溫壓炸藥爆炸瞬態(tài)高溫測(cè)試技術(shù)研究

馬旭靜，孫 鵬，張駿虎，劉睿辰，王 高

(1.中北大學(xué) 省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.山西江淮重工有限責(zé)任公司，山西 晉城 048026)

0 引言

溫壓炸藥是一種混合燃料炸藥，基于燃燒和爆炸兩種釋能方式產(chǎn)生高強(qiáng)度的熱和長(zhǎng)時(shí)間的壓力，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地下坑道和設(shè)施中具有獨(dú)特的殺傷機(jī)制和優(yōu)勢(shì)[1]，特別是對(duì)隱藏在地下、洞穴和建筑物內(nèi)的敵人，使其因缺氧窒息而死，爆炸形成的高溫火球和爆炸波可以沿廊道傳播并繞過角落進(jìn)入到破片不能到達(dá)的地方，對(duì)敵人有生力量、輕型裝備等有效毀傷。溫壓炸藥的爆炸過程主要分為3個(gè)階段：第一階段是燃料拋撒過程，戰(zhàn)斗部燃料粒子拋撒，釋放出一部分能量和富含燃料的產(chǎn)物，持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)微秒。第二階段是絕熱膨脹過程，燃料粒子(Al粉等)和爆轟產(chǎn)物(CO、NO、H2O等)的無氧燃燒反應(yīng)，持續(xù)時(shí)間為幾百微秒。第三階段是空氣中的氧氣與金屬粒子，燃料和未氧化完全的爆轟產(chǎn)物發(fā)生有氧燃燒反應(yīng)，持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾百毫秒到數(shù)秒[1]。目前，隨著大當(dāng)量戰(zhàn)斗部的研制不斷深入，針對(duì)爆炸場(chǎng)熱毀傷效應(yīng)的測(cè)量與評(píng)估越來越受到人們的重視[2]。

由于溫壓彈爆炸瞬間具有爆炸溫度高、爆炸范圍廣、短時(shí)間溫度劇烈變化等特點(diǎn)，目前對(duì)爆炸場(chǎng)溫度的測(cè)量采用傳統(tǒng)的測(cè)溫方式很難做到精確測(cè)量，國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫壓炸藥的熱毀傷方面的研究相對(duì)較少。南京理工大學(xué)仲倩應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)分析了溫壓藥劑爆炸火球溫度隨時(shí)間變化規(guī)律[3]，許仁翰提出了基于高速成像的爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試方法，建立高速相機(jī)圖像灰度值和爆炸場(chǎng)溫度之間的關(guān)系[4]；Frost等人使用K型熱電偶對(duì)添加金屬鋁顆粒炸藥的火球溫度進(jìn)行了測(cè)量[5]；Goroshin等使用集成光譜儀和三色高溫計(jì)記錄爆炸火球的瞬態(tài)可見輻射，測(cè)得了添加不同金屬粉末炸藥爆炸產(chǎn)生的火球的瞬態(tài)溫度[6]；Hongwei Hu等使用比色溫度計(jì)測(cè)量爆炸火球表面溫度[7]。Lebel等采用鋼管保護(hù)的光纖探針測(cè)量爆炸火球溫度[8]；Hobbs等人使用壓力傳感器和自制紅外輻射溫度計(jì)對(duì)炸藥爆炸早期火球膨脹溫度進(jìn)行了測(cè)量[9]。但是比色溫度計(jì)、高溫計(jì)、光譜儀只能測(cè)得溫度，無法獲得整個(gè)爆炸過程的圖像信息，而且工作波段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度較大。熱電偶、光纖探針以及紅外輻射溫度計(jì)也只能獲得單點(diǎn)的溫度信息，無法獲得整個(gè)溫度場(chǎng)的時(shí)空溫度分布信息。而基于輻射原理的紅外測(cè)溫具有非接觸性、動(dòng)態(tài)范圍大、可測(cè)得瞬態(tài)變化的物體、不改變溫度場(chǎng)分布、可獲得火球圖像信息等優(yōu)點(diǎn)，但是一臺(tái)熱像儀受幀頻限制，所捕獲的圖像信息有限，所以本文提出了兩臺(tái)不同幀頻紅外熱像儀與自制鎢錸熱電偶相結(jié)合的測(cè)試方法，對(duì)處在山洞內(nèi)外的兩發(fā)溫壓彈爆炸形成的火球溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，從不同時(shí)間不同位置獲取了火球不同維度的信息，得到了火球表面溫度的時(shí)空分布，從時(shí)間和空間兩方面擴(kuò)大測(cè)試范圍[10]，對(duì)溫壓彈的爆炸過程進(jìn)行分時(shí)精細(xì)化研究，從而對(duì)其熱毀傷性能評(píng)估做出更全面判斷。同時(shí)，也對(duì)我國(guó)相關(guān)溫壓藥劑毀傷能力測(cè)試以及爆炸反應(yīng)機(jī)理研究具有重要意義。

1 測(cè)溫原理

1.1 紅外熱像儀測(cè)溫原理

自然界中，任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外輻射不同波長(zhǎng)的電磁波，其中波長(zhǎng)處于0.7～1 000 μm范圍的電磁波被定義為紅外線，物體本身溫度越高，其向外輻射紅外線的能力越強(qiáng)。紅外熱像儀是利用被測(cè)目標(biāo)與背景環(huán)境由于溫度和發(fā)射率差異所產(chǎn)生的熱對(duì)比度不同，將紅外輻射能量密度分布轉(zhuǎn)換為可見光顯示出來[11]。其內(nèi)部紅外探測(cè)器不斷讀取成像物鏡上所接收的紅外輻射能量，經(jīng)過電路運(yùn)算放大將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過普朗克定律將能量轉(zhuǎn)化為溫度值，最后通過顯示器顯示成為一幅描繪物體或場(chǎng)景變化的視覺圖像。其測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀輻射原理測(cè)量圖

應(yīng)用紅外熱像儀對(duì)溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的火球進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，其所接收到的有效輻射主要有三部分：目標(biāo)物體輻射、周圍環(huán)境反射到物體的輻射以及大氣輻射。其測(cè)溫物理模型如圖2所示，測(cè)溫基本公式為[12]：

(1)

圖2 紅外熱像儀測(cè)溫物理模型

To′表示熱像儀顯示的輻射溫度，℃；τa代表大氣透射率；ε表示所測(cè)目標(biāo)物發(fā)射率；α表示所測(cè)物吸收率；To為被測(cè)物表面真實(shí)溫度，℃；Tu為環(huán)境溫度，℃。

不同紅外熱像儀其內(nèi)部的紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)度隨波長(zhǎng)的變化是不同的。根據(jù)其變化關(guān)系可將其按照以下函數(shù)進(jìn)行擬合。

f(T)≈CTn

(2)

C是與紅外熱像儀工作波段相關(guān)的常數(shù)，為2.925 9×10-12，n是與探測(cè)器材料和波段相關(guān)的常數(shù)，本次所用3～5 μm的HgCdTe探測(cè)器，n為5.33，將式(2)代入式(1)可獲得目標(biāo)的真實(shí)溫度的表達(dá)式為[11-12]

(3)

影響爆炸火球發(fā)射率的主要因素是未充分燃燒的碳顆粒(炭黑)和其添加的金屬粉等燃燒產(chǎn)生的金屬氧化物。在溫壓彈爆炸瞬間的高溫條件下，炭黑與金屬氧化物可以近似為灰體[13]。結(jié)合文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[12]確定火球在3～5 μm波段的平均發(fā)射率為0.5。

1.2 熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶的測(cè)溫原理是基于材料的塞貝克效應(yīng)(第一熱電效應(yīng))實(shí)現(xiàn)的，其測(cè)溫原理如圖3所示。兩種不同導(dǎo)體A和B串聯(lián)在一起構(gòu)成閉合回路，結(jié)合點(diǎn)1即為測(cè)試端(熱端)，另一端2為參考端(冷端)，當(dāng)熱端放在溫場(chǎng)中測(cè)量時(shí)，兩端存在溫差，就會(huì)在回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)EAB，即

圖3 熱電偶測(cè)溫原理圖

EAB(t1，t2)=EAB(t1)-EAB(t2)

(4)

電動(dòng)勢(shì)的大小是溫差的函數(shù)[14]，溫度測(cè)量測(cè)的是熱端1的熱電勢(shì)，EAB(t1，t2)是熱電偶的熱電勢(shì)。所以只要測(cè)出EAB(t1，t2)和EAB(t2)，便可得到測(cè)試端1的溫度。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與測(cè)試方法

結(jié)合具體的靶場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)紅外熱像儀和熱電偶相結(jié)合的方式對(duì)溫壓炸藥爆炸過程的溫度信息進(jìn)行采集，目的在于獲取爆炸過程中火球不同維度下的時(shí)空分布信息以及外圍一定距離處的溫度場(chǎng)變化信息。為保證在爆炸瞬間采集到溫度信息，紅外熱像儀和熱電偶測(cè)溫裝置均通過同步觸發(fā)裝置控制信號(hào)采集，同步觸發(fā)裝置另一端通過觸發(fā)線連接到爆炸彈體上。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

測(cè)試手段分為兩種，一種是接觸式，使用自制的鎢錸熱電偶定點(diǎn)測(cè)溫。另一種是非接觸式，主要儀器設(shè)備包括兩臺(tái)高速紅外熱像儀，一臺(tái)采用高幀頻拍攝，目的在于捕獲爆炸瞬間的小火球，另一臺(tái)采用低幀頻拍攝，捕獲溫壓彈爆炸的全過程。兩臺(tái)紅外熱像儀參數(shù)設(shè)置如表1所示，鎢錸熱電偶參數(shù)如表2所示。

表1 兩臺(tái)紅外熱像儀參數(shù)設(shè)置

表2 鎢錸熱電偶參數(shù)

為提高溫度采集的可靠性，每組熱電偶測(cè)溫裝置均由偶絲直徑為0.25 mm、0.08 mm的2個(gè)D型鎢錸熱電偶組成，并采用標(biāo)準(zhǔn)鉑銠30-鉑銠6(B型)熱電偶對(duì)其靜態(tài)標(biāo)定，最大誤差為5.2 ℃。其中，偶絲被封裝在剛玉管中并用熱熔膠固定，再將剛玉管封裝在銅制合金保護(hù)管內(nèi)，以增強(qiáng)其抗沖擊和震動(dòng)的能力，保證在有限的試驗(yàn)次數(shù)下采集到更多更有效的溫度數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布局

現(xiàn)場(chǎng)布局如圖4所示，圖4(a)為洞內(nèi)爆炸，圖4(b)為洞外爆炸。溫壓彈放置在木質(zhì)彈架上，距地面高度為1.5 m。兩臺(tái)紅外熱像儀按照布局圖布置，鎢錸熱電偶固定在鋼制基座上，調(diào)節(jié)基座使熱電偶與爆心處在同一個(gè)水平高度，距離爆心3 m，通過補(bǔ)償導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行連接，最后傳輸?shù)诫娔X端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和保存，數(shù)據(jù)采集裝置采樣頻率設(shè)置為1 kHz。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)布局圖

2.3 誤差分析

2.3.1 系統(tǒng)誤差

熱電偶的特性會(huì)隨其成分、微觀結(jié)構(gòu)與殘余應(yīng)力的微小變化，即使型號(hào)相同的熱電偶，其 E-t 關(guān)系也不一致[15]。根據(jù)我國(guó)鎢錸熱電偶絲的國(guó)標(biāo)(GB/T 29823)，W-Re5/26熱電偶，當(dāng)測(cè)溫范圍為0～400 ℃時(shí)，其允差為±4.0 ℃，當(dāng)測(cè)溫范圍為400～2 315 ℃時(shí)，其允差為±1.0%t[16]。當(dāng)被測(cè)溫度很高時(shí)，且熱電偶長(zhǎng)期在含碳?xì)浠衔锏臍夥罩惺褂脮r(shí)，其表面會(huì)因氧化作用而發(fā)生腐蝕，引起劣化，該現(xiàn)象會(huì)改變熱電性能，使熱電性能超過允差，甚至可能導(dǎo)致熱電偶脆化[17]，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果不準(zhǔn)確。由文獻(xiàn)[11]可知，溫壓炸藥爆炸瞬間時(shí)間極短，遠(yuǎn)小于傳感器的使用壽命，因此，可以忽略由劣化現(xiàn)象引起的傳感器測(cè)量誤差。

2.3.2 測(cè)試環(huán)境誤差

溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的火球發(fā)出的紅外輻射在經(jīng)過大氣傳輸?shù)竭_(dá)紅外熱像儀內(nèi)部探測(cè)器的過程中，會(huì)發(fā)生大氣衰減，使紅外熱像儀所探測(cè)到的能量小于溫壓炸藥爆炸火球所輻射出的能量，從而引起誤差。

大氣中有很多不利于紅外輻射傳輸?shù)某煞?，吸收和散射是同時(shí)存在的，其中水汽吸收和二氧化碳吸收較為明顯，其所導(dǎo)致的大氣衰減都遵循朗伯—比爾定律[18]。因此，可以得到大氣的光譜透過率為：

τ(λ)=τa(λ)τs(λ)

(5)

其中：τa(λ)和τs(λ)分別是與吸收和散射有關(guān)的透過率[19]。

因此，采用高精度溫濕度計(jì)和激光測(cè)距儀對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、測(cè)試距離等信息進(jìn)行采集，通過查詢對(duì)應(yīng)光譜范圍的大氣透過率表格來計(jì)算測(cè)試路徑上的大氣透過率，從而對(duì)紅外熱像儀采集到的溫度進(jìn)行校正處理，最終得出爆炸火球表面的實(shí)際溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外熱像儀觀察到的火球演變過程

兩臺(tái)紅外熱像儀記錄了山洞內(nèi)外兩發(fā)溫壓彈爆炸的全過程。圖5和圖6節(jié)選了洞內(nèi)爆炸的火球演變過程，圖7和圖8節(jié)選了洞外爆炸的火球演變過程。

圖5 洞內(nèi)火球演變過程(高幀頻)

圖6 洞內(nèi)火球演變過程(大視場(chǎng))

圖7 洞外火球演變過程(高幀頻)

圖8 洞外火球演變過程(大視場(chǎng))

由圖5和圖6可知，高幀頻機(jī)位捕獲了溫壓炸藥爆炸瞬間的小火球狀態(tài)，可以看出初始小火球呈現(xiàn)球形，亮度分布較均勻，火球的體積先迅速變大后又緩慢變小，演變過程主要分為3個(gè)階段。首先是迅速成長(zhǎng)階段，爆轟瞬間，戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝藥能量釋放，瞬間團(tuán)聚在一起形成小火球，從低幀頻大視場(chǎng)拍攝的結(jié)果來看，由于山洞的空間限制，火球主要被分成了上下兩部分，隨著藥劑的拋撒以及與空氣的混合，進(jìn)入高溫階段，火球逐漸演化形成一個(gè)“草帽狀”的高熱云團(tuán)，其中溫度最高區(qū)域位于“帽頂”位置，此時(shí)火球體積達(dá)到最大，亮度達(dá)到最高，由于此階段火球溫度最高，與環(huán)境對(duì)比明顯，火球具有較為明顯的邊界。從圖5高幀頻拍攝的4和5來看，高亮區(qū)域變小后又變大，說明其具有明顯的后燃反應(yīng)。而后火球體積逐漸變小，四處分散，中心高亮區(qū)域逐漸擴(kuò)散至邊緣，亮度逐漸變暗，最后形成大面積不規(guī)則的燃燒火焰，消失在紅外熱像儀視野范圍中。

由圖7和圖8可知，爆炸初始瞬間，小火球呈現(xiàn)橢球型，由于在洞外開闊地帶爆炸，火球擴(kuò)散沒有受到空間限制，形成一個(gè)大火球，隨著藥劑充分混合，火球呈現(xiàn)出“蘑菇云”狀，熱像儀視野范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)高溫區(qū)。一些區(qū)域先亮后暗又變亮，說明溫壓炸藥具有后燃反應(yīng)，高亮區(qū)域基本處在爆炸火球的幾何中心偏上位置，隨著火球的擴(kuò)散，其高亮區(qū)域逐漸增加，但其占火球總面積逐漸降低，最后形成大面積不規(guī)則燃燒區(qū)域，消失在紅外熱像儀視野范圍中。

3.2 接觸式熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)果

鎢錸熱電偶溫度傳感器共測(cè)得3組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。由于洞外的0.08 mm直徑熱電偶在爆炸過程中被撕裂，沒有輸出完整信號(hào)。

表3 鎢錸熱電偶測(cè)試結(jié)果

3.2.1 洞內(nèi)爆炸溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

偶絲直徑為0.25 mm及0.08 mm的熱電偶輸出信號(hào)如圖9(a)和圖9(b)所示。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和分析，得出0.25 mm直徑的熱電偶在88 ms時(shí)刻達(dá)到最高溫度，為1 760 ℃，1 000 ℃以上持續(xù)時(shí)間約為315 ms。0.08 mm直徑的熱電偶在175 ms時(shí)刻達(dá)到最高溫度，為1 784 ℃，1 000 ℃以上持續(xù)時(shí)間約為339 ms。

圖9 兩種不同直徑熱電偶測(cè)試結(jié)果

3.2.2 洞外爆炸溫度場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

偶絲直徑為0.25 mm的熱電偶輸出信號(hào)如圖10所示。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和分析，得出0.25 mm直徑的熱電偶在158 ms時(shí)刻達(dá)到最高溫度，為1 678 ℃，1 000 ℃以上持續(xù)時(shí)間約為266 ms。

圖10 0.25 mm直徑熱電偶測(cè)試結(jié)果

3.3 爆炸火球的熱毀傷性能評(píng)估

溫壓彈爆炸產(chǎn)生的火球內(nèi)部發(fā)生的傳熱主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種模式，而熱輻射主要發(fā)生在火球外部，對(duì)火球周圍的目標(biāo)有強(qiáng)烈的毀傷作用?；鹎蛑睆匠叽绲拇笮?、燃燒持續(xù)時(shí)間、火球溫度等是分析其熱毀傷效應(yīng)的特征參數(shù)。因此，對(duì)燃燒火球的特征參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試和分析，是建立可靠的燃燒熱輻射毀傷理論的基礎(chǔ)，也是評(píng)估燃燒毀傷效果的前提[20]。

3.3.1 紅外熱像儀測(cè)得的火球溫度數(shù)據(jù)

在紅外熱像儀的軟件中，設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫濕度、能見度、測(cè)試距離和火球表面發(fā)射率等參數(shù)，最終得到修正后火球表面的溫度值。如圖11和圖12為兩發(fā)彈爆炸產(chǎn)生的火球表面最高溫度-時(shí)間曲線圖。表4和表5為兩發(fā)彈兩個(gè)機(jī)位的最高溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表4 洞內(nèi)爆炸最高溫度結(jié)果

表5 洞外爆炸最高溫度結(jié)果

圖11 火球表面最高溫度-時(shí)間圖

圖12 火球表面最高溫度-時(shí)間圖

由圖11(a)和圖11(b)可知，洞內(nèi)爆炸產(chǎn)生的火球表面最高溫度隨時(shí)間變化曲線大致呈倒“U”型，在爆炸瞬間表面溫度極高，首先達(dá)到初始峰值，而后又有一個(gè)短暫的回落過程，由于二次燃燒，溫度再次升高，達(dá)到全程最高溫。結(jié)合溫壓彈爆炸的釋能規(guī)律，爆炸瞬間爆轟產(chǎn)物體積迅速膨脹，火球溫度達(dá)到第一次峰值，隨著爆轟產(chǎn)物與空氣中氧氣的反應(yīng)，其內(nèi)部所添加的高熱值金屬粉在熱作用下活性增加，繼續(xù)燃燒釋放出大量的熱，使得溫度再次升高，達(dá)到爆炸全程最高溫。且由于山洞的空間限制，爆炸產(chǎn)物反應(yīng)更加完全，使得熱效應(yīng)向洞內(nèi)擴(kuò)散。另一方面，沖擊波會(huì)在山洞內(nèi)壁反射向洞內(nèi)傳播，大大增加了溫場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間和作用區(qū)域，對(duì)隱藏在洞內(nèi)的敵人和輕型裝備具有更強(qiáng)烈的毀傷效應(yīng)。

洞外爆炸也具有同樣的變化過程，如圖12(a)和圖12(b)所示。與洞內(nèi)爆炸不同的是，洞外爆炸產(chǎn)生的火球表面最高溫度隨時(shí)間變化曲線大致呈倒“V”型，其火球表面溫度達(dá)到最大值之后下降相對(duì)較快，且通過對(duì)比以上4個(gè)圖，不難看出，洞外爆炸的火球表面最高溫度低于洞內(nèi)爆炸的火球表面最高溫度。這是由于洞外爆炸在開闊地帶，爆轟產(chǎn)物迅速膨脹，與空氣混合后導(dǎo)致溫度下降，降低了后燃反應(yīng)的效率。

3.3.2 溫度場(chǎng)分布

為了更準(zhǔn)確地對(duì)火球的熱毀傷性能進(jìn)行評(píng)估，直觀地觀察到爆炸火球溫度場(chǎng)的分布情況，通過Matlab軟件進(jìn)行圖像分析處理得到了洞內(nèi)外兩發(fā)溫壓彈爆炸瞬間小火球(高幀頻機(jī)位捕獲)和爆炸火球直徑最大(低幀頻機(jī)位捕獲)時(shí)溫度梯度分布的二維等溫線圖和三維溫度分布圖，如圖13所示。

圖13 火球溫度分布圖

由圖13可知，高幀頻捕捉到的兩發(fā)彈第一幀的小火球溫度梯度分布都很均勻，都是中心溫度高，周圍溫度低，基本成等差數(shù)列分布，爆炸瞬間的中心溫度均可達(dá)1 000 ℃以上?；鹎蛑睆阶畲髸r(shí)，溫度分布沒有爆炸瞬間小火球的溫度分布均勻，但中心溫度較高，洞內(nèi)爆炸溫度可達(dá)1 700 ℃以上，洞外爆炸溫度達(dá)1 600 ℃以上。

3.3.3 火球的毀傷直徑、燃燒持續(xù)時(shí)間

爆炸前，通過對(duì)靶場(chǎng)爆炸現(xiàn)場(chǎng)的幾何標(biāo)定，得出實(shí)際視場(chǎng)與紅外熱像儀視場(chǎng)中像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例關(guān)系，并利用軟件處理采集到的火球數(shù)據(jù)，得到了洞內(nèi)和洞外爆炸火球表面溫度≥1 000 ℃的直徑變化曲線，如圖14所示。表6給出了兩發(fā)彈爆炸形成的火球表面不同溫度范圍的溫度場(chǎng)持續(xù)時(shí)間，以進(jìn)一步對(duì)溫壓炸藥的熱毀傷效果進(jìn)行評(píng)估。

表6 不同溫度范圍的持續(xù)時(shí)間

圖14 火球直徑變化曲線

溫壓彈爆炸瞬間形成溫度梯度分布較均勻的小火球，火球直徑較小，隨著爆轟產(chǎn)物與周圍空氣中的氧氣充分混合，直徑呈線性增大。其中，洞內(nèi)爆炸在大約50 ms后火球直徑達(dá)到最大值，約為8.3 m，洞外爆炸在大約40 ms后火球直徑達(dá)到最大值，約為7.7 m。當(dāng)火球直徑最大時(shí)，其表面溫度并沒有達(dá)到最大值，結(jié)合溫壓彈的爆炸機(jī)理，爆炸瞬間不消耗空氣中的氧氣，隨著爆轟產(chǎn)物的擴(kuò)散燃燒，以及戰(zhàn)斗部添加的金屬粉末在一定溫度下燃燒釋放大量熱量，使得火球發(fā)生二次燃燒，溫度值達(dá)到最大。

由表6可知，洞內(nèi)爆炸火球表面最高溫度大于1 800 ℃的持續(xù)時(shí)間為14 ms，而洞外爆炸火球表面最高溫度大于1 800 ℃的持續(xù)時(shí)間為0 ms，洞內(nèi)爆炸火球表面最高溫度大于1 000 ℃的持續(xù)時(shí)間約為洞外爆炸的1.1倍，洞內(nèi)爆炸由于受到山洞內(nèi)壁的限制，壁面反射回的沖擊波加劇了湍流燃燒程度，產(chǎn)物中未被氧化的金屬粉末在高溫下又與空氣中的氧氣反應(yīng)，從而加劇了后燃效應(yīng)，使得高溫時(shí)間持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，二次峰值大，火球直徑衰減速度比洞外爆炸慢。而洞外爆炸由于爆轟產(chǎn)物體積迅速膨脹，距離爆心位置越遠(yuǎn)，對(duì)周圍環(huán)境和空氣做功越多，溫度下降越快，火球直徑的衰減速度也就越快。

3.3.4 爆炸溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

表7給出了接觸式和非接觸式測(cè)得的火球最高溫度。其中，洞內(nèi)爆炸最大偏差為5.1%，洞外爆炸最大偏差為5.8%。由于溫壓炸藥爆炸溫度上升快，熱電偶距離爆心有一定距離，測(cè)得的溫度較紅外熱像儀測(cè)得的低一些。并且，洞外爆炸最高溫度低于洞內(nèi)爆炸。

表7 爆炸溫度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)束語

針對(duì)溫壓炸藥爆炸場(chǎng)溫度變化劇烈、持續(xù)時(shí)間短、測(cè)量難度大、且難以測(cè)到爆炸瞬間火球溫度分布的問題，提出了一種接觸式與非接觸式測(cè)溫混合測(cè)試方法。兩臺(tái)紅外熱像儀采用高低幀頻結(jié)合拍攝，分別從不同位置獲取了火球不同時(shí)間不同維度的信息，從時(shí)間和空間兩方面擴(kuò)大了測(cè)試范圍，對(duì)溫壓炸藥爆炸過程進(jìn)行了精細(xì)化研究，實(shí)現(xiàn)了爆炸溫度變化全過程的高幀頻、高分辨率完整記錄，彌補(bǔ)了在爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試中分辨率和幀頻相互制約的缺陷。

1)研究了山洞內(nèi)外兩發(fā)溫壓彈爆炸的溫度場(chǎng)分布以及熱效應(yīng)相關(guān)參數(shù)，利用MATLAB繪制了二維等溫線圖和三維溫度分布圖，并繪制了火球直徑變化曲線。洞內(nèi)爆炸形成的火球，最高溫度可達(dá)1 800 ℃以上，火球最大直徑約為8.3 m，1 000 ℃以上持續(xù)時(shí)間大于310 ms；洞外爆炸最高溫度可達(dá)1 700 ℃以上，火球最大直徑約為7.7 m，1 000 ℃以上持續(xù)時(shí)間大于260 ms。

2)洞內(nèi)外溫壓彈爆炸最高溫度測(cè)試結(jié)果的最大偏差分別為5.1%和5.8%，平均偏差為5.45%，處于一定合理的范圍內(nèi)，可以滿足爆炸場(chǎng)測(cè)試需求。