温压弹爆炸效应与防护技术研究现状

苗朝阳，李秀地，杨　森，耿振刚

(1.后勤工程学院　a.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室；b.土木工程系，重庆　401311; 2. 92303部队，山东 青岛　266404)



温压弹爆炸效应与防护技术研究现状

苗朝阳1a,1b，李秀地1a,1b，杨森2，耿振刚1b

(1.后勤工程学院a.岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室；b.土木工程系，重庆401311; 2. 92303部队，山东 青岛266404)

摘要：温压弹爆炸冲击波具有冲量高、持续时间长的特点，直接威胁坑道内防护门的安全，研究温压弹爆炸效应与防护技术具有重要意义；回顾了温压弹爆炸冲击波、温压弹爆炸冲击波作用下防护门动力响应及防护门抗爆炸冲击波防护技术研究现状，并分析了目前研究中存在的问题及解决方法，对下一步温压弹爆炸效应与防护技术研究具有较大参考价值。

关键词：温压弹，爆炸冲击波；防护门；动力响应；防护技术

1研究背景及意义

自从战争出现以来，进攻和防守这两种战斗形态就同时相伴而生。整个人类战争史，一直伴随着攻者利其器、守者坚其盾的发展过程。防护工程可视为盾牌的扩展和延伸，是保障己方人员和装备安全的盾牌。与地面工程相比，埋藏在山体中或地面下一定深度的防护工程，具有易于伪装隐蔽、天然抗力强等特点，在抗敌方打击方面具有不可替代的优势。然而，信息化条件下，随着侦查监视、精确打击等技术的快速发展，现代小型化大当量武器对防护工程这类固定目标的战时生存构成了严重威胁。

为有效打击防护工程内的目标，近年来以美国为首的西方国家对发展温压武器的兴趣越来越浓厚。美国空军和国防威胁降低局曾授权研制新型钻地弹，并在2007年进行了首次静爆试验；美军在内华达测试中心对BLU-118B激光制导温压弹进行了全尺寸地下测试，在洞穴内产生了显著的超压和高温，成功地摧毁了地下目标。阿富汗战争中，美军首次使用了BLU-82B温压弹打击了躲藏在山洞里的塔利班和“基地”组织成员，温压弹表现出良好的武器性能和毁伤效应。与传统高爆炸药弹药相比，温压弹独特的爆炸毁伤效应体现在长持续时间高冲量冲击波和热杀伤上，以及因爆炸吸氧造成人员的窒息伤害，特别适合打击防护工程等封闭空间内的人员和设备。未来战场上我军大量坑道式防护工程面临敌温压弹精确打击的严重威胁。

为方便人员与设备的出入，给排水、通风排烟等需要，国防与人防工程构筑少量和外部连通的孔口，爆炸冲击波、生化战剂等都可能从这些孔口进入防护工程内部，对人员和设备造成杀伤与破坏。防护门作为防护工程口部最重要的防护设备，也是防护工程的薄弱环节，其能否抗得住敌方武器的精确打击，对防护工程发挥其预定功能具有决定性的作用。通过合理布置，传统上基于超压设计的防护门可以有效抵抗冲击波超压峰值。但在温压弹爆长持续时间高冲量炸冲击波的作用下，防护门可能将无法发挥预定的作用，其防护性能需要重新评估并提出可靠的防护措施。因此，为提高我军防护工程的战时生存能力，研究温压弹爆炸冲击波作用下防护门的动力响应及其破坏机理并提出有效的防护措施不仅必要，而且十分迫切。

2温压弹爆炸冲击波研究现状

2.1温压弹简介

温压弹是指采用温压炸药，利用爆炸后高温和压力效应产生杀伤效果的弹药。它是在燃料空气弹的基础上发展而来的，与燃料空气弹原理相似，但是威力更强。温压弹兼有高爆炸药和空气燃料弹的特点，在高能炸药中添加了铝，硼、硅、钛、镁、锆等金属粉末，在高能炸药爆炸后起燃，并释放大量热量，显著增强了温压炸药的热效应和压力效应。温压炸药是典型的负氧平衡炸药，爆炸过程分为3步：一是最初的无氧爆炸反应，此阶段确定其高压性能；二是爆炸后的无氧燃烧反应；三是爆炸后的有氧燃烧反应，此阶段释放大量能量，极大增加冲击波作用时间。

2.2传统爆炸荷载确定方法

计算炸药的爆炸冲击波荷载，通常可以利用等效的方法。美军《抗偶然爆炸结构设计手册》及《常规武器防护设计原理》等通过大量实验数据，给出了不同比例距离下TNT爆炸的冲击波超压、冲量及正负压作用时间等特征参数，被广泛采用。赵永涛等[1]通过实验实测温压弹平均TNT当量比为1.5～2.6，基于这些研究成果，将温压炸药等效为TNT，通过查表及经验公式等方法可以近似确定温压弹的爆炸荷载。然而，由于温压炸药爆炸机理不同，其爆炸产生的冲击波特征也应与TNT有显著的不同。

2.3温压弹自由场及有限空间爆炸冲击波研究

近年来，以南京理工大学、西安近代化学研究所等为代表的国内一些单位持续开展了温压弹爆炸效应的研究。陈昊等[2]通过现场实验研究了温压弹爆炸冲击波在开阔空间和有限空间内的传播规律，表明在有限空间内由于波的叠加使温压弹的破坏威力大大增加。黄菊等[3]通过爆炸实验研究了温压炸药能量输出结构，提出了适用于温压炸药的后燃效应模型，表明温压炸药后燃反应释放的能量约占总能量的1/3，后燃反应增加了冲击波超压及正压作用时间。大量的温压炸药野外爆炸试验实测结果表明，温压炸药冲击波在相同对比距离上的衰减比TNT慢，不同距离处温压炸药的超压、正压作用时间和冲量均高于TNT，毁伤性能优于TNT。李鸿宾等[4]通过空爆实验研究了铝粉比表面积与质量分数对温压炸药冲击波超压和冲量的影响，结果表明铝含量在30%左右时，冲击波超压、冲量值达到最大。李秀丽[5]通过温压炸药爆炸试验研究，表明温压炸药爆炸冲击波曲线有两个规则的正压区，二次冲击波波峰值不小于第一峰值的40%，二次冲量占总冲量的12.5%～43.7%。沈飞等[6]通过不同尺寸的圆筒试验及水下滑移爆轰试验，确定了含铝温压炸药的爆轰参数。

2.4温压弹坑道内爆炸冲击波研究

温压炸药坑道内爆炸冲击波的研究相对较少。苟兵旺等[7]进行了TNT和温压炸药坑道内爆炸试验，表明在坑道中温压炸药的冲击波超压峰值及冲量、热响应温度大于TNT，并且出现二次燃烧现象。孔霖等[8]对不同装药情况下坑道内冲击波的传播规律进行了研究，表明不同装药类型对近爆场冲击波影响较大，对足够远处影响较小，温压炸药在不同距离上冲击波持续时间均比TNT长。李世民等[9]运用AUTODYNA程序模拟了温压炸药在坑道内爆炸冲击波的传播，表明在爆炸近区温压炸药的超压值低于TNT，而远区超压值高于TNT，冲击波冲量温压炸药始终高于TNT，约为TNT的1.4倍。

围术期疼痛管理是麻醉学走向围术期医学的重要组成部分，其管理模式正在从以“联合阿片类药物与NSAIDs药物为主”转变为“联合区域神经阻滞与NSAIDs药物” 为主。麻醉科医师须在现有研究证据的基础上，进一步改进临床行为，积极践行更理想的多模式镇痛理念，以大幅提升中国围术期患者疼痛管理数量与质量以及患者远期预后。

3爆炸荷载下防护门的动力响应及破坏机理研究现状

3.1理论研究

爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应分析通常运用薄板理论进行研究，基本方法是基于拉格朗日方程、振形叠加法、等效单自由度等，国内外学者利用这些经典理论做了大量工作。

等效单自由度是将结构简化为弹性单自由度体系，一个集中质量和一个无重量弹簧，承受简化成三角形脉冲的爆炸荷载。在确定等效体系时，需基于挠度相等和能量守恒的原则，即确保等效体系集中质量的挠度与真实结构关键点(如梁跨中或板中心)的挠度相同，等效体系的外荷载所做的功、动能和应变能与真实结构相等。国内很多学者运用等效单自由度体系的方法对爆炸荷载作用下结构的动力响应进行研究，并建立P-I曲线对构件的损伤进行研究[10]。Fischer等[11]运用两种方法研究了利用单自由度模型分析爆炸荷载下结构响应时，模型参数的优化选择，并且考虑了多种情况及失效准则。Krauthammer T[12]对爆炸冲击作用下的钢筋混凝土构件的弯曲破坏进行了研究，提出简化抗力模型，应用等效单自由度的方法，对结构动力响应进行分析，而对剪切破坏模式同样运用弯曲破坏分析的等效单自由度方法。

除了等效单自由度体系的方法外，付跃升等[13]利用弹性理论及近似方法研究了四边简支弹性薄板在爆炸荷载作用下的动力响应，依据爆炸荷载的特点和薄板运动微分方程，求解出薄板运动的各个力学参数，结合量纲分析方法，建立了工程计算模型。

3.2试验研究

研究温压弹爆炸冲击波作用下防护门的动力响应，最直观准确的方法是进行温压弹爆炸实验。然而由于温压弹是各国研究热门武器之一，出于保密等原因，公开的温压弹坑道内爆炸及与防护门相互作用的试验资料几乎没有。但是TNT爆炸作用下钢筋混凝土构件与钢板的动力响应已有较多的学者进行过试验研究，具有重要借鉴意义。

孙文彬[14]对钢筋混凝土板进行了爆炸试验，研究了钢筋混凝土板在弹性区域内的动力响应和塑性区域内的破坏特征。汪维等[10]通过钢筋混凝土板爆炸试验，研究了不同尺寸构件在不同爆炸情况下的破坏特征。李秀地等[15]通过模型坑道实验，对防护门破坏和剩余冲击波的传播规律进行了研究，表明防护门的破坏会消耗掉冲击波的大量能量。Thiagarajan等[16]通过实验研究了高强混凝土与普通混凝土分别与高强钢筋及普通钢筋组合的四种钢筋混凝土板在爆炸荷载下的动力响应，表明使用高强度材料可以提高钢筋混凝土板的抗爆能力。Wang等[17]通过实验研究了钢筋混凝土单向板在近爆作用下的动力响应，基于实验结果，提出了板的不同程度的破坏准则。试验结果表明随着装药量的增加，板的破坏逐渐有整体弯曲破坏变成局部剪切破坏。Kakogiannis等[18]通过实验研究了爆炸与火的联合作用下钢筋混凝土空心板的动力响应问题，表明爆炸作用时间非常快，通常为毫秒级，燃烧产生的高温还不能立即起到作用。

3.3数值模拟研究

由于防护门爆炸实验成本高，且只能得到初始及最终状态。随着计算机技术及有限元法、有限差分法等方法的发展，数值模拟在研究爆炸问题中发挥越来越重要的作用，目前研究爆炸冲击等动力问题常用的软件有ANSYS、LS-DYNA、AUTODYNA、ABAQUS等，大量学者利用这些软件研究了爆炸冲击波作用下钢及钢筋混凝土构件的动力响应。

郭东等[19]基于ABAQUS软件研究了防护门在爆炸荷载作用下的动力响应，分析了钢管、混凝土强度、钢管壁厚度、荷载作用时间等参数对防护门抗爆性能的影响规律。吴义田等[20]通过对不同冲击波荷载下和不同尺寸抗爆门进行有限元计算，确定了爆炸冲击荷载下抗爆门的易损构件，为抗爆门的优化提供了相关依据。阎石等[21]对钢筋混凝土板在等冲量爆炸冲击波作用下的破坏进行了分析，提出了钢筋混凝土的破坏准则，研究表明随着峰值压力的减小和作用时间的增加，钢筋混凝土板的破坏模式逐渐由剪切破坏变为弯曲破坏。龚顺风等[22]通过对箱型内爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应进行数值模拟，表明钢筋对混凝土的开裂起主要的抑制作用，板的开裂和碎片形成主要受脉冲压力荷载的影响。Borenstein等[23]通过建立近地爆炸的荷载模型与圆形板的响应模型，分析了圆形板在不同荷载条件下的动力响应，得出板的最大挠度受板厚影响最大。Zhao等[24]通过建立钢筋混凝土分离式模型，运用任意拉格朗日欧拉方程及流固耦合的方法，研究了近爆作用下钢筋混凝土单向板的动力响应问题。表明冲击波传至板的背爆面将变为拉伸波，由于混凝土的低抗拉能力，出现拉裂及破片，同时加大装药量将使钢筋混凝土板的破坏模式和机理发生变化。

4防护门抗爆炸冲击波防护技术研究现状

4.1坑道消波技术

改变坑道结构及门前设置吸能材料可以有效减弱作用于防护门的冲击波压力。李秀地[25]研究了T型坑道中爆炸冲击波的传播规律，表明坑道转弯可以使冲击波压力衰减60%。朱建等[26]利用ANSYS/LS-DYNA软件对常规武器精确打击进入坑道内爆炸的情况进行了数值模拟，研究了采用挡板削减坑道内冲击波的可行性，分析了挡板数量、位置等对消波作用的影响。卢红琴等[27]研究了坑道截面形状对作用于防护门上冲击波超压的影响，表明相同条件下正方形截面防护门上的冲击波超压最高，圆形最低。刘颖芳等[28]对坑道口部防护门前设置泡沫铝情况下爆炸冲击波传播进行了模拟，表明设置泡沫铝材料可以有效的消波抗爆，泡沫铝缓冲层可以降低冲击波超压峰值。

4.2高抗力防护门

改进门体结构形式是提高防护门抗力的重要方法。刘学晨[29]研究利用焊接钢板、焊接工字钢和粘贴FRP材料等方法对防护门进行加固，减小防护门的变形，增加防护门的抗力。石少卿等[30]提出了钢筋混凝土板中设置箱形钢板新型防护门结构，大大提高了结构抗力。Chen等[31]研究了双层多连拱结构在冲击荷载作用下的动力响应，分析了不同结构形式、拱高、拱的数量、厚度及不同荷载对结构响应的影响，得出双层多连拱结构抗冲击能力高于单层平板结构。彭先泽等[32]通过对比双层钢板混凝土板与钢筋混凝土板在爆炸荷载下的动力响应，得出双层钢板混凝土板具有更好的抗爆性能，同时其还具有良好的抵御破片破坏能力。

使用高强度门体材料及填充缓冲吸能材料是提高防护门抗力的另一重要途径。Tabatabaei等[33]通过对普通钢筋混凝土板及添加长碳纤维钢筋混凝土板实验测试和数值模拟，表明添加长碳纤维可以提高钢筋混凝土板的抗爆能力和减少裂缝宽度。周石磊等[34-35]提出一种在防护门中添加泡沫铝耗能材料的新型防护门，研究了在爆炸荷载下门的响应，表明泡沫铝材料反射、耗能作用非常明显，填充泡沫铝材料可以有效的减少门的变形，提高抗力。

5目前存在的主要问题及解决方法

5.1荷载的确定

温压炸药野外自由场爆炸冲击波和传统高爆炸药TNT自由场及坑道内爆炸冲击波研究已取得一些成果，而温压炸药坑道内爆炸冲击波超压、正压持续时间、冲量等传播规律的研究较少。利用已有的研究成果，进一步研究温压炸药坑道内爆炸冲击波的传播规律，进而将温压弹爆炸冲击波转化为防护门上的荷载，是研究温压弹爆炸冲击波作用下防护门动力响应的基础与前提。

5.2试验资料缺乏

国内外温压弹坑道内爆炸试验虽然取得了一些第一手研究资料，但出于保密等原因，可供利用的资料几乎没有。并且这些试验大多集中于坑道内冲击波传播的测试，用于温压弹作用下防护门毁伤研究的试验目前还未见公开报道。TNT爆炸冲击波作用下钢筋混凝土构件的动力响应研究已取得较多成果，基于已有试验数据验证，建立数值计算模型研究温压弹爆炸冲击波作用下防护门的动力响应将是解决这一问题较好的途径。

5.3破坏准则不统一

温压弹高冲量爆炸冲击波对目前基于冲击波峰值压力为设计依据的防护门构成严重威胁，但针对温压弹高冲量冲击波作用下防护门的动力响应及其破坏机理的研究明显不足。爆炸冲击波作用下钢筋混凝土构件的破坏模式研究大多集中于弯曲破坏、剪切破坏、弯剪破坏等特征，而且破坏准则不统一，研究防护门在温压弹爆炸冲击波作用下的破坏模式可以参考钢筋混凝土板的破坏，但需要进一步细化，确定并提出合适的破坏准则。

5.4防护措施的提出

防护门在温压弹爆炸冲击波作用下的动力响应影响参数较多，分析各个参数的影响规律，找出防护门在温压弹作用下最敏感的参数，在防护门抗温压弹优化设计中进一步改进提高抗力。针对温压弹爆炸冲击波作用时间长、冲量高的特点，通过综合利用改进坑道形式及提高防护门抗力等方法达到抗温压弹打击的目的。

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(责任编辑杨继森)

本文引用格式：苗朝阳，李秀地，杨森，等.温压弹爆炸效应与防护技术研究现状[J].兵器装备工程学报，2016(4):155-159.

Citation format:MIAO Chao-yang, LI Xiu-di, YANG Sen, et al.Research Status of Explosion Effect and Protection Technology of Thermobaric Bomb[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):155-159.

Research Status of Explosion Effect and Protection Technology of Thermobaric Bomb

MIAO Chao-yang1a,1b, LI Xiu-di1a,1b, YANG Sen2, GENG Zhen-gang1b

(1.a.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironment Protection;b.Department of Architectural and Civil Engineering,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China;2.The No. 92303rdTroop of PLA, Qingdao 266404, China)

Abstract:The explosion wave of thermobaric bomb has the characteristics of long duration and high impulse, which directly threaten the safety of blast door in tunnel, and it is of great importance to study the explosion effect and protection technology of thermobaric bomb. The explosion wave of thermobaric bomb and dynamic response of blast door under thermobaric bomb and protection technology of blast door to protect explosion wave were reviewed. The existing problems and solutions in the current research were analyzed. It is of great reference value to the next research.

Key words:thermobaric bomb; blast wave; blast door; dynamic response; protection technology

文章编号：1006-0707(2016)04-0155-05

中图分类号：O383;TJ55

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.037

作者简介：苗朝阳(1990—)，男，硕士研究生，主要从事防护工程研究。

基金项目：国家部委基金(CY213J009)

收稿日期：2015-09-23；修回日期：205-11-02

【基础理论与应用研究】