李 廷，梁 婷，李江存，孫 航，蔣志剛

（1.陸軍防化學院，北京 陽坊 102205；2.軍事科學院防化研究院，北京 陽坊 102205；3.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081）

1 引言

我軍現役爆炸型催淚彈的裝藥由刺激劑與炸藥混合而成，稱為特種混合炸藥。目前該混裝結構的爆炸型催淚彈難以滿足不同作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)樣式的使用需求，主要表現在對刺激劑熱穩(wěn)定性要求高（現役裝填的刺激劑僅有CS一種）、裝藥結構單一、刺激劑利用效率低且難以評估等問題［1］。薛田［2］通過刺激劑混合炸藥爆速試驗確定了混合炸藥能爆炸的最小比藥量為14%，再應用紅外熱成像技術分別研究混合炸藥和中心藥柱空中爆炸形成的氣溶膠云團，表明中心藥柱爆炸分散時氣溶膠云團低溫范圍廣，刺激劑熱分解明顯減少，云團濃度有大幅度提高，熱性能較差的OC（辣椒素）和CR（二苯并-1，4-氧雜吖庚因）刺激劑在混合炸藥爆炸時熱分解嚴重，不適于混合炸藥爆炸方式分散。針對這種現狀，本文進行了相關基礎技術研究。

爆炸型催淚彈是利用炸藥的能量將裝填在彈體內的刺激劑裝藥直接分散，刺激劑氣溶膠云團是其主要的毀傷元，刺激劑氣溶膠云團形成過程則是爆炸分散效果的直接體現，研究中心裝藥對刺激劑分散的作用，是設計新型催淚彈藥的關鍵環(huán)節(jié)之一，也是提高催淚彈藥效能的重要途徑。由于爆炸分散過程的復雜性，目前工程試驗仍是研究涉及爆炸拋撒武器的主要方法，爆炸分散試驗常用高速運動分析系統(tǒng)、試驗采樣、光學方法等技術手段，研究分散過程的云團范圍、分散速度、云團濃度等參數，但是試驗采樣存在局限性，對于爆炸初期高速瞬態(tài)研究困難較大，光學方法一般用于模擬室內爆炸擴散，受實驗條件和激光強度等制約，不適用于外場試驗中。因化學防暴裝備較為敏感，公開的研究資料較少，尤其是對爆炸作用刺激劑分散的研究較少，但在其它介質材料爆炸分散規(guī)律研究中，國內外學者針對云爆武器等爆炸拋撒研究較為深入。國外已有的文獻主要是研究催淚彈藥的彈體結構設計［3］，刺激劑傷害效應及分析檢測［4-5］。此外，F.Zhang等［6］利用閃光X射線攝影裝置觀測了球形裝藥對固體顆粒的拋撒過程，建立了與試驗現象相符的拋撒云團半徑模型等等。國內，程萬影等［7］采用添加隱形識蹤劑和后期采樣分析的試驗手段，對懸掛在空中兩米處的新型控暴器材進行爆炸分散研究，得到了單發(fā)彈靜爆后形成的威力幅員和作用時間。薛田［2］運用高速攝影系統(tǒng)研究了不同比藥量時混合炸藥空中爆炸分散刺激劑的過程，得出氣溶膠云團直徑和速度變化規(guī)律。張奇等人［8-9］利用高速攝影系統(tǒng)得到了云爆燃料的運動情況和拋撒規(guī)律，并將燃料拋撒過程分為加速階段、減速階段和湍流階段。劉志龍等［10］在爆炸室內對短切碳纖維開展了空中爆炸分散試驗，利用兩臺高速攝像機同時拍攝，獲得了殼體破裂、云團特征，得出云團參數變化規(guī)律及相似律。陸曉霞等［11］采用兩臺高速攝像儀對固定在密閉空間內支架上的液體容器進行爆炸拋撒試驗，討論和分析了殼體約束對早期流場的影響、液體狀態(tài)變化和破裂分散機理，并通過數值模擬對比分析。上述研究中的高速攝影法和裝藥結構均可作為借鑒，但研究過程涉及理論模型分析計算的較少，均忽略了地面約束條件的影響，在無約束空間中爆炸，未對地面爆炸分散的特性進行研究，對地爆和空爆兩種方式下中心裝藥爆炸分散刺激劑的規(guī)律及差異尚未清楚。因此，緊貼爆炸型催淚彈的軍事應用需求，結合其多運用于地爆的實際情況，有必要開展分裝結構在不同方式下爆炸分散刺激劑的規(guī)律研究，為新型催淚彈藥設計和運用提供參考。

為此，本研究基于云爆武器等拋撒燃料的基本原理，提出分裝結構的裝藥方式，即將中心裝藥和刺激劑裝藥各自分裝壓制后再組合的設計方案，利用中心裝藥爆炸作用分散刺激劑形成氣溶膠云團。

表1 試驗樣彈基本參數Table 1 Basic parameters of test sample grenade

2 外場試驗平臺構建

2.1 試驗組成系統(tǒng)與原理

試驗系統(tǒng)主要由試驗原理樣彈、點火系統(tǒng)和高速運動分析系統(tǒng)等組成。試驗過程中，首先將電雷管插入中心裝藥內，通過點火系統(tǒng)激發(fā)雷管起爆，進而引爆中心裝藥，將裝填的刺激劑直接分散。高速運動分析系統(tǒng)與點火系統(tǒng)同步觸發(fā)，在起爆瞬間開始拍攝記錄。

2.2 主要器材與參數設置

試驗采用高速運動分析系統(tǒng)記錄氣溶膠云團的形成過程，高速攝影儀為日本Photron公司生產的FASTCAM SA3型，拍攝最高幅頻為120000幅/s，最低幅頻為50幅/s，拍攝時可以結合爆炸分散過程實際和圖像清晰度要求進行調試，本試驗中采用的拍攝頻率為10000幅/s，分辨率達到512×256，采集到的圖像可以記錄為數據文件，并通過專門軟件進行處理分析。此外還有移動式掩體、起爆控制裝置、風向風速儀、幕布、支架和筆記本電腦等。

圖1 試驗樣彈主要組成部分Fig.1 Main components of test sample grenade

2.3 試驗原理樣彈結構

試驗設計的原理樣彈與現役混裝結構的爆炸型催淚彈不同，采用分裝的裝藥結構，原理樣彈主要組成部分如圖1所示，主要由殼體、刺激劑藥柱、中心炸藥柱等部分組成，選擇常用的CS刺激劑為主裝藥，結合催淚彈的非致命特點，從降低其炸藥配比和減少附帶損傷方面考慮，并參照爆炸型催淚彈相關研究［2］，比藥量選定為14%，殼體為聚乳酸（PLA）材料，厚度為2.3 mm，中心裝藥為鈍化黑索金，雷管為8號電雷管，樣彈其它相關參數見表1。

2.4 試驗場地布設

外場試驗選擇在常溫下氣流比較穩(wěn)定的露天靶場進行，地面為水泥地面。地爆時，將樣彈貼地面垂直放置，高速攝影儀放置在彈體正前方，距離樣彈的安全距離為40 m，調整拍攝角度和位置進行拍攝?？毡瑫r，將樣彈懸掛于距離地面為1.5 m處，高速攝影儀放置在距離樣彈40 m處的正前方，位于同一水平高度。根據經驗，幕布距離樣彈的水平安全距離設置為4.6 m，為增強觀測效果及確定云團范圍，幕布選用藍色，尺寸400 cm×300 cm，分別用黃、白兩種顏色在幕布上標記出長寬為20 cm的單元方格。場地相關設置如圖2所示。

3 試驗結果與分析

采用專門的高速攝影軟件Photron FASTCAM Viewer（PFV）對高速攝影拍攝的視頻圖像進行讀取和處理，試驗圖像數據采用GetData軟件測量，先以幕布格子為基準建立坐標系，然后選取云團邊界點讀取坐標，計算出云團直徑和擴散高度，對3次重復試驗結果求取平均值。通過高速攝影系統(tǒng)實現了在百微秒的時間量級上觀測刺激劑氣溶膠云團的形成過程，重點觀察殼體的解體分散、云團分散范圍、速度變化情況等。

3.1 地面爆炸分散CS刺激劑形成氣溶膠云團的過程

圖3為地爆試驗中樣彈在爆炸驅動載荷作用下的CS刺激劑分散過程，以開始觀測到中心裝藥起爆亮光為0時刻，選取了50 ms內的部分圖像，分幅圖片清晰的反映了CS刺激劑氣溶膠云團的形成過程。

0時刻中心裝藥起爆產生火光，第2幅圖0.1 ms時仍能觀察到爆炸余光，生成的射流從殼體中沿軸向和徑向飛出，此后分散的氣溶膠云團直徑迅速膨脹變大，約在3 ms左右時，云團直徑增長速度明顯變緩，開始進入湍流階段，受氣動阻力和湍流的作用，云團邊緣開始翻滾，云團的顏色越來越白，云團范圍在軸向上有進一步的擴展，使刺激劑顆粒在云團中分布的更加均勻，湍流階段維持一段時間后開始進入擴散階段。氣溶膠云團在形成的過程中，有一些明顯的特征：一是中心裝藥爆炸后出現較亮火光，持續(xù)時間極短，產生的高溫黑色產物一直處于白色云團中心部位，始終與刺激劑云團未均勻混合。二是云團形狀左右不對稱的現象，是受到試驗中風速、空氣阻力和地面條件等因素的影響。三是爆炸初期膨脹階段形成的氣溶膠云團中心厚，外部呈現扁平狀，從云團中心到邊緣，厚度越來越小，產生的原因主要在于中心裝藥爆轟過程中產生的爆轟波，由上向下傳播中出現稀疏波，導致刺激劑藥柱上端顆粒的徑向分散速度小于中部顆粒的徑向速度，刺激劑藥柱上端部的分散距離較近，同時爆炸產物的軸向分散也會帶動頂端部的刺激劑顆粒運動。

圖3 地爆試驗中CS刺激劑分散過程Fig.3 The process of CS irritant agent dispersion in ground burst test

3.2 空中爆炸分散CS刺激劑形成氣溶膠云團的過程

圖4為空爆試驗中樣彈在爆炸驅動載荷作用下的CS刺激劑分散過程圖，選取12張分幅圖片記錄了氣溶膠云團的形成過程。同樣以觀測到中心裝藥起爆亮光為0時刻，0時刻中心裝藥起爆火光亮度比地爆時明顯，此后50 ms內基本都能觀察到爆炸余光，第2幅圖0.1 ms以后的刺激劑云團形成過程同地爆時一樣，同樣經歷射流噴出和云團膨脹階段后，在3 ms左右時，云團直徑不再明顯增大，進入湍流階段，此后為擴散階段。空爆形成的氣溶膠云團特征同地爆基本一致，空爆過程的云團軸向擴展比地爆明顯，云團外形厚度大于地爆，主要原因在于地爆時受地面約束條件的影響，地面對沖擊波的吸收與反射，造成了部分能量損失。

圖4 空爆試驗中CS刺激劑分散過程Fig.4 The dispersion process of CS irritant agent in air explosion test

3.3 地爆和空爆試驗結果的對比分析

中心裝藥起爆后，刺激劑藥柱在沖擊波和爆轟產物的共同作用下破碎、運動形成氣溶膠云團。圖5～圖7分別為地爆和空爆分散試驗中在水平方向的CS刺激劑氣溶膠云團直徑、云團軸向擴散高度和云團徑向分散速度隨時間的變化圖。

圖5 CS氣溶膠云團直徑隨時間變化規(guī)律Fig.5 The variation of CS aerosol cloud diameter with time

圖6 CS氣溶膠云團軸向擴散高度隨時間變化規(guī)律Fig.6 The axial diffusion height of CS aerosol cloud varies with time

根據對云團分散成形特征的分析，結合云團直徑、高度和速度變化曲線圖，發(fā)現地爆和空爆云團直徑和高度變化規(guī)律基本一致，云團直徑隨著時間呈單調遞增趨勢，3 ms左右時云團直徑增長速度明顯變緩，地爆的云團直徑大于空爆，其云團擴散高度小于空爆，10 ms時空爆云團擴散高度約是地爆的4.7倍，10 ms后軸向擴展緩慢，呈平穩(wěn)趨勢。表明了水泥地面接近剛性地面，沖擊波對剛性地面發(fā)生反射疊加，強度提高，影響地爆和空爆的結果差異。地爆和空爆的云團徑向速度總體規(guī)律一致，均呈先增大再減小的趨勢，0.3 ms之前，地爆分散速度小于空爆，0.3 ms之后，地爆分散速度大于空爆，地爆在0.7 ms左右速度達到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右達到最大值1697 m·s-1，之后進入減速階段，空氣阻力占據主導作用，速度迅速下降。

圖7 CS氣溶膠云團徑向速度隨時間變化規(guī)律Fig.7 The radial velocity of CS aerosol cloud varies with time

4 爆炸驅動刺激劑氣溶膠云團運動過程的理論分析與建立模型

試驗研究得出分裝結構爆炸分散刺激劑的過程可以分為加速階段、減速階段、湍流階段和擴散階段。爆炸載荷主要在加速階段驅動刺激劑氣溶膠云團的擴散，加速階段結束時形成具有一定初始速度的刺激劑顆粒在外界作用力下開始減速運動，本文主要從理論方面分析研究加速階段云團徑向運動的速度變化規(guī)律。

在整個爆炸分散過程中，中心藥柱爆轟和殼體解體時間非常短暫，不考慮爆轟過程及沖擊波的傳播與反射，忽略爆轟產物沿裝藥軸向的飛散，可以近似認為高溫高壓爆轟產物的膨脹，推動刺激劑藥柱整體徑向加速運動。由試驗結果可知，云團加速階段湍流不顯著，因此空氣作用力主要是空氣對云團的壓力，起始階段，爆轟產物的驅動壓力pg大于周圍對云團的壓力pe，云團向外做加速運動，驅動力對云團所做的正功與空氣阻力對云團所做的負功之和就是云團所獲得的動能。根據爆轟產物做功過程得出：

式中，下標O表示初始時刻，Vog為中心藥柱體積，Vg為中心藥柱爆轟產物體積，Vop為彈藥體積，Vp為爆轟產物體積Vg和氣溶膠體積Vl之和，單位均為m3；ml為刺激劑總質量，kg；ua為刺激劑顆粒的最大速度，m·s-1。

由多方方程，得出爆轟產物的壓力為：

式中，pog為中心裝藥初始爆壓，Pa；由式（1）和式（2）聯合計算得出刺激劑加速階段的最大速度ua的表達式為：

由于加速階段爆轟產物體積Vg遠大于中心藥柱體積 Vog，則 Vg1-n?Vog

1-n，式（3）可以進一步表示為：

以地面爆炸試驗結果為例，由試驗結果得出加速階段速度最大值為1495 m·s-1，通過讀取地爆時0.7 ms時云團照片的直徑和高度，將云團體積近似處理為圓柱體積，得出Vp為0.35 m3，由試驗彈的基本參數得出，彈藥體積 Vop為 9.9×10-5m3，中心藥柱體積 Vog為6.8×10-6m3，根據文獻［12-13］，針對所使用的鈍化黑索金的含量和裝填密度，選取初始爆壓pog為28.7×109Pa，多方指數n結合實際取近似值3，求解出加速階段速度最大值ua為1444 m·s-1，則理論計算值與試驗值吻合較好。同理，讀取空爆0.3 ms時云團照片數據，計算出Vp為0.28 m3，得出速度最大值ua為1523 m·s-1，和空爆試驗速度最大值1697 m·s-1也比較吻合，表明建立的數學模型有一定的可行性，能較好的描述云團膨脹規(guī)律。理論計算值偏小的主要原因是多方指數的選取問題和模型建立中忽略因素的影響，在爆炸過程中多方指數是在變化的，實際上是一個近似值，計算時取值存在偏大問題，另外機械能守恒方程建立過程中忽略了次要因素影響及試驗值也存在一定的誤差等等。

5 結論

通過外場試驗得到了地爆和空爆分散刺激劑氣溶膠云團的直徑、徑向速度、擴散高度等變化規(guī)律，從試驗結果和理論上分析了分裝結構爆炸分散刺激劑形成氣溶膠云團的過程，并給出描述云團加速階段膨脹規(guī)律的數學模型。主要有以下結論：

（1）試驗表明，在地爆和空爆兩種條件下，分裝結構爆炸分散CS刺激劑的過程均可以分為徑向加速階段、減速階段、湍流階段和擴散階段，加速階段和減速階段決定了云團的范圍、速度等參數，這兩個階段末期的初始云團參數可為后期擴散階段研究提供關鍵初始條件，也可作為預測爆炸型催淚彈有效作用面積及評估威力幅員的重要指標。

（2）試驗表明，相比空中爆炸，總體規(guī)律基本一致，地面爆炸分散云團直徑較大，擴散高度較小，沖擊波對水泥地面發(fā)生反射疊加，強度大大提高，有利于流場和顆粒本身徑向運動的擴散，對貼地面徑向擴散有積極的影響。

（3）在中心裝藥爆炸驅動的過程中，爆炸驅動力和空氣阻力為作用于刺激劑云團的主導作用力，兩者的變化決定徑向速度的變化，地爆和空爆的云團徑向速度規(guī)律一致，均呈先增大再減小的趨勢，地爆在0.7 ms左右速度達到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右達到最大值1697 m·s-1，結合爆炸驅動氣溶膠云團運動過程的理論分析，建立的云團徑向速度數學模型和試驗較為吻合。