自制炸药的冲击波超压测试及TNT当量估算

刘　玲，袁俊明，刘玉存，范星海，常双君，王建华，于雁武

(1.中北大学化工与环境学院，山西太原030051; 2.陕西应用物理化学研究所，陕西西安710061)



自制炸药的冲击波超压测试及TNT当量估算

刘玲1，袁俊明1，刘玉存1，范星海2，常双君1，王建华1，于雁武1

(1.中北大学化工与环境学院，山西太原030051; 2.陕西应用物理化学研究所，陕西西安710061)

摘要：为评估典型自制炸药的威力，采用无线存储测试仪测量了一定质量的雷药、三过氧化三丙酮(TATP)、六亚甲基三过氧化二胺(HMTD)、高氯酸钾/铝及硝酸铵/铝5种自制炸药爆炸后不同距离处的冲击波超压及衰减规律。运用非线性显式动力学软件AUTODYN建立了TNT炸药-土壤-空气域有限元模型，用流固耦合算法计算了不同质量TNT的超压场，获得了距离爆心38、58和78cm处TNT炸药质量-超压曲线，依据该曲线计算了自制炸药的TNT当量。结果表明，TATP、HMTD的TNT当量系数计算结果与文献值基本一致，相对误差在2%以内。

关键词：爆炸力学；自制炸药；冲击波超压；TNT当量；数值模拟

simulation

引言

自制炸药一般为自制爆炸物或工业炸药的混合物，具有低密度和低爆速等特点，为炸药当量的估算带来了困难。估算爆炸物TNT当量的方法主要有理论计算、爆炸试验和数值模拟等；Locking[1]基于爆热计算公式得到三过氧化三丙酮(TATP)、六亚甲基三过氧化二胺(HMTD)及B炸药的TNT当量；Cooper[2]提出平板凹痕的试验方法；Dusenberry[3]在《建筑抗爆设计手册》中提出单一变量足以计算出合理的TNT当量曲线；王玉磊等[4]采用地面和空中爆炸冲击波测试的方法计算出不同测试条件下TNT爆炸冲击波的经验公式和B炸药的TNT当量。Ackland K等[5]运用有限元软件AUTODYN基于冲击波超压和冲量分别计算了塑性炸药(C4)、铵油炸药(ANFO)、彭托利特炸药的TNT当量，提出在涉及钢结构变形时，利用冲量估算的TNT当量与理论值更为接近。研究表明小药量自制炸药在近地处爆炸，不在经验公式适用的比例距离范围内，且试验所得为近地爆炸的地表反射压，故采用传统超压经验公式计算自制炸药的TNT当量不能很好地反映实际试验数据，需对常用的超压经验公式进行修正[6]。

本研究通过配制5种典型的自制炸药，用无线存储测试仪测得不同距离处的超压，运用AUTODYN软件建立TNT炸药爆炸模型，根据超压计算值估算自制炸药的TNT当量，并与文献的估算结果进行比较，以期为非常规炸药的TNT当量估算提供参考。

1实验

1.1样品及仪器

自制炸药样品：雷药、三过氧化三丙酮(TATP)、六亚甲基三过氧化二胺(HMTD)、高氯酸钾/铝粉、硝酸铵/铝粉。雷药、TATP的质量分别为50g，HMTD的质量为20g，高氯酸钾/铝粉、硝酸铵/铝粉混合炸药的质量均为100g。

CJB-V-01型无线存储测试仪，中北大学，存储容量1M字节，采样频率1MHz，量程0～1.37MPa。

1.2试验装置及场地布置

冲击波超压试验场地布局示意图如图1所示。

图1　冲击波超压试验场地布局示意图Fig.1　Experiment arrangement of the overpressure test

将冲击波超压传感器按照测试距离分别为38、58、78cm埋入地面，露出其敏感部位。装有被测爆炸物的纸筒垂直悬挂固定于距离地面一定高度，但需保证爆炸中心与传感器敏感部分连线和地面夹角小于15°。自制炸药用电雷管引爆。通过冲击波超压传感器现场测量并记录其冲击波超压，再由计算机处理获得超压曲线。

1.3自制炸药的制备

雷药采用人工方法将鞭炮里的粉末药剂剥离出来，配方(质量分数)为：高氯酸钾50%、硝酸钡15%、铝粉15%、铝镁合金15%和硫磺5%。

三过氧化三丙酮(TATP)的制备：将30mL丙酮和50mL双氧水混合均匀后冷却至5℃，再缓慢加入2.5mL浓硫酸，搅拌5min后冷却24h，TATP晶体完全析出，冰水反复清洗、烘干。

六亚甲基三过氧化二胺(HMTD)的制备：分3次将4.5g四氮六甲胺加入9g的双氧水中，分5次将4.5g柠檬酸加入冷却后的溶液中，将最终溶液冷却后析出HMTD晶体，将晶体用清水冲洗、烘干。

100g的高氯酸钾/铝粉混合炸药、硝酸铵/铝粉混合炸药中铝粉的含量均为12g，混合均匀。

分别将5种自制炸药装填于牛皮纸制作的直径40mm的圆筒中，轻轻压实，装药密度约为1g/cm3。

1.4试验结果

TATP在测试距离58cm处的超压曲线见图2。5种自制炸药的超压峰值(pm)测试结果见表1。

图2　测试距离58cm处TATP的超压曲线Fig.2　Overpressure curve of TATP at the distanceof 58cm

自制炸药pm/MPa38cm58cm78cm雷药0.8530.3200.253TATP1.2270.4760.347HMTD0.7130.2510.219高氯酸钾/铝粉1.7790.5980.422硝酸铵/铝粉1.1920.4120.302

2数值模拟

2. 1有限元模型的建立及网格划分

采用AUTODYN软件建立土壤-空气域二维对称计算模型，计算采用mm-mg-ms单位制。空气域及TNT炸药采用多物质Euler算法，将TNT炸药以物质填充的方式填入空气域。空气域长1m，高0.7m，空气域X、Y方向均匀划分为1000及700个网格单元，土壤厚度为0.2m，长度为0.95m，均匀划分为20、950个网格单元。爆点设置为药柱中心，距地面0.15m。土壤底部添加固定边界，土壤-空气域边界采用模拟无限区域的流出边界，无反射作用产生。

根据试验中无线存储测试仪的分布位置，分别在距爆点38、58和78cm处取3个观测点，观测点距地面高度为2cm。计算模型及观测点分布见图3。

图3　TNT装填位置及超压峰值观测点分布Fig.3　Position of TNT charge and gauges

2. 2材料模型及参数

TNT炸药材料用JWL状态方程来描述[11]：

(1)

式中：p为爆轰产物压力；V为相对体积；E为单位体积的内能；A、B、R1、R2、ω为JWL系数。

TNT炸药的JWL参数及空气材料参数均采用AUTODYN软件自带参数，分别见表2和表3。

表2　TNT炸药的JWL参数

表3　空气材料参数

2.3TNT当量估算

基于冲击波超压参数对自制炸药TNT当量进行估算。利用AUTODYN软件对不同质量TNT的爆炸场进行数值模拟计算，得到不同距离处冲击波超压分布规律，并根据等距离处具有相同冲击波超压峰值的原理，采用公式(2)估算自制炸药的TNT当量：

(2)

为保持模拟试验和实际试验条件一致，假设TNT为圆柱形装药，距离土壤地面一定高度，爆炸冲击波沿土壤地面在无限空气域中传播。

由于试验所用牛皮纸桶对自制炸药爆炸冲击波超压测试影响很小，故在数值模拟试验中忽略不计。计算方法基于流固耦合法，以质量为2g的TNT炸药为起点，并以2g为质量步长依次增加TNT药量，模拟并记录质量为2～100g时的TNT炸药在相应观测点处的超压峰值。

3计算结果及分析

采用土壤-空气域二维对称计算模型，计算出不同时刻TNT炸药的爆炸冲击波的压力云图，见图4；由数值模拟结果拟合TNT炸药的质量—超压曲线，见图5。

结合试验测得的超压数据，对照图5中的曲线可得出自制炸药在相同测试距离处所对应的等效TNT质量，再求得其平均等效TNT质量，结果见表4，通过式(1)即可求得相应的TNT当量系数。自制炸药的TNT当量及与文献[8]结果对比见表5。

图4　不同时刻爆炸冲击波的压力云图Fig.4　Pressure contour for shock wave of detonationat different times

图5　不同质量的TNT在对应距离处的峰值超压曲线Fig.5　Overpressure curves of TNT with different massat the corresponding distance

炸药m/g38cm58cm78cmm/g雷药22.72525.17926.54724.817DWTATP45.83447.35447.05246.747HMTD18.71115.32616.11316.717高氯酸钾/铝粉82.41683.35185.19283.653硝酸铵/铝粉43.32944.07141.52242.947

表5　两种方法计算的TNT当量

由表1和图5可知，实际试验测试环境因为气温、风向及地面反射，会对试验结果产生一定影响，在实际爆炸中，爆炸初期空气被严重压缩(最大压缩约11倍)，高温气体中因电离、离解和分子结合等过程衰减较快，而数值模拟软件以一种理想状态来模拟药柱在近地面爆炸，故使用数值模拟方法估算所得的结果与试验测试结果存在一定偏差。

文献[8]利用AUTODYN软件计算出质量为1kg球型装药的TATP及HMTD的超压，并提出基于超压的TATP和HMTD的TNT当量分别为0.920、0.820。本研究得到的TATP、HMTD的TNT当量分别为0.933及0.836，与文献[8]计算结果基本一致，说明数值计算结果的可信度较高。

4结论

(1)用无线存储超压测试仪测试了雷药、TATP、HMTD、高氯酸钾/铝粉、硝酸铵/铝粉5种自制炸药的超压，得到不同距离处的冲击波超压分布规律。

(2)采用AUTODYN软件建立了土壤-空气域二维对称计算模型，计算了不同质量TNT在等距离处的超压峰值，得到质量-超压曲线，从而估算出自制炸药的TNT当量，其中，TATP、HMTD的TNT当量计算值与文献计算的TNT当量基本吻合，相对误差在2%以内。

(3)对于低密度、低爆速的非常规自制炸药，利用基于冲击波超压参数的数值计算方法可行，其计算结果较准确。

参考文献：

[1]Locking P M. The trouble with TNT equivalence [J]. Proceedings of the 26th International Symposium on Ballistics, 2011, 28(9) : 12-16.

[2]Cooper W. Comments on TNT equivalence [J]. 20th International Pyrotechnics Seminar, 1994, 3(6) : 24-29.

[3]Dusenberry D. Handbook for Blast Resistant Design of Buildings [M]. Canada: John Wiley & Sons, 2010.

[4]张玉磊, 苏健军, 姬建荣, 等. 超压测试方法对炸药TNT当量计算结果的影响[J].火炸药学报，2014,37(3):16-19.

ZHANG Yu-lei, SU Jian-jun, JI Jian-rong, et al. Effect of overpressure test method on calculated results of TNT equivalence[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2014, 37(3):16-19.

[5]Ackland K, Bornstein H. An analysis of TNT equivalencies using AUTODYN[J]. International Journal of Explosion Engineering, 2013, 1(4):80-88.

[6]董桂旭，杜茂华，黄雪峰.某型炸药的冲击波超压峰值计算公式参数的修正[J].海军航空工程学院学报，2010,25(5): 542-544.

DONG Gui-xu, DU Mao-hua, HUANG Xue-feng. The correction of parameters of shock wave pressure formula of a type explosive[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University, 2010,25(5): 542-544.

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SONG Pu, YANG Kai，LIANG An-ding, et al. Differnce analysis on JWL-EOS and energy release of different TNT charge[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2013, 36(2):42-45.

[8]PRICE M A, GHEE A H. Modeling for detonation and energy release from peroxides and Non-ideal improvised explosives[J]. Central European Journal of Energetic Materials, 2009, 6(3):239-254.

Shock Wave Overpressure Test and Evaluation of TNT Equivalent

of Self-made Explosives

LIU Ling1, YUAN Jun-ming1, LIU Yu-cun1, FAN Xing-hai2, CHANG Shuang-jun1, WANG Jian-hua1, YU Yan-wu1

(1.School of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Taiyuan 030051，China;

2.Shannxi Applied Physicochemical Research Institute, Xi′an 710061, China)

Abstract:To evaluate the power of typical self-made explosives, the overpressure and attenuation rule at different distances after the explosion of five kinds of self-made explosives: fireworks, TATP, HMTD, KClO4/Al, NH4NO3/Al with a certain mass were measured by a wireless memory tester. An infinite element wedge model of TNT explosive-soil-airdomain was established by a nonlinear explicit dynamics software AUTODYN. The overpressure field of TNT with different mass was calculated with the fluid-solid coupling algorithms. The TNT mass-overpressure curves at the distance of 38, 58 and 78cm from explosion center were obtained . The TNT equivalents of self-made explosives were estimated based on the TNT mass-overpressure curves. Results show that the computed results of TNT equivalent coefficient for TATP and HMTD are in agreement with the literature ones, and the relative error is within 2%.

Keywords:explosion mechanics; self-made explosives; shock wave overpressure; TNT equivalent; numerical

通讯作者:袁俊明(1979-)，男，副教授，从事含能材料制备与性能计算。

作者简介:刘玲(1988-),女，硕士研究生，从事自制炸药性能研究。

基金项目:火炸药青年基金(08020401-4)

收稿日期:2014-08-08；修回日期:2015-01-13

中图分类号：TJ55; TQ560

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)02-0050-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.011