某固体温压药剂与“什米尔”药剂爆炸威力特性对比研究

蒋泽朋，王伯良，李　席，黄兆亮，葛大庆，林秋汉，詹高澍



某固体温压药剂与“什米尔”药剂爆炸威力特性对比研究

蒋泽朋1，王伯良1，李席1，黄兆亮1，葛大庆1，林秋汉1，詹高澍2

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2.福建兵工装备有限公司，福建 三明，366000）

为比较某固体温压药剂与“什米尔”药剂爆炸威力特性，通过野外静爆试验，对两种药剂公斤级爆炸冲击波参数和温度参数进行了测试，并观测两种药剂公斤级爆炸火球的发展过程。试验结果表明：在相同装药质量情况下，某固体温压药剂冲击波峰值超压、正压区冲量均比“什米尔”药剂的高，正压作用时间略有下降，其爆炸火球温度超过2 800K、2 500K和2 200K的持续时间比“什米尔” 分别提高了了2.368倍、1.548倍、3.248倍，且平均最大火球直径提高48.32%，平均最大火球高度提高49.50%。说明某固体温压药剂爆炸威力超过“什米尔”药剂。

爆炸力学；固体温压药剂；“什米尔”药剂；野外静爆；爆炸威力

一次引爆燃料空气炸药（即Single-event FAE，简称SEFAE）能简化武器系统，具有结构简单、作用可靠性高、受牵连速度和大气参数等影响较小、成本低廉、改善武器性能等特点，已成为目前研究的热点［1-2］。该类药剂的典型代表为俄罗斯的“什米尔”药剂，其组分为镁粉和硝酸异丙酯。由于硝酸异丙酯属于液态可燃物，它挥发性大、渗透性强，因而对弹体的密封性要求极高。目前由于工艺技术等问题，壳体无法做到绝对密封，渗漏等问题严重影响弹药的长贮性、安全性和能量的输出。固体温压药剂是在SEFAE的基础上研制出来的，它具有能量高、分布爆炸等传统高能凝聚相药剂所不具备的特点，并且具有体积爆炸特征，能形成温度较高、范围较大、持续时间较长的爆炸火球；而且其后燃烧过程所释放的能量对爆炸冲击波有很大的加强作用［3］。对于固体温压药剂的爆炸压力场和温度场特征，国内的试验研究均表明其能量输出较TNT有大幅度提高［4］，而关于“什米尔”药剂与固体温压药剂爆炸压力场和温度场对比分析情况，国内尚未见报道。

本文采用压力测试系统和光纤多谱线光谱测温系统对某固体温压药剂与“什米尔”药剂爆炸压力场和温度场特征进行了比较分析，采用高速摄像技术观测爆炸火球的发展过程，为固体温压药剂配方优化和战斗部威力设计提供了一定的参考依据。

1　试 验

1.1样品

爆炸威力特性对比试验的样品为两类药剂中的典型产品。某固体温压药剂组分为一定比例的 Al /RDX/添加剂，试验装药密度为1.90g/cm3，装药质量为2.1kg。在装药质量相同的情况下，“什米尔”药剂装药密度为 1.06g/cm3。两种药剂的试验测试条件等均相同，二者均进行4发试验。

1.2试验仪器

PCB 113B型壁面压力传感器，数据采集仪型号为TraNET FE208S；高速摄像机型号为Phantom V12，最大分辨率为1 280×800像素，最大拍摄速率1 000 000帧/s；南京理工大学自主研发的光纤多谱线光谱测温系统。

1.3试验条件及场地布置

为避免试验过程中因冲击波绕射和爆炸火球受障碍物的阻挡而造成的测量误差，选择中等硬度和视野开阔的平坦地面作为静爆场地，在爆炸冲击波和爆炸火球瞬态温度测量范围内没有建筑物、树木等障碍物的阻挡。试验方案如图1所示。

（1） 距爆源在地面投影3m、5m、7m、9m的圆周上，每隔90°各布置4个传感器，所有测点均位于离开爆炸源的同一径线上，试验前进行仪器调试，确保测试系统工作正常；（2） 将试验战斗部放置于木质弹架上，战斗部头部朝下并垂直于地面，战斗部质心距地面1.0m，采用8号军用电雷管引爆；（3）光纤多谱线光谱测温仪的光纤探头放置于距离爆心 5.0米、距离地面1.1m处，并做好光纤防护工作；（4）高速摄像机镜头对准试验战斗部，安放在距爆源安全距离内。

图1　试验方案示意图Fig.1　Schematic of test scheme

2　结果与讨论

2.1试验数据处理

进行爆炸空气冲击波压力测试时，受传感器和测试线路等的影响，试验数据可能存在一定的偏差，为了更准确对比两种装药爆炸威力情况，最简单有效的办法是分析测试得到的冲击波压力时程曲线，对波形与典型爆炸空气冲击波［5］一致性较好的数据予以保留并分析求解。

2.2试验结果对比

药剂爆炸时产生的空气冲击波是评价药剂爆炸威力的重要指标之一，表征其特征的参数主要有3个：冲击波峰值超压Δp、正压区冲量i＋和正压作用时间t＋。空气中爆炸冲击波对目标作用时，对目标的破坏主要取决于峰值超压Δp和正压区冲量i＋［6］。因此，在比较两药剂爆炸威力时，应主要比较峰值超压Δp和正压区冲量i＋，将正压作用时间t＋作为辅助比较对象。各参数的测试结果见表1（结果为各测点有效数据的平均值）。

表1　某固体温压药剂与“什米尔”药剂的冲击波参数对比Tab.1　Comparison of shockwave parameters for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

固体温压药剂的爆炸过程由3个阶段组成。第1阶段：最初无氧爆炸反应，主要是炸药内分子化合物形成氧化还原反应，不需要从周围空气中吸取氧气，此阶段仅释放一部分能量，并产生大量富含能量产物；第2阶段：爆炸后无氧燃烧反应，主要是爆轰产物CO2、CO和H2O在高温高压条件下与可燃剂（一般为高能铝粉）的二次反应，该阶段尚无外来空气参与反应；第3阶段：爆炸后有氧燃烧反应，需要从周围空气中吸取氧气，主要是爆炸后药剂中的可燃物质或碎片，如Al、H、CO、C等与空气中氧气混合快速燃烧反应，此阶段释放大量能量，延长了高压冲击波的持续时间。这3个阶段确定了固体温压药剂的基本性能：前面的无氧爆炸和二次反应使其具有高压性能和一定的猛炸作用；爆炸后的有氧燃烧反应确定了高热性能，并对空气冲击波又有进一步加强作用。

从表1可以看出：距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m处，某固体温压药剂的冲击波峰值超压比“什米尔”药剂分别提高了 47.32%、41.53%、19.48%和17.18%，正压区冲量分别提高了 26.20%、25.31%、17.66%和 17.19%，正压作用时间略有下降。以上数据表明，相同装药质量时，某固体温压药剂空中爆炸冲击波参数远高于“什米尔”药剂。

2.3爆炸火球尺寸和温度

采用光纤多谱线光谱测温系统测试爆炸火球瞬态温度，表2为从测试曲线上的对应点电压数据判读的实际温度值。采用高速摄像机（试验时采用的拍摄速率为3 000帧/s）记录爆炸火球的发展过程；从高速摄像照片判读出爆炸后15ms时火球体积最大，最大火球直径和最大火球高度如表3所示，爆炸火球的典型照片如图2所示。某固体温压药剂被雷管引爆后，爆轰并形成灼热且富含能量的颗粒（既包含爆轰中间产物，也包含某些尚未反应的固体温压药剂组分），高温颗粒从正在破裂的战斗部壳体裂缝以“射流”的形式高速喷出，与空气相遇并发湍流混合（包含多种组分的产物颗粒同环境大气的湍流混合）。由于某固体温压药剂是严重负氧平衡，颗粒在与空气混合时发生后燃反应，强劲的湍流混合使后燃反应具有更高的反应速率并且持续相当长的时间［7］。

表2　爆炸火球瞬态最高温度及在不同温度的持续时间Tab.2　The highest instantaneous temperature of the fireball and duration in different high temperature regions

表3　某固体温压药剂和“什米尔”药剂的爆炸火球尺寸Tab.3　The size of fireball for a solid thermobaric explosives and "Kashmir"

图2　某固体温压药剂与“什米尔”药剂爆炸火球的对比Fig.2　Contrast of fireball for a solid thermobaric explosive and “Kashmir”

由表2可见，二者爆炸瞬态最高温度差别不大；但某固体温压药剂的爆炸火球温度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持续时间明显大于“什米尔” 药剂。从表3和图2可以看出，某固体温压药剂的爆炸火球体积明显优于“什米尔” 药剂的爆炸火球。这是由于后燃反应，使高温颗粒扩散更加迅速，形成持续时间更长、体积更大的高温高压火球。

2.4讨 论

SEFAE的爆炸过程是一种边抛撒边反应的过程，由于反应的高速性，药剂不能与空气充分混合，导致能量不能完全释放，是非理想爆轰［8］。因此，其爆炸威力低于相同组分的DEFAE（即Double-event FAE）；为了实现药剂能量的完全释放，SEFAE中往往添加了一定比例的助燃剂等成分，这部分物质在增强燃料反应程度的同时，降低了系统的能量。对于某固体温压药剂，由于其是严重负氧平衡的，所以其爆炸反应过程与SEFAE类似［9］；战斗部爆炸时，药剂在传爆药的爆炸作用下飞散到四周，同时药剂中的高能炸药组分首先被点火或引爆，发生剧烈反应产生高温高压，从而点燃药剂中其他组分（主要为高能铝粉），在扩散中与空气混合，形成边飞散边与空气中的氧反应的后燃烧过程，进一步提高了爆炸冲击波参数和温度参数。因此，本试验中出现了在相同装药质量时，某固体温压药剂爆炸威力明显高于“什米尔”药剂。该试验是针对两类药剂中的典型产品进行的对比试验，由于温压药剂的种类较多，不能简单地说明所有温压药剂的爆炸威力高于“什米尔”药剂，但是至少证明了该配方固体温压药剂的爆炸威力是明显优于“什米尔”药剂的。

3　结 论

在相同装药质量情况下，通过比较某固体温压药剂与“什米尔”药剂的爆炸威力特性，可得出如下结论：

（1）距爆心在地面投影3m、5m、7m、9m处，某固体温压药剂的冲击波峰值超压比“什米尔”药剂分别提高了47.32%、41.53%、19.48%和17.18%；正压区冲量分别提高了 26.20%、25.31%、17.66%和17.19%；正压作用时间略有下降。

（2）某固体温压药剂的平均最大火球直径和平均最大火球高度比“什米尔”药剂分别提高了48.32%和 49.50%；某固体温压药剂的爆炸火球温度高于 2 800K、2 500K和2 200K的持续时间比“什米尔”药剂分别提高了2.368倍、1.548倍、3.248倍。

（3）某固体温压药剂后燃反应所释放的能量对爆炸威力的贡献主要是产生持续时间较长的高温火球，并延缓了冲击波幅值的衰减，增加了冲击波的正压作用时间，相应提高了药剂的冲击波破坏效应，使战斗部具有更高的威力。固体温压药剂配方设计时设法加强后燃反应，包括利用空气中的氧，从而提高战斗部的爆炸威力。

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Comparison Study of Blast Power of A Solid Thermobaric Explosive and "Kashmir"

JIANG Ze-peng1， WANG Bo-liang1， LI Xi1， HUANG Zhao-liang1， GE Da-qing1， LIN Qiu-han1， ZHAN Gao-su2
（ 1. School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing， 210094；2. Fujian Ordnance Equipment Co.Ltd. ， Sanming， 366000 ）

In order to compare the blast power of a solid thermobaric explosive and "Kashmir"， the explosion shock wave and temperature parameters of two types explosives were kilogram-level tested. Results show that when the charge qualities are the same， the peak pressure and the positive phases of a solid thermobaric explosive are increased greatly than that of "Kashmir"，while the positive phase durations of a solid thermobaric explosive are less shorter. The average maximum diameter of fireball is increased by 48.32% higher than that of "Kashmir"， and the average maximum height of fireball is increased by 49.50%. The duration of fireball temperature exceeds 2 800K ， 2 500K and 2 200K are 2.368， 1.548 and 3.248 times as much as that of the "Kashmir". It is proved that the blast power of a solid thermobaric explosive can overtake that of "Kashmir".

Explosion mechanics； Solid thermobaric explosive； "Kashmir"； Field static explosion； Explosive power

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0028-04

2015-07-20

蒋泽朋（1989 -），男，硕士研究生，主要从事爆炸理论及其应用研究。

国家基础重大专项（00401030502）；江苏高校优势学科建设工程资助项目。