云爆藥劑爆炸超壓測試及威力評價*

饒國寧,周 莉,宋述忠,解立峰,李 斌,彭金華

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.北京奧信化工科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100040)

云爆藥劑(FAE)具有爆轟體積大、正壓作用時間長、沖量大等特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)高能炸藥，其爆炸毀傷面積大。就其爆炸超壓場而言，云爆藥劑在云霧區(qū)內(nèi)爆炸沖擊波能量分布均勻，而云霧區(qū)外爆炸沖擊波在空氣中傳播時，沖擊波的超壓值衰減相對較慢[1]。

目前，在炸藥爆炸沖擊波超壓測試時，為避免裝藥彈體爆炸產(chǎn)生的破片擊中并損壞傳感器，通常采用壁面式壓力傳感器采集超壓數(shù)據(jù)，此類型的壓力傳感器與地面平齊，測試得到的超壓數(shù)據(jù)是沿地面運(yùn)動的馬赫波超壓[2]，但這種測試方法所造成的真實(shí)誤差在以往的爆炸物當(dāng)量評估中常被忽略。陳昊等[3]分析了爆炸場中馬赫反射對沖擊波超壓測試的影響，給出了馬赫反射對測試結(jié)果的作用以及爆炸高度對測試結(jié)果的影響。劉慶明等[4]通過分析氣-固-液多相爆轟的特征和壓力波形的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在云霧區(qū)內(nèi)，多相爆轟波壓力波形具有多峰結(jié)構(gòu)，爆炸波峰值超壓及沖量為恒定值，爆轟區(qū)外，爆轟波轉(zhuǎn)變成爆炸沖擊波，峰值壓力和比沖量迅速衰減，并得到了沖擊波峰值超壓及比沖量隨傳播距離變化的規(guī)律。由于云爆藥劑與常規(guī)高能藥劑的爆炸場存在著較大的差異，所以為了對FAE的爆炸威力進(jìn)行有效評估，就需要針對其爆炸場特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

本文中，在相同的無約束實(shí)驗(yàn)條件下對自行研制的一次、二次云爆藥劑及標(biāo)準(zhǔn)梯恩梯(TNT)藥劑進(jìn)行了爆炸超壓測試。通過自由場式與壁面式兩種壓力測試系統(tǒng)，分別獲得空中及地面的爆炸沖擊波參數(shù)，運(yùn)用TNT現(xiàn)場爆炸標(biāo)定法計(jì)算出云爆藥劑的TNT當(dāng)量，有效評估了一次、二次云爆藥劑的爆炸威力；兩種超壓測試系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，通過分析實(shí)測超壓值的不確定度發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中采用的自由場式的測試系統(tǒng)測得的超壓值的不確定度略低于壁面式測試系統(tǒng)測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統(tǒng)應(yīng)用于普通高能炸藥的超壓測試中是一種有效的測試手段。而在FAE爆炸實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)測超壓值的不確定度的分布就表現(xiàn)得較為隨機(jī)。我們認(rèn)為聯(lián)合運(yùn)用兩種超壓測試系統(tǒng)，可有效減小云爆藥劑爆炸沖擊波流場的復(fù)雜性對測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，為云爆藥劑的爆炸場參數(shù)研究和威力評估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品及測試系統(tǒng)

測試炸藥為TNT以及兩種云爆藥劑SEFAE和DEFAE，彈體中的裝藥量均為2 kg。TNT為熔鑄藥柱，長徑比1∶1，密度1.60 g/cm3。SEFAE主要成分是高能炸藥、金屬粉和液體氧化劑，采取一次起爆方式，其中心起爆藥為梯黑藥柱，質(zhì)量80 g；DEFAE主要成分是高能液體燃料，采取傳統(tǒng)的兩次起爆方式，其中心起爆藥是梯黑藥柱，質(zhì)量80 g，二次起爆藥柱是質(zhì)量為200 g的梯黑藥柱。

測試裝置采用高頻響應(yīng)自動化數(shù)字測量系統(tǒng)。超壓測試系統(tǒng)所用的儀器有211B型壓電式石英傳感器、402A型數(shù)據(jù)調(diào)理儀和JV5201數(shù)據(jù)采集儀。

1.2 場地布置

測試條件、測試手段和數(shù)據(jù)處理，都按GJB 5412-2005《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測試及爆炸威力評價方法》進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)中，裝有云爆藥劑的彈體放置于固定高度的支架中心，以彈體的幾何中心位置為爆心，確定所有實(shí)驗(yàn)中的炸高為1.5 m。在壓力測試中，采用兩路壓力平行測試的形式，壓力傳感器布置圖如圖1所示。一路布置在地面，作為壁面式壓力測試系統(tǒng)，由于沖擊波因入射角度不同會產(chǎn)生正規(guī)斜反射和非正規(guī)斜反射(馬赫反射)兩種現(xiàn)象[5-7]，為取得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，本文中根據(jù)藥量選擇了合適的炸高和傳感器布置位置，將地面測試點(diǎn)全部布置于馬赫反射區(qū)內(nèi)，測量到的也就是地面馬赫波的超壓。壓力傳感器的布置依據(jù)參照文獻(xiàn)[8]。

另外，SEFAE、DEFAE具有不同于高能炸藥的云霧爆轟區(qū)：在云霧區(qū)內(nèi)，爆轟波壓力波形具有多峰結(jié)構(gòu)，爆炸波峰值超壓為一恒定值；爆轟區(qū)外，爆轟波轉(zhuǎn)變成爆炸沖擊波，峰值壓力迅速衰減。由云霧爆轟區(qū)半徑公式[9]的計(jì)算得到云爆藥劑的云霧爆轟區(qū)半徑為1.9 m，因此本實(shí)驗(yàn)中傳感器的布設(shè)位置均超出云爆藥劑的爆轟區(qū)，所研究的是云霧爆轟區(qū)外的沖擊波超壓變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 超壓數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)中，采用壁面式與自由場式兩種超壓測試系統(tǒng)進(jìn)行藥劑的爆炸超壓測試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件一致。為減小由于實(shí)驗(yàn)測試儀器問題帶來的試驗(yàn)誤差，采用平行實(shí)驗(yàn)的方式，對每種藥劑進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果進(jìn)行均一化處理。3種藥劑的典型超壓曲線如圖2所示。

圖2中，橙色為TNT超壓曲線，綠色為SEFAE超壓曲線，藍(lán)色為DEFAE超壓曲線。從圖中可以看出，DEFAE有明顯的雙峰特征，對應(yīng)兩次起爆的效果，第1個峰為中心藥劑拋撒燃料時產(chǎn)生的超壓，第2個峰為二次藥柱起爆后燃料二次爆轟產(chǎn)生的超壓。

從圖中可以明顯看出，相同的測試條件下，在3 m處TNT的超壓上升沿時刻要早于SEFAE和DEFAE，這是因?yàn)門NT為凝聚態(tài)炸藥，其能量釋放速率相比其他兩種藥劑要快得多。同時，正因?yàn)槿绱耍琓NT的爆炸超壓在空氣中衰減迅速，所以在相同測量位置，其超壓峰值要比兩種云爆藥劑略小，且正壓作用時間略短。對于DEFAE，從曲線中能看到明顯的雙峰，這正是二次型云爆藥劑的典型超壓特征，由于燃料和空氣充分混合后發(fā)生二次爆轟，其釋放的能量要比SEFAE更大且正壓持續(xù)時間更長。

經(jīng)過處理地面壁面式、空中自由場式的超壓系統(tǒng)的測試值后，分別計(jì)算3種藥劑在不同距離的測試超壓的平均值及相應(yīng)的實(shí)測超壓的不確定度，具體數(shù)據(jù)見表1。

由表1可以看出：壁面式測試系統(tǒng)測得的炸藥爆炸超壓峰值均高于自由場式測試系統(tǒng)的炸藥爆炸超壓峰值，這是由于爆炸沖擊波與地面發(fā)生非規(guī)則反射，除了入射波和反射波外，還存在一個垂直地面的過度壓縮的沖擊波即馬赫波，馬赫波的超壓值相對較高[10-11]；3種藥劑爆炸沖擊波的實(shí)驗(yàn)測試值，不管是壁面式還是自由場式測試系統(tǒng)的實(shí)測超壓值，在距爆心相同位置上TNT的超壓值最小、SEFAE其次、DEFAE最高。

從表1和圖3可以看出，等質(zhì)量的3種藥劑的爆炸沖擊波超壓峰值在相同位置上的關(guān)系為DEFAE最大、SEFAE次之、TNT最小，且爆炸沖擊波在空氣中傳播的衰減率為DEFAE最小、SEFAE次之、TNT最大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋篢NT是典型的點(diǎn)源爆炸，爆炸后球面沖擊波迅速衰減；SEFAE中心起爆時其起爆藥柱首先反應(yīng)，在爆轟后，灼熱的爆炸云團(tuán)在向四周拋撒的同時，爆炸云團(tuán)各組分之間以及爆炸云團(tuán)同環(huán)境空氣之間，還會繼續(xù)進(jìn)行劇烈的快速燃燒反應(yīng)，SEFAE這種邊拋撒邊反應(yīng)的過程使得它具有明顯的體積爆轟特點(diǎn)，但由于反應(yīng)的高速性，燃料不能與空氣充分混合，包含在炸藥中的能量不能完全釋放，因此，在相同位置處測到的超壓均低于DEFAE；DEFAE則是先通過中心藥柱爆炸拋撒主裝藥，形成一個具有一定幾何尺寸的氣溶膠云霧團(tuán)，同時將云爆管散布于云團(tuán)中，經(jīng)預(yù)定時間云爆管二次引爆云霧團(tuán)，形成氣溶膠爆轟，也就是說，DEFAE是整個具有一定體積可燃云團(tuán)的爆轟[9]。

對圖3進(jìn)行進(jìn)一步分析還可以得到：當(dāng)距離為3 m以下時，云爆藥劑的爆炸壓力下降較快，這可能是由于在近場中燃料與空氣介質(zhì)的反應(yīng)沒有達(dá)到平衡。在距離為3m以上時，云爆藥劑超壓的變化則較為平緩，這是由于云爆燃料與空氣反應(yīng)所釋放的能量支持了沖擊波傳播，從而延緩了沖擊波的衰減。

從表1和圖4中可以看出：在TNT的爆炸過程中，超壓測量的不確定度小于FAE超壓測量的不確定度，這是因?yàn)門NT是單質(zhì)炸藥，其組分均一，作用過程明確，受外部環(huán)境條件和實(shí)驗(yàn)操作條件的影響較小，所以爆炸后產(chǎn)生的沖擊波流場較為對稱，一致性較高；此外，通過TNT藥劑的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，離爆心距離越遠(yuǎn)，其不確定度值越小，可知實(shí)驗(yàn)測試裝置對爆炸近場的爆炸超壓峰值測量結(jié)果影響更大，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的震蕩范圍較大。同時，對自由場測試和地面測試方法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，自由場式測試系統(tǒng)測得的超壓值的不確定度略低于地面壁面式測試系統(tǒng)測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統(tǒng)應(yīng)用于普通高能炸藥的超壓測試是一種有效的測試手段[10-11]。

而在云爆藥劑的爆炸實(shí)驗(yàn)中，不論是一次云爆藥劑還是二次云爆藥劑，爆炸超壓峰值的測量結(jié)果隨機(jī)性較大，這是由于云爆藥劑的組分復(fù)雜，同時其爆炸威力受環(huán)境條件影響較大，和TNT的爆炸測試結(jié)果類似，云爆藥劑近場超壓峰值測試結(jié)果的不確定度相比遠(yuǎn)場要大，進(jìn)一步說明遠(yuǎn)場超壓測試的結(jié)果更為可靠。

表1 3種藥劑實(shí)測的超壓數(shù)據(jù)Table 1 Overpressure data of three explosives

2.2 云爆藥劑超壓的TNT當(dāng)量分析

(1)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)(見表1)，利用最小二乘法可分別擬合出地面和空中的超壓公式。

TNT爆炸地面超壓公式為：

(2)

TNT爆炸空中超壓公式為：

(3)

式中：Δp、m、r的單位分別為kPa、kg、m。

由表2可以看出：對于SEFAE，壁面式超壓測試系統(tǒng)得到的TNT當(dāng)量比為2.37，自由場式超壓系統(tǒng)測到的TNT當(dāng)量比為2.10。對于DEFAE，壁面式超壓測試系統(tǒng)得到的TNT當(dāng)量比為3.81，自由場式超壓系統(tǒng)測到的TNT當(dāng)量比為3.55。

表2 兩種云爆藥劑各測點(diǎn)對應(yīng)的TNT當(dāng)量Table 2 Measuring points of FAE corresping to TNT equivalent

分析兩種測試方法計(jì)算的TNT當(dāng)量結(jié)果，可以看出根據(jù)壁面式測試系統(tǒng)所測超壓計(jì)算得到的云爆藥劑的TNT當(dāng)量高于自由場式測試。云爆藥劑屬于體積爆轟，爆轟時燃料邊拋撒邊和空氣反應(yīng)，形成持續(xù)的后燃反應(yīng)，單質(zhì)炸藥則屬于點(diǎn)源爆轟；因此，在單質(zhì)炸藥爆轟形成的沖擊波傳播發(fā)生馬赫反射的測點(diǎn)處，云爆藥劑不一定發(fā)生相同類型的沖擊波反射，所以單純地采用地面反射的方法對云爆藥劑進(jìn)行TNT當(dāng)量計(jì)算可能不夠準(zhǔn)確。相對而言，雖然自由場式超壓測試系統(tǒng)有一定的局限性，如實(shí)驗(yàn)場中自由場式傳感器的布置方式對流場有一定影響，但實(shí)際上可以認(rèn)為自由場式超壓測試系統(tǒng)能直接測得云爆藥劑的靜壓，可以獲得較為準(zhǔn)確的TNT當(dāng)量。云爆藥劑威力評估的主要參數(shù)為超壓和正壓作用時間，其正壓作用時間比普通高能炸藥長，發(fā)生馬赫反射時入射波和反射波的交點(diǎn)被抬升而離開地面，三波點(diǎn)處的各個區(qū)域間相互作用復(fù)雜，馬赫桿是強(qiáng)間斷面而不是爆轟波陣面本身，因此采用壁面式超壓測試系統(tǒng)實(shí)測的波形中的超壓與正壓作用時間并不能真實(shí)地反映爆炸沖擊波本身波形。

由表1可以看出：由于地面存在馬赫反射，所以測試獲得的超壓值相對較高。在GJB 5412-2005《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數(shù)測試及爆炸威力評價方法》中，針對云爆藥劑爆炸沖擊波流場復(fù)雜性的考慮，均利用壁面式超壓測試系統(tǒng)得到馬赫波的超壓值，但是壁面式和自由場式超壓測試系統(tǒng)都有各自特點(diǎn)。我們希望通過以后的實(shí)驗(yàn)研究，將壁面式和自由場式超壓測試系統(tǒng)結(jié)合起來運(yùn)用，設(shè)計(jì)相對合理的實(shí)驗(yàn)場及測試系統(tǒng)，用以減小FAE爆炸沖擊波流場的復(fù)雜性給測試帶來的影響，為云爆藥劑的爆炸場參數(shù)研究和威力評估提供有效的參考。

3 結(jié) 論

(1)從壁面式與自由場式兩種超壓測試系統(tǒng)得到的結(jié)果可以看出，SEFAE和DEFAE的超壓值均高于TNT，具有典型的云霧爆炸場特征，表明SEFAE和DEFAE是優(yōu)于普通高能炸藥的藥劑。

(2)采用TNT現(xiàn)場爆炸標(biāo)定法計(jì)算SEFAE、DEFAE的TNT當(dāng)量：SEFAE壁面式超壓測試法所得的TNT當(dāng)量比為2.37，其自由場式超壓測試得到的TNT當(dāng)量比為2.10；DEFAE壁面式超壓測試法所得的TNT當(dāng)量比為3.81，其自由場式超壓測試得到的TNT當(dāng)量比為3.55。

(3)在測試TNT爆炸實(shí)驗(yàn)中，自由場式測試系統(tǒng)測得超壓值的不確定度略低于壁面式測試系統(tǒng)測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統(tǒng)應(yīng)用于普通高能炸藥的超壓測試中是一種有效的測試手段。而在FAE爆炸實(shí)驗(yàn)中，測量超壓值的不確定度分布就表現(xiàn)得較為隨機(jī)，其原因在于云爆藥劑的爆炸沖擊波流場的復(fù)雜性，云爆藥劑爆炸沖擊波流場不是理想柱對稱的。相對于近場測試超壓值的不確定度，遠(yuǎn)場則相對較小，說明遠(yuǎn)場的超壓測試值的還是具有較高的可信度。

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