基于頂蓋舉起試驗的炸藥內爆炸性能評估

胡宏偉，馮海云，肖　川，顧曉輝，宋　浦

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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基于頂蓋舉起試驗的炸藥內爆炸性能評估

胡宏偉1，馮海云1，肖川1，顧曉輝2，宋浦1

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：為了評估炸藥在密閉/半密閉結構內的爆炸性能，通過自建的頂蓋舉起試驗裝置對5種典型炸藥裝藥進行了內爆炸試驗,利用沖擊波超壓和頂蓋的舉起位移評估了其內爆炸威力。結果表明，沖擊波超壓高的炸藥，內爆炸性能不一定好，炸藥的空中爆炸性能與內爆炸性能具有顯著的差異；頂蓋舉起最大位移與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有線性關系，關系式為xmax=17.717ΔHas-5.322，相關系數R2=0.9917；內爆類炸藥應具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速。

關鍵詞：爆炸力學；內爆炸；頂蓋舉起試驗；沖擊波超壓；沖量；非同步自氧化燃燒熱

引 言

現代戰爭中，彈藥戰斗部在密閉/半密閉結構(如碉堡、坑道、地下工事或作戰指揮中心)內部爆炸成為侵徹爆破型武器的主要作戰模式。鉆地彈、侵徹彈裝填的炸藥大多為富燃料的含鋁炸藥，這類炸藥在密閉/半密閉結構內部爆炸時，通常會產生兩個時間段的反應[1]：首先是爆轟(或爆燃)反應，反應時間為微秒量級或更短的時間；第2個階段為后燃燒反應，反應時間為毫秒量級。自由空間爆炸由于缺乏周圍結構的約束和反射壓力，爆炸產物迅速膨脹，紊流混合較弱，沒有后燃燒過程或后燃燒過程釋放能量較少。而密閉/半密閉結構內除了沖擊波的反射，爆炸產物的膨脹受到抑制形成準靜態壓力，炸藥裝藥在密閉/半密閉結構內爆炸的能量構成為沖擊波動壓和準靜態壓力[2]。

由于密閉/半密閉結構內爆炸的能量釋放和輸出特性與開放空間相比具有顯著的差異，傳統的試驗與評估方法已經不能全面反映并評估炸藥的爆炸威力[3-7]。目前國外已經建立了沖擊波壓力-沖量[8-9]、頂蓋舉起試驗[10]、準靜態壓力[11]和沖量-準靜態壓力[12]等多種評估方法，頂蓋舉起試驗由于更接近真實情況，能夠綜合反映沖擊波和準靜態壓力這兩個內部爆炸的主要特征參量，已在美國的溫壓炸藥開發、表征和評估中得到應用。國內西安近代化學研究所研建了頂蓋舉起試驗裝置[13]，對典型炸藥裝藥內爆炸性能進行了系統的研究和評估。

本研究利用自建的頂蓋舉起試驗裝置，對典型炸藥的內爆炸威力進行了評估，同時分析了頂蓋運動參量與炸藥性能參數的關系，以期為內爆類非理想炸藥和內爆戰斗部的設計與炸藥選擇提供技術依據。

1實驗

1.1樣品與儀器

試驗樣品包括標準炸藥(TNT)、近似理想炸藥、RDX基含鋁炸藥、HMX基含鋁炸藥、含AP復合炸藥共5種炸藥，編號為1～5號，樣品組分和性能參數見表1。

試驗樣品全部為壓裝的圓柱形炸藥，一端帶有雷管孔。樣品質量均為100g，直徑40mm，長徑比為1.0～1.3。采用8號銅電雷管端面中心起爆，每種炸藥進行3發平行試驗，試驗結果取平均值。

表1　5種炸藥的組分和性能參數

注：ρ為密度；OB為炸藥的氧平衡；D為爆速；pd為爆壓；Qv為爆熱。

STS-D-P型拉線式位移傳感器，北京鑫盛星創測控技術有限公司，量程0～2000mm，分辨率0.075mm，線性精度0.1%FS，通過解碼器連接數據采集儀記錄位移-時間曲線；PCB113B31型壁面壓力傳感器，美國PCB公司，量程1.38MPa；微型內嵌測試儀，南京理工大學，采樣頻率1M/s，采樣長度1.0s。壓力傳感器與數據采集儀為一體化結構，便于在墻壁上安裝。

1.2試驗裝置和方法

頂蓋舉起試驗裝置的結構示意圖如圖1所示。

圖1　頂蓋舉起試驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of roof lift device

試驗裝置為鋼筋混凝土結構，內壁面襯有Q235A鋼板，最大許用藥量為1.0kgTNT當量。試驗裝置的內部空間長2.0m、寬2.0m、高2.5m、墻厚0.5m。試驗裝置的前墻安裝有防爆門，試驗時防爆門處于關閉狀態。頂蓋結構為板架鋼質結構，長3.0m、寬3.0m、質量5.288t。為了控制頂蓋的上升方向，鋼筋混凝土墻體的4個角設置了導軌，頂蓋的4個角分別焊接有滑軌，導軌和滑軌之間有一定的間隙，防止頂蓋受力不均傾斜時產生摩擦。

試驗時，樣品懸吊在試驗裝置的幾何中心。在試驗裝置的4個角安裝位移傳感器，傳感器一端與頂蓋連接，另一端固定在試驗裝置的外側壁上，位移傳感器的拉線要保持與頂蓋垂直。引爆炸藥后，位移傳感器記錄頂蓋的位移-時間曲線，通過數據處理獲得頂蓋的位移、速度等參數。試驗的頂蓋位移為4個位移傳感器的平均值，若4個位移傳感器的最大位移值和最小位移值之差小于5cm，則判定數據有效。每次試驗前，都要對位移傳感器的零點進行校正。試驗時內嵌測試儀鑲嵌在試驗裝置內墻壁的預留孔中，預留孔的幾何中心與炸藥試樣位于同一水平面，傳感器敏感面與壁面齊平，炸藥試樣的幾何中心距傳感器敏感面的距離為1.0m。

1.3試驗原理

炸藥爆轟后，頂蓋在爆炸載荷的沖擊作用下垂直向上運動，利用位移傳感器測量頂蓋運動的位移。由頂蓋運動的位移、頂蓋的質量計算結構內部爆炸產生的沖量并評估炸藥在密閉結構內爆炸的威力。

頂蓋運動的高度由位移傳感器記錄的位移-時間曲線經數據處理得到。由于每次試驗頂蓋的質量基本不變，密閉結構內爆炸的平均沖量(Id)可通過公式(1)計算

(1)

將F=ma代入公式(1)得到

(2)

式中：p為頂蓋所受到的沖擊壓力，MPa；m為頂蓋的質量，kg；F為頂蓋受力，N；a為頂蓋的加速度，m/s2；A為頂蓋的下表面面積，m2；t為頂蓋運動的時間，s。

式(2)可變換為

(3)

公式(3)兩邊積分得到

(4)

相對于頂蓋的上升時間，頂蓋達到最大加速度時間很短，可以忽略，而且其初速為零。

(5)

將式(5)代入式(4)，則得到

(6)

式中：xmax為頂蓋上升的最大位移，mm。

對位移-時間曲線進行微分即可得到頂蓋的速度(v)。

2結果與討論

2.1不同種類炸藥的內爆炸性能評估

炸藥裝藥起爆前后頂蓋的位置見圖2。

圖2　起爆前后的頂蓋位置圖Fig.2　Roof postion before and after lift experiment

由圖2可知，起爆后頂蓋由于受力不均略有傾斜，但基本保持垂直上升的姿態。

以樣品3為例，頂蓋位移隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3　樣品3的頂蓋位移-時間曲線Fig.3　Displacement-time history of NO.3 sample

由圖3可知，頂蓋的位移-時間曲線非常平滑，約250ms時頂蓋的位移達到最大，位移的上升階段和下降階段以最大位移處呈對稱分布。

5種炸藥的沖擊波超壓(Δp)、頂蓋最大位移(xmax)和平均沖量(Id)的試驗結果見表2。

表2　5種炸藥的沖擊波超壓、頂蓋最大位移和平均沖量

由表2可知，對于5種炸藥，以沖擊波超壓作為標準，則樣品3和樣品4的內爆炸威力性能較好，其次為樣品2和樣品1，樣品5的最低；以頂蓋的最大位移或平均沖量為標準，樣品3和樣品4的內爆炸威力性能較好，其次為樣品5，樣品1和樣品2的最差。因此，沖擊波超壓高的炸藥，其密閉空間內部爆炸性能并不一定好，并且單純采用沖擊波超壓來評估炸藥的內爆炸威力不全面，與實際情況相差較大，需要結合其他特征參量進行全面評估。綜合沖擊波超壓和頂蓋的平均沖量來看，樣品3和樣品4具有較好的內爆炸性能。

2.2頂蓋位移與炸藥性能的關系

單一使用爆熱來表征炸藥的內爆炸威力存在一定缺陷，如對于樣品1和樣品2，后者的爆熱較前者高42.1%，但其頂蓋上升位移卻低12.6%。爆熱是衡量炸藥總能量的一個重要參量，但密閉/半密閉結構內爆炸時，涉及到炸藥能量分配、能量釋放速度和后燃燒的能量釋放機理等，目前精確地描述這個反應過程與機制比較困難。

富燃料炸藥密閉/半密閉結構內部爆炸時，除了炸藥自身所含的氧與碳、氫、鋁等元素發生氧化反應外，空氣中的氧也將參與反應。不同的反應機制，炸藥爆炸的能量釋放機理也具有顯著的差異。如果炸藥中所有元素發生瞬時反應，即炸藥中有足夠的氧完全氧化C、H、Al等元素，這時的燃燒熱稱為同步自氧化燃燒熱；如果炸藥中所有元素按特定順序發生反應，即炸藥自身所含的氧不能夠完全氧化C、H、Al等元素，這時的反應熱稱為非同步自氧化燃燒熱。

對于含C、H、N、O元素的炸藥，由于沒有鋁粉的限制，其同步自氧化燃燒熱和非同步自氧化燃燒熱是一致的。對于非同步自氧化燃燒熱，計算時假設反應先后順序為鋁、碳、氫[13]。炸藥的總燃燒熱、同步自氧化燃燒熱和非同步自氧化燃燒熱的計算公式[14]如下：

總燃燒熱:ΔHC=∑ΔHCiWi

(7)

(8)

(9)

∑ORi≥∑ONm

(10)

式中：W為質量分數；OR為炸藥自身的含氧量；ON為炸藥中每種元素完全氧化所需氧；下標i，m，CH分別代表炸藥的每種組分、金屬鋁和碳氫比。

5種炸藥的燃燒熱的計算值見表3。

表3　5種炸藥燃燒熱的計算值

頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱的關系如圖4所示。

圖4　頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱的關系Fig. 4　Roof lift maximal displacement vs. heat ofcombustion by asynchronous self-oxidation

由圖4可看出，頂蓋舉起最大位移與炸藥的非同步自氧化燃燒熱有較好的線性關系，相關系數R2=0.9917。頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱關系如下：

xmax=17.717ΔHas-5.322

(11)

將公式(11)帶入公式(6)得到

(12)

式中:k=2a(m/A)2。

由此可得出，頂蓋平均沖量的平方與炸藥的非同步自氧化燃燒熱也具有線性關系。

因此，通過炸藥的非同步自氧化燃燒熱，即可計算出頂蓋的位移和平均沖量，評估炸藥的內爆炸威力。頂蓋舉起位移或平均沖量與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有密切的相關性，表明頂蓋的上升是炸藥的爆轟和后燃反應共同作用的結果，與文獻[9]結論一致。

2.3內爆類炸藥配方設計的參考依據

依據本研究結果，并結合國外近年來研究成果[6,14-17]，表征密閉/半密閉結構內爆炸性能的參數還包括沖擊波超壓(Δp)、沖量(I)和準靜態壓力(pQS)等，沖擊波超壓和沖量反映的是炸藥爆轟階段釋放的能量，準靜態壓力表征了炸藥二次反應階段釋放的能量。

頂蓋舉起位移值計算的沖量體現了炸藥裝藥初始爆轟和二次反應兩個階段的綜合作用。然而，從武器的多用性(或通用性)角度考慮，內爆類炸藥還需要考慮爆轟和二次反應兩個階段能量釋放的合理分配，即沖擊波和準靜態壓力兩個特征參量之間的分配，因此，獲得與沖擊波和準靜態壓力相關的炸藥性能參數也是指導內爆類炸藥設計的一個關鍵。

綜合考慮，若要保持炸藥有較好的內爆炸性能，需要權衡分配沖擊波和準靜態壓力兩個特征參量，即炸藥要保持適當的沖擊波超壓、較高的準靜態壓力或頂蓋舉起位移。內部爆炸載荷與炸藥性能參數的相關性見表4。

表4　內部爆炸載荷與炸藥性能參數的相關性

由表4可知，內爆類炸藥應具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速。結合表1和表5中數據，驗證了2.1節評估結果的正確性。

3結論

(1)沖擊波超壓高的炸藥，密閉空間內部爆炸性能不一定好，單純采用沖擊波超壓來評估炸藥的內爆炸性能不全面。頂蓋的舉起位移反映了炸藥的爆轟和后燃燒綜合作用，頂蓋舉起試驗能夠用來全面、合理的評估密閉/半密閉空間炸藥裝藥內爆炸性能。

(2)頂蓋舉起位移和平均沖量的平方與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有線性關系。通過炸藥的非同步自氧化燃燒熱，即可計算出頂蓋的位移和平均沖量，評估炸藥的內爆炸威力。

(3)侵徹內爆型戰斗部選用的炸藥應具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速等特點。

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Evaluation of the Internal Blast Performance of Explosives Based on Roof Lift Test

HU Hong-wei1，FENG Hai-yun1，XIAO Chuan1，GU Xiao-hui2，SONG Pu1

(1. Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China; 2. School of Mechanics Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To evaluate the blast performance of explosives in a closed/semi-closed structure, the internal blast test of five kinds of typical explosive charges was carried out through a self-built roof lift test device. The internal blast power was evaluated by shock wave overpressure and roof lift displacement. The results show that the internal blast performances of some explosives with higher shockwave overpressure are not necessarily better. The air blast performances and internal blast ones have significant difference. The roof lift maximal displacement (xmax) has a good liner relationship with heat of combustion (ΔHas) by asynchronous self-oxidation, and the relationship formula isxmax=17.717ΔHas-5.322, correlation coefficientR2=0.9917. Internal blast type explosive should have high heat of combustion, high heat of reaction by asynchronous self-oxidation and moderate detonation velocity.

Keywords:explosion mechanics; internal blast; roof lift test; shockwave overpressure; impulse；heat of combustion by asynchronous self-oxidation

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.010

收稿日期:2015-10-29；修回日期:2015-12-29

基金項目:國防科技工業基礎產品創新計劃火炸藥專項；國防“973”項目(613143)

作者簡介:胡宏偉(1982-)，男，碩士，副研究員，從事爆炸力學與毀傷技術研究。E-mail: hhw505@163.com

中圖分類號：TJ55;TQ560

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0053-05

通迅作者:宋浦(1973-)，男，博士，研究員，從事爆炸力學與毀傷技術研究。E-mail: songpu73@163.com