徐光澤，張 良，張興高，蓋希強，馬士洲，楊 林

（軍事科學院防化研究院，北京 102205）

1 引言

現代軍事科技日新月異，從集束火箭、火炮等［1］傳統(tǒng)燃燒武器到燃料空氣彈藥-溫壓彈藥、云爆彈藥等為代表的典型現代燃燒武器［2］，均可在短時間內造成大規(guī)模殺傷［3］。近年來，已有國外在軍事行動中使用的相關報道，可見燃燒武器在各國的武器裝備中仍占據重要地位［4-6］。燃燒武器在戰(zhàn)爭中的作用不僅體現在對重要易燃目標的毀傷，而且在近戰(zhàn)攻堅、制造火障、戰(zhàn)略轟炸等方面也能發(fā)揮出獨特的效能［7］。此外，工業(yè)安全領域中常見的燃料泄露安全事故造成的燃燒毀傷后果也是當前人們關注的焦點。但近年來國內外有關燃燒毀傷技術的系統(tǒng)梳理未見報道。燃燒劑配方設計存在理論指導不夠，依賴經驗和試錯，燃燒熱輻射毀傷理論尚未形成統(tǒng)一認識，燃燒毀傷評估體系尚不完備。鑒于此，本文對燃燒武器和含能材料所涉及的燃燒毀傷技術進行了總結，主要圍繞國內外燃燒劑配方設計和應用、燃燒熱輻射毀傷理論與技術和燃燒毀傷評估技術這三個方面展開論述。在此基礎上，分析了燃燒毀傷技術新趨勢和有待深入系統(tǒng)研究的熱點難點問題，為進一步完善燃燒毀傷理論和推動燃燒毀傷技術創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

2 燃燒劑配方設計和應用研究進展

燃燒毀傷主要是依靠燃燒劑形成縱火粒子或者燃爆火種對典型目標進行熱毀傷來完成的，燃燒劑是實現燃燒毀傷效應的能量來源，是燃燒武器實現縱火毀傷的關鍵核心技術之一。目前，國內外學者主要圍繞著燃燒劑配方設計技術、燃燒劑在武器裝備上的應用兩個方面開展了大量研究工作。

2.1 燃燒劑配方設計

當今國內外常用燃燒劑包括油基燃燒劑、金屬燃燒劑、煙火燃燒劑和自燃燃燒劑，常用燃燒劑的性能如表1 所示。

表1 常用燃燒劑的性能［8-10］Table 1 Performance of common incendiary agents［8-10］

燃燒劑配方決定了最終形成的熱毀傷元的威力大小。燃燒溫度、燃燒熱、火焰大小、灼熱熔渣量和燃燒速度等是燃燒劑性能的特征參數，燃燒劑的速燃性、自燃性、持久性和多效性對燃燒劑的能量效率有重要影響［11］。燃燒劑配方設計源于實際應用中對材料性能的要求。以稀土金屬燃燒劑為例，為提高彈藥引燃和貫穿目標的能力，應要求燃燒劑在燃燒溫度、熱值、安定性和發(fā)火點等方面具有優(yōu)越性能［9，12］；制備技術是影響燃燒劑配方設計能否在實際中應用的關鍵因素，張晗亮等［13］將高分子樹脂與燃燒熱值高的活性金屬粉末鋯、鎂、鈦、鋁等按照一定比例混合，通過聚合反應形成活性金屬燃燒劑。綜上可以發(fā)現，鋯、鎂等金屬由于自身具有較好的燃燒性能，廣泛應用于金屬燃燒劑配方中，但針對不敏感彈藥的高安全性需求，應加強配方制備方法的研究，提高配方的實用性和安全性。

對燃燒劑配方性能參數的理論分析與計算是預測配方性能的重要方法。國外學者建立了能夠預測煙火藥燃速的降階模型和模擬BKNO3與高氯酸鋯鉀（ZPP）燃燒的模型［14-15］，通過對煙火藥劑燃燒過程的熱力學計算可預測不同組成配比的燃燒劑燃燒特性［16］，理論分析可確定燃燒劑的化學成分最佳質量配比，并能獲得其最高熱釋放量［17］。Yagodnikov 等［18］基于燃燒實驗計算了二硼化鋁在空氣中燃燒的熱力學參數，結果發(fā)現納米級二硼化鋁比微米級二硼化鋁燃燒效率提高5%～20%。上述研究主要圍繞燃燒劑配方的燃燒性能參數變化規(guī)律的預測展開，并沒有將理論計算方法應用到配方設計全過程。

燃燒劑配方中組分及配比對燃燒劑性能的影響規(guī)律是當前研究熱點之一。呂建軍等［19］研究了彈用燃燒合金粉末性能與海綿鋯中鐵含量的關系，結果表明鐵含量直接影響燃燒合金粉末的形貌、制備難易程度和利用率，鐵含量越高，燃燒合金越不易破碎成所需的顆粒；鐵含量較低時，燃燒合金容易破碎且顆粒形貌呈海綿狀，制備的燃燒合金產品表面光潔、強度高。Adhikary 等［20］評估了直徑為50 mm 的圓柱形鎂/聚四氟乙烯/氟橡膠（MTV）在施加載荷變化時燃燒性能的變化規(guī)律；Sergei 等［21］研究了含Al-Mg 粉體高能材料的熱力學性能，與不添加Al-Mg粉的相比，含Al-Mg粉的燃燒速率可提高約47%，燃燒熱提高約23%。Kotter等［22］研究了含有碳化硼燃料和碘酸鹽氧化劑的配方，獲得了燃料和氧化劑的粒徑變化對配方燃燒速率的影響規(guī)律。Pouretedal 等［23］采用非等溫熱重法和差示掃描量熱法研究了Mg/Ba（NO3）2和Mg/Sr（NO3）2煙火藥組成中燃料與氧化劑質量比對配方燃燒性能的影響，獲得了在不同升溫速率下的煙火藥點火反應動力學參數。Wainwright 等［24］研究了Al/Zr 復合粉體的微爆作用機理，發(fā)現增加金屬顆粒的裸露表面積，可以改善炸藥、推進劑、煙火劑的燃燒性能。Whittaker等［25-26］研究發(fā)現AlB2是體積熱值較大的一種含能燃料。Arkhipov 等［27］研究了鋁、硼、硼鋁合金粉末與黏合劑、氧化劑組成藥劑的點火和燃燒性能，結果表明含有硼鋁合金粉末的藥劑燃燒速率較高。Valluri 等［28］針對金屬在燃燒時氟化有大量放熱的特點，綜述了各種金屬/含氟氧化劑復合材料的點火和燃燒反應機理。以上文獻雖然對燃燒劑組分配比與燃燒性能之間的關系開展了許多研究，但從多層面揭示組分配比和燃燒劑燃燒機理之間關系的研究較為欠缺。

為提升金屬燃燒劑性能，許多學者對金屬燃燒劑性能進行了優(yōu)化。于松濤［29］對傳統(tǒng)鎂基合金的組分和比例進行了改進，開發(fā)出更適用于對木質彈藥箱進行縱火毀傷的新型鎂基合金，并在理論上分析了縱火過程。張興高等［30］基于對燃燒劑性能參數變化規(guī)律的研究得到了燃燒溫度高于2200 ℃的高溫燃燒劑配方。對赤磷采取鈍化處理及加入黏結劑，可以改善多功能新型赤磷燃燒劑的安定性、吸濕性和摩擦感度［31］。在戰(zhàn)斗部縱火燃燒威力設計中，合金件的粒度、形狀和粒度配比等對燃燒功能有著重要影響［32］。為提高燃燒劑的燃燒熱、燃速和火焰溫度，可通過加入金屬可燃劑B、Mg、Al 來改善以雙基（DB）推進劑、高氯酸銨（AP）為主要組分的燃燒劑燃燒性能，結果表明加入B 粉的燃燒劑對于高沸點物質的引燃效果最佳［33］。Gibot 等［34］通過化學聚合把導電聚合物聚苯胺引入到鋁熱劑中成功地降低了鋁/錫氧化物含能納米復合材料的靜放電和摩擦靈敏度閾值，為制備鈍感和反應性含能材料提供了一種方法。在90～200 W·cm-2的熱流密度范圍內，Korotkikhd 等［35］采用二氧化碳激光器測定了含有高氯酸銨、硝酸銨、粘合劑和金屬粉的高能混合組分體系點火延遲時間，結果表明，用非晶態(tài)硼取代高能混合組分體系中鋁粉，點火延遲時間顯著縮短。但上述配方設計總體上還是基于傳統(tǒng)燃燒劑的改進優(yōu)化，一定程度上存在著燃燒毀傷效能不足的問題，缺乏燃燒劑新材料及其應用的創(chuàng)新。

2.2 燃燒劑的應用

燃燒劑與燃燒武器相匹配［11］是其在裝備平臺上應用的基礎，通過將具有高能量密度、沖擊不敏感、高燃燒溫度和較高的氣體產量特點的鋁熱劑混合物、金屬間反應物和金屬燃料廣泛應用于煙火領域［36］，俄羅斯已經發(fā)展了一系列基于燃燒和爆炸效應的殺傷新武器，利用爆炸時產生的火球效應實現溫度和壓力耦合殺傷目標，而西方在這方面的發(fā)展更加注重提高破片侵徹效應［37］。燃燒劑適配性是確保其在武器裝備上成功應用的前提條件，通過將有自燃特性的稀土金屬燃燒劑放置在彈殼與炸藥之間，取代部分炸藥或殺傷破片，可實現彈藥穿甲、爆破、殺傷、燃燒復合功能［9］。裝填稀土金屬燃燒劑的穿甲彈藥對敵方飛機、艦艇和燃燒系統(tǒng)等目標實施進攻時，除爆炸殺傷效應外，其高溫縱火效果可大大提高對這些重要目標的攻擊能力［38］。

燃燒劑有助于提升武器彈藥對易燃目標的燃燒毀傷效能。焦武達［10］利用稀土合金制成的彈丸測定了高速碰撞目標時產生火花的動能極限值，以此說明了裝填燃燒劑的彈藥對易燃物具有較好的燃燒毀傷效能。在實際應用中，燃燒劑與彈藥裝藥結構的關系決定了其在終點效應中輸出的有效能量，構效關系的研究是推動燃燒劑在軍事和工業(yè)領域應用取得突破的關鍵。為確定某稀土燃燒劑在不同彈種上的適用性、使用方式和使用條件，黃歌德等［39］通過測試藥劑型稀土燃燒劑的燃燒性能、安全性能和藥柱抗壓強度等參數，發(fā)現該燃燒劑燃燒溫度可達1431 ℃，50 g 劑量持續(xù)燃燒時間4.5 min，抗壓強度大于14 MPa，可與稠化三乙基鋁燃燒劑復合裝填于各種材質的縱火彈藥，分散均勻，點燃率超過90%。Juknelevicius 等［40］將煙火藥加工成13 mm 的彈丸和5 mm 的棒狀物，制備出可產生尖銳爆裂聲和清晰閃光的藍色頻閃煙火彈。除了應用于彈藥武器上，燃燒劑還可用作爆破碎石新能源，與炸藥相比，其爆破過程中沒有爆破飛石、噪聲和振動等危害因素，與靜態(tài)破碎劑相比，其具有可實時控制且不受溫度影響的優(yōu)點［41］。有關燃燒劑應用效果與各種復雜環(huán)境的最佳匹配問題仍需要系統(tǒng)深入研究，要重視燃燒劑的構效關系研究。當前燃燒劑在毀傷方面的應用主要以傳統(tǒng)的典型易燃類目標為打擊對象，針對非典型難燃目標毀傷效果尚缺乏系統(tǒng)研究，應加強燃燒劑在新質毀傷領域的應用研究。當前燃燒毀傷存在著效能單一的問題，未來應實現由單純燃燒毀傷向燃燒、沖擊波、破片多功能耦合毀傷方向發(fā)展。

3 燃燒熱輻射毀傷理論與技術研究

燃燒武器在發(fā)揮終點效應時，毀傷元的外觀從幾何形態(tài)上可分為火球或者火柱狀。燃燒毀傷場中熱傳導和熱對流作用毀傷目標主要發(fā)生于火團內，而火團外部目標主要考慮熱輻射毀傷。由于爆炸過程涉及強燃燒反應，本文主要探討含能材料在爆炸和燃燒過程中的燃燒熱輻射毀傷效應。由于熱輻射是對燃燒場外目標主要的毀傷因素，而燃燒火球的尺寸、燃燒持續(xù)時間、火球溫度等特征參數是分析燃燒熱輻射毀傷效應的基礎，對燃燒火球或者火柱的特征參數的準確測試和分析，是建立可靠的燃燒熱輻射毀傷理論的基礎，也是評估燃燒毀傷效果的前提。圍繞著燃燒熱輻射火球模型和燃燒熱輻射柱體理論模型研究是進一步深入研究燃燒毀傷效應的關鍵，該模型的優(yōu)化和相關參數的精確測定是國內外主要的研究方向。近年來相關文獻主要研究的熱毀傷場包括兩類——燃料空氣彈藥、活性材料等物質在爆炸或高速沖擊條件下形成的熱毀傷場和易燃氣體、液體泄露燃燒爆炸形成的熱毀傷場，有關燃燒火團的尺寸大小、持續(xù)時間、表面溫度、熱釋放速率和熱劑量等物理參數在空間的分布以及隨時間的變化規(guī)律研究較多。

3.1 燃燒熱輻射毀傷效應研究現狀

燃燒毀傷過程往往伴隨著多種不同性質的毀傷元的耦合作用，即涉及多物理場耦合現象。一般地，燃燒毀傷中的毀傷因素主要包括熱輻射、沖擊波和破片三個類別，相應的毀傷效應包括三個方面——熱輻射毀傷效應、沖擊波毀傷效應和破片殺傷效應。在燃燒毀傷場中，針對沖擊波和破片毀傷效應的研究相對較多，本文不再贅述。而燃燒劑形成的高溫毀傷元對目標的殺傷往往起著關鍵作用，國內外有關燃燒武器的熱毀傷場的研究主要是基于爆炸條件下形成的熱毀傷場和基于高速沖擊條件下形成的熱毀傷場兩大類，兩者之間既有聯系又有區(qū)別，由高速沖擊條件下形成的熱毀傷場在一定條件下會發(fā)生燃燒轉爆燃或爆轟現象，形成類似爆炸造成的熱毀傷場。由于爆炸發(fā)生時間短，其所形成的熱毀傷場從宏觀上看表現出以下特點——火球較大，同時存在破片、沖擊波和熱輻射等多種毀傷元，而依靠高速沖擊達到活性材料反應閾值形成的火球對外界環(huán)境比較敏感，對油箱等有限密閉空間目標熱毀傷效果最好；在非密閉空間的熱毀傷效應受目標易燃性等自身特性及目標周圍環(huán)境因素的影響較大。本節(jié)對國內外燃燒熱輻射毀傷效應相關文獻進行系統(tǒng)梳理，著重分析熱輻射毀傷效應的發(fā)展特點和趨勢。

燃燒熱毀傷場的形成一般與高能炸藥、煙火藥劑和活性材料等含能材料在武器裝備上的應用有密切關系。為了更合理地評估炸藥的熱輻射毀傷效應，國內外學者通過實驗、理論分析和數值模擬重點研究燃料空氣炸藥的熱輻射毀傷效應。文獻［42-43］根據紅外熱成像測試數據和火球熱輻射動態(tài)模型，建立具有時間屬性的溫壓藥劑熱輻射效應動態(tài)計算方法，得到30 kg 溫壓裝藥的熱輻射效應，其輻射熱劑量可達TNT 的3.6～5.2 倍，爆炸火球最大直徑可達17.4 m，是原始裝藥直徑的75.65 倍，高溫毀傷優(yōu)勢明顯。魏成龍等［44］基于試驗數據將二次引爆型燃料空氣炸藥（DEFAE）和一次引爆型燃料空氣炸藥（SEFAE）爆轟形成的火球在不低于1000 ℃和1500 ℃時燃燒持續(xù)時間、在不低于2000 ℃時爆炸火球尺寸以及火球的平均熱毀傷致死半徑、同質量藥劑在不同溫度范圍對應的致死半徑進行對比，得出DEFAE 比SEFAE 的熱輻射毀傷效應更好的結論。郭學永等［45］基于Baker 火球模型和熱毀傷準則，計算并分析了溫壓藥劑和TNT 爆炸產生的熱輻射效應，發(fā)現裝填20 kg 溫壓藥劑的模擬戰(zhàn)斗部比30 kg TNT 的爆炸熱輻射效應強。王連炬［46］提出熱毀傷當量比的概念，計算得到溫壓藥劑熱毀傷當量比約為1.2，指出溫壓炸藥的火球溫度比TNT 的溫度要高很多，大約為2874.9 K，其熱毀傷面積要比TNT 大20%。曹鳳霞［47］探討了爆炸產生的熱輻射毀傷效應，分析了熱輻射毀傷準則及其適用條件，歸納了熱輻射對人和木材的毀傷模型。上述文獻重點研究了熱毀傷效應中火球的終點毀傷狀態(tài)的特征規(guī)律，但對于火球演化過程的機理研究有待深入?？傮w上還是以TNT 等熱毀傷效應已知信息較多的物質為基礎進行燃燒熱輻射毀傷效應論述，針對基準參考物的熱輻射毀傷效應尚缺乏系統(tǒng)研究。后燃反應現象是燃料空氣彈藥熱輻射毀傷效應中的研究熱點之一，闞金玲等［48］指出強烈的后燃反應使SEFAE 爆轟總能量和爆炸威力較普通炸藥有很大的提高。針對溫壓炸藥和云爆劑為代表的高能炸藥在爆炸條件下形成的熱輻射毀傷效應研究雖取得了豐富的研究成果，但大多側重于火球直徑和溫度等易測物理量的唯象分析，熱毀傷效應的研究主要是圍繞著熱輻射毀傷準則開展的，在量化參數的選取上理論依據尚不夠完善。有關后燃效應在整個熱毀傷場中所占的比例和數量尚沒有確定，熱毀傷效應在燃料空氣炸藥的有效輸出能量中所占的百分比尚不清楚。

在工業(yè)安全領域，液體燃料等物質的泄露引起的類爆燃或爆炸現象也具有燃燒熱輻射毀傷效應。氣云爆炸等事件是熱毀傷效應的典型代表，文獻［49-50］研究了形成熱輻射毀傷效應的物質的質量、距爆炸源距離這些參數對熱劑量、熱通量的影響，并確定了熱輻射影響的安全距離。但并未涉及到多因素耦合條件下對熱輻射毀傷效應的影響，研究中只是對不同物質形成的熱輻射毀傷效應的常見影響因素進行了分析，存在一定的局限性。此外，Williams 等［51］測量了質量為0.2～36 kg 的MTV 火炬組分輻射熱輸出情況，發(fā)現大約30%的反應熱以輻射形式損失，未壓縮的MTV 混合物燃燒時其外表面溫度約為1800 K，火球的大小和持續(xù)時間隨著燃料質量的增加而增加，熱劑量取決于火球大小、持續(xù)時間和觀察者與火球之間的距離。Gordon 等［52］選擇阻力模型來研究火球大小的行為，確定了16.9 kg 高能炸藥的最大火球半徑范圍為4.3～5.8 m，平均為5.1 m，火球大小在反應后30～50 ms 內迅速接近其最大值，在150～200 ms 內火球大小相對恒定。上述研究并沒有驗證所得規(guī)律的適用范圍和條件，更多地是關注火球自身的變化規(guī)律，沒有考慮周圍環(huán)境中與火球發(fā)生相互作用的物體的影響，研究結果有待進一步推廣。

活性材料被激發(fā)時所形成的熱毀傷場中呈現出另一種形式的熱毀傷效應。由于受到活性材料輸出能量閾值的限制，這種熱毀傷效應在很大程度上取決于活性材料的質量、形狀、作用的目標和初始條件，且易受環(huán)境因素影響。一般地，活性材料在爆炸源或者發(fā)射藥驅動下通過高速沖擊碰撞目標，在目標背后或者內部形成燃燒火團，或者形成向四周飛散的燃爆火種來毀傷易燃易爆等對熱敏感的目標。黃廣炎等［53］從理論上建立了貧鈾合金材料中溫升與材料沖擊靶板速度關系的數學模型，利用彈道槍實驗對比了幾種貧鈾合金材料的溫升燃燒特性；龔柏林等［54］基于貧鈾－鈮合金藥型罩，開展了聚能彈破甲后效實驗，實驗結果表明貧鈾合金藥型罩形成的射流在穿透鋼棒后，能形成一個高溫、高速且具有一定發(fā)散能力的燃燒顆粒束，具有較強的縱火能力，射流穿透的密閉裝甲目標內部無明顯壓力變化，正對射流方向位置在0.2 s 內產生了約15 ℃的溫升，最終靶箱整體溫度升高2.5 ℃。杜寧等［55］分析了不同活性材料在爆炸驅動中經歷的強加載條件下反應、產生碎片并向四周飛散、撞擊鋼板及后續(xù)反應等階段形成的爆炸火球、溫度場分布等特性，如圖1a 和圖1b 分別表示活性材料Al/PTFE 和Al/Ni 對應的火球演化過程。此外，國外研究人員對高能材料等具有軍事應用價值的材料也進行了相關研究。2015年Sorensen［56］研究了尼龍、鋁、鋼和外殼包覆有鋁/聚四氟乙烯彈丸以2100 m·s-1的速度撞擊鋁裝甲的一系列實驗，研究與傳統(tǒng)高密度穿甲彈不同的侵徹機理，并對靶后燃燒火團進行了對比分析。Finney［57］為了檢查步槍子彈撞擊堅硬表面后點燃有機物的可能性，使用各種常見的試劑盒和子彈材料進行子彈撞擊時加熱的金屬碎片著火問題研究，分析了子彈撞擊堅硬表面后點燃有機物的可能性。上述對活性材料在高速沖擊條件下燃燒形成的熱輻射毀傷效應的研究，主要是從活性材料、撞擊目標的材料和靶后燃燒火團三方面進行研究，重點對材料溫升、材料激發(fā)點火臨界條件、侵徹機理、對目標引燃能力等熱點問題開展探討。研究方法上主要依賴實驗，未來應注重數值模擬技術與實驗數據的融合，研究綜合性能優(yōu)異的活性材料，針對活性材料能量輸出與目標在熱毀傷場中響應的機理開展系統(tǒng)研究。

圖1 不同材料爆炸驅動下火球成形和演變情況［55］Fig.1 Morphology and evolution of the fireballs driven by explosions of different materials［55］

3.2 火球熱輻射毀傷模型研究現狀

火球熱輻射毀傷模型是對火球生成、發(fā)展、到冷卻熄滅等動態(tài)過程的規(guī)律和特征的準確描述［58］。一般地，火球熱輻射毀傷模型主要涉及的特征毀傷參數有燃燒劑的質量、火球直徑、火球的溫度及持續(xù)時間、熱毀傷半徑、毀傷能量閾值、熱劑量和熱通量等。根據參數在模型中的實際應用，火球熱輻射毀傷理論中的參數主要分為兩部分：第一部分為描述或定義火球特性，第二部分用于估計火球的熱輻射特性。常見的火球與核爆炸過程形成的火球［59］有很大差異，本文主要考慮含能材料燃燒或爆炸所形成的多尺度火球的熱輻射毀傷效應，在此基礎上國內外學者建立了不同物質的火球熱輻射毀傷模型，并基于燃燒熱輻射毀傷模型探究了熱輻射毀傷場的基本規(guī)律，為燃燒毀傷評估奠定了基礎。對不同類型的火球模型總結見表2［46，60-62］：

表2 火球模型總結［46，60-62］Table 2 Summary of fireball models［46，60-62］

火球熱輻射毀傷模型是計算熱輻射毀傷場特征參量的理論基礎。傳統(tǒng)的火球模型種類很多，已經得到了廣泛應用，通常情況下火球模型都是在某些假設條件下才成立，因此存在著普適性的問題，修正已有模型是提高火球模型適用范圍的重要方法。文獻［61，63］在現有的火球動力學模型和Baker 模型基礎上引入了大氣傳輸率，建立了火球優(yōu)化模型，確定了相應的毀傷范圍和目標接受的熱能值。文獻［64］基于通古斯卡事件建立了爆炸熱輻射模型，模擬了燃燒物運動過程對地面目標的熱輻射毀傷效果。文獻［65］提出了多因素修正方法，建立了可預測周圍目標溫升的熱輻射模型?；谌紵饒F幾何特征分析，王艷平等［60］首次提出發(fā)射藥燃燒熱輻射柱體理論模型，利用燃燒熱輻射實驗，對比分析球體熱輻射模型，驗證了柱體理論模型合理性。爆炸火球尺寸和溫度是表征爆炸火球熱輻射威力的重要參數，文獻［66-67］采用數值模擬的方法獲得了爆炸火球溫度和直徑，如圖2 所示為不同類型含能材料在爆炸或高速沖擊條件下不同時刻對應的多尺度火球的高速攝影圖和高速紅外熱像圖，由圖2可以較直觀地看出火球動態(tài)演化過程中不同階段的形態(tài)特征。火球熱輻射毀傷理論模型中的參數來源于初始火球、中間發(fā)展、火球熄滅這三個不同階段對應的火球特征狀態(tài)量，綜合國內外文獻發(fā)現，火球模型中存在參數表征的過程較單一，大多數參數是關注火球初始和終點狀態(tài)，并沒有涉及到火球生成階段的動態(tài)演變過程。

圖2 不同類型的含能材料燃燒毀傷效應［54，72］Fig.2 Burning damage effects of different types of energetic materials［54，72］

國內外針對火球動態(tài)形成過程中的每一個階段模型開展了大量研究。Makhviladze 等［68］建立了過熱液體體積膨脹的數學模型，對安全殼全損和部分容器失效導致燃料短期垂直釋放的情況進行了火球動力學、結構和燃燒時間的比較，結果發(fā)現安全殼的完全損失導致火球在相對較短的時間內在地面附近燃燒，而燃料垂直釋放導致火球在較低的高度以較低的燃燒速度燃燒。Baum 等［69］建立了由質量、動量和能量守恒方程等組成的火球初始膨脹的解析模型，將其用于研究火球的初始膨脹，可估算出火球消耗的燃料量。Yang等［70］比較了不同規(guī)?；鹎虻脑囼?，分別分析了TNO模型、CCPS 固體火焰模型、羅伯茨點源模型使用條件和各自的優(yōu)點。Blankenhagel 等［71-72］針對液體有機過氧化物與液態(tài)烴燃料形成的火球不同，對質量為16～155 kg 的液態(tài)有機過氧化物火球進行了表征，并對13個燃料質量為10～168 kg 的鋼桶進行了測試，提出了二叔丁基過氧化物（DTBP）火球直徑、高度、表面發(fā)射功率和燃燒時間隨燃料質量變化的修正方程，計算并比較了熱輻射沖擊和安全距離。Stepanov 等［73］基于炸藥和燃料-空氣混合物爆炸的流體動力學和輻射過程，運用數值模擬方法確定了爆炸和燃燒產物所占區(qū)域的熱流密度與其溫度和幾何特性的關系，得到了不同方位靶材在能量釋放區(qū)附近的熱負荷分布，將輻射探測器的熱參數與人體熱影響標準和可燃材料著火標準進行了比較。Bonilla 等［74］為建立火球抬升機理模型，提出了一種考慮障礙物存在的測定動態(tài)火球熱輻射的新方法，建立了一套定義各區(qū)域邊界的方程組，用于計算火球各瞬時位置的配置系數。上述模型雖然考慮到火球在演變過程中每一階段的特征，并針對每一階段的特點進行了合理簡化，但考慮整個火球動態(tài)演變過程的模型相對較少，要關注熱輻射模型中關鍵參數在火球整個演化過程中的變化規(guī)律，進一步提升模型的準確性。

王澤博等［75］提出了一種火炸藥爆炸火球直徑及溫度持續(xù)時間的計算方法，確定了裸露皮膚不被燒傷的安全距離。何志光［76］采用總熱焓方法和最小自由能方法分別計算DEFAE 火球和SEFAE 火球的溫度，用Baker 方法和Dorofeev 方法來估算火球的熱輻射效應，發(fā)現Dorofeev 方法更適合計算DEFAE 火球溫度。Dorofeev 等［77］進行了102～105kg 質量不等的燃料爆燃和爆炸熱效應實驗，初步確定了燃料的最大火球半徑、熱效應持續(xù)時間和總發(fā)射能量與燃料質量的關系。以上研究僅估算了爆炸火球的直徑和火球溫度持續(xù)時間以及熱毀傷半徑，沒有涉及火球動態(tài)變化過程和對周圍人員及建筑物等典型目標的熱輻射毀傷能量閾值的研究，未來應考慮不同質量物質形成火球的尺寸效應對火球周圍環(huán)境中易燃易爆目標的熱輻射毀傷規(guī)律。

4 燃燒毀傷評估技術研究

全面而準確地開展燃燒毀傷評估是推動燃燒毀傷技術發(fā)展的重要保障，國內外對于毀傷評估技術的研究越來越重視，分為基于單一熱毀傷元的燃燒毀傷評估研究和基于多種毀傷元耦合的燃燒毀傷評估研究。燃燒毀傷評估技術涉及兩方面：一是含能材料所形成的燃燒火球能量輸出特性、對燃燒敏感目標的易損性分析和燃燒火球與目標相互作用過程中目標的響應特性；二是直接運用毀傷評估理論和方法對燃燒毀傷效能進行定性和定量分析。毀傷評估技術呈現出一些新的特點——特征參數準確化，評估方法多元化，評估對象復雜化。能夠反映評估對象信息的特征物理量的測試是研究的熱點，燃燒毀傷的系統(tǒng)評估是研究的難點。燃燒毀傷評估的深入研究將有助于改進燃燒劑配方設計、裝藥結構設計和完善燃燒毀傷理論。國內關于武器裝備的燃燒毀傷效能評估方面有一定的文獻，國外以工業(yè)安全等方面為背景的文獻較多。

4.1 基于單一熱毀傷元的燃燒毀傷評估

在評估燃燒毀傷效果時，為了分析問題的關鍵因素，學者進行了許多有意義的假設，即主要評估與終點效應相關程度高的熱毀傷元的毀傷效果，這樣既能充分抓住問題的本質也能實現快速評估。燃燒毀傷評估的基礎是毀傷元及燃燒毀傷過程特征參數的獲取，國內外許多學者利用紅外熱成像儀記錄引爆型燃料空氣炸藥爆炸火球和有機過氧化物火球的直徑、髙度、持續(xù)時間、溫度分布等溫度場數據，選擇Baker 模型、固體火焰模型等不同模型對火球的熱毀傷效應進行評估［44，78］。此外，通過搭建爆炸場熱輻射效應特征參數的測試系統(tǒng)，獲得不同質量火炸藥爆炸時的燃燒熱輻射效應數據，揭示火炸藥爆炸場熱輻射規(guī)律及因素，并結合熱毀傷準則對高能炸藥等不同類型火炸藥的爆炸熱毀傷效果進行評估也是一種研究方法［66］。針對爆炸過程中測溫存在的問題，Wang 等［79］基于幾何光學和紅外輻射理論，提出了一種消除測試環(huán)境引起輻射能量測量誤差的輻射測溫溫度補償公式，分析了距離和氣象條件對測量精度影響的原理，并通過仿真實驗驗證了理論的正確性。

通過實驗手段獲取熱毀傷特征物理量是燃燒毀傷評估的基礎。Lebel 等［80］利用可放置在爆炸裝藥附近且能夠被火球包裹的受保護光纖探針對火球內部的熱輻射進行采樣，在5 次含太安的炸藥爆炸中獲得了火球內部溫度測量值，結果發(fā)現火球溫度在1600～1900 K之間，在大約20 ms 的過程中觀察到黑體型輻射，12 ms后峰值約為1850 K，火球形成的過程中其內部溫度分布相當均勻。利用實驗獲得火球輻射溫度、熱流密度等毀傷特征參數變化規(guī)律已經成為燃燒毀傷評估研究的重要手段，但對于火球內部的絕對溫度等參數的實驗測試技術尚不成熟，只是局限于表面溫度等物理量的測試，今后應該側重從火球特征參數相對量的測試轉向絕對量測試，進一步提升燃燒毀傷評估結果的準確性。

熱毀傷概率模型和熱輻射毀傷準則的研究是當前國內外的燃燒毀傷評估研究熱點。趙志寧等［63］利用引入大氣傳輸率的Baker 模型對裝藥為3 kg 的某FAE彈藥進行了熱毀傷效應評估，基于熱劑量傷害閾值給出了評價結果。秦仕勇等［81］通過編程計算在不同彈藥數目、散布均方差、引燃縱火炬的散布半徑條件下燃燒彈對油罐車及彈藥箱穿燃及引燃概率，發(fā)現在特定的目標區(qū)域和分布下，散布均方差是影響毀傷效能的主要因素和引燃縱火炬的散布半徑設計為40～60 m較佳。此外，利用Baker 模型評估燃燒毀傷效果的常用方法。安文書等［82］基于Baker 模型提出利用瞬態(tài)火災熱劑量傷害準則評價燃燒彈熱輻射毀傷效果的方法，估算燃燒彈形成火球的熱通量和熱劑量，并利用實驗驗證了熱劑量準則對于評價燃燒彈熱輻射效果的有效性。Sun 等［83］運用數值模擬的方法計算了鄰近堤防地區(qū)的液化天然氣儲罐能夠承受的熱輻射通量，確定了其安全距離；綜上分析，文獻中有關熱輻射毀傷準則主要涉及熱通量（q）和熱劑量（Q）這兩個表征熱輻射毀傷效能的指標，如圖3 所示，當q＞qcr和Q＞Qcr成立時，則可以判定目標處于毀傷區(qū)域，據此來評估目標的毀傷狀態(tài)。

圖3 熱輻射毀傷對應的熱通量-熱劑量關系［84］Fig.3 Heat flux-heat dose diagram corresponding to thermal radiation damage［84］

建立毀傷評估模型是燃燒毀傷評估研究的關鍵步驟。由于液化石油氣（LPG）沸騰液體擴展蒸氣爆炸（BLEVE）火球造成的熱輻射危害存在不確定性，王若菌等［85］基于Monte-Carlo 模擬方法建立了爆炸火球熱輻射風險評估模型，引入實例計算得到了LPG 沸騰液體擴展蒸氣爆炸火球傷害范圍、事故風險概率曲線方程和累計概率曲線方程?；谖墨I中關于燃燒速率、火焰直徑和高度、有風時火焰傾斜度、熱輻射和發(fā)射功率的各種模型和實驗數據，Mudan［86］建立了大型油氣火災熱輻射危害綜合模型，可用于確定人體皮膚暴露在熱輻射下的響應模型和數據，根據皮膚損傷的程度提出了幾種皮膚燒傷嚴重程度的分類。Chen 等［87］通過仿真模擬確定了1，1-二氟乙烷火球在65 m 的范圍內可形成超過37.5 kW·m-2的熱輻射，利用BLEVE 火球評估模型預測了氟化工業(yè)設施在燃燒熱輻射作用下的毀傷效應；Wang 等［88］分析了管道的易損性，基于建立的液化天然氣（LNG）爆炸火球評估模型對天然氣運輸管道系統(tǒng)的熱輻射毀傷特性進行了分析。綜上分析，毀傷評估模型的建立對于準確預測燃燒毀傷效果和評估燃燒熱毀傷場中目標的響應特性具有重要意義，未來應重點加強毀傷評估模型和方法的研究。

4.2 基于多種毀傷元耦合的燃燒毀傷評估

在形成爆炸燃燒火球的過程中，不僅僅是單一的熱輻射作用，往往伴隨著破片、沖擊波等多種毀傷元，由于燃燒過程的復雜性和爆炸的瞬時性，有關不同毀傷元在燃燒毀傷過程中發(fā)揮的具體作用和作用機理目前研究尚少。從理論上講燃燒毀傷效果一般都是綜合毀傷的結果，因此有必要將相關因素都考慮在內進行全面評估，這樣得到的模型更接近實際情況。

多種毀傷元存在的條件下，需要綜合運用理論分析、數值計算和實驗研究進行毀傷評估研究。王艷平等［60］由數據擬合分別得到單基發(fā)射藥熱通量、熱劑量分別與藥量、距離的定量函數關系，為準確評估單基發(fā)射藥燃燒熱輻射毀傷效應提供了理論基礎。王鳳丹［62］改進了Baker 模型并選其計算火球熱輻射毀傷參數，將熱劑量準則作為熱毀傷效應判據，基于理論計算和實驗數據對燃料空氣炸藥的爆炸火球進行毀傷評估，結果表明僅以熱輻射能量評價生物毀傷效應是不全面的，應綜合考慮各種形式的能量。房瑩瑩［84］基于目標毀傷理論以及燃料空氣炸藥（FAE）的單項毀傷效應，建立了燃料空氣炸藥綜合毀傷后果模型和概率模型，并用實驗數據進行了驗證。劉想炎等［89］基于云爆彈對人員綜合殺傷作用的評判標準，考慮了超壓和熱輻射作用建立了云爆彈綜合毀傷概率評估模型，得到了特定條件下的仿真殺傷概率圖像，分析了不同云爆劑含量和爆炸高度下綜合殺傷概率曲線，揭示了其對人員綜合殺傷效果的影響。仲倩等［90］分析了沖擊波、熱輻射、破片及窒息等單項毀傷效應，建立了溫壓彈綜合毀傷效果評估模型，針對溫壓彈對爆炸場內目標的綜合毀傷效果進行了評估，結果表明除破片毀傷外，沖擊波毀傷和熱輻射毀傷對終點毀傷效能貢獻較大。針對單項毀傷效應的毀傷評估方法不夠全面，為了解決單一熱毀傷元在耦合作用下的效能比例問題，應加強基于燃燒毀傷實驗數據挖掘研究，在客觀實驗數據基礎上給出單項毀傷元權重。

5 結論與展望

圍繞燃燒毀傷技術，從燃燒劑配方設計和應用、燃燒熱輻射毀傷理論與技術、燃燒毀傷評估技術三個方面進行綜述。燃燒劑配方設計和應用是關系燃燒毀傷技術在實際中能夠廣泛應用的前提，有關燃燒劑改性新技術研究是提升燃燒劑燃燒性能和拓展燃燒劑實際應用場景的關鍵，燃燒劑性能的優(yōu)化將有助于增強燃燒毀傷中燃燒源的威力。燃燒熱輻射毀傷理論與技術研究的重點是火球熱輻射毀傷模型。在燃燒毀傷評估方面應重視多毀傷元耦合時的評估技術研究。當前，燃燒毀傷技術的研究已經取得了許多進步。燃燒毀傷技術在未來的發(fā)展趨勢將呈現以下三個主要特點：

（1）在燃燒劑配方設計和應用研究方面，開展燃燒劑配方的性能優(yōu)化、燃燒武器裝藥結構技術、燃燒劑應用效果與各種復雜環(huán)境的最佳匹配性、燃燒劑施放技術等研究，未來重點發(fā)展高密度高熱值的燃燒材料，研究燃燒毀傷元或結構件的增材制造技術，突破燃燒彈藥殼體的可燃化、含能化，建立燃燒劑高通量計算平臺及智能專家系統(tǒng)，深化燃燒劑裝藥構效關系研究，建立燃燒毀傷元能量輸出與目標響應程度之間的關系，大幅提高燃燒彈藥的綜合毀傷效能。

（2）在燃燒熱輻射毀傷理論與技術研究方面，重點開展以火球溫度為代表的關鍵模型參數的測試技術研究，對火球模型特征參數進行修正或者引入新的參量來優(yōu)化火球熱輻射毀傷模型，關注不同能量量級的含能材料有效輸出能量形成火球的尺寸效應，即爆燃/爆炸對應的大尺度火球熱毀傷效應、穩(wěn)態(tài)燃燒對應的中尺度火球熱毀傷效應、以活性破片沖擊釋能為代表的小尺度火球熱毀傷效應。

（3）在燃燒毀傷評估技術研究方面，重點開展對多種毀傷元耦合作用下的燃燒熱輻射毀傷效應精準評估方法的研究。傳統(tǒng)的熱輻射準則還不夠全面，基于燃燒毀傷效應的多元化評估方法應逐步建立；重視燃燒毀傷實驗數據作為支撐和聯系仿真評估技術與評估理論的橋梁紐帶作用，注重對燃燒毀傷實驗數據的積累和優(yōu)化，為燃燒毀傷評估提供真實可靠的數據支持；由于毀傷實驗成本的限制，未來仿真模擬在燃燒毀傷評估中的應用會成為重要手段。