典型復合溫壓炸藥爆炸特性試驗研究

陳皓，李文彬，宋平，張玉磊

（1.南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；3.防化研究院，北京 100191）

溫壓炸藥（thermobaric explosive，TBX）是一種利用其爆轟產(chǎn)物的后燃效應提升能量釋放水平并加強爆炸沖擊效應的炸藥［1-2］。同時，溫壓炸藥在釋能過程中還伴隨著顯著的熱效應［3-4］?？傮w而言，溫壓炸藥分為液固相溫壓炸藥和全固相溫壓炸藥，前者一般由高能液體燃料與可燃金屬粉末混合而成，其優(yōu)點是爆炸能量大、工藝簡單，但存在裝填密度低、安定性差以及存儲壽命短等問題。全固相溫壓炸藥一般由高能炸藥、高熱值金屬以及含能聚合物材料按照一定密度混合而成。相比于液固相炸藥，全固相溫壓炸藥具有裝填密度高、安定性好等優(yōu)點。按照裝藥工藝的不同，全固相溫壓炸藥又可分為壓裝溫壓炸藥和澆注溫壓炸藥2 類［5］。隨著反恐戰(zhàn)爭和城市局部戰(zhàn)爭的頻發(fā)，以全固相溫壓炸藥為主裝藥的溫壓彈藥已逐漸成為世界武器領(lǐng)域關(guān)注的焦點之一。

世界各國對于溫壓炸藥的研究主要集中在炸藥配方研制、溫壓炸藥爆轟特性及釋能機理等方面［6-8］。受炸藥組成的影響，溫壓炸藥的能量釋放過程主要分為以下3個階段［9］：1）高能炸藥的快速分解和無氧爆轟反應；2）爆轟產(chǎn)物中的氧化物與金屬顆粒進行劇烈反應；3）爆轟產(chǎn)物中的可燃成分與環(huán)境中空氣發(fā)生燃燒反應。鋁粉含量、顆粒度以及鋁粉活性對溫壓炸藥能量輸出特性具有重要的影響［10-14］。Hahma 等［14］通過試驗研究對比了不同金屬粉末對溫壓炸藥沖擊波超壓的影響規(guī)律。韓勇等［15］對黑索金（RDX）/高氯酸銨（AP）/鋁粉混合而成的溫壓炸藥進行了研究，結(jié)果表明，當其他成分比例固定，鋁粉含量的增加會導致前期爆壓的減小。陳坤等［16］對鋁粉粒徑對HMX 基溫壓炸藥在密閉空間爆炸參數(shù)的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)鋁粉粒徑的增加，反射波超壓和沖量呈先增加后減少的趨勢。

綜上，炸藥組份及配比對溫壓炸藥的爆轟特性和釋能過程有著重要的影響。本文制備了壓裝和澆注2 種不同裝藥類型的全固相溫壓炸藥，并通過靜爆試驗，研究了一定比例距離下2 種炸藥的爆炸特性，并對空氣和地面沖擊波超壓、火球溫度以及直徑等爆轟參數(shù)與TNT炸藥進行了對比。

1 溫壓炸藥爆炸特性試驗設(shè)計

1.1 試驗樣品

為對比不同配比、不同裝藥工藝溫壓炸藥裝藥的自由場爆炸特性參數(shù)，本文制備了HMX 基（H-1）和RDX 基（R-1）2種溫壓炸藥的裸藥柱，其中H-1為壓裝工藝，R-1 為澆注工藝。同時，為對比2 種復合溫壓炸藥裝藥爆炸特性參數(shù)較TNT 單質(zhì)炸藥裝藥的威力提升，本文制備了相同質(zhì)量的TNT 壓制裸藥柱，密度1.59 g/cm3。3種炸藥的詳細參數(shù)見表1。

表1 H-1、R-1和TNT炸藥的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of H-1,R-1 and TNT

1.2 試驗方法

本文共制備了相同質(zhì)量的H-1、R-1和TNT藥柱各一發(fā)，并通過靜爆試驗對比3種炸藥裝藥的爆轟特性參數(shù)。試驗中，使用8#電雷管起爆傳爆藥柱。傳爆藥柱為JH-14 炸藥，質(zhì)量為10 g，約為被試炸藥質(zhì)量的0.5%，長徑比為1.5，能夠完全起爆3種炸藥，且對爆炸輸出效應的增益可以忽略。試驗場地總體布局如圖1。試驗時，將被試樣品豎直放置于木制彈架上，藥柱中心距地面1.0 m。在距爆心一定距離處布設(shè)2條壓力傳感器測線，分別用于測試地面沖擊波和空中沖擊波參量，測點距爆心2.52、3.78、5.04、6.3、8.82、12.6 m處布設(shè)壓力傳感器，每個測試距離布放2個傳感器，總計12路，采用2個測點的平均值作為實驗結(jié)果。其中，用于空中沖擊波測量的傳感器與爆心處于同一水平高度，為避免后置測點測量的沖擊波壓力受前置測點傳感器支架的影響，采用徑向錯開排布的方式布置空中沖擊波壓力測點。同時，沿著藥柱中心同一水平面內(nèi)相互正交的2方向布設(shè)高速動態(tài)分析儀和紅外測溫儀，用于記錄爆炸火球增長過程及表面溫度參數(shù)。圖2（a）和圖2（b）分別為試驗中使用的超壓傳感器、高速及紅外測溫系統(tǒng)。

圖1 試驗布局Fig.1 Test layout

圖2 測試設(shè)備Fig.2 Test equipment

2 溫壓炸藥爆炸特性試驗結(jié)果分析

2.1 地面超壓分布

圖3 分別給出了TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥起爆后，距爆心不同位置處的地面沖擊波超壓隨時間的變化歷程。

圖3 3種炸藥裝藥的地面超壓時程曲線Fig.3 Ground overpressure time history curves of three explosives

由圖3 可知，試驗中得到的超壓波形清晰、穩(wěn)定，具有明顯的壓力上升和下降過程?？傮w而言，隨著沖擊波傳播距離的增大，其波陣面壓力峰值迅速衰減。將3種炸藥裝藥在不同距離處的沖擊波壓力峰值進行對比，如圖4所示。

圖4 地面超壓隨距離的衰減Fig.4 Attenuation of ground overpressure with distance

圖4 位置在距離爆炸中心2.52 m 處，TNT、H-1和R-1 等3 種炸藥裝藥的沖擊波峰值壓力分別為：0.377、0.473、0.494 MPa，2 種溫壓炸藥裝藥的沖擊波壓力峰值較TNT 裝藥分別提高了25.5% 和31.0%。隨著沖擊波傳播距離的增大，在距離爆心2.52～8.2 m 內(nèi)2 種溫壓炸藥裝藥的壓力峰值迅速衰減，但仍高于TNT 炸藥裝藥的壓力峰值，在距離爆心8.2 m 以外，3 種炸藥裝藥的壓力峰值已經(jīng)趨于一致。由此可知，相比與普通高爆炸藥裝藥而言，溫壓炸藥裝藥能夠大幅提升近場的沖擊波力。

根據(jù)超壓試驗數(shù)據(jù)，對TNT 的沖擊波峰值方程中的系數(shù)進行擬合，并在此基礎(chǔ)上參考GJB 5412-2005 中的計算方法，對2 種溫壓炸藥裝藥在不同爆心距處的沖擊波超壓TNT當量進行計算：

式中：a、b、c為常系數(shù)，分別為0.76、2.55、6.5；m為炸藥的沖擊波威力TNT 當量；R為距爆心距離（1 m ≤R≤15 m）；Δp為沖擊波超壓。具體計算結(jié)果如表2。

表2 2種炸藥的地面沖擊波超壓的TNT當量Table 2 TNT equivalent of ground shock wave overpres‐sure for two types of explosives

由表2 中數(shù)據(jù)可知，在2.52 m 處，H-1 和R-1 的沖擊波超壓TNT 當量分別為1.3 和1.37，但隨著距離的增加，R-1的沖擊波超壓TNT當量迅速降低，在爆心12.6 m 處，H-1 和R-1 的沖擊波超壓TNT 當量分別為1.25和1.025。

對圖3 中3 種炸藥裝藥的沖擊波歷程曲線進行積分，能夠得到3 種炸藥裝藥在不同距離處的地面沖擊波沖量。如圖5所示，3種炸藥裝藥在不同距離處的沖擊波沖量變化趨勢與超壓相同。相比之下，以HMX 為基的H-1 炸藥裝藥在相同位置處的沖量更高，在距離起爆中心較遠的位置（5 m以上），R-1與TNT炸藥裝藥的沖量基本一致，而H-1炸藥裝藥在相同位置的沖擊波沖量仍然保持著10%左右的增幅。

圖5 地面沖量隨距離的衰減Fig.5 Attenuation of ground impulse with distance

2.2 空中超壓分布

以上分別對TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥的地面沖擊波超壓進行了對比分析。實際上，布置在地面上的壓力傳感器測的壓力并不是沖擊波陣面的入射壓力，而是經(jīng)過地面反射、疊加后的壓力值，其在數(shù)值上要偏大。本文利用布置于空中的壓力傳感器對3種炸藥裝藥起爆后沖擊波的自由場（空中）超壓進行了測量，超壓波形如圖6 所示。受地面反射作用的影響，空中傳感器測的超壓曲線具有明顯的“雙波峰”。其中第1 個波峰為沖擊波的入射波峰，第2個波峰為地面反射后的反射波峰。因此，第1個波峰的峰值便是沖擊波在自由場中的壓力峰值。

圖6 3種炸藥裝藥的空中超壓時程曲線Fig.6 Time history curve of overpressure in air of three explosives

與地面沖擊波超壓的計算方法相同，根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)對TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥在空氣中的超壓衰減規(guī)律以及TNT 當量分別進行計算。如圖7 所示，在距離爆心2.52 m 處，3 種炸藥裝藥的沖擊波超壓分別為0.202、0.29、0.194 MPa。H-1 的空中沖擊波超壓要明顯高于TNT 和R-1 炸藥裝藥。結(jié)合表3可知，就空中沖擊波壓力而言，在一定比例距離下，R-1 炸藥裝藥的TNT 當量平均值為1.09，在不同位置處的超壓值與TNT 相差不大。而以HMX為基的H-1炸藥裝藥在不同位置處的超壓均明顯高于TNT和R-1炸藥裝藥，其平均TNT當量為1.4。

圖7 空中超壓隨距離的衰減Fig.7 Attenuation of air overpressure with distance

表3 空中沖擊波超壓的TNT當量Table 3 TNT equivalent of air shock wave overpressure

2.3 爆炸火球直徑

圖8（a）～（c）分別為高速運動分析儀記錄的TNT、H-1 和R-1 等3 種裝藥起爆后，爆炸火球的動態(tài)演變過程。由圖8可知，受稀疏波影響，TNT炸藥裝藥起爆后的火球呈現(xiàn)出明顯的蘑菇云形態(tài)，且火球邊緣伴隨著黑色的爆轟產(chǎn)物。而在相同時刻下，2種溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球更加明亮，火球形態(tài)近似呈球形。這表明2種溫壓炸藥裝藥起爆后釋放的能量更大，釋能時間更長。

圖8 爆炸火球演變過程分幅照片F(xiàn)ig.8 Picture of the evolution of explosive fireball

為了對3 種炸藥裝藥起爆后火球直徑作進一步的對比分析，對圖5中的圖像照片進行分析和處理，獲得不同時刻下火球的最大直徑。圖9 為3 種炸藥裝藥起爆后火球最大直徑隨時間的變化關(guān)系。由圖中數(shù)據(jù)可知，2 種溫壓炸藥裝藥起爆后火球演變規(guī)律較TNT 有較大的區(qū)別。從數(shù)值上看，以HMX 高能炸藥裝藥為基的H-1溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑最大值為4.42 m，以RDX 為基的R-1 溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑最大值為4.31 m，而TNT裝藥起爆后形成的最大火球直徑僅為2.93 m，該數(shù)值約為H-1 炸藥裝藥的66.3%，R-1 炸藥裝藥的68%。從火球直徑變化規(guī)律上看，對于溫壓炸藥而言，隨著炸藥釋能的發(fā)展以及鋁粉與空氣、氧化物等在炸藥釋能后期的相互作用，其火球直徑在增長至最大值后并沒有迅速衰減，H-1 炸藥裝藥的最大火球持續(xù)了約14 ms，R-1 炸藥裝藥的最大火球持續(xù)了約16 ms，而TNT 炸藥裝藥的火球在增長至最大后，受稀疏效應影響，其直徑會出現(xiàn)迅速的降低。

圖9 爆炸火球直徑隨時間的變化Fig.9 Change of fireball diameter with time

從圖9 中還可以看出，H-1 炸藥裝藥和R-1 炸藥裝藥起爆后，爆炸火球直徑先變小然后又變大，而TNT炸藥裝藥沒有這一現(xiàn)象。這是因為H-1炸藥和R-1 炸藥配方中加入了大量的鋁粉，炸藥爆轟后，爆轟產(chǎn)物快速膨脹，爆轟產(chǎn)物與空氣混合后，氣體溫度迅速下降，使得火球直徑變小。鋁粉在向外拋撒的過程中與空氣中的氧氣充分混合，在爆轟產(chǎn)物的高溫高壓作用下，鋁粉和未氧化完全的爆轟產(chǎn)物與空氣中的氧氣發(fā)生爆燃和燃燒反應，使得火球直徑再次變大。TNT 炸藥裝藥中未添加鋁粉，因此TNT 炸藥裝藥爆炸火球直徑?jīng)]有這一現(xiàn)象。

2.4 爆炸火球溫度

對溫壓炸藥而言，爆炸火球的溫度以及高溫持續(xù)時間也是評判其性能的重要指標。圖10 為紅外測溫儀記錄的TNT、H-1 和R-1 等3 種裝藥起爆后，火球表面溫度隨時間的變化規(guī)律。

圖10 爆炸火球表面溫度變化Fig.10 Surface temperature change of fireball

由圖10 可知，3 種炸藥裝藥在起爆后形成的火球表面溫度隨時間的發(fā)展呈降低的趨勢。相比之下，鋁粉含量最高的R-1 炸藥裝藥在起爆后火球表面溫度最高，其最大值達到2 873℃；TNT 炸藥裝藥起爆后形成的火球表面溫度最大值為2 131℃；而H-1炸藥裝藥起爆后火球溫度的最大值（2 574℃）雖高于TNT炸藥裝藥，但隨著時間的發(fā)展，2種炸藥裝藥形成的火球表面溫度趨于一致。因為H-1炸藥裝藥中沒有AP 提供氧化劑，鋁粉只能先與主炸藥中的氧成分發(fā)生反應、剩余的鋁粉再與空氣中的氧氣反應，而R-1炸藥裝藥中AP 可以為鋁粉反應提供氧化劑，鋁粉燃燒反應更為充分、快速，對外釋能的熱也較多。同時，從2種炸藥裝藥配方中也可以看出，R-1 炸藥裝藥配方中的Al 粉含量比H-1 炸藥裝藥中鋁粉的含量高5%，鋁粉的增加也在一定程度上使得R-1 炸藥裝藥起爆后火球表面溫度比H-1 炸藥裝藥高。

根據(jù)圖10 中的數(shù)據(jù)，對3 種炸藥裝藥起爆后形成的火球表面最高溫度以及高溫持續(xù)時間進行統(tǒng)計和分析，具體數(shù)據(jù)見表4。由表40 中數(shù)據(jù)可知，R-1炸藥裝藥形成的火球具有最高的表面溫度和高溫持續(xù)時間，其火球表面溫度高于1 000℃的時間長達233.3 ms；而H-1 炸藥裝藥和TNT 炸藥裝藥在對應工況的持續(xù)時間僅為120 ms，較R-1 炸藥裝藥縮短了近1倍。這表明，以R-1為主裝藥的溫壓彈藥能夠?qū)δ繕嗽斐筛L時間的、持續(xù)的殺傷效果。

表4 3種炸藥裝藥火球溫度參數(shù)對比Table 4 Comparison of fireball temperature parameters of three explosives

3 結(jié)論

1)在相同裝藥質(zhì)量下（2 kg），H-1 溫壓炸藥裝藥（HMX/Al/粘結(jié)劑）的沖擊波超壓要高于R-1（RDX/AP/Al/粘結(jié)劑），在距爆心5 m 范圍內(nèi)，H-1炸藥空中沖擊波超壓的平均TNT 當量為1.28；同時，在距爆心12 m 范圍內(nèi)，地面沖擊波超壓的平均TNT 當量為1.4。

2)與TNT 炸藥裝藥相比，H-1 和R-1 這2 種溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑更大。在本試驗條件下，H-1 和R-1 這2 種溫壓炸藥的火球最大直徑約為TNT 的1.5 倍；同時，TNT 炸藥裝藥的火球在達到最大直徑后會迅速衰減，而2 種溫壓炸藥裝藥的最大火球直徑能夠分別持續(xù)14 ms和16 ms。

3)在相同裝藥質(zhì)量下（2 kg），R-1 炸藥裝藥爆炸后形成的火球具有更高的表面溫度。紅外數(shù)據(jù)顯示，R-1 炸藥裝藥形成的火球表面最高溫度為2 873℃，其溫度高于1 000℃的時間長達233.3 ms。