TNT爆炸溫度場熱作用規(guī)律實驗研究

鄭勇杰,蘇健軍,姬建榮,嚴家佳

(西安近代化學研究所, 西安 710065)

0 引言

熱是常規(guī)戰(zhàn)斗部的毀傷元之一,其主要作用形式為高溫火球及高溫高速流場。在早期實際使用中,由于戰(zhàn)斗部打擊精度不足,彈目交會時往往超出熱效應作用范圍,難以起到毀傷效果,因此研究人員對爆炸溫度場的熱毀傷效果研究較少。隨著武器精確打擊能力的大幅提升,戰(zhàn)斗部與目標的距離已處于爆炸溫度場的作用范圍,熱對目標的毀傷作用已成為了研究者們關注的熱點,但對熱的毀傷效果和毀傷模式的研究較少,因此研究爆炸溫度場熱效應對于炸藥威力評價和毀傷評估有著重要意義。

針對高溫火球熱效應的研究,前人做了許多的工作。郭學永等[1]運用紅外熱成像儀獲取不同質量的炸藥爆炸火球的表面溫度,分析了溫度場的分布情況,確定了TNT產生不同程度熱毀傷的半徑;李秀麗等[2]采用同樣方法獲得炸藥表面爆炸溫度,分析了一定質量下TNT的高溫持續(xù)時間以及高溫云團膨脹體積;仲倩等[3]根據爆炸火球動態(tài)模型表征參量數據,對爆炸火球變化規(guī)律進行了定量描述,分析了TNT裝藥爆炸火球熱毀傷效應,確定了TNT裝藥火球輻射量;張玉磊等[4]則通過測量TNT炸藥爆炸后的火球表面溫度場,得到了爆炸火球表面最高溫度、持續(xù)時間、火球尺寸和火球溫度變化速率等參數,并分析了火球溫度變化速率的變化原因。姬建榮、王代華等[5-6]開展了基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測試方法研究,提供了高溫流場接觸式測量方法,對于熱毀傷效果評估有重大的價值;張玉磊等[7]采用WRe 5/26熱電偶獲取了長直坑道內不同爆心距和不同質量TNT裝藥的響應溫度-時間曲線,得到了溫度峰值和傳播速度隨距離變化的規(guī)律,分析了裝藥質量對溫度峰值和熱作用持續(xù)時間的影響;金朋剛等[8]在密閉爆炸倉內,測量了TNT 炸藥在不同氣體環(huán)境中爆炸場溫度,發(fā)現實際使用中TNT爆炸反應完全性較低,大量能量未釋放,密閉條件可以提高TNT爆炸能量釋放率。綜上所述,當前對火球熱效應的研究主要集中在自由場火球表面溫度熱效應以及密閉空間內爆炸溫度場熱作用規(guī)律及熱毀傷效果評估研究,針對自由場火球內溫度場熱作用規(guī)律研究還有許多可供完善的空間[9-11]。

為研究TNT在自由場的爆炸溫度場熱作用規(guī)律,開展了不同裝藥質量TNT空中爆炸實驗,采用WRe5/26鎢錸熱電偶溫度傳感器獲取了不同爆心距溫度—時間曲線,分析了不同裝藥量下爆炸溫度場熱毀傷威力場特征及火球內溫度場分布規(guī)律,以期為爆炸場熱毀傷威力場構建和毀傷評估分析提供參考。

1 TNT爆炸溫度場熱作用規(guī)律實驗

1.1 實驗樣品

炸藥樣品為質量1、5和10 kg的TNT炸藥,樣品均為長徑比約1∶1的壓制柱形裸藥,藥柱密度約1.56 g/cm3。藥柱均以壓裝JH-14炸藥為傳爆藥,傳爆藥柱質量為被試樣品的1%,采用8號電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.2 測試設備及實驗布局

實驗采用木質門型吊藥架將TNT樣品爆心布置在垂直地面高1.5 m處,熱電偶溫度測點共5個,安裝高度與裝藥炸高(1.5m)相同。根據實驗裝藥質量的不同,各測點爆心距離不同,如表1所示。

表1 不同裝藥量各測點爆心距Table 1 Measuring point detonation distance with different dosage

爆炸場溫度測試采用絲型的WRe5/26鎢錸熱電偶溫度傳感器,安裝結構如圖1所示。偶絲的直徑為0.2 mm,測溫 0～2 300 ℃,詳細參數見表2,其中t表示實際溫度。同時為了測量精度爆炸火球內溫度,每個相同爆心距的溫度測點都水平放置,電偶絲正對爆心,且每個測點都布置了多個熱電偶,最終測量結果為其測量值取平均。

圖1 熱電偶結構示意圖Fig.1 Thermocouple structure diagram

表2 鎢錸熱電偶參數Table 2 Duration of different temperature intervals

現場布設時為避免距離較近處測試裝置阻擋爆炸產物流動進而影響后方測試結果,不同距離處測點左右錯開30 cm,實驗布局如圖2所示。

圖2 場地布設示意圖Fig.2 Schematic diagram of site layout

2 結果與分析

2.1 響應溫度-時間關系分析

爆炸場熱流介質溫度分布與演化是一個極其復雜的過程,熱介質溫度瞬間變化時間量級可達10-4s級,而熱電偶本身又存在熱慣性,導致其測量結果會往往滯后于流體溫度的變化,所以熱電偶測得的響應溫度并不直接反映熱流質的溫度,而是熱流介質作用于偶絲結構后的溫升值,響應溫度反映了該區(qū)域高速熱流對偶絲結構的熱作用強度,因而常用于衡量爆炸場不同位置的熱作用強度,其主要由熱流介質溫度及其與被加熱熱電偶間的表面?zhèn)鳠嵯禂祪煞矫嬉蛩貨Q定。

熱電偶傳感器測得的1、5和10 kg的TNT響應溫度—時間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出,① 溫度-時間曲線呈單峰形,曲線剛開始陡峭上升,之后上升速率逐漸變小直至為零,曲線到達峰值開始下降,下降速率先增大后減小。而隨著爆心距的增加,曲線上升及下降速率逐漸減小,時程曲線變得相對平緩。這反應了升溫速率與降溫速率的變化,升溫速率初始極高,可達12 000 ℃/s,之后逐漸降低,降溫速率則是先增大后減小,隨著爆心距增大,升溫速率和降溫速率總體呈現減小趨勢。② 炸藥起爆后爆炸產物會和未反應物質的混合物迅速膨脹,同時混合物與空氣中的氧繼續(xù)反應,加快膨脹速度,溫度極快升高,這時升溫速率高,即曲線斜率大。隨著升溫速率與爆炸產物和熱電偶結溫度差成正比,熱電偶結被加熱的過程中溫差逐漸減小,升溫速率隨之減小,曲線斜率減小。③ 圖3(a)和(b)中,1 kg與5 kg TNT分別在1.5 m和2 m的曲線下降部分出現了溫度的波動。出現這種波形的原因是隨著與空氣接觸面積增大,TNT裝藥爆轟產物中的未反應還原性物質與空器中的氧發(fā)生的二次燃燒反應加劇,并持續(xù)釋放出大量熱量,使火球極限尺寸持續(xù)較長時間。

圖3 響應溫度-時間曲線Fig.3 Response temperature time curve

2.2 溫度作用效果

按Baker等人推導的火球最大直徑計算公式[12-13]:

(1)

式中:D為火球最大直徑;M為裝藥質量;T為爆溫?？傻?、5和10 kg TNT的火球最大半徑分別為1.99、3.43和4.15 m。排除誤差,1 kg在2.5 m以外的測點應位于火球外,其他測點可視為都位于火球內部。因此1 kg TNT在爆心距2.5 m之外的測點基本只受到高溫氣流影響,溫度峰值很低,已經接近常溫,不考慮其作用效果。

圖3(b)中5 kg裝藥爆炸后1.5 m處響應溫度持續(xù)時間3.28 s,2.5 m處約為2.51 s,3.5 m處約為1.78 s;圖3(c)中10 kg裝藥爆炸后2.5 m處響應溫度持續(xù)時間2.08 s,3.5 m處約為1.41 s。經過對比發(fā)現1.5 m處1 kg與5 kg裝藥的響應溫度持續(xù)時間可達3.5 m處的1.8倍和3.2倍,這是因為爆轟產物中還原性物質在膨脹過程中與空氣發(fā)生湍流混合和燃燒反應,隨著距離增大,爆轟產物中的還原性物質逐漸被消耗,濃度越來越低;同時隨著爆炸產物的膨脹,爆炸產物內的壓力、溫度迅速減小,當產物溫度下降到一定程度,來不及發(fā)生燃燒反應的剩余可燃物質溫度會低于著火點從而熄火,因此離爆心越近,波形響應時間越長,越往外響應時間的差距越來越小。

進一步分析火球內的響應溫度作用時間,根據前面分析,不計1 kg TNT的測點,表3給出了5 kg和10 kg TNT在爆心距2 m和3 m處測點不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間。

表3 不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間Table 3 Duration of different temperature intervals

由表3可知,5 kg和10 kg兩種質量裝藥在2、2.5 、3、3.5 m處大于50 ℃區(qū)間的持續(xù)時間都比較接近,最大差距為4.8%,在大于100 ℃區(qū)間持續(xù)時間相差最大為7.9%,從大于200 ℃區(qū)間持續(xù)時間相差開始擴大,最大差值可達16.0%,之后大于300 ℃和大于400 ℃的差值變大,達到了43.8%和59.1%,而且在2 m和2.5 m兩處響應溫度在各個區(qū)間的持續(xù)時間基本相同,最大偏差不超過10%。而爆心距從2 m到3.5 m,5 kg各個溫度區(qū)間的變化率為75.4%、72.8%、75.1%、86.3%、100.0%、10 kg各個溫度區(qū)間變化率為74.3%、70.9%、73.6%、80.3%、100.0%,溫度持續(xù)時間的變化率都達到了70%以上,持續(xù)時間都有很大的衰減。

由圖4可以發(fā)現,當爆心距R為2 m時,5 kg和10 kg TNT的溫度持續(xù)時間基本相同,當爆心距R為3.5 m時,5 kg的TNT的持續(xù)時間明顯低于10 kg TNT裝藥的持續(xù)時間,因此,質量對于響應時間的影響隨爆心距的增加而增大,而質量相同時,離爆心越遠,溫度衰減速度越快,響應溫度持續(xù)時間越短,離爆心越近,溫度衰減速度越慢,響應溫度持續(xù)時間越長。

圖4 響應溫度區(qū)間-持續(xù)時間關系曲線Fig.4 Response temperature interval-duration curve

綜上所述,離爆心越遠,爆炸火球內響應溫度作用持續(xù)時間越短,且能發(fā)現溫度區(qū)間取得越大,時間變化率越接近,而裝藥質量的變化主要是影響溫度梯度的分布,對于溫度持續(xù)時間的影響較小,且爆心距越小,不受質量變化影響的溫度區(qū)間越大,裝藥質量變化的影響越小。

2.3 溫度峰值的影響因素分析

不同爆心距測點處的溫度峰值Tp如表4所示。

表4 不同爆心距的溫度峰值Table 4 Temperature peaks at different detonation distances

由表4可知,5 kg和10 kg的TNT裝藥爆炸在2 m處的溫度峰值由214.34 ℃和698.75 ℃分別下降到3.5 m處的33.63 ℃和396.66 ℃,降幅分別為84.31%和43.23%。

炸藥爆炸后,火球陣面向外急速膨脹,與外界冷空氣的交接面越來越大,火球內高溫氣流與外界冷空氣的熱交換速率提高,溫度降低速度加快,而裝藥質量相對更大的炸藥的火球移動速度更快,火球外表面與空氣的接觸時間相對較短,熱交換損失的熱量更小,溫度降低速度相對較低。隨著爆心距的增加,爆炸熱溫度峰值總體呈下降趨勢。在相同爆心距下,裝藥質量越大,各測點的溫度峰值越高。在相同的爆心距變化下,裝藥質量更大的火球在移動相同距離情況溫度峰值的降低的更少,如圖5所示。

圖5 響應溫度峰值-爆心距關系曲線Fig.5 Response temperature peak-detonation center distance relationship curve

3 結論

為研究TNT爆炸溫度場在自由場的熱作用規(guī)律,開展了不同質量TNT裝藥的空中爆炸實驗,獲取了不同爆心距下熱電偶的響應溫度—時間曲線,得到結論如下:

1) TNT空中爆炸后,熱電偶響應溫度—時間曲線呈單峰狀,曲線升溫速率逐漸降低,降溫速率先增后減,下降部分由于未反應顆粒的二次反應燃燒會使得波形出現波動,延長響應溫度持續(xù)時間。1.5 m處5 kg裝藥的響應溫度持續(xù)時間可達3.5 m處的3.2倍。隨著爆心距的增大,曲線的升溫速率和降溫速率都會逐漸降低。

2) TNT在自由場中爆炸時,爆心距會對溫度的持續(xù)時間會有很大的影響,隨著爆心距的增加,持續(xù)時間會逐漸降低。1.5 m處1 kg與5 kg裝藥的響應溫度持續(xù)時間可達3.5 m處的1.8倍和3.2倍,而質量的變化后,不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間作用幾乎沒有發(fā)生變化,2種質量TNT的不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間最大差距不超過10%。

3) 空爆時TNT的質量和爆心距對溫度峰值都有很大的影響。裝藥質量與溫度峰值成正比,爆心距與溫度峰值成反比;相同傳播距離下,裝藥質量越大,峰值下降的幅度越小,5 kg和10 kg的TNT裝藥爆炸場溫度由2 m到3.5 m下降幅度分別為84.31%和43.23%。