密閉條件下TNT 的爆炸壓力特性

金朋剛，郭 煒，王建靈，任松濤，高 贊，嚴(yán)家佳

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場中作戰(zhàn)需求的變化，發(fā)展有效打擊密閉條件下軍事目標(biāo)的彈藥成為現(xiàn)代武器發(fā)展的重要方向和主要趨勢。如何合理設(shè)計炸藥以適合這類環(huán)境，達(dá)到高效毀傷的目的，成為武器發(fā)展的重要內(nèi)容之一［1-3］。在密閉環(huán)境中，由于周圍條件的限制，炸藥在爆轟反應(yīng)完成后，爆炸產(chǎn)物將繼續(xù)進行后續(xù)燃燒并釋放大量能量，這導(dǎo)致密閉空間中壓力變化過程更加復(fù)雜。國外關(guān)于密閉空間中炸藥爆炸后的后續(xù)燃燒過程已有大量的研究。美國海軍水面武器中心為了支持“戰(zhàn)斧”和APET 計劃，進行了內(nèi)爆試驗，將準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為9種炸藥配方篩選的主要依據(jù)［4］。韓國Ki-Bong Lee［5］等進行了兩個配方的內(nèi)爆試驗，得到了準(zhǔn)靜態(tài)壓力和總?cè)紵裏嶂g的關(guān)系式。美國海軍水面武器中心Ames G 等人通過測量二次燃燒的過程，定量區(qū)分了封閉空間中的爆轟和二次燃燒的能量累積［6］，通過試驗得到準(zhǔn)靜態(tài)壓力及沖擊波壓力-時間曲線。國內(nèi)關(guān)于內(nèi)爆的研究也較多，李媛媛在密閉容器中研究了不同鋁粉含量炸藥內(nèi)爆溫度場特性［7］。辛春亮等研究了含鋁炸藥在水中的能量輸出及二次燃燒的特性［8］。

本研究通過自行設(shè)計的試驗裝置，測量了TNT在密閉空間下不同氣氛中爆炸后二次燃燒產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

1 實 驗

1.1 試樣及儀器

TNT，西安近代化學(xué)研究所，將100g TNT 炸藥粉壓制成直徑為40mm、密度為1.58g／cm3的藥柱。

壓電式不銹鋼壓力傳感器，PCB公司，量程為0～0.345MPa；VXI數(shù)據(jù)采集器，成都南匯科技有限公司，頻率為1M／s。

1.2 實驗裝置

為了模擬密閉環(huán)境，設(shè)計了一個能夠密封的罐體，由圓柱體和一個球冠體焊接而成，圓柱體直徑900mm，高800mm。在距離圓柱形罐體頂端400mm 處設(shè)有兩個測壓窗口，如圖1所示。每個測壓窗口安裝一個壓力傳感器，兩個傳感器及試樣在同一個平面。

圖1 密閉爆炸裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of air tight obturator

1.3 實驗方法

將TNT 懸掛于容器的中心位置（見圖1），用8號銅殼雷管引爆。用壓力傳感器記錄爆炸壓力-時間曲線。為了比較TNT 爆炸后對環(huán)境中氧氣的利用情況，除在一個大氣壓空氣條件下實驗外，還將密閉裝置中的氣氛改變?yōu)榧兌葹?9%的氮氣和氧氣。在3種不同氣氛中各進行兩次平行實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 密閉空間TNT 的爆炸壓力特性

實驗得到密閉空間TNT 的爆炸壓力-時間曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，TNT 爆炸產(chǎn)生的沖擊波壓力會發(fā)生多次反射，且沖擊波壓力下降過程與初始設(shè)想的（如無限空間中，隨著時間的推進而回到基線）不同，而是隨著時間的推移在壓力下降過程中再次出現(xiàn)上升的趨勢，并在一定壓力附近發(fā)生震蕩，形成明顯的兩種不同類型波疊加的效果。TNT 炸藥在密閉空間爆轟后能量的釋放主要分為兩個過程：爆轟和后燃燒過程，爆轟形成了沖擊波壓力，如圖2的黑色曲線所示。后燃燒形成了密閉空間中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，高頻沖擊波壓力波與低頻準(zhǔn)靜態(tài)壓力波疊加，導(dǎo)致傳感器在沖擊波壓力降低時無法回到零線，而是在準(zhǔn)靜態(tài)壓力附近發(fā)生震蕩。這與美國海軍水面武器研究中心及Richard的研究結(jié)果一致［4，6］。

圖2 密閉空間內(nèi)TNT 的爆炸壓力隨時間的變化曲線Fig.2 The change curve of explosion pressure with time of TNT in obturator

在比較密閉空間中炸藥的威力時，不采用沖擊波峰值壓力的原因有兩個：一是壓力傳感器可與墻體或罐體共振，導(dǎo)致超壓無法準(zhǔn)確測量［6］；二是密閉空間中富燃料在未燃燒前被拋擲至密閉空間邊界，與邊界發(fā)生碰撞后部分動能轉(zhuǎn)化為熱后產(chǎn)生二次燃燒，因為壓力傳感器敏感面就安裝在密閉空間壁面上，被撞擊會產(chǎn)生額外的壓力響應(yīng)。因此，美國海軍水面武器中心在比較密閉空間中炸藥威力時僅采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為威力判斷參數(shù)。沖擊波超壓測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，試驗數(shù)據(jù)的離散性較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.4%。

表1 沖擊波超壓測量結(jié)果Table 1 Test results of shock wave overpressure

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測量可靠性

國外研究者認(rèn)為準(zhǔn)靜態(tài)壓力計算方法是對一定時間內(nèi)沖擊波壓力曲線取平均值［6］，如式（1）所示。本研究將沖擊波壓力時間曲線中0～20ms的壓力平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力，計算的準(zhǔn)靜態(tài)壓力試驗結(jié)果如表2所示。

表2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量結(jié)果Table 2 Test results of quasi-static pressure

從表2可以看出，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，最大值為3.4%，最小值為2.3%。美國海軍水面武器中心在進行戰(zhàn)斧導(dǎo)彈換裝時測量了多種炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，其測量結(jié)果的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差值為5.73%，最小值為2.44%［4］。因此，本研究所建立的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量方法的可靠性較高。

對TNT 在0～20ms內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的變化過程進行擬合，發(fā)現(xiàn)在此時間段內(nèi)其準(zhǔn)靜態(tài)壓力的變化過程符合式（1）。

式中：A1、A2、p、X01、X02、h1、h2均為常數(shù)，與炸藥配方和環(huán)境參數(shù)有關(guān)。

2.3 環(huán)境氣氛對準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響

為了證明TNT 炸藥在密閉空間中爆炸后能夠與環(huán)境中的氧氣發(fā)生二次反應(yīng)，設(shè)計了氮氣、空氣和氧氣3種不同的環(huán)境氣氛，將不同氣氛中氧氣的含量與TNT 在密閉空間中產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力做圖，結(jié)果見表3。從表3可以看出，隨著環(huán)境中氧氣含量的增加，TNT 二次反應(yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力增高，說明在高濃度的氧環(huán)境中，TNT 二次反應(yīng)釋放的能量更高，反應(yīng)更完全，能夠在密閉空間中產(chǎn)生更高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

表3 不同氧含量下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力實驗結(jié)果Table 3 Test results of quasi-static pressure with different oxygen content

3 結(jié) 論

（1）本試驗設(shè)計的爆炸罐體可用于研究炸藥在密閉空間中爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性。

（2）TNT 在密閉空間中爆轟后能量釋放主要分為兩個過程：爆轟和后燃燒過程，爆轟過程產(chǎn)生沖擊波壓力，后燃燒過程產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

（3）TNT 在密閉空間中爆轟后，二次燃燒反應(yīng)的能量釋放量與環(huán)境中的氧氣濃度有關(guān)，氧氣濃度越高，TNT 二次反應(yīng)釋放的能量就越多。

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