溫壓炸藥內爆炸壓力特性及威力試驗研究

張玉磊， 李芝絨， 蔣海燕， 翟紅波， 袁建飛， 仲凱

(西安近代化學研究所， 陜西 西安710065)

0 引言

內爆炸毀傷是艦船、地下工事等腔室結構目標的常用毀傷工況，為有效打擊此類目標，近年來世界各軍事強國對發展適用于有限空間內爆炸溫壓彈藥的興趣越來越濃。溫壓炸藥內爆炸條件下的壓力效應分為沖擊波壓力效應和準靜態壓力效應[1-3]。炸藥爆炸后，沖擊波首先作用于目標，使結構產生變形、撕裂等預毀傷，緊接著準靜態壓力繼續作用，最終造成目標結構解體、飛散等更嚴重的毀傷。其中，準靜態壓力是由于爆炸產生的高溫高壓氣體產物向外擴張膨脹受到密閉空間約束形成的，與沖擊波壓力相比，具有上升緩、峰值低、時間長的特點。

國內外研究人員對炸藥內爆炸效應開展了大量研究。Baker[4]、Duffey等[5]基于試驗預測了內爆炸沖擊波載荷的分布，并建立了簡化的三角載荷模型；曹玉忠等[6]、張亞軍等[7]開展了爆炸容器內沖擊波系演化的數值研究；Tassia[8]和Lee等[9]通過研究建立了以準靜態壓力為指標的炸藥內爆炸威力評估方法；金朋剛等[10]、王等旺等[11]基于密封罐內爆炸實驗開展了梯恩梯(TNT)基炸藥的內爆炸壓力特性研究。

雖然國內外已經開展了大量內爆炸壓力效應及威力研究，但是這些研究主要是針對沖擊波壓力效應及威力。由于內爆炸最終毀傷效果與沖擊波壓力和準靜態壓力的協同作用密切相關，綜合考慮沖擊波壓力和準靜態壓力的研究有待深入開展。本文以某溫壓炸藥為研究對象，以TNT炸藥為參照，開展了大型密閉空間內爆炸系列試驗，獲取了溫壓炸藥內爆炸沖擊波壓力及準靜態壓力，并采用等效TNT當量法開展了溫壓炸藥內爆炸威力評估，所得結果可為溫壓炸藥內爆炸毀傷威力評估提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及樣品

試驗裝置為一膠囊形爆炸罐(見圖1)，罐的直徑為φ2.6 m、圓柱部分長為3.2 m，其主體由抗爆承壓層、隔音層和內襯裝甲層構成，常壓下抗爆當量為7 kg TNT，爆炸罐主體上有多個可安裝傳感器的法蘭盤，如圖2所示。

試驗炸藥樣品為質量2 kg某溫壓炸藥和TNT炸藥，該溫壓炸藥主要成分為奧克托今(HMX)、鋁粉和黏結劑，爆熱約為TNT的1.8倍。樣品均為長徑比約1∶1的壓制柱形裸藥，直徑為113 mm. 溫壓藥柱密度為1.86 g/cm3；TNT藥柱密度為1.58 g/cm3. 藥柱均以10 g壓裝JH-14炸藥為傳爆藥，用8號電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.2 測點布局及測試系統

試驗時，將藥柱懸掛于試驗裝置的中心位置，將沖擊波超壓傳感器安裝于圖2所示法蘭盤1和3的中心位置，敏感面正對爆心，準靜態壓力傳感器安裝于法蘭盤2和4的中心位置，測點距離爆心為1.17 m.

沖擊波超壓測試選用美國PCB公司的ICP型113B系列通用高頻壓力傳感器，固有頻率大于500 kHz，上升時間小于1 μs. 準靜態壓力測試選用昆山雙橋傳感器測控公司產CYG400型壓阻式壓力傳感器，測量精度為0.5級，測試時加裝機械濾波器以濾掉高頻沖擊波分量，實現低頻準靜態壓力的直接測量[2]。經校準，測試組件上升時間為0.24 ms.

2 理論計算

2.1 沖擊波超壓計算

炸藥在罐內爆炸后，入射波作用于壓力傳感器所在的法蘭盤后發生正反射。爆炸沖擊波入射壓和正反射壓的計算公式[12]為

(1)

(2)

式中：pi為入射沖擊波壓(MPa)；meQ為基于爆熱換算得到的等效TNT藥量(kg)；r為爆心距(m)；pr為正反射壓(MPa)；p0為初始大氣壓力，取0.101 MPa.

根據(1)式和(2)式計算得到本試驗中TNT爆炸后的入射壓pi為1.28 MPa，正反射壓pr為7.51 MPa；溫壓炸藥爆炸后入射壓pi為2.04 MPa，正反射壓pr為13.19 MPa.

2.2 準靜態壓力計算

假設爆炸氣體產物為理想氣體絕熱模型，爆炸產物中固態產物所占體積可忽略不計，在不考慮密閉空間內炸藥爆炸前后物質的量變化和產物二次反應的條件下，準靜態壓力的形成可看作獨立的兩部分[11,13]，即爆轟反應產生的大量氣體壓縮在密閉空間造成的壓力上升p1和爆炸釋能引起密閉空間內溫度上升而導致的壓力上升p2.

爆炸生成的氣體體積為爆容V0與裝藥質量m的乘積。與密閉空間容積相比，炸藥的體積可以忽略，根據理想氣體狀態方程，有

p1V=p0V0m，

(3)

則新增氣體產物壓縮在容積為V的密閉空間內造成的壓力上升為

(4)

假定爆炸反應釋放的能量全部用來加熱氣體，則罐內氣體的溫升為

(5)

式中：Qv為炸藥定容爆熱(J/kg)；mg為密閉空間內氣體質量(kg)；cv為密閉空間內氣體定容比熱(J/(kg·K))。由狀態方程可得：

(6)

式中：n為物質的量(mol)；R為理想氣體常數(8.314 J/(mol·K))。由此可得到準靜態壓力pq的計算公式為

(7)

對于負氧炸藥，高溫狀態下爆炸產物之間、產物與空氣中的氧會繼續反應釋能(即后燃反應)，容器內的準靜態壓力將進一步升高，這部分釋能可通過一定質量的炸藥折算補償。記折算系數為k，有

(8)

基于上述分析可知，pq與m/V呈線性關系，即pq=α×(m/V)，α為待定系數。密閉條件下爆炸反應產物與空氣、產物之間的化學反應過程非常復雜，目前仍沒有較好的理論模型，通過試驗確定α值是一種可靠途徑。

王等旺等[11]通過裝藥質量為8 g、27 g和133 g的系列試驗，得到了0.5 kg/m3

(9)

本文試驗質量容積比meQ/V<0.5 kg/m3，需要基于試驗數據擬合適用的計算公式。

3 結果與分析

3.1 壓力測試結果分析

本試驗條件下的沖擊波超壓峰值Δp測試結果及其計算值偏差、準靜態壓力峰值pq列于表1，溫壓炸藥內爆炸典型沖擊波超壓和準靜態壓力時程曲線如圖3所示，溫壓炸藥與TNT內爆炸沖擊波超壓時程曲線及準靜態壓力時程曲線分別如圖4和圖5所示。

表1 溫壓炸藥及TNT內爆炸壓力測試結果

從表1中的數據可以看出，本文試驗條件下，同質量的溫壓炸藥內爆炸沖擊波超壓峰值和準靜態壓力峰值均高于TNT炸藥，其中沖擊波超壓峰值提高了18.0%，準靜態壓力峰值提高了62.9%. 與理論計算值比較，TNT超壓峰值試驗值與計算值基本相當，溫壓炸藥超壓峰值計算值偏大48.0%，這是因為爆熱表征了炸藥爆炸所釋放的熱量，而溫壓炸藥的能量很大一部分通過后燃燒釋放，并未形成沖擊波，所以溫壓炸藥的沖擊波威力值不能簡單地通過TNT爆熱當量計算，按爆熱計算的超壓值是偏大的。

將TNT藥量m、爆炸罐容積V和內爆炸準靜態試驗結果pq代入pq=α×(m/V)，得到本文試驗工況下TNT內爆炸準靜態壓力峰值的計算公式為

pq=3.185m/V.

(10)

若按爆熱換算法，則由(10)式可得到溫壓炸藥內爆炸準靜態壓力峰值為0.441 MPa，結果較試驗值偏大10.5%. 由于溫壓炸藥含有大量的鋁粉，會消耗大量空氣中的氧，其反應機制與TNT有顯著差異，可見爆熱換算法同樣不適用于溫壓炸藥內爆炸準靜態壓力峰值計算。

從圖3可以看出，沖擊波超壓峰值高、反射次數多、衰減迅速，準靜態壓力峰值低、持續作用時間長。沖擊波與內壁面的多次反射過程中準靜態壓力逐漸上升，沖擊波反射結束后，準靜態壓力才到達峰值并維持較長時間。準靜態壓力上升時間為數十毫秒，峰值pq大小為超壓峰值Δp的二十分之一甚至更低。這是由于爆轟產物氣體在密閉空間內均勻分布需要經歷一定時間，準靜態壓力上升到穩定狀態的過程相對緩慢；達到峰值后壓力曲線呈現準平臺效應，持續時間為秒級。

從圖4可以看出，溫壓炸藥內爆炸超壓峰值高于TNT，持續時間均約為0.5 ms，但溫壓炸藥沖擊波首峰在衰減至50%附近時有一個臺階，如圖4中圓圈所示，而TNT沒有該現象，因此溫壓炸藥的沖量顯著大于TNT. 通過對壓力曲線積分得到溫壓炸藥和TNT的內爆炸沖量分別為999.6 Pa·s和619.6 Pa·s，溫壓炸藥較TNT提高了61.3%. 研究人員通過數值計算和試驗認為，溫壓炸藥的后燃反應導致壓力衰減較傳統炸藥緩慢，沖量顯著增加[14]。

從圖5可以看出，同質量的溫壓炸藥內爆炸準靜態壓力上升速率和TNT炸藥相差不大，但壓力峰值較TNT大幅度提高。相對于沖擊波超壓，溫壓炸藥的內爆炸準靜態壓力提升更為明顯。這是因為沖擊波超壓峰值大小主要取決于無氧反應階段釋能，而準靜態壓力大小與無氧階段和有氧后燃燒階段的釋能都有關系。與TNT相比，溫壓炸藥最顯著的爆炸特性就是具有強烈的有氧后燃燒作用，大量的熱釋放提高了密閉環境的準靜態壓力。

3.2 TNT當量計算

TNT當量的初始定義為單位質量某炸藥爆熱與TNT爆熱的比值。但爆熱高的炸藥其爆炸沖擊波威力并非一定高，尤其是溫壓炸藥爆炸后一部分能量以燃燒的形式釋放。因此，爆熱TNT當量并不適用于炸藥爆炸威力評估。威力TNT當量法以爆炸威力參量為評價依據，可以真實地反映爆炸對目標的毀傷潛能。本文選用威力TNT當量法，以TNT現場爆炸威力數據建立TNT爆炸威力模型，將溫壓裝藥同條件下獲得的爆炸威力試驗結果代入TNT模型，反向求解出要達到相同爆炸威力的TNT等效裝藥量meQ，以溫壓爆炸的TNT等效裝藥量meQ和溫壓炸藥裝藥量mw的比值meQ/mw作為TNT當量qt[15]。

開展內爆炸威力評估時需要同時考慮沖擊波威力和準靜態壓力，美國海軍水面武器中心已將準靜態壓力作為彈藥裝藥威力的考核指標之一[9]，特別是在沖擊波預毀傷作用后，目標的易損性能顯著降低，后續的準靜態壓力作用甚至可能是目標最終毀傷效果的決定因素。

3.2.1 沖擊波超壓TNT當量

選擇沖擊波超壓峰值為威力評估指標。試驗結果表明：TNT爆炸沖擊波超壓理論計算值與試驗值十分接近，(1)式可直接作為TNT沖擊波入射超壓威力模型。將溫壓炸藥內爆炸超壓測試結果代入(2)式，得到溫壓炸藥其入射沖擊波超壓pi,w為1.47 MPa，再將pi,w代入(1)式，可得等效TNT藥量meQ為2.35 kg. 溫壓炸藥的TNT等效裝藥量和溫壓炸藥裝藥量的比值meQ/mw為1.18，即溫壓炸藥內爆炸沖擊波超壓TNT當量qt為1.18.

3.2.2 準靜態壓力TNT當量

將溫壓炸藥內爆炸準靜態壓力峰值0.399 MPa代入(10)式，得到等效TNT藥量meQ為3.26 kg，即本文試驗條件下，溫壓炸藥內爆炸準靜態壓力TNT當量qt為1.63.

當量計算結果表明，沖擊波超壓TNT當量和準靜態壓力TNT當量均小于爆熱當量，與試驗測試結果和理論分析結果一致。

4 結論

1)炸藥內爆炸壓力效應分為沖擊波超壓和準靜態壓力，內爆炸準靜態壓力的上升伴隨著沖擊波的多次反射，本文試驗條件下該過程持續時間為數十毫秒，反射結束后準靜態壓力上升到峰值并維持較長時間，準靜壓峰值大小為超壓峰值的二十分之一甚至更低。

2)溫壓炸藥與TNT的內爆炸沖擊波超壓和準靜態壓力不能簡單地通過爆熱相互轉換計算。本文試驗條件下，同質量的溫壓炸藥內爆炸沖擊波超壓峰值、沖量和準靜態壓力峰值均高于TNT炸藥，其中沖擊波超壓峰值提高了18.0%、沖量提高了61.3%、準靜態壓力峰值提高了62.9%.

3)對溫壓炸藥內爆炸威力進行評估，需要綜合考慮沖擊波超壓和準靜態壓力的威力大小。基于威力TNT當量法，計算得到本文試驗條件下溫壓炸藥內爆炸沖擊波超壓TNT當量為1.18，準靜態壓力TNT當量為1.63，均小于爆熱當量。