuǎn)化率為5.91%，與核爆炸模式的光輻射轉(zhuǎn)化率存在數(shù)量級上的差異，但通過控制化學(xué)爆炸的反應(yīng)過程，如采用優(yōu)化的含鋁炸藥配方設(shè)計、復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)等技術(shù)途徑，仍可能有較大的提升空間。