溫壓炸藥爆炸瞬態高溫測試技術研究

馬旭靜，孫 鵬，張駿虎，劉睿辰，王 高

(1.中北大學 省部共建動態測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.山西江淮重工有限責任公司，山西 晉城 048026)

0 引言

溫壓炸藥是一種混合燃料炸藥，基于燃燒和爆炸兩種釋能方式產生高強度的熱和長時間的壓力，在結構復雜的地下坑道和設施中具有獨特的殺傷機制和優勢[1]，特別是對隱藏在地下、洞穴和建筑物內的敵人，使其因缺氧窒息而死，爆炸形成的高溫火球和爆炸波可以沿廊道傳播并繞過角落進入到破片不能到達的地方，對敵人有生力量、輕型裝備等有效毀傷。溫壓炸藥的爆炸過程主要分為3個階段：第一階段是燃料拋撒過程，戰斗部燃料粒子拋撒，釋放出一部分能量和富含燃料的產物，持續時間為幾個微秒。第二階段是絕熱膨脹過程，燃料粒子(Al粉等)和爆轟產物(CO、NO、H2O等)的無氧燃燒反應，持續時間為幾百微秒。第三階段是空氣中的氧氣與金屬粒子，燃料和未氧化完全的爆轟產物發生有氧燃燒反應，持續時間可達幾百毫秒到數秒[1]。目前，隨著大當量戰斗部的研制不斷深入，針對爆炸場熱毀傷效應的測量與評估越來越受到人們的重視[2]。

由于溫壓彈爆炸瞬間具有爆炸溫度高、爆炸范圍廣、短時間溫度劇烈變化等特點，目前對爆炸場溫度的測量采用傳統的測溫方式很難做到精確測量，國內外關于溫壓炸藥的熱毀傷方面的研究相對較少。南京理工大學仲倩應用紅外熱成像技術分析了溫壓藥劑爆炸火球溫度隨時間變化規律[3]，許仁翰提出了基于高速成像的爆炸場溫度測試方法，建立高速相機圖像灰度值和爆炸場溫度之間的關系[4]；Frost等人使用K型熱電偶對添加金屬鋁顆粒炸藥的火球溫度進行了測量[5]；Goroshin等使用集成光譜儀和三色高溫計記錄爆炸火球的瞬態可見輻射，測得了添加不同金屬粉末炸藥爆炸產生的火球的瞬態溫度[6]；Hongwei Hu等使用比色溫度計測量爆炸火球表面溫度[7]。Lebel等采用鋼管保護的光纖探針測量爆炸火球溫度[8]；Hobbs等人使用壓力傳感器和自制紅外輻射溫度計對炸藥爆炸早期火球膨脹溫度進行了測量[9]。但是比色溫度計、高溫計、光譜儀只能測得溫度，無法獲得整個爆炸過程的圖像信息，而且工作波段對實驗結果精度較大。熱電偶、光纖探針以及紅外輻射溫度計也只能獲得單點的溫度信息，無法獲得整個溫度場的時空溫度分布信息。而基于輻射原理的紅外測溫具有非接觸性、動態范圍大、可測得瞬態變化的物體、不改變溫度場分布、可獲得火球圖像信息等優點，但是一臺熱像儀受幀頻限制，所捕獲的圖像信息有限，所以本文提出了兩臺不同幀頻紅外熱像儀與自制鎢錸熱電偶相結合的測試方法，對處在山洞內外的兩發溫壓彈爆炸形成的火球溫度場進行測試，從不同時間不同位置獲取了火球不同維度的信息，得到了火球表面溫度的時空分布，從時間和空間兩方面擴大測試范圍[10]，對溫壓彈的爆炸過程進行分時精細化研究，從而對其熱毀傷性能評估做出更全面判斷。同時，也對我國相關溫壓藥劑毀傷能力測試以及爆炸反應機理研究具有重要意義。

1 測溫原理

1.1 紅外熱像儀測溫原理

自然界中，任何高于絕對零度的物體都會向外輻射不同波長的電磁波，其中波長處于0.7～1 000 μm范圍的電磁波被定義為紅外線，物體本身溫度越高，其向外輻射紅外線的能力越強。紅外熱像儀是利用被測目標與背景環境由于溫度和發射率差異所產生的熱對比度不同，將紅外輻射能量密度分布轉換為可見光顯示出來[11]。其內部紅外探測器不斷讀取成像物鏡上所接收的紅外輻射能量，經過電路運算放大將其轉化為電信號，再通過普朗克定律將能量轉化為溫度值，最后通過顯示器顯示成為一幅描繪物體或場景變化的視覺圖像。其測量原理如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀輻射原理測量圖

應用紅外熱像儀對溫壓炸藥爆炸產生的火球進行測溫時，其所接收到的有效輻射主要有三部分：目標物體輻射、周圍環境反射到物體的輻射以及大氣輻射。其測溫物理模型如圖2所示，測溫基本公式為[12]：

(1)

圖2 紅外熱像儀測溫物理模型

To′表示熱像儀顯示的輻射溫度，℃；τa代表大氣透射率；ε表示所測目標物發射率；α表示所測物吸收率；To為被測物表面真實溫度，℃；Tu為環境溫度，℃。

不同紅外熱像儀其內部的紅外探測器的光譜響應度隨波長的變化是不同的。根據其變化關系可將其按照以下函數進行擬合。

f(T)≈CTn

(2)

C是與紅外熱像儀工作波段相關的常數，為2.925 9×10-12，n是與探測器材料和波段相關的常數，本次所用3～5 μm的HgCdTe探測器，n為5.33，將式(2)代入式(1)可獲得目標的真實溫度的表達式為[11-12]

(3)

影響爆炸火球發射率的主要因素是未充分燃燒的碳顆粒(炭黑)和其添加的金屬粉等燃燒產生的金屬氧化物。在溫壓彈爆炸瞬間的高溫條件下，炭黑與金屬氧化物可以近似為灰體[13]。結合文獻[5]和文獻[12]確定火球在3～5 μm波段的平均發射率為0.5。

1.2 熱電偶測溫原理

熱電偶的測溫原理是基于材料的塞貝克效應(第一熱電效應)實現的，其測溫原理如圖3所示。兩種不同導體A和B串聯在一起構成閉合回路，結合點1即為測試端(熱端)，另一端2為參考端(冷端)，當熱端放在溫場中測量時，兩端存在溫差，就會在回路中產生溫差電動勢EAB，即

圖3 熱電偶測溫原理圖

EAB(t1，t2)=EAB(t1)-EAB(t2)

(4)

電動勢的大小是溫差的函數[14]，溫度測量測的是熱端1的熱電勢，EAB(t1，t2)是熱電偶的熱電勢。所以只要測出EAB(t1，t2)和EAB(t2)，便可得到測試端1的溫度。

2 實驗方案設計與測試方法

結合具體的靶場實際環境，實驗采用兩臺紅外熱像儀和熱電偶相結合的方式對溫壓炸藥爆炸過程的溫度信息進行采集，目的在于獲取爆炸過程中火球不同維度下的時空分布信息以及外圍一定距離處的溫度場變化信息。為保證在爆炸瞬間采集到溫度信息，紅外熱像儀和熱電偶測溫裝置均通過同步觸發裝置控制信號采集，同步觸發裝置另一端通過觸發線連接到爆炸彈體上。

2.1 實驗儀器

測試手段分為兩種，一種是接觸式，使用自制的鎢錸熱電偶定點測溫。另一種是非接觸式，主要儀器設備包括兩臺高速紅外熱像儀，一臺采用高幀頻拍攝，目的在于捕獲爆炸瞬間的小火球，另一臺采用低幀頻拍攝，捕獲溫壓彈爆炸的全過程。兩臺紅外熱像儀參數設置如表1所示，鎢錸熱電偶參數如表2所示。

表1 兩臺紅外熱像儀參數設置

表2 鎢錸熱電偶參數

為提高溫度采集的可靠性，每組熱電偶測溫裝置均由偶絲直徑為0.25 mm、0.08 mm的2個D型鎢錸熱電偶組成，并采用標準鉑銠30-鉑銠6(B型)熱電偶對其靜態標定，最大誤差為5.2 ℃。其中，偶絲被封裝在剛玉管中并用熱熔膠固定，再將剛玉管封裝在銅制合金保護管內，以增強其抗沖擊和震動的能力，保證在有限的試驗次數下采集到更多更有效的溫度數據。

2.2 現場布局

現場布局如圖4所示，圖4(a)為洞內爆炸，圖4(b)為洞外爆炸。溫壓彈放置在木質彈架上，距地面高度為1.5 m。兩臺紅外熱像儀按照布局圖布置，鎢錸熱電偶固定在鋼制基座上，調節基座使熱電偶與爆心處在同一個水平高度，距離爆心3 m，通過補償導線與數據采集裝置進行連接，最后傳輸到電腦端，實現數據的采集、傳輸和保存，數據采集裝置采樣頻率設置為1 kHz。

圖4 現場布局圖

2.3 誤差分析

2.3.1 系統誤差

熱電偶的特性會隨其成分、微觀結構與殘余應力的微小變化，即使型號相同的熱電偶，其 E-t 關系也不一致[15]。根據我國鎢錸熱電偶絲的國標(GB/T 29823)，W-Re5/26熱電偶，當測溫范圍為0～400 ℃時，其允差為±4.0 ℃，當測溫范圍為400～2 315 ℃時，其允差為±1.0%t[16]。當被測溫度很高時，且熱電偶長期在含碳氫化合物的氣氛中使用時，其表面會因氧化作用而發生腐蝕，引起劣化，該現象會改變熱電性能，使熱電性能超過允差，甚至可能導致熱電偶脆化[17]，導致測溫結果不準確。由文獻[11]可知，溫壓炸藥爆炸瞬間時間極短，遠小于傳感器的使用壽命，因此，可以忽略由劣化現象引起的傳感器測量誤差。

2.3.2 測試環境誤差

溫壓炸藥爆炸產生的火球發出的紅外輻射在經過大氣傳輸到達紅外熱像儀內部探測器的過程中，會發生大氣衰減，使紅外熱像儀所探測到的能量小于溫壓炸藥爆炸火球所輻射出的能量，從而引起誤差。

大氣中有很多不利于紅外輻射傳輸的成分，吸收和散射是同時存在的，其中水汽吸收和二氧化碳吸收較為明顯，其所導致的大氣衰減都遵循朗伯—比爾定律[18]。因此，可以得到大氣的光譜透過率為：

τ(λ)=τa(λ)τs(λ)

(5)

其中：τa(λ)和τs(λ)分別是與吸收和散射有關的透過率[19]。

因此，采用高精度溫濕度計和激光測距儀對實驗現場的溫度、濕度、測試距離等信息進行采集，通過查詢對應光譜范圍的大氣透過率表格來計算測試路徑上的大氣透過率，從而對紅外熱像儀采集到的溫度進行校正處理，最終得出爆炸火球表面的實際溫度。

3 結果與討論

3.1 紅外熱像儀觀察到的火球演變過程

兩臺紅外熱像儀記錄了山洞內外兩發溫壓彈爆炸的全過程。圖5和圖6節選了洞內爆炸的火球演變過程，圖7和圖8節選了洞外爆炸的火球演變過程。

圖5 洞內火球演變過程(高幀頻)

圖6 洞內火球演變過程(大視場)

圖7 洞外火球演變過程(高幀頻)

圖8 洞外火球演變過程(大視場)

由圖5和圖6可知，高幀頻機位捕獲了溫壓炸藥爆炸瞬間的小火球狀態，可以看出初始小火球呈現球形，亮度分布較均勻，火球的體積先迅速變大后又緩慢變小，演變過程主要分為3個階段。首先是迅速成長階段，爆轟瞬間，戰斗部內部裝藥能量釋放，瞬間團聚在一起形成小火球，從低幀頻大視場拍攝的結果來看，由于山洞的空間限制，火球主要被分成了上下兩部分，隨著藥劑的拋撒以及與空氣的混合，進入高溫階段，火球逐漸演化形成一個“草帽狀”的高熱云團，其中溫度最高區域位于“帽頂”位置，此時火球體積達到最大，亮度達到最高，由于此階段火球溫度最高，與環境對比明顯，火球具有較為明顯的邊界。從圖5高幀頻拍攝的4和5來看，高亮區域變小后又變大，說明其具有明顯的后燃反應。而后火球體積逐漸變小，四處分散，中心高亮區域逐漸擴散至邊緣，亮度逐漸變暗，最后形成大面積不規則的燃燒火焰，消失在紅外熱像儀視野范圍中。

由圖7和圖8可知，爆炸初始瞬間，小火球呈現橢球型，由于在洞外開闊地帶爆炸，火球擴散沒有受到空間限制，形成一個大火球，隨著藥劑充分混合，火球呈現出“蘑菇云”狀，熱像儀視野范圍內出現多個高溫區。一些區域先亮后暗又變亮，說明溫壓炸藥具有后燃反應，高亮區域基本處在爆炸火球的幾何中心偏上位置，隨著火球的擴散，其高亮區域逐漸增加，但其占火球總面積逐漸降低，最后形成大面積不規則燃燒區域，消失在紅外熱像儀視野范圍中。

3.2 接觸式熱電偶測溫系統結果

鎢錸熱電偶溫度傳感器共測得3組數據，測試結果如表3所示。由于洞外的0.08 mm直徑熱電偶在爆炸過程中被撕裂，沒有輸出完整信號。

表3 鎢錸熱電偶測試結果

3.2.1 洞內爆炸溫度場測試結果

偶絲直徑為0.25 mm及0.08 mm的熱電偶輸出信號如圖9(a)和圖9(b)所示。通過對測試數據的處理和分析，得出0.25 mm直徑的熱電偶在88 ms時刻達到最高溫度，為1 760 ℃，1 000 ℃以上持續時間約為315 ms。0.08 mm直徑的熱電偶在175 ms時刻達到最高溫度，為1 784 ℃，1 000 ℃以上持續時間約為339 ms。

圖9 兩種不同直徑熱電偶測試結果

3.2.2 洞外爆炸溫度場測試結果

偶絲直徑為0.25 mm的熱電偶輸出信號如圖10所示。通過對測試數據的處理和分析，得出0.25 mm直徑的熱電偶在158 ms時刻達到最高溫度，為1 678 ℃，1 000 ℃以上持續時間約為266 ms。

圖10 0.25 mm直徑熱電偶測試結果

3.3 爆炸火球的熱毀傷性能評估

溫壓彈爆炸產生的火球內部發生的傳熱主要是熱傳導和熱對流兩種模式，而熱輻射主要發生在火球外部，對火球周圍的目標有強烈的毀傷作用。火球直徑尺寸的大小、燃燒持續時間、火球溫度等是分析其熱毀傷效應的特征參數。因此，對燃燒火球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[20]。

3.3.1 紅外熱像儀測得的火球溫度數據

在紅外熱像儀的軟件中，設定實驗環境溫濕度、能見度、測試距離和火球表面發射率等參數，最終得到修正后火球表面的溫度值。如圖11和圖12為兩發彈爆炸產生的火球表面最高溫度-時間曲線圖。表4和表5為兩發彈兩個機位的最高溫度統計結果。

表4 洞內爆炸最高溫度結果

表5 洞外爆炸最高溫度結果

圖11 火球表面最高溫度-時間圖

圖12 火球表面最高溫度-時間圖

由圖11(a)和圖11(b)可知，洞內爆炸產生的火球表面最高溫度隨時間變化曲線大致呈倒“U”型，在爆炸瞬間表面溫度極高，首先達到初始峰值，而后又有一個短暫的回落過程，由于二次燃燒，溫度再次升高，達到全程最高溫。結合溫壓彈爆炸的釋能規律，爆炸瞬間爆轟產物體積迅速膨脹，火球溫度達到第一次峰值，隨著爆轟產物與空氣中氧氣的反應，其內部所添加的高熱值金屬粉在熱作用下活性增加，繼續燃燒釋放出大量的熱，使得溫度再次升高，達到爆炸全程最高溫。且由于山洞的空間限制，爆炸產物反應更加完全，使得熱效應向洞內擴散。另一方面，沖擊波會在山洞內壁反射向洞內傳播，大大增加了溫場的持續時間和作用區域，對隱藏在洞內的敵人和輕型裝備具有更強烈的毀傷效應。

洞外爆炸也具有同樣的變化過程，如圖12(a)和圖12(b)所示。與洞內爆炸不同的是，洞外爆炸產生的火球表面最高溫度隨時間變化曲線大致呈倒“V”型，其火球表面溫度達到最大值之后下降相對較快，且通過對比以上4個圖，不難看出，洞外爆炸的火球表面最高溫度低于洞內爆炸的火球表面最高溫度。這是由于洞外爆炸在開闊地帶，爆轟產物迅速膨脹，與空氣混合后導致溫度下降，降低了后燃反應的效率。

3.3.2 溫度場分布

為了更準確地對火球的熱毀傷性能進行評估，直觀地觀察到爆炸火球溫度場的分布情況，通過Matlab軟件進行圖像分析處理得到了洞內外兩發溫壓彈爆炸瞬間小火球(高幀頻機位捕獲)和爆炸火球直徑最大(低幀頻機位捕獲)時溫度梯度分布的二維等溫線圖和三維溫度分布圖，如圖13所示。

圖13 火球溫度分布圖

由圖13可知，高幀頻捕捉到的兩發彈第一幀的小火球溫度梯度分布都很均勻，都是中心溫度高，周圍溫度低，基本成等差數列分布，爆炸瞬間的中心溫度均可達1 000 ℃以上。火球直徑最大時，溫度分布沒有爆炸瞬間小火球的溫度分布均勻，但中心溫度較高，洞內爆炸溫度可達1 700 ℃以上，洞外爆炸溫度達1 600 ℃以上。

3.3.3 火球的毀傷直徑、燃燒持續時間

爆炸前，通過對靶場爆炸現場的幾何標定，得出實際視場與紅外熱像儀視場中像素點個數的比例關系，并利用軟件處理采集到的火球數據，得到了洞內和洞外爆炸火球表面溫度≥1 000 ℃的直徑變化曲線，如圖14所示。表6給出了兩發彈爆炸形成的火球表面不同溫度范圍的溫度場持續時間，以進一步對溫壓炸藥的熱毀傷效果進行評估。

表6 不同溫度范圍的持續時間

圖14 火球直徑變化曲線

溫壓彈爆炸瞬間形成溫度梯度分布較均勻的小火球，火球直徑較小，隨著爆轟產物與周圍空氣中的氧氣充分混合，直徑呈線性增大。其中，洞內爆炸在大約50 ms后火球直徑達到最大值，約為8.3 m，洞外爆炸在大約40 ms后火球直徑達到最大值，約為7.7 m。當火球直徑最大時，其表面溫度并沒有達到最大值，結合溫壓彈的爆炸機理，爆炸瞬間不消耗空氣中的氧氣，隨著爆轟產物的擴散燃燒，以及戰斗部添加的金屬粉末在一定溫度下燃燒釋放大量熱量，使得火球發生二次燃燒，溫度值達到最大。

由表6可知，洞內爆炸火球表面最高溫度大于1 800 ℃的持續時間為14 ms，而洞外爆炸火球表面最高溫度大于1 800 ℃的持續時間為0 ms，洞內爆炸火球表面最高溫度大于1 000 ℃的持續時間約為洞外爆炸的1.1倍，洞內爆炸由于受到山洞內壁的限制，壁面反射回的沖擊波加劇了湍流燃燒程度，產物中未被氧化的金屬粉末在高溫下又與空氣中的氧氣反應，從而加劇了后燃效應，使得高溫時間持續時間長，二次峰值大，火球直徑衰減速度比洞外爆炸慢。而洞外爆炸由于爆轟產物體積迅速膨脹，距離爆心位置越遠，對周圍環境和空氣做功越多，溫度下降越快，火球直徑的衰減速度也就越快。

3.3.4 爆炸溫度測量結果對比

表7給出了接觸式和非接觸式測得的火球最高溫度。其中，洞內爆炸最大偏差為5.1%，洞外爆炸最大偏差為5.8%。由于溫壓炸藥爆炸溫度上升快，熱電偶距離爆心有一定距離，測得的溫度較紅外熱像儀測得的低一些。并且，洞外爆炸最高溫度低于洞內爆炸。

表7 爆炸溫度測量數據對比

4 結束語

針對溫壓炸藥爆炸場溫度變化劇烈、持續時間短、測量難度大、且難以測到爆炸瞬間火球溫度分布的問題，提出了一種接觸式與非接觸式測溫混合測試方法。兩臺紅外熱像儀采用高低幀頻結合拍攝，分別從不同位置獲取了火球不同時間不同維度的信息，從時間和空間兩方面擴大了測試范圍，對溫壓炸藥爆炸過程進行了精細化研究，實現了爆炸溫度變化全過程的高幀頻、高分辨率完整記錄，彌補了在爆炸場溫度測試中分辨率和幀頻相互制約的缺陷。

1)研究了山洞內外兩發溫壓彈爆炸的溫度場分布以及熱效應相關參數，利用MATLAB繪制了二維等溫線圖和三維溫度分布圖，并繪制了火球直徑變化曲線。洞內爆炸形成的火球，最高溫度可達1 800 ℃以上，火球最大直徑約為8.3 m，1 000 ℃以上持續時間大于310 ms；洞外爆炸最高溫度可達1 700 ℃以上，火球最大直徑約為7.7 m，1 000 ℃以上持續時間大于260 ms。

2)洞內外溫壓彈爆炸最高溫度測試結果的最大偏差分別為5.1%和5.8%，平均偏差為5.45%，處于一定合理的范圍內，可以滿足爆炸場測試需求。