基于顶盖举起试验的炸药内爆炸性能评估

胡宏伟，冯海云，肖　川，顾晓辉，宋　浦

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)



基于顶盖举起试验的炸药内爆炸性能评估

胡宏伟1，冯海云1，肖川1，顾晓辉2，宋浦1

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：为了评估炸药在密闭/半密闭结构内的爆炸性能，通过自建的顶盖举起试验装置对5种典型炸药装药进行了内爆炸试验,利用冲击波超压和顶盖的举起位移评估了其内爆炸威力。结果表明，冲击波超压高的炸药，内爆炸性能不一定好，炸药的空中爆炸性能与内爆炸性能具有显著的差异；顶盖举起最大位移与炸药的非同步自氧化燃烧热具有线性关系，关系式为xmax=17.717ΔHas-5.322，相关系数R2=0.9917；内爆类炸药应具有高燃烧热、高非同步自氧化燃烧热和适中的爆速。

关键词：爆炸力学；内爆炸；顶盖举起试验；冲击波超压；冲量；非同步自氧化燃烧热

引 言

现代战争中，弹药战斗部在密闭/半密闭结构(如碉堡、坑道、地下工事或作战指挥中心)内部爆炸成为侵彻爆破型武器的主要作战模式。钻地弹、侵彻弹装填的炸药大多为富燃料的含铝炸药，这类炸药在密闭/半密闭结构内部爆炸时，通常会产生两个时间段的反应[1]：首先是爆轰(或爆燃)反应，反应时间为微秒量级或更短的时间；第2个阶段为后燃烧反应，反应时间为毫秒量级。自由空间爆炸由于缺乏周围结构的约束和反射压力，爆炸产物迅速膨胀，紊流混合较弱，没有后燃烧过程或后燃烧过程释放能量较少。而密闭/半密闭结构内除了冲击波的反射，爆炸产物的膨胀受到抑制形成准静态压力，炸药装药在密闭/半密闭结构内爆炸的能量构成为冲击波动压和准静态压力[2]。

由于密闭/半密闭结构内爆炸的能量释放和输出特性与开放空间相比具有显著的差异，传统的试验与评估方法已经不能全面反映并评估炸药的爆炸威力[3-7]。目前国外已经建立了冲击波压力-冲量[8-9]、顶盖举起试验[10]、准静态压力[11]和冲量-准静态压力[12]等多种评估方法，顶盖举起试验由于更接近真实情况，能够综合反映冲击波和准静态压力这两个内部爆炸的主要特征参量，已在美国的温压炸药开发、表征和评估中得到应用。国内西安近代化学研究所研建了顶盖举起试验装置[13]，对典型炸药装药内爆炸性能进行了系统的研究和评估。

本研究利用自建的顶盖举起试验装置，对典型炸药的内爆炸威力进行了评估，同时分析了顶盖运动参量与炸药性能参数的关系，以期为内爆类非理想炸药和内爆战斗部的设计与炸药选择提供技术依据。

1实验

1.1样品与仪器

试验样品包括标准炸药(TNT)、近似理想炸药、RDX基含铝炸药、HMX基含铝炸药、含AP复合炸药共5种炸药，编号为1～5号，样品组分和性能参数见表1。

试验样品全部为压装的圆柱形炸药，一端带有雷管孔。样品质量均为100g，直径40mm，长径比为1.0～1.3。采用8号铜电雷管端面中心起爆，每种炸药进行3发平行试验，试验结果取平均值。

表1　5种炸药的组分和性能参数

注：ρ为密度；OB为炸药的氧平衡；D为爆速；pd为爆压；Qv为爆热。

STS-D-P型拉线式位移传感器，北京鑫盛星创测控技术有限公司，量程0～2000mm，分辨率0.075mm，线性精度0.1%FS，通过解码器连接数据采集仪记录位移-时间曲线；PCB113B31型壁面压力传感器，美国PCB公司，量程1.38MPa；微型内嵌测试仪，南京理工大学，采样频率1M/s，采样长度1.0s。压力传感器与数据采集仪为一体化结构，便于在墙壁上安装。

1.2试验装置和方法

顶盖举起试验装置的结构示意图如图1所示。

图1　顶盖举起试验装置示意图Fig.1　Schematic diagram of roof lift device

试验装置为钢筋混凝土结构，内壁面衬有Q235A钢板，最大许用药量为1.0kgTNT当量。试验装置的内部空间长2.0m、宽2.0m、高2.5m、墙厚0.5m。试验装置的前墙安装有防爆门，试验时防爆门处于关闭状态。顶盖结构为板架钢质结构，长3.0m、宽3.0m、质量5.288t。为了控制顶盖的上升方向，钢筋混凝土墙体的4个角设置了导轨，顶盖的4个角分别焊接有滑轨，导轨和滑轨之间有一定的间隙，防止顶盖受力不均倾斜时产生摩擦。

试验时，样品悬吊在试验装置的几何中心。在试验装置的4个角安装位移传感器，传感器一端与顶盖连接，另一端固定在试验装置的外侧壁上，位移传感器的拉线要保持与顶盖垂直。引爆炸药后，位移传感器记录顶盖的位移-时间曲线，通过数据处理获得顶盖的位移、速度等参数。试验的顶盖位移为4个位移传感器的平均值，若4个位移传感器的最大位移值和最小位移值之差小于5cm，则判定数据有效。每次试验前，都要对位移传感器的零点进行校正。试验时内嵌测试仪镶嵌在试验装置内墙壁的预留孔中，预留孔的几何中心与炸药试样位于同一水平面，传感器敏感面与壁面齐平，炸药试样的几何中心距传感器敏感面的距离为1.0m。

1.3试验原理

炸药爆轰后，顶盖在爆炸载荷的冲击作用下垂直向上运动，利用位移传感器测量顶盖运动的位移。由顶盖运动的位移、顶盖的质量计算结构内部爆炸产生的冲量并评估炸药在密闭结构内爆炸的威力。

顶盖运动的高度由位移传感器记录的位移-时间曲线经数据处理得到。由于每次试验顶盖的质量基本不变，密闭结构内爆炸的平均冲量(Id)可通过公式(1)计算

(1)

将F=ma代入公式(1)得到

(2)

式中：p为顶盖所受到的冲击压力，MPa；m为顶盖的质量，kg；F为顶盖受力，N；a为顶盖的加速度，m/s2；A为顶盖的下表面面积，m2；t为顶盖运动的时间，s。

式(2)可变换为

(3)

公式(3)两边积分得到

(4)

相对于顶盖的上升时间，顶盖达到最大加速度时间很短，可以忽略，而且其初速为零。

(5)

将式(5)代入式(4)，则得到

(6)

式中：xmax为顶盖上升的最大位移，mm。

对位移-时间曲线进行微分即可得到顶盖的速度(v)。

2结果与讨论

2.1不同种类炸药的内爆炸性能评估

炸药装药起爆前后顶盖的位置见图2。

图2　起爆前后的顶盖位置图Fig.2　Roof postion before and after lift experiment

由图2可知，起爆后顶盖由于受力不均略有倾斜，但基本保持垂直上升的姿态。

以样品3为例，顶盖位移随时间的变化曲线如图3所示。

图3　样品3的顶盖位移-时间曲线Fig.3　Displacement-time history of NO.3 sample

由图3可知，顶盖的位移-时间曲线非常平滑，约250ms时顶盖的位移达到最大，位移的上升阶段和下降阶段以最大位移处呈对称分布。

5种炸药的冲击波超压(Δp)、顶盖最大位移(xmax)和平均冲量(Id)的试验结果见表2。

表2　5种炸药的冲击波超压、顶盖最大位移和平均冲量

由表2可知，对于5种炸药，以冲击波超压作为标准，则样品3和样品4的内爆炸威力性能较好，其次为样品2和样品1，样品5的最低；以顶盖的最大位移或平均冲量为标准，样品3和样品4的内爆炸威力性能较好，其次为样品5，样品1和样品2的最差。因此，冲击波超压高的炸药，其密闭空间内部爆炸性能并不一定好，并且单纯采用冲击波超压来评估炸药的内爆炸威力不全面，与实际情况相差较大，需要结合其他特征参量进行全面评估。综合冲击波超压和顶盖的平均冲量来看，样品3和样品4具有较好的内爆炸性能。

2.2顶盖位移与炸药性能的关系

单一使用爆热来表征炸药的内爆炸威力存在一定缺陷，如对于样品1和样品2，后者的爆热较前者高42.1%，但其顶盖上升位移却低12.6%。爆热是衡量炸药总能量的一个重要参量，但密闭/半密闭结构内爆炸时，涉及到炸药能量分配、能量释放速度和后燃烧的能量释放机理等，目前精确地描述这个反应过程与机制比较困难。

富燃料炸药密闭/半密闭结构内部爆炸时，除了炸药自身所含的氧与碳、氢、铝等元素发生氧化反应外，空气中的氧也将参与反应。不同的反应机制，炸药爆炸的能量释放机理也具有显著的差异。如果炸药中所有元素发生瞬时反应，即炸药中有足够的氧完全氧化C、H、Al等元素，这时的燃烧热称为同步自氧化燃烧热；如果炸药中所有元素按特定顺序发生反应，即炸药自身所含的氧不能够完全氧化C、H、Al等元素，这时的反应热称为非同步自氧化燃烧热。

对于含C、H、N、O元素的炸药，由于没有铝粉的限制，其同步自氧化燃烧热和非同步自氧化燃烧热是一致的。对于非同步自氧化燃烧热，计算时假设反应先后顺序为铝、碳、氢[13]。炸药的总燃烧热、同步自氧化燃烧热和非同步自氧化燃烧热的计算公式[14]如下：

总燃烧热:ΔHC=∑ΔHCiWi

(7)

(8)

(9)

∑ORi≥∑ONm

(10)

式中：W为质量分数；OR为炸药自身的含氧量；ON为炸药中每种元素完全氧化所需氧；下标i，m，CH分别代表炸药的每种组分、金属铝和碳氢比。

5种炸药的燃烧热的计算值见表3。

表3　5种炸药燃烧热的计算值

顶盖举起最大位移与非同步自氧化燃烧热的关系如图4所示。

图4　顶盖举起最大位移与非同步自氧化燃烧热的关系Fig. 4　Roof lift maximal displacement vs. heat ofcombustion by asynchronous self-oxidation

由图4可看出，顶盖举起最大位移与炸药的非同步自氧化燃烧热有较好的线性关系，相关系数R2=0.9917。顶盖举起最大位移与非同步自氧化燃烧热关系如下：

xmax=17.717ΔHas-5.322

(11)

将公式(11)带入公式(6)得到

(12)

式中:k=2a(m/A)2。

由此可得出，顶盖平均冲量的平方与炸药的非同步自氧化燃烧热也具有线性关系。

因此，通过炸药的非同步自氧化燃烧热，即可计算出顶盖的位移和平均冲量，评估炸药的内爆炸威力。顶盖举起位移或平均冲量与炸药的非同步自氧化燃烧热具有密切的相关性，表明顶盖的上升是炸药的爆轰和后燃反应共同作用的结果，与文献[9]结论一致。

2.3内爆类炸药配方设计的参考依据

依据本研究结果，并结合国外近年来研究成果[6,14-17]，表征密闭/半密闭结构内爆炸性能的参数还包括冲击波超压(Δp)、冲量(I)和准静态压力(pQS)等，冲击波超压和冲量反映的是炸药爆轰阶段释放的能量，准静态压力表征了炸药二次反应阶段释放的能量。

顶盖举起位移值计算的冲量体现了炸药装药初始爆轰和二次反应两个阶段的综合作用。然而，从武器的多用性(或通用性)角度考虑，内爆类炸药还需要考虑爆轰和二次反应两个阶段能量释放的合理分配，即冲击波和准静态压力两个特征参量之间的分配，因此，获得与冲击波和准静态压力相关的炸药性能参数也是指导内爆类炸药设计的一个关键。

综合考虑，若要保持炸药有较好的内爆炸性能，需要权衡分配冲击波和准静态压力两个特征参量，即炸药要保持适当的冲击波超压、较高的准静态压力或顶盖举起位移。内部爆炸载荷与炸药性能参数的相关性见表4。

表4　内部爆炸载荷与炸药性能参数的相关性

由表4可知，内爆类炸药应具有高燃烧热、高非同步自氧化燃烧热和适中的爆速。结合表1和表5中数据，验证了2.1节评估结果的正确性。

3结论

(1)冲击波超压高的炸药，密闭空间内部爆炸性能不一定好，单纯采用冲击波超压来评估炸药的内爆炸性能不全面。顶盖的举起位移反映了炸药的爆轰和后燃烧综合作用，顶盖举起试验能够用来全面、合理的评估密闭/半密闭空间炸药装药内爆炸性能。

(2)顶盖举起位移和平均冲量的平方与炸药的非同步自氧化燃烧热具有线性关系。通过炸药的非同步自氧化燃烧热，即可计算出顶盖的位移和平均冲量，评估炸药的内爆炸威力。

(3)侵彻内爆型战斗部选用的炸药应具有高燃烧热、高非同步自氧化燃烧热和适中的爆速等特点。

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Evaluation of the Internal Blast Performance of Explosives Based on Roof Lift Test

HU Hong-wei1，FENG Hai-yun1，XIAO Chuan1，GU Xiao-hui2，SONG Pu1

(1. Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China; 2. School of Mechanics Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To evaluate the blast performance of explosives in a closed/semi-closed structure, the internal blast test of five kinds of typical explosive charges was carried out through a self-built roof lift test device. The internal blast power was evaluated by shock wave overpressure and roof lift displacement. The results show that the internal blast performances of some explosives with higher shockwave overpressure are not necessarily better. The air blast performances and internal blast ones have significant difference. The roof lift maximal displacement (xmax) has a good liner relationship with heat of combustion (ΔHas) by asynchronous self-oxidation, and the relationship formula isxmax=17.717ΔHas-5.322, correlation coefficientR2=0.9917. Internal blast type explosive should have high heat of combustion, high heat of reaction by asynchronous self-oxidation and moderate detonation velocity.

Keywords:explosion mechanics; internal blast; roof lift test; shockwave overpressure; impulse；heat of combustion by asynchronous self-oxidation

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.010

收稿日期:2015-10-29；修回日期:2015-12-29

基金项目:国防科技工业基础产品创新计划火炸药专项；国防“973”项目(613143)

作者简介:胡宏伟(1982-)，男，硕士，副研究员，从事爆炸力学与毁伤技术研究。E-mail: hhw505@163.com

中图分类号：TJ55;TQ560

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)03-0053-05

通迅作者:宋浦(1973-)，男，博士，研究员，从事爆炸力学与毁伤技术研究。E-mail: songpu73@163.com