復(fù)合裝藥密閉空間爆炸能量釋放特性

闞潤(rùn)哲，聶建新，劉 正，郭學(xué)永，焦清介，朱英中，劉 攀

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 402760)

引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷發(fā)展和精確制導(dǎo)武器的廣泛運(yùn)用，出于防護(hù)與反偵察等需求，許多國(guó)家將重要軍事設(shè)施轉(zhuǎn)移到地下等具有堅(jiān)固防御能力的建筑內(nèi)。對(duì)于這一類(lèi)具有典型艙室結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，例如艦船艙室、地下堡壘等，密閉空間爆炸是最常見(jiàn)也是最為重要的毀傷手段[1-3]。研究有效打擊密閉空間軍事目標(biāo)的高能炸藥成為提高戰(zhàn)斗部毀傷能力的重要方向和主要趨勢(shì)，與研制新型單質(zhì)炸藥和高能燃料相比，利用現(xiàn)有炸藥和金屬燃料進(jìn)行合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)武器高效毀傷[4]和安全性[5]要求的重要途徑之一。

雙元復(fù)合裝藥是指采用兩種炸藥通過(guò)內(nèi)外嵌套、上下疊加等方式進(jìn)行組合的一種裝藥方法，可以有效提高裝藥的爆炸毀傷性能。Spencer[6]和Kuhns[7]分析了雙元裝藥的爆轟特性發(fā)現(xiàn)，采用雙元裝藥能夠明顯提高炸藥爆轟性能。Manfred[8]分析了雙元裝藥的爆轟特性，為裝藥設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。Kato等[9]利用高密度炸藥和高爆速炸藥組成的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，使復(fù)合裝藥爆速和壓強(qiáng)明顯提高。Trzciński等[10]和Maiz等[11]對(duì)內(nèi)外層結(jié)構(gòu)含鋁裝藥爆炸特性的實(shí)驗(yàn)表明，兩種裝藥結(jié)構(gòu)中鋁粉的反應(yīng)機(jī)制不同，復(fù)合裝藥促進(jìn)了鋁粉的燃燒，增強(qiáng)了沖擊波超壓。Hong等[12]對(duì)復(fù)合裝藥的沖擊波傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)復(fù)合裝藥的沖擊波波形和壓力分布有著明顯改變，內(nèi)外層同時(shí)起爆時(shí)超壓分布面積最大。英國(guó)QinetiQ公司提出了一種多層環(huán)形復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)[13]，在密閉爆炸室內(nèi)對(duì)兩種不同模式的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的研究表明，不同起始階段的能量輸出存在差異。

國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)合裝藥的研究開(kāi)展相對(duì)較晚，但成果豐富。張先鋒等[14]研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合裝藥中內(nèi)層裝藥會(huì)形成明顯的超壓爆轟現(xiàn)象，實(shí)際爆轟壓力遠(yuǎn)大于C-J爆轟壓力，對(duì)于提高炸藥裝藥的能量利用率具有很大的優(yōu)勢(shì)。牛余雷等[15-16]對(duì)復(fù)合裝藥空中爆炸和水中爆炸特性研究表明，復(fù)合裝藥空中爆炸沖擊波峰值超壓、炸藥爆炸的火球直徑和持續(xù)時(shí)間大幅增加，水中爆炸總能量也得到了提高。周濤等[17]開(kāi)展了內(nèi)層高爆速炸藥和外層低爆速炸藥的含鋁裝藥的圓筒實(shí)驗(yàn)，研究表明復(fù)合炸藥的爆速相比均一裝藥略微降低，但由于其爆轟波具有明顯的內(nèi)聚效應(yīng)，提高了內(nèi)層裝藥的能量釋放率。李梅等[18]測(cè)試了幾種典型高能炸藥的均一裝藥和內(nèi)外層裝藥的沖擊波超壓，提出內(nèi)外層復(fù)合裝藥的沖量更大，更有利于提高戰(zhàn)斗部的徑向輸出威力。

綜上所述，盡管目前對(duì)復(fù)合裝藥的能量釋放參數(shù)已有較多研究，但多集中在空中爆炸能量釋放特性研究方面，缺乏對(duì)密閉空間環(huán)境這類(lèi)重點(diǎn)毀傷目標(biāo)的研究。此外，在復(fù)合裝藥的研究中多以沖擊波超壓進(jìn)行評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)其他參數(shù)尤其是瞬態(tài)溫度的測(cè)試，而溫度是密閉空間重要的毀傷元之一。因此本研究利用自研的密閉爆炸實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)HMX基復(fù)合裝藥密閉空間爆炸沖擊波和瞬態(tài)溫度進(jìn)行了測(cè)試，并與相同化學(xué)組成的均一裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，研究了復(fù)合裝藥密閉空間爆炸能量釋放特性。

1 密閉爆炸實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品的兩種裝藥結(jié)構(gòu)分別為雙元同軸內(nèi)外層復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)及其混合均一裝藥結(jié)構(gòu)。復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)樣品采用內(nèi)層壓裝成型、外層澆注成型的工藝制備。均一裝藥結(jié)構(gòu)樣品則為澆注成型方式。兩種裝藥樣品配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX，66.7%；AP，4.3%；Al，20%；成型載體，9%。其中，復(fù)合裝藥內(nèi)外層質(zhì)量比為1∶2，兩種樣品實(shí)驗(yàn)藥量均為200g。兩種裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣品配方及參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)樣品如圖1所示。為了保證樣品充分起爆，每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品配備40g JH-14藥柱擴(kuò)爆藥，并采用11g鈍化RDX藥柱起爆。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品成分及參數(shù)

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品

1.2 密閉爆炸實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用密閉空間爆炸實(shí)驗(yàn)裝置為自制立方體結(jié)構(gòu)，能更好地模擬實(shí)際的房屋和艙室結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)尺寸為1.3m×1.3m×1.3m，容積2200L，可以進(jìn)行1kg當(dāng)量TNT爆炸實(shí)驗(yàn)，具備準(zhǔn)靜態(tài)壓力和瞬態(tài)溫度測(cè)試能力，密閉空間爆炸實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品從上端起爆系統(tǒng)垂直吊入裝置中心，通過(guò)布置在管道中的壓力傳感器和安裝在壁面的瞬態(tài)溫度傳感器采集爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力和溫度數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)前通過(guò)真空泵向裝置內(nèi)壁注氣，對(duì)裝置氣密性進(jìn)行檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)用壓力傳感器為美國(guó) PCB 公司113B26 壓力傳感器，傳感器量程為3450MPa，靈敏度為1451mV/MPa，所有壓力傳感器均通過(guò)傳感器基座安裝在導(dǎo)管中。通過(guò)美國(guó) PCB 公司482C系列4通道信號(hào)適調(diào)儀對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理并使用德國(guó)HBM公司gen7t 28通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率100MB/s。瞬態(tài)溫度的采集使用美國(guó)NANMAC E6型高耐壓侵蝕型快速響應(yīng)熱電偶，該型熱電偶響應(yīng)時(shí)間可達(dá)50μs，最大耐壓172MPa，測(cè)溫范圍0～2350℃，可采集密閉爆炸裝置內(nèi)瞬態(tài)溫度變化。瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)收集設(shè)備使用領(lǐng)邦眾泰ESC型數(shù)據(jù)采集/信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度和壓力傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 典型壓力時(shí)程曲線(xiàn)分析

圖3為自研密閉空間爆炸實(shí)驗(yàn)裝置中炸藥爆炸典型壓力時(shí)程曲線(xiàn)。對(duì)圖3分析可知，在0～100ms壓力數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)壓力的快速下降，能夠較好地維持準(zhǔn)靜態(tài)壓力，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。此外，由壓力時(shí)程曲線(xiàn)可以看出含鋁炸藥密閉空間準(zhǔn)靜態(tài)壓力的變化可大致分為典型的3個(gè)階段：

圖3 密閉爆炸實(shí)驗(yàn)典型壓力—時(shí)程曲線(xiàn)

第一階段為初始沖擊波及其反射階段。表現(xiàn)為沖擊波在密閉爆炸裝置內(nèi)的不斷反射，導(dǎo)致壓力曲線(xiàn)大幅震蕩，該階段持續(xù)時(shí)間為20～30ms。

第二階段為壓力持續(xù)階段。表現(xiàn)為壓力的穩(wěn)定和非線(xiàn)性下降[19]，該階段持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，約70～80ms。

第三階段為壓力衰減階段。表現(xiàn)為密閉體系降溫導(dǎo)致壓力的衰減過(guò)程[20]，其開(kāi)始于第二階段結(jié)束。

2.2 沖擊波峰值壓力分析

圖4和表2分別為兩種炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸后由壓力傳感器采集到的壓力—時(shí)程曲線(xiàn)和兩組平行實(shí)驗(yàn)沖擊波峰值壓力數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

圖4 沖擊波壓力—時(shí)程曲線(xiàn)

表2 沖擊波峰值壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，復(fù)合裝藥平均沖擊波峰值壓力為0.62MPa，而均一裝藥結(jié)構(gòu)為0.55MPa，兩組實(shí)驗(yàn)所獲得的峰值壓力誤差均在5%以?xún)?nèi)，具有較好的一致性，通過(guò)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可提高沖擊波峰值壓力。此外，在密閉空間內(nèi)沖擊波第二個(gè)峰值壓力為0.92MPa，較初始沖擊波峰值壓力提高0.3MPa，表明密閉空間爆炸產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過(guò)反射和疊加后得到了增強(qiáng)，之后逐漸趨于穩(wěn)定，圖3中典型壓力時(shí)程曲線(xiàn)可以明顯觀(guān)察到這一現(xiàn)象。

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓力分析

2.3.1 數(shù)據(jù)處理方法

準(zhǔn)靜態(tài)壓力是由于爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體向外擴(kuò)張膨脹受到密閉空間約束形成的相對(duì)穩(wěn)定的壓力。關(guān)于準(zhǔn)靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)的處理尚沒(méi)有統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的方法，目前國(guó)內(nèi)外準(zhǔn)靜態(tài)壓力處理方法中，一種是定義處理后的壓力峰值為準(zhǔn)靜態(tài)壓力[21-22]，另一種是取用一定時(shí)間段內(nèi)的平均壓力表示準(zhǔn)靜態(tài)壓力[23-24]，且對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)壓力時(shí)間范圍的選取尚存爭(zhēng)議。

如圖3所示，由于沖擊波在密閉空間內(nèi)不斷產(chǎn)生反射疊加效應(yīng)，初始階段的壓力峰值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是隨著時(shí)間的增加，壓力幅值和波動(dòng)減弱，壓力在密閉空間內(nèi)分布均勻，形成了一個(gè)壓力幅值比反射沖擊載荷峰值小很多的壓力，通過(guò)選取一段時(shí)間內(nèi)壓力平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力的方法，更具有參考意義。因此，基于上述分析和實(shí)驗(yàn)所獲得的壓力時(shí)程曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，本研究選取5～20ms內(nèi)的壓力平均值作為最終的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，一方面更好地體現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用結(jié)果，另一方面避免了前期壓力震蕩和后期壓力衰減對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力結(jié)果的影響。

利用相鄰平均法對(duì)壓力曲線(xiàn)進(jìn)行濾波處理，圖5為經(jīng)過(guò)處理后的壓力—時(shí)程曲線(xiàn)。由圖5可以看出，經(jīng)相鄰平均法降噪處理后的曲線(xiàn)在不改變密閉空間內(nèi)爆炸壓力時(shí)程曲線(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，能夠更加直觀(guān)和精確地判斷準(zhǔn)靜態(tài)壓力的大小。

圖5 壓力—時(shí)程曲線(xiàn)處理結(jié)果及對(duì)比

2.3.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算與分析

依據(jù)上節(jié)所述數(shù)據(jù)處理方法對(duì)兩種樣品的壓力曲線(xiàn)進(jìn)行處理，選取計(jì)算區(qū)間內(nèi)壓力數(shù)據(jù)并獲得其平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力。為了避免實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)不確定度以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作誤差等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)每種裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩次密閉空間爆炸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)誤差判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，并取兩次實(shí)驗(yàn)平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力。準(zhǔn)靜態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，不同樣品兩次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力誤差分別2.56%和3.61%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的重復(fù)性，也證明了準(zhǔn)靜態(tài)壓力處理方法的精確性。

表3 準(zhǔn)靜態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步討論炸藥裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響，對(duì)兩種裝藥結(jié)構(gòu)炸藥密閉空間爆炸形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力—時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行平滑處理，并對(duì)比其準(zhǔn)靜態(tài)壓力大小，如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)壓力—時(shí)程曲線(xiàn)及處理結(jié)果

由圖6和表3可知，復(fù)合裝藥和均一裝藥樣品密閉空間內(nèi)爆炸形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別為340.96MPa和315.63MPa，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)樣品準(zhǔn)靜態(tài)壓力提高了8%，具有更高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。其原因是：內(nèi)外層復(fù)合裝藥利用其內(nèi)外層裝藥爆速的不同，使內(nèi)層裝藥產(chǎn)生超壓爆轟，外層裝藥爆轟后，部分爆轟產(chǎn)物側(cè)向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了徑向匯聚作用，增強(qiáng)了對(duì)內(nèi)層裝藥的約束。在外層裝藥的約束下，高溫高壓爆轟環(huán)境持續(xù)時(shí)間提高，使得參加反應(yīng)的鋁粉增加，鋁粉燃燒更充分，從而提高了復(fù)合裝藥的能量輸出，使得其準(zhǔn)靜態(tài)壓力增大。

2.4 密閉空間爆炸溫度分析

本研究使用瞬態(tài)溫度傳感器對(duì)兩種裝藥結(jié)構(gòu)炸藥密閉空間爆炸溫度變化進(jìn)行采集和分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，與均一裝藥結(jié)構(gòu)的峰值溫度745℃相比，復(fù)合裝藥的峰值溫度為621℃，低于均一裝藥結(jié)構(gòu)，但是復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)能夠維持在此之后的長(zhǎng)時(shí)間600℃左右的高溫環(huán)境，這是均一裝藥所無(wú)法達(dá)到的。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是：復(fù)合裝藥具有內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，外層高爆速炸藥首先爆轟，為內(nèi)層高鋁氧比炸藥提供了高溫環(huán)境，并抑制爆轟產(chǎn)物的膨脹，促進(jìn)了鋁粉吸熱過(guò)程，使得峰值溫度較低。但此后，由于外層裝藥的徑向匯聚作用，使得鋁粉與周?chē)Z產(chǎn)物存在較好的反應(yīng)，釋放的熱量使得爆炸場(chǎng)的溫度升高，因此其溫度能夠維持較高的水平。

圖7 密閉空間爆炸瞬態(tài)溫度—時(shí)程曲線(xiàn)

根據(jù)鋁粒子氣化燃燒方程[25]如式(1)和式(2)對(duì)密閉空間爆炸溫度變化趨勢(shì)進(jìn)一步分析：

(1)

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)可知，當(dāng)鋁顆粒的密度和粒徑不變時(shí)，鋁粒子的燃燒率和燃燒速率取決于鋁粒子的燃燒溫度，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)由于外層高爆速炸藥抑制了內(nèi)層爆轟產(chǎn)物的膨脹，為鋁粉與爆轟產(chǎn)物的燃燒提供了長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓環(huán)境，使得鋁粉燃燒速率提高，燃燒率增加，密閉空間內(nèi)部溫度得以維持較高的水平。

3 結(jié) 論

(1)在相同化學(xué)組成下，復(fù)合裝藥沖擊波峰值壓力為0.62MPa，比均一裝藥沖擊波峰值壓力0.55MPa提高了12.7%，表明通過(guò)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可提高沖擊波峰值壓力。

(2)相同化學(xué)組成的復(fù)合裝藥和均一裝藥樣品密閉空間內(nèi)爆炸形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別為340.96MPa和315.63MPa，不同樣品兩次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力誤差分別2.56%和3.61%。復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)樣品準(zhǔn)靜態(tài)壓力比均一裝藥結(jié)構(gòu)樣品提高了8%。采用外層高爆速炸藥、內(nèi)層高鋁氧比炸藥的內(nèi)外層復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)能夠提高裝藥能量輸出。

(3)與均一裝藥結(jié)構(gòu)的峰值溫度745℃相比，具有內(nèi)外層復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的樣品密閉空間爆炸峰值溫度下降124℃，為621℃。在此之后，復(fù)合結(jié)構(gòu)外層裝藥形成的徑向匯聚作用促進(jìn)了鋁粉的燃燒，使得復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)樣品能夠維持長(zhǎng)時(shí)間600℃左右的高溫環(huán)境。