復合裝藥密閉空間爆炸能量釋放特性

闞潤哲，聶建新，劉 正，郭學永，焦清介，朱英中，劉 攀

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.重慶紅宇精密工業(yè)集團有限公司，重慶 402760)

引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展和精確制導武器的廣泛運用，出于防護與反偵察等需求，許多國家將重要軍事設施轉(zhuǎn)移到地下等具有堅固防御能力的建筑內(nèi)。對于這一類具有典型艙室結(jié)構(gòu)的目標，例如艦船艙室、地下堡壘等，密閉空間爆炸是最常見也是最為重要的毀傷手段[1-3]。研究有效打擊密閉空間軍事目標的高能炸藥成為提高戰(zhàn)斗部毀傷能力的重要方向和主要趨勢，與研制新型單質(zhì)炸藥和高能燃料相比，利用現(xiàn)有炸藥和金屬燃料進行合理的拓撲結(jié)構(gòu)設計，是實現(xiàn)武器高效毀傷[4]和安全性[5]要求的重要途徑之一。

雙元復合裝藥是指采用兩種炸藥通過內(nèi)外嵌套、上下疊加等方式進行組合的一種裝藥方法，可以有效提高裝藥的爆炸毀傷性能。Spencer[6]和Kuhns[7]分析了雙元裝藥的爆轟特性發(fā)現(xiàn)，采用雙元裝藥能夠明顯提高炸藥爆轟性能。Manfred[8]分析了雙元裝藥的爆轟特性，為裝藥設計提供了理論依據(jù)。Kato等[9]利用高密度炸藥和高爆速炸藥組成的復合裝藥結(jié)構(gòu)，使復合裝藥爆速和壓強明顯提高。Trzciński等[10]和Maiz等[11]對內(nèi)外層結(jié)構(gòu)含鋁裝藥爆炸特性的實驗表明，兩種裝藥結(jié)構(gòu)中鋁粉的反應機制不同，復合裝藥促進了鋁粉的燃燒，增強了沖擊波超壓。Hong等[12]對復合裝藥的沖擊波傳播進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)復合裝藥的沖擊波波形和壓力分布有著明顯改變，內(nèi)外層同時起爆時超壓分布面積最大。英國QinetiQ公司提出了一種多層環(huán)形復合裝藥結(jié)構(gòu)[13]，在密閉爆炸室內(nèi)對兩種不同模式的復合裝藥結(jié)構(gòu)的研究表明，不同起始階段的能量輸出存在差異。

國內(nèi)對于復合裝藥的研究開展相對較晚，但成果豐富。張先鋒等[14]研究發(fā)現(xiàn)復合裝藥中內(nèi)層裝藥會形成明顯的超壓爆轟現(xiàn)象，實際爆轟壓力遠大于C-J爆轟壓力，對于提高炸藥裝藥的能量利用率具有很大的優(yōu)勢。牛余雷等[15-16]對復合裝藥空中爆炸和水中爆炸特性研究表明，復合裝藥空中爆炸沖擊波峰值超壓、炸藥爆炸的火球直徑和持續(xù)時間大幅增加，水中爆炸總能量也得到了提高。周濤等[17]開展了內(nèi)層高爆速炸藥和外層低爆速炸藥的含鋁裝藥的圓筒實驗，研究表明復合炸藥的爆速相比均一裝藥略微降低，但由于其爆轟波具有明顯的內(nèi)聚效應，提高了內(nèi)層裝藥的能量釋放率。李梅等[18]測試了幾種典型高能炸藥的均一裝藥和內(nèi)外層裝藥的沖擊波超壓，提出內(nèi)外層復合裝藥的沖量更大，更有利于提高戰(zhàn)斗部的徑向輸出威力。

綜上所述，盡管目前對復合裝藥的能量釋放參數(shù)已有較多研究，但多集中在空中爆炸能量釋放特性研究方面，缺乏對密閉空間環(huán)境這類重點毀傷目標的研究。此外，在復合裝藥的研究中多以沖擊波超壓進行評價，缺乏對其他參數(shù)尤其是瞬態(tài)溫度的測試，而溫度是密閉空間重要的毀傷元之一。因此本研究利用自研的密閉爆炸實驗裝置對HMX基復合裝藥密閉空間爆炸沖擊波和瞬態(tài)溫度進行了測試，并與相同化學組成的均一裝藥結(jié)構(gòu)進行了對比，研究了復合裝藥密閉空間爆炸能量釋放特性。

1 密閉爆炸實驗

1.1 實驗樣品

實驗樣品的兩種裝藥結(jié)構(gòu)分別為雙元同軸內(nèi)外層復合裝藥結(jié)構(gòu)及其混合均一裝藥結(jié)構(gòu)。復合裝藥結(jié)構(gòu)樣品采用內(nèi)層壓裝成型、外層澆注成型的工藝制備。均一裝藥結(jié)構(gòu)樣品則為澆注成型方式。兩種裝藥樣品配方(質(zhì)量分數(shù))為：HMX，66.7%；AP，4.3%；Al，20%；成型載體，9%。其中，復合裝藥內(nèi)外層質(zhì)量比為1∶2，兩種樣品實驗藥量均為200g。兩種裝藥結(jié)構(gòu)實驗樣品配方及參數(shù)如表1所示，實驗樣品如圖1所示。為了保證樣品充分起爆，每個實驗樣品配備40g JH-14藥柱擴爆藥，并采用11g鈍化RDX藥柱起爆。

表1 實驗樣品成分及參數(shù)

圖1 實驗樣品

1.2 密閉爆炸實驗裝置

實驗用密閉空間爆炸實驗裝置為自制立方體結(jié)構(gòu)，能更好地模擬實際的房屋和艙室結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)尺寸為1.3m×1.3m×1.3m，容積2200L，可以進行1kg當量TNT爆炸實驗，具備準靜態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度測試能力，密閉空間爆炸實驗裝置如圖2所示。實驗時，樣品從上端起爆系統(tǒng)垂直吊入裝置中心，通過布置在管道中的壓力傳感器和安裝在壁面的瞬態(tài)溫度傳感器采集爆炸產(chǎn)生的準靜態(tài)壓力和溫度數(shù)據(jù)。實驗前通過真空泵向裝置內(nèi)壁注氣，對裝置氣密性進行檢測。

實驗用壓力傳感器為美國 PCB 公司113B26 壓力傳感器，傳感器量程為3450MPa，靈敏度為1451mV/MPa，所有壓力傳感器均通過傳感器基座安裝在導管中。通過美國 PCB 公司482C系列4通道信號適調(diào)儀對傳感器信號進行處理并使用德國HBM公司gen7t 28通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對壓力數(shù)據(jù)進行收集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率100MB/s。瞬態(tài)溫度的采集使用美國NANMAC E6型高耐壓侵蝕型快速響應熱電偶，該型熱電偶響應時間可達50μs，最大耐壓172MPa，測溫范圍0～2350℃，可采集密閉爆炸裝置內(nèi)瞬態(tài)溫度變化。瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)收集設備使用領邦眾泰ESC型數(shù)據(jù)采集/信號調(diào)理系統(tǒng)。實驗時溫度和壓力傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 典型壓力時程曲線分析

圖3為自研密閉空間爆炸實驗裝置中炸藥爆炸典型壓力時程曲線。對圖3分析可知，在0～100ms壓力數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)沒有出現(xiàn)壓力的快速下降，能夠較好地維持準靜態(tài)壓力，滿足實驗測試要求。此外，由壓力時程曲線可以看出含鋁炸藥密閉空間準靜態(tài)壓力的變化可大致分為典型的3個階段：

圖3 密閉爆炸實驗典型壓力—時程曲線

第一階段為初始沖擊波及其反射階段。表現(xiàn)為沖擊波在密閉爆炸裝置內(nèi)的不斷反射，導致壓力曲線大幅震蕩，該階段持續(xù)時間為20～30ms。

第二階段為壓力持續(xù)階段。表現(xiàn)為壓力的穩(wěn)定和非線性下降[19]，該階段持續(xù)時間很長，約70～80ms。

第三階段為壓力衰減階段。表現(xiàn)為密閉體系降溫導致壓力的衰減過程[20]，其開始于第二階段結(jié)束。

2.2 沖擊波峰值壓力分析

圖4和表2分別為兩種炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸后由壓力傳感器采集到的壓力—時程曲線和兩組平行實驗沖擊波峰值壓力數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖4 沖擊波壓力—時程曲線

表2 沖擊波峰值壓力實驗結(jié)果

由表2可知，復合裝藥平均沖擊波峰值壓力為0.62MPa，而均一裝藥結(jié)構(gòu)為0.55MPa，兩組實驗所獲得的峰值壓力誤差均在5%以內(nèi)，具有較好的一致性，通過復合裝藥結(jié)構(gòu)可提高沖擊波峰值壓力。此外，在密閉空間內(nèi)沖擊波第二個峰值壓力為0.92MPa，較初始沖擊波峰值壓力提高0.3MPa，表明密閉空間爆炸產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過反射和疊加后得到了增強，之后逐漸趨于穩(wěn)定，圖3中典型壓力時程曲線可以明顯觀察到這一現(xiàn)象。

2.3 準靜態(tài)壓力分析

2.3.1 數(shù)據(jù)處理方法

準靜態(tài)壓力是由于爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體向外擴張膨脹受到密閉空間約束形成的相對穩(wěn)定的壓力。關(guān)于準靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)的處理尚沒有統(tǒng)一和標準的方法，目前國內(nèi)外準靜態(tài)壓力處理方法中，一種是定義處理后的壓力峰值為準靜態(tài)壓力[21-22]，另一種是取用一定時間段內(nèi)的平均壓力表示準靜態(tài)壓力[23-24]，且對于準靜態(tài)壓力時間范圍的選取尚存爭議。

如圖3所示，由于沖擊波在密閉空間內(nèi)不斷產(chǎn)生反射疊加效應，初始階段的壓力峰值呈增長趨勢，但是隨著時間的增加，壓力幅值和波動減弱，壓力在密閉空間內(nèi)分布均勻，形成了一個壓力幅值比反射沖擊載荷峰值小很多的壓力，通過選取一段時間內(nèi)壓力平均值作為準靜態(tài)壓力的方法，更具有參考意義。因此，基于上述分析和實驗所獲得的壓力時程曲線數(shù)據(jù)，本研究選取5～20ms內(nèi)的壓力平均值作為最終的準靜態(tài)壓力，一方面更好地體現(xiàn)了準靜態(tài)壓力的作用結(jié)果，另一方面避免了前期壓力震蕩和后期壓力衰減對準靜態(tài)壓力結(jié)果的影響。

利用相鄰平均法對壓力曲線進行濾波處理，圖5為經(jīng)過處理后的壓力—時程曲線。由圖5可以看出，經(jīng)相鄰平均法降噪處理后的曲線在不改變密閉空間內(nèi)爆炸壓力時程曲線特征的基礎上，能夠更加直觀和精確地判斷準靜態(tài)壓力的大小。

圖5 壓力—時程曲線處理結(jié)果及對比

2.3.2 準靜態(tài)壓力計算與分析

依據(jù)上節(jié)所述數(shù)據(jù)處理方法對兩種樣品的壓力曲線進行處理，選取計算區(qū)間內(nèi)壓力數(shù)據(jù)并獲得其平均值作為準靜態(tài)壓力。為了避免實驗測試系統(tǒng)不確定度以及實驗過程中的操作誤差等因素對測試結(jié)果的影響，對每種裝藥結(jié)構(gòu)進行了兩次密閉空間爆炸實驗，通過實驗誤差判斷實驗結(jié)果的可靠性，并取兩次實驗平均值作為準靜態(tài)壓力。準靜態(tài)壓力實驗結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，不同樣品兩次實驗的準靜態(tài)壓力誤差分別2.56%和3.61%，實驗結(jié)果具有較好的重復性，也證明了準靜態(tài)壓力處理方法的精確性。

表3 準靜態(tài)壓力實驗結(jié)果

為了進一步討論炸藥裝藥結(jié)構(gòu)對準靜態(tài)壓力的影響，對兩種裝藥結(jié)構(gòu)炸藥密閉空間爆炸形成的準靜態(tài)壓力—時程曲線進行平滑處理，并對比其準靜態(tài)壓力大小，如圖6所示。

圖6 準靜態(tài)壓力—時程曲線及處理結(jié)果

由圖6和表3可知，復合裝藥和均一裝藥樣品密閉空間內(nèi)爆炸形成的準靜態(tài)壓力分別為340.96MPa和315.63MPa，復合裝藥結(jié)構(gòu)樣品準靜態(tài)壓力提高了8%，具有更高的準靜態(tài)壓力。其原因是：內(nèi)外層復合裝藥利用其內(nèi)外層裝藥爆速的不同，使內(nèi)層裝藥產(chǎn)生超壓爆轟，外層裝藥爆轟后，部分爆轟產(chǎn)物側(cè)向運動，產(chǎn)生了徑向匯聚作用，增強了對內(nèi)層裝藥的約束。在外層裝藥的約束下，高溫高壓爆轟環(huán)境持續(xù)時間提高，使得參加反應的鋁粉增加，鋁粉燃燒更充分，從而提高了復合裝藥的能量輸出，使得其準靜態(tài)壓力增大。

2.4 密閉空間爆炸溫度分析

本研究使用瞬態(tài)溫度傳感器對兩種裝藥結(jié)構(gòu)炸藥密閉空間爆炸溫度變化進行采集和分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，與均一裝藥結(jié)構(gòu)的峰值溫度745℃相比，復合裝藥的峰值溫度為621℃，低于均一裝藥結(jié)構(gòu)，但是復合裝藥結(jié)構(gòu)能夠維持在此之后的長時間600℃左右的高溫環(huán)境，這是均一裝藥所無法達到的。導致這一現(xiàn)象的原因是：復合裝藥具有內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，外層高爆速炸藥首先爆轟，為內(nèi)層高鋁氧比炸藥提供了高溫環(huán)境，并抑制爆轟產(chǎn)物的膨脹，促進了鋁粉吸熱過程，使得峰值溫度較低。但此后，由于外層裝藥的徑向匯聚作用，使得鋁粉與周圍爆轟產(chǎn)物存在較好的反應，釋放的熱量使得爆炸場的溫度升高，因此其溫度能夠維持較高的水平。

圖7 密閉空間爆炸瞬態(tài)溫度—時程曲線

根據(jù)鋁粒子氣化燃燒方程[25]如式(1)和式(2)對密閉空間爆炸溫度變化趨勢進一步分析：

(1)

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)可知，當鋁顆粒的密度和粒徑不變時，鋁粒子的燃燒率和燃燒速率取決于鋁粒子的燃燒溫度，復合裝藥結(jié)構(gòu)由于外層高爆速炸藥抑制了內(nèi)層爆轟產(chǎn)物的膨脹，為鋁粉與爆轟產(chǎn)物的燃燒提供了長時間的高溫高壓環(huán)境，使得鋁粉燃燒速率提高，燃燒率增加，密閉空間內(nèi)部溫度得以維持較高的水平。

3 結(jié) 論

(1)在相同化學組成下，復合裝藥沖擊波峰值壓力為0.62MPa，比均一裝藥沖擊波峰值壓力0.55MPa提高了12.7%，表明通過復合裝藥結(jié)構(gòu)可提高沖擊波峰值壓力。

(2)相同化學組成的復合裝藥和均一裝藥樣品密閉空間內(nèi)爆炸形成的準靜態(tài)壓力分別為340.96MPa和315.63MPa，不同樣品兩次實驗的準靜態(tài)壓力誤差分別2.56%和3.61%。復合裝藥結(jié)構(gòu)樣品準靜態(tài)壓力比均一裝藥結(jié)構(gòu)樣品提高了8%。采用外層高爆速炸藥、內(nèi)層高鋁氧比炸藥的內(nèi)外層復合裝藥結(jié)構(gòu)能夠提高裝藥能量輸出。

(3)與均一裝藥結(jié)構(gòu)的峰值溫度745℃相比，具有內(nèi)外層復合裝藥結(jié)構(gòu)的樣品密閉空間爆炸峰值溫度下降124℃，為621℃。在此之后，復合結(jié)構(gòu)外層裝藥形成的徑向匯聚作用促進了鋁粉的燃燒，使得復合裝藥結(jié)構(gòu)樣品能夠維持長時間600℃左右的高溫環(huán)境。