新型云爆劑液相組分配方設(shè)計及毀傷威力

宋先釗，江 軍，安高軍，王永旭，崔賽楠，李 斌，解立峰

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院安全工程系，江蘇 南京210094；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍事新能源技術(shù)研究所，北京102300；3. 中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

1 引言

燃料空氣炸藥［1］（fuel air explosive，F(xiàn)AE）是通過爆炸拋撒的方式，將燃料分散到空氣中，與空氣形成爆炸性混合物，在一定條件下使得可燃云霧發(fā)生爆轟達(dá)到毀傷的目的。其具有爆轟體積大、正壓作用時間長等特點，對隱蔽目標(biāo)和軟目標(biāo)毀傷效果好，能夠在較大范圍內(nèi)對人員造成傷害［2］。FAE 一般分為二次引爆型（DEFAE）和一次引爆型（SEFAE）兩種類型［3］。

在過去的幾十年里，國內(nèi)外研究者通過實驗和數(shù)值仿真的手段對其進(jìn)行了廣泛的研究。貴大勇等［4］研究了幾種典型的云爆劑的威力，得到如下典型液態(tài)燃料綜合威力性能排序:正己烷＞1?戊烯＞乙醚＞甲基叔丁基醚＞環(huán)氧丁烷＞乙醇＞環(huán)氧丙烷＞丙酮＞甲醇＞2?硝基丙烷＞硝酸異丙酯＞硝基甲烷。Apparao［5］根據(jù)碳鋼殼體破裂后的形態(tài)和環(huán)氧丙烷燃料液體分散時的形態(tài)，得出55 g 的硝基胍為分散4.3 kg 的環(huán)氧丙烷燃料的最佳中心裝藥質(zhì)量。饒國寧等［6］對液固云爆藥劑爆炸場參數(shù)和威力評價進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明二次云爆藥劑比一次云爆藥劑具有更大的超壓作用效果。此外，部分學(xué)者通過數(shù)值仿真的手段研究了燃料云霧爆炸拋撒特點。比如，賈承志［7］通過數(shù)值模擬的方法對云爆燃料在爆炸拋撒過程中的竄火機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對2 kg 云爆裝置來說，竄火一般發(fā)生于裝置頂部0.01～0.25 m 附近，竄火時間集中在燃料開始分散后1～5 ms。Bang［8］等人通過實驗和數(shù)值計算研究了黏性液體在爆炸力驅(qū)動下的Rayleigh?Taylor不穩(wěn)定性和液體環(huán)初始膨脹半徑。陳婷婷［9］研究了固液混合態(tài)云爆劑的物理穩(wěn)定性，結(jié)果表明，鋁粉含量越低，混合藥劑振動試驗和數(shù)值仿真結(jié)果之間的誤差越小。暢博［10］對二次引爆型云爆武器爆炸拋撒過程和毀傷作用進(jìn)行了詳細(xì)綜述，提出還需增強(qiáng)對燃料的爆炸拋撒過程以及云霧爆轟能量與目標(biāo)耦合的研究。綜上所述，之前的研究主要集中在云爆燃料的爆炸拋撒成霧、爆炸場參數(shù)的測量以及液固云爆藥劑，對于云爆藥劑液相組分來說，仍然以環(huán)氧丙烷、硝酸異丙酯、石油醚等傳統(tǒng)典型液態(tài)燃料為主，對于新型云爆藥劑液相組分的研究較少。此外，傳統(tǒng)典型液態(tài)燃料具有易燃性和強(qiáng)揮發(fā)性等特點，在生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸和使用過程中存在較大的危險性，若能找到較穩(wěn)定的新型液態(tài)燃料，將會效降低這種風(fēng)險。

聚甲氧基二丁基醚［11］、聚甲氧基二甲醚［12］、正丁醇［13］和仲丁醇［14］通常作為汽油或柴油的添加劑，或者作為其替代燃料，此類燃料熱值較高、清潔環(huán)保，并且能提高熱效率和改善內(nèi)燃機(jī)的燃燒性能等特點。然而，目前還沒有將其運(yùn)用于云爆武器的報道。為此，本研究以此類燃料為研究對象，以傳統(tǒng)典型燃料環(huán)氧丙烷為對照，通過外場無約束云爆實驗，得到壓力場及溫度場實驗數(shù)據(jù)，并運(yùn)用PROBIT 方程評價此類燃料的毀傷效果，最后從中挑選出毀傷效果較優(yōu)的燃料。實驗結(jié)果為新型云爆藥劑液相組分的篩選提供參考。

2 實驗部分

2.1 試驗樣品

試驗選用由軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院軍事新能源技術(shù)研究所提供的聚甲氧基二丁基醚（BTPOMn）、聚甲氧基二甲醚（DMM2）、正丁醇（1?butanol）和仲丁醇（2?butyl alcohol）四種燃料作為樣品，與傳統(tǒng)典型液態(tài)燃料環(huán)氧丙烷（PO）比較，其基本理化性質(zhì)見表1［11］。表1數(shù)據(jù)表明，此類燃料熱值介于29～36.07 MJ?kg-1，傳統(tǒng)典型液態(tài)燃料環(huán)氧丙烷的熱值為32.47 MJ?kg-1，而石油醚的熱值為47 MJ?kg-1，該4 種燃料熱值較高。

表1 試驗樣品理化性質(zhì)［11］Table 1 Physical and chemical characteristics of the test samples［11］

2.2 試驗方法和裝置

圖1 展示了容積為1 L 的圓柱形殼體的結(jié)構(gòu)示意圖。殼體和中心裝藥管內(nèi)徑分別為84 mm 和25 mm，高度分別為200 mm 和134 mm，均采用壁厚為3 mm的聚氯乙烯（PVC）材料。

圖1 云爆彈殼體示意圖Fig.1 Diagram of the shell of fuel air explosive（FAE）

圖2 所示為試驗布置圖。試驗樣品體積均為1 L。中心分散藥為18 g RDX 炸藥，二次起爆藥柱為160 g TNT 炸藥，均由8#電雷管引爆，點火延遲時間為40 ms。云爆彈彈體與二次起爆藥柱均距離地面1.25 m，且兩者之間的水平距離為1.5 m。定義彈體投影于地面的幾何中心為爆心，6 個地面超壓傳感器距離爆心的距離分別為1，2，3，4，5 m 和6 m。壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速錄像機(jī)（Fastcam Mini UX100，2000 幀/s）和紅外熱成像儀（FOTRIC A615，30 幀/s）用來記錄實驗過程并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

3 結(jié)果與討論

3.1 燃料分散過程及云霧半徑變化規(guī)律

圖3 幾種燃料云霧分散及爆轟過程Fig.3 Dispersion and detonation process of the cloud with different fuels

高速錄像記錄的各燃料云霧分散最終狀態(tài)及點爆實驗過程如圖3 所示，燃料云霧形態(tài)較規(guī)整，為圓餅狀，其中聚甲氧基二甲醚燃料云霧厚度最大。圖4 為相同時刻下，各燃料云霧直徑隨時間變化曲線圖，得到二次藥柱起爆前云霧直徑大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷＞正丁醇＞仲丁醇＞聚甲氧基二甲醚＞聚甲氧基二丁基醚，且所有燃料的最終云霧直徑在4 m 左右，意味著壓力測試點S1、S2 位于云霧區(qū)內(nèi)，S3、S4、S5、S6 位于云霧區(qū)外。此外，由于云霧爆轟屬于體積爆轟，故對于同種燃料來說，其云霧覆蓋面積越大，對目標(biāo)的毀傷作用越強(qiáng)。二次藥柱起爆后，火焰迅速向前傳播，引燃燃料液滴和空氣組成的爆炸性混合物。從圖3 可以看出，除了聚甲氧基二甲醚燃料有較多燃料未被引燃外，其余燃料均形成較大火球，且在100～130 ms 時，火球直徑出現(xiàn)最大值。較其他三種燃料而言，由于燃燒波未能在聚甲氧基二甲醚燃料云霧中穩(wěn)定傳播，說明聚甲氧基二甲醚的臨界起爆能高于其他燃料。

圖4 幾種燃料云霧直徑?時間變化關(guān)系Fig.4 Curves of diameter?time of the cloud with different fuels

3.2 超壓及沖量變化規(guī)律

聚甲氧基二甲醚的典型壓力?時間曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出，爆轟波具有多峰結(jié)構(gòu)，且云霧區(qū)內(nèi)較云霧區(qū)外該特點更為明顯，這是由于云霧爆轟為非穩(wěn)態(tài)爆轟過程，存在爆轟波的相互碰撞，加之在爆炸拋撒過程中，云霧的濃度分布并不完全均勻，常常表現(xiàn)為內(nèi)部低、外部高，從而導(dǎo)致各燃料組分的反應(yīng)速率不同。此外，爆轟產(chǎn)物的后燃反應(yīng)會導(dǎo)致局部壓縮波的形成［15］，這亦是形成多波峰結(jié)構(gòu)的原因。云霧區(qū)外，爆轟波衰減為沖擊波，壓力波形顯示波后壓力單調(diào)衰減［16］。

圖5 聚甲氧基二甲醚的典型壓力?時間曲線Fig.5 Typical overpressure?time curves of DMM2

5 種燃料的峰值壓力?距離散點圖及沖量?距離散點圖如圖6 所示。圖6a 表明，爆轟波峰值壓力在云霧區(qū)衰減緩慢，在云霧區(qū)邊緣迅速衰減。5 種燃料平均峰值壓力大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷（91.8 kPa）＞聚甲氧基二甲醚（74.0 kPa）＞聚甲氧基二丁基醚（65.9 kPa）＞正丁醇（65.4 kPa）＞仲丁醇（62.8 kPa）。圖6b 表明，5 種燃料平均比沖量大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷（75.6 kPa?s）＞聚甲氧基二甲醚（52.9 kPa?s）＞聚甲氧基二丁基醚（42.4 kPa?s）＞仲丁醇（41.3 kPa?s）＞正丁醇（38.7 kPa?s）。

沖擊波超壓通常作為評價云霧爆轟對于人員的毀傷能力的重要指標(biāo)，故本研究以rˉ= r/3m為橫坐標(biāo)，峰值超壓為縱坐標(biāo)，r 為測點與爆心的距離，m 為燃料質(zhì)量，對5 種燃料峰值超壓數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到峰值超壓隨傳播對比距離的變化規(guī)律:

圖6 5 種燃料的峰值壓力?距離散點圖和沖量?距離散點圖Fig.6 Plot of peak overpressure with different distances and impulse with different distances

比沖量為壓力在時間軸上的積分，反映了沖擊波對目標(biāo)的做功能力，是評價云霧爆轟毀傷能力的重要參數(shù)之一。同理，得到5 種燃料比沖量隨傳播距離的變化規(guī)律如下:

3.3 燃爆速度

圖7 燃燒波傳播示意圖與各燃料燃爆速度?距離變化曲線Fig.7 Schematic diagram of combustion wave propagation and the curves of deflagration velocity vs.distance of five fuels

通過沖擊波到達(dá)地面壓力傳感器的時間差和已知的地面?zhèn)鞲衅骶嚯x二次起爆位置之間的距離，可以計算出沖擊波的速度。圖7 為燃燒波傳播示意圖和各燃料的燃爆速度隨地面?zhèn)鞲衅髋c二次起爆位置之間的距離變化曲線。顯然，所測得沖擊波傳播速度顯著低于CJ 爆轟理論值（pCJ≈2 MPa，DCJ≈1.9 km·s-1）［17］，這是由于圓餅狀的云霧區(qū)未完全貼合地面，沖擊波在空氣中由于發(fā)散作用而迅速衰減。結(jié)果表明，隨著距離的增加，燃爆速度逐漸減小，在5～6 m 時，環(huán)氧丙烷、聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚、正丁醇和仲丁醇的燃爆速度分別衰減了28.6%、21.6%、16.5%、19.6%和20.1%。 環(huán)氧丙烷的云霧區(qū)燃爆速度最快，為518.0 m·s-1；聚甲氧基二丁基醚次之，為498.7 m·s-1；正丁醇傳播速度最慢，為471.7 m·s-1。而平均燃爆速度大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷（430.0 m·s-1）＞聚甲氧基二甲醚（428.0 m·s-1）＞聚甲氧基二丁基醚（423.6 m·s-1）＞仲丁醇（411.7 m·s-1）＞正丁醇（409.7 m·s-1）。

3.4 熱輻射威力

圖8 為各燃料的典型紅外熱像圖。圖9 為各燃料不同時刻下最大火球表面溫度。表2 為各燃料火球表面最高溫度及高溫持續(xù)時間，環(huán)氧丙烷的火球表面最高溫度僅略高于聚甲氧基二甲醚，然而其500 ℃以上的高溫持續(xù)時間顯著大于另外4 種燃料。正丁醇、仲丁醇的火球表面最高溫度高于聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚，這與燃料本身的凈熱值大小規(guī)律保持一致。環(huán)氧丙烷和聚甲氧基二甲醚的1000 ℃以上的高溫持續(xù)時間為40 ms，另外3 種燃料均為80 ms。正丁醇500 ℃以上的高溫持續(xù)時間最長，達(dá)到711 ms，而聚甲氧基二甲醚500 ℃以上的高溫持續(xù)時間最短，僅為113 ms。綜合分析認(rèn)為，正丁醇燃料的持續(xù)熱毀傷效應(yīng)最佳，而聚甲氧基二甲醚的持續(xù)熱毀傷效應(yīng)最差。聚甲氧基二甲醚的高溫持續(xù)時間較短是由于燃燒波未能穩(wěn)定傳播，發(fā)生淬滅，該結(jié)果與前述云霧分散及爆轟過程的高速圖像分析一致。

熱通量準(zhǔn)則、熱劑量準(zhǔn)則、熱通量?熱劑量準(zhǔn)則、熱通量?時間準(zhǔn)則和熱劑量?時間準(zhǔn)則作為常見的熱輻射破壞準(zhǔn)則［18］。而熱劑量準(zhǔn)則更為常用，故本研究選用熱劑量準(zhǔn)則（Q 準(zhǔn)則），根據(jù)Baker 等［19］提出的公式，熱劑量（Q，J·m-2）與爆心到測量點的距離（R，m）的關(guān)系如（11）式所示:

其中，BG 為常數(shù)，其值為20400；M 為燃料質(zhì)量，kg；θ為火焰溫度，K；D 為火球直徑，m；F 為常數(shù)，161.7。

Q 準(zhǔn)則的傷害閾值如表3 所示［20］。圖10 為各燃料熱劑量隨距離分布圖，其值由公式（9）計算。結(jié)合表3 傷害閾值，可以發(fā)現(xiàn)，除了聚甲氧基二甲醚，對于其余燃料，人員在距離火球1 m 處死亡，2 m 處一級燒傷。表3 表明，當(dāng)火球熱輻射值降至4.0 kJ·m-2時，會對人員造成輕微傷害，但不一定會燒傷。直到火球熱輻射值低于1.6 kJ·m-2時，人和環(huán)境都不再受到火球的熱輻射損傷，此時，該區(qū)域被視為無熱輻射損傷的安全區(qū)，其對應(yīng)的半徑為安全半徑，安全半徑越大也意味著熱輻射損傷半徑越大。通過計算得到上述燃料熱輻射損傷半徑大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷（18.9 m）＞仲丁醇（16.6 m）＞正丁醇（16.0 m）＞聚甲氧基二丁基醚（15.6 m）＞聚甲氧基二甲醚（12.0 m）。

圖8 各燃料典型紅外熱像圖片F(xiàn)ig.8 The typical infrared thermal photo

圖9 各燃料不同時刻下最大火球表面溫度Fig.9 The maximum surface temperature of the fireball with different time

表2 幾種燃料火球表面最高溫度及高溫持續(xù)時間Table 2 The maximum surface flame temperature and high?temperature duration of the fireball

表3 熱劑量準(zhǔn)則的傷害閾值Table 3 Damage values of the heat?guide line

3.5 對人和建筑物的毀傷評估

蒸汽云爆炸后，爆炸產(chǎn)生的沖擊波、高溫?zé)彷椛?，以及缺氧造成的窒息作用，是對周圍人員、設(shè)備造成傷害的主要原因［21］。蒸汽云爆炸沖擊波的毀傷效果通常采用TNO 多能模型［22］進(jìn)行計算。通常來說，有兩種毀傷評價標(biāo)準(zhǔn)，其中一種是某些超壓?沖量組合與預(yù)期破壞程度相關(guān)聯(lián)的表［23］，另一種是運(yùn)用PROBIT 方程［24］，將爆炸參數(shù)與遭受一定程度損壞的暴露人口百分比相關(guān)聯(lián)。由于PROBIT 方程廣泛應(yīng)用于毀傷評估，故本研究選用這種方法來確定此類燃料在相同實驗條件下對人和建筑物的毀傷效果［25］。PROBIT 方程的一般形式如（12）式所示:

圖10 熱劑量?距離分布圖Fig.10 Heat energy with different distances

式中，A 和B 為與傷害類型有關(guān)的常數(shù)；F 是傷害程度的函數(shù)（F 可能是超壓（Ps）或者是超壓和沖量的組合）。

表4 和表5 展示了幾組由Fernando［25-26］提出的合適的PROBIT 方程。對參考文獻(xiàn)［22］的R?Y 數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到式（13），該式適用于受影響人口或建筑物的百分?jǐn)?shù)為5%到95%時的R 值。

表4 對人毀傷的PROBIT 方程Table 4 PROBIT equations of explosion damage on humans

表5 爆炸對建筑物的毀傷的PROBIT 方程Table 5 PROBIT equations of explosion damage on buildings

表6 為依據(jù)表4 中所列PROBIT 方程預(yù)估本次實驗爆炸對人的毀傷結(jié)果。結(jié)果表明，在距離爆心1 m處，對于環(huán)氧丙烷、聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚、正丁醇和仲丁醇燃料，分別有84%、67%、66%、65%和65%的人口遭受鼓膜破裂的傷害。然而，表6中的數(shù)據(jù)顯示，在距離爆心1 m 之外，所有燃料均不會造成人員因頭部、全身撞擊和肺出血而死亡。值得注意的是，因頭部和全身撞擊而死亡這兩種類型的損傷都是人體移動撞擊剛性物體而發(fā)生的。

依據(jù)表5 中所列PROBIT 方程預(yù)估本次實驗爆炸對建筑物的毀傷結(jié)果見表7。表7 結(jié)果表明，與對建筑物造成大的損傷（墻體裂縫和部分墻體塌陷）和倒塌相比，對建筑物造成較小的損傷（窗戶破損、門窗框位移和瓷磚位移等）發(fā)生在更遠(yuǎn)的位置，即使在距離爆心6 m 處，環(huán)氧丙烷能造成9%的建筑物遭受這種傷害，而其他4 種新型燃料均能造成3%左右的建筑物遭受這種傷害。在距離爆心1 m 處，正丁醇燃料對建筑物造成大的損傷百分?jǐn)?shù)最大，達(dá)到74%，這說明正丁醇燃料對建筑物的毀傷效果最佳，進(jìn)一步說明丁醇類燃料毀傷效果優(yōu)于聚甲氧基醚類燃料。

表6 爆炸對人員在室外的毀傷后果Table 6 Damage consequence analysis for outdoor humans

4 結(jié)論

為了探索新型燃料在云爆武器上的應(yīng)用，以聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚、正丁醇和仲丁醇為研究對象，以環(huán)氧丙烷為對照，得到如下結(jié)論:

（1）對高速圖像分析得知，燃燒波未能在聚甲氧基二甲醚燃料云霧中穩(wěn)定傳播，發(fā)生淬滅，說明聚甲氧基二甲醚的臨界起爆能+–高于聚甲氧基二丁基醚、正丁醇和仲丁醇。

（2）采用熱劑量準(zhǔn)則分析得到5 種燃料熱輻射損傷半徑大小關(guān)系為:環(huán)氧丙烷（18.9 m）＞仲丁醇（16.6 m）＞正丁醇（16.0 m）＞聚甲氧基二丁基醚（15.6 m）＞聚甲氧基二甲醚（12.0 m）。

表7 爆炸對建筑物的毀傷后果分析Table 7 Damage consequence analysis to buildings

（3）運(yùn)用PROBIT 方程評估燃料對人和建筑物的毀傷效果，總體來看，丁醇類燃料毀傷效果優(yōu)于聚甲氧基醚類燃料，而環(huán)氧丙烷燃料毀傷效果優(yōu)于4 種新型燃料。