蔣澤朋，王伯良，李　席，黃兆亮，葛大慶，林秋漢，詹高澍

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某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸威力特性對比研究

蔣澤朋1，王伯良1，李席1，黃兆亮1，葛大慶1，林秋漢1，詹高澍2

（1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京，210094；2.福建兵工裝備有限公司，福建 三明，366000）

為比較某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸威力特性，通過野外靜爆試驗，對兩種藥劑公斤級爆炸沖擊波參數(shù)和溫度參數(shù)進行了測試，并觀測兩種藥劑公斤級爆炸火球的發(fā)展過程。試驗結果表明：在相同裝藥質量情況下，某固體溫壓藥劑沖擊波峰值超壓、正壓區(qū)沖量均比“什米爾”藥劑的高，正壓作用時間略有下降，其爆炸火球溫度超過2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時間比“什米爾” 分別提高了了2.368倍、1.548倍、3.248倍，且平均最大火球直徑提高48.32%，平均最大火球高度提高49.50%。說明某固體溫壓藥劑爆炸威力超過“什米爾”藥劑。

爆炸力學；固體溫壓藥劑；“什米爾”藥劑；野外靜爆；爆炸威力

一次引爆燃料空氣炸藥（即Single-event FAE，簡稱SEFAE）能簡化武器系統(tǒng)，具有結構簡單、作用可靠性高、受牽連速度和大氣參數(shù)等影響較小、成本低廉、改善武器性能等特點，已成為目前研究的熱點［1-2］。該類藥劑的典型代表為俄羅斯的“什米爾”藥劑，其組分為鎂粉和硝酸異丙酯。由于硝酸異丙酯屬于液態(tài)可燃物，它揮發(fā)性大、滲透性強，因而對彈體的密封性要求極高。目前由于工藝技術等問題，殼體無法做到絕對密封，滲漏等問題嚴重影響彈藥的長貯性、安全性和能量的輸出。固體溫壓藥劑是在SEFAE的基礎上研制出來的，它具有能量高、分布爆炸等傳統(tǒng)高能凝聚相藥劑所不具備的特點，并且具有體積爆炸特征，能形成溫度較高、范圍較大、持續(xù)時間較長的爆炸火球；而且其后燃燒過程所釋放的能量對爆炸沖擊波有很大的加強作用［3］。對于固體溫壓藥劑的爆炸壓力場和溫度場特征，國內的試驗研究均表明其能量輸出較TNT有大幅度提高［4］，而關于“什米爾”藥劑與固體溫壓藥劑爆炸壓力場和溫度場對比分析情況，國內尚未見報道。

本文采用壓力測試系統(tǒng)和光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)對某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸壓力場和溫度場特征進行了比較分析，采用高速攝像技術觀測爆炸火球的發(fā)展過程，為固體溫壓藥劑配方優(yōu)化和戰(zhàn)斗部威力設計提供了一定的參考依據。

1　試 驗

1.1樣品

爆炸威力特性對比試驗的樣品為兩類藥劑中的典型產品。某固體溫壓藥劑組分為一定比例的 Al /RDX/添加劑，試驗裝藥密度為1.90g/cm3，裝藥質量為2.1kg。在裝藥質量相同的情況下，“什米爾”藥劑裝藥密度為 1.06g/cm3。兩種藥劑的試驗測試條件等均相同，二者均進行4發(fā)試驗。

1.2試驗儀器

PCB 113B型壁面壓力傳感器，數(shù)據采集儀型號為TraNET FE208S；高速攝像機型號為Phantom V12，最大分辨率為1 280×800像素，最大拍攝速率1 000 000幀/s；南京理工大學自主研發(fā)的光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)。

1.3試驗條件及場地布置

為避免試驗過程中因沖擊波繞射和爆炸火球受障礙物的阻擋而造成的測量誤差，選擇中等硬度和視野開闊的平坦地面作為靜爆場地，在爆炸沖擊波和爆炸火球瞬態(tài)溫度測量范圍內沒有建筑物、樹木等障礙物的阻擋。試驗方案如圖1所示。

（1） 距爆源在地面投影3m、5m、7m、9m的圓周上，每隔90°各布置4個傳感器，所有測點均位于離開爆炸源的同一徑線上，試驗前進行儀器調試，確保測試系統(tǒng)工作正常；（2） 將試驗戰(zhàn)斗部放置于木質彈架上，戰(zhàn)斗部頭部朝下并垂直于地面，戰(zhàn)斗部質心距地面1.0m，采用8號軍用電雷管引爆；（3）光纖多譜線光譜測溫儀的光纖探頭放置于距離爆心 5.0米、距離地面1.1m處，并做好光纖防護工作；（4）高速攝像機鏡頭對準試驗戰(zhàn)斗部，安放在距爆源安全距離內。

圖1　試驗方案示意圖Fig.1　Schematic of test scheme

2　結果與討論

2.1試驗數(shù)據處理

進行爆炸空氣沖擊波壓力測試時，受傳感器和測試線路等的影響，試驗數(shù)據可能存在一定的偏差，為了更準確對比兩種裝藥爆炸威力情況，最簡單有效的辦法是分析測試得到的沖擊波壓力時程曲線，對波形與典型爆炸空氣沖擊波［5］一致性較好的數(shù)據予以保留并分析求解。

2.2試驗結果對比

藥劑爆炸時產生的空氣沖擊波是評價藥劑爆炸威力的重要指標之一，表征其特征的參數(shù)主要有3個：沖擊波峰值超壓Δp、正壓區(qū)沖量i＋和正壓作用時間t＋。空氣中爆炸沖擊波對目標作用時，對目標的破壞主要取決于峰值超壓Δp和正壓區(qū)沖量i＋［6］。因此，在比較兩藥劑爆炸威力時，應主要比較峰值超壓Δp和正壓區(qū)沖量i＋，將正壓作用時間t＋作為輔助比較對象。各參數(shù)的測試結果見表1（結果為各測點有效數(shù)據的平均值）。

表1　某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑的沖擊波參數(shù)對比Tab.1　Comparison of shockwave parameters for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

固體溫壓藥劑的爆炸過程由3個階段組成。第1階段：最初無氧爆炸反應，主要是炸藥內分子化合物形成氧化還原反應，不需要從周圍空氣中吸取氧氣，此階段僅釋放一部分能量，并產生大量富含能量產物；第2階段：爆炸后無氧燃燒反應，主要是爆轟產物CO2、CO和H2O在高溫高壓條件下與可燃劑（一般為高能鋁粉）的二次反應，該階段尚無外來空氣參與反應；第3階段：爆炸后有氧燃燒反應，需要從周圍空氣中吸取氧氣，主要是爆炸后藥劑中的可燃物質或碎片，如Al、H、CO、C等與空氣中氧氣混合快速燃燒反應，此階段釋放大量能量，延長了高壓沖擊波的持續(xù)時間。這3個階段確定了固體溫壓藥劑的基本性能：前面的無氧爆炸和二次反應使其具有高壓性能和一定的猛炸作用；爆炸后的有氧燃燒反應確定了高熱性能，并對空氣沖擊波又有進一步加強作用。

從表1可以看出：距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m處，某固體溫壓藥劑的沖擊波峰值超壓比“什米爾”藥劑分別提高了 47.32%、41.53%、19.48%和17.18%，正壓區(qū)沖量分別提高了 26.20%、25.31%、17.66%和 17.19%，正壓作用時間略有下降。以上數(shù)據表明，相同裝藥質量時，某固體溫壓藥劑空中爆炸沖擊波參數(shù)遠高于“什米爾”藥劑。

2.3爆炸火球尺寸和溫度

采用光纖多譜線光譜測溫系統(tǒng)測試爆炸火球瞬態(tài)溫度，表2為從測試曲線上的對應點電壓數(shù)據判讀的實際溫度值。采用高速攝像機（試驗時采用的拍攝速率為3 000幀/s）記錄爆炸火球的發(fā)展過程；從高速攝像照片判讀出爆炸后15ms時火球體積最大，最大火球直徑和最大火球高度如表3所示，爆炸火球的典型照片如圖2所示。某固體溫壓藥劑被雷管引爆后，爆轟并形成灼熱且富含能量的顆粒（既包含爆轟中間產物，也包含某些尚未反應的固體溫壓藥劑組分），高溫顆粒從正在破裂的戰(zhàn)斗部殼體裂縫以“射流”的形式高速噴出，與空氣相遇并發(fā)湍流混合（包含多種組分的產物顆粒同環(huán)境大氣的湍流混合）。由于某固體溫壓藥劑是嚴重負氧平衡，顆粒在與空氣混合時發(fā)生后燃反應，強勁的湍流混合使后燃反應具有更高的反應速率并且持續(xù)相當長的時間［7］。

表2　爆炸火球瞬態(tài)最高溫度及在不同溫度的持續(xù)時間Tab.2　The highest instantaneous temperature of the fireball and duration in different high temperature regions

表3　某固體溫壓藥劑和“什米爾”藥劑的爆炸火球尺寸Tab.3　The size of fireball for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

圖2　某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑爆炸火球的對比Fig.2　Contrast of fireball for a solid thermobaric explosive and “Kashmir”

由表2可見，二者爆炸瞬態(tài)最高溫度差別不大；但某固體溫壓藥劑的爆炸火球溫度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時間明顯大于“什米爾” 藥劑。從表3和圖2可以看出，某固體溫壓藥劑的爆炸火球體積明顯優(yōu)于“什米爾” 藥劑的爆炸火球。這是由于后燃反應，使高溫顆粒擴散更加迅速，形成持續(xù)時間更長、體積更大的高溫高壓火球。

2.4討 論

SEFAE的爆炸過程是一種邊拋撒邊反應的過程，由于反應的高速性，藥劑不能與空氣充分混合，導致能量不能完全釋放，是非理想爆轟［8］。因此，其爆炸威力低于相同組分的DEFAE（即Double-event FAE）；為了實現(xiàn)藥劑能量的完全釋放，SEFAE中往往添加了一定比例的助燃劑等成分，這部分物質在增強燃料反應程度的同時，降低了系統(tǒng)的能量。對于某固體溫壓藥劑，由于其是嚴重負氧平衡的，所以其爆炸反應過程與SEFAE類似［9］；戰(zhàn)斗部爆炸時，藥劑在傳爆藥的爆炸作用下飛散到四周，同時藥劑中的高能炸藥組分首先被點火或引爆，發(fā)生劇烈反應產生高溫高壓，從而點燃藥劑中其他組分（主要為高能鋁粉），在擴散中與空氣混合，形成邊飛散邊與空氣中的氧反應的后燃燒過程，進一步提高了爆炸沖擊波參數(shù)和溫度參數(shù)。因此，本試驗中出現(xiàn)了在相同裝藥質量時，某固體溫壓藥劑爆炸威力明顯高于“什米爾”藥劑。該試驗是針對兩類藥劑中的典型產品進行的對比試驗，由于溫壓藥劑的種類較多，不能簡單地說明所有溫壓藥劑的爆炸威力高于“什米爾”藥劑，但是至少證明了該配方固體溫壓藥劑的爆炸威力是明顯優(yōu)于“什米爾”藥劑的。

3　結 論

在相同裝藥質量情況下，通過比較某固體溫壓藥劑與“什米爾”藥劑的爆炸威力特性，可得出如下結論：

（1）距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m處，某固體溫壓藥劑的沖擊波峰值超壓比“什米爾”藥劑分別提高了47.32%、41.53%、19.48%和17.18%；正壓區(qū)沖量分別提高了 26.20%、25.31%、17.66%和17.19%；正壓作用時間略有下降。

（2）某固體溫壓藥劑的平均最大火球直徑和平均最大火球高度比“什米爾”藥劑分別提高了48.32%和 49.50%；某固體溫壓藥劑的爆炸火球溫度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持續(xù)時間比“什米爾”藥劑分別提高了2.368倍、1.548倍、3.248倍。

（3）某固體溫壓藥劑后燃反應所釋放的能量對爆炸威力的貢獻主要是產生持續(xù)時間較長的高溫火球，并延緩了沖擊波幅值的衰減，增加了沖擊波的正壓作用時間，相應提高了藥劑的沖擊波破壞效應，使戰(zhàn)斗部具有更高的威力。固體溫壓藥劑配方設計時設法加強后燃反應，包括利用空氣中的氧，從而提高戰(zhàn)斗部的爆炸威力。

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Comparison Study of Blast Power of A Solid Thermobaric Explosive and "Kashmir"

JIANG Ze-peng1， WANG Bo-liang1， LI Xi1， HUANG Zhao-liang1， GE Da-qing1， LIN Qiu-han1， ZHAN Gao-su2
（ 1. School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing， 210094；2. Fujian Ordnance Equipment Co.Ltd. ， Sanming， 366000 ）

In order to compare the blast power of a solid thermobaric explosive and "Kashmir"， the explosion shock wave and temperature parameters of two types explosives were kilogram-level tested. Results show that when the charge qualities are the same， the peak pressure and the positive phases of a solid thermobaric explosive are increased greatly than that of "Kashmir"，while the positive phase durations of a solid thermobaric explosive are less shorter. The average maximum diameter of fireball is increased by 48.32% higher than that of "Kashmir"， and the average maximum height of fireball is increased by 49.50%. The duration of fireball temperature exceeds 2 800K ， 2 500K and 2 200K are 2.368， 1.548 and 3.248 times as much as that of the "Kashmir". It is proved that the blast power of a solid thermobaric explosive can overtake that of "Kashmir".

Explosion mechanics； Solid thermobaric explosive； "Kashmir"； Field static explosion； Explosive power

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0028-04

2015-07-20

蔣澤朋（1989 -），男，碩士研究生，主要從事爆炸理論及其應用研究。

國家基礎重大專項（00401030502）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目。