DNAN基大尺寸带壳装药的能量输出特性

杨 斐，罗一鸣，高 杰



DNAN基大尺寸带壳装药的能量输出特性

杨 斐，罗一鸣，高 杰

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为验证2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基高爆热熔铸炸药与通用爆破战斗部壳体的威力匹配特性，通过理论计算和百公斤级静爆试验获得了DNAN基大尺寸带壳装药的空中爆炸冲击波参数及传播规律；采用高速摄影仪测定了爆炸火球的特征参数，并与TNT装药进行了对比分析。结果表明：带壳装药冲击波峰值超压理论计算值与试验值接近，比例距离2.5 m/kg1/3处DNAN基试样的入射冲击波、马赫反射波峰值超压较TNT提高了92.0％和68.4％，冲量提高了5.1％，特性乘积Δ•提高了77％，毁伤效应优势主要体现在近场；火球发光亮度、最大直径、面积和火球持续时间也明显优于TNT试样。

2,4-二硝基苯甲醚；能量输出特性；带壳装药；冲击波参数；爆炸火球

现代战争对战斗部装药的威力和不敏感性要求越来越高，传统熔铸载体TNT能量较低，且存在毒性较大[1]、渗油等问题，对弹药的感度、易损性和运输等都会产生影响[2]，难以满足不敏感弹药发展的要求[3]。因此，人们一直在寻找它的替代物，2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）作为一种载体炸药，其感度和黏度均低于TNT，而且不存在异构物，纯度达99.8％；其安全性优于TNT，毒性小于TNT，与高氯酸铵（AP）相容，在配方设计中可通过调节AP含量改善氧平衡来提高能量[4]。美军研制出了一系列以DNAN为基的熔铸炸药[5]，已经用于155mm榴弹、120mm迫弹等战斗部。近些年我国也开展了DNAN基高爆热熔铸炸药的研制工作，研制出的熔铸炸药配方具有装药密度高（1.80g/cm3以上）、能量高（1.8倍TNT体积当量）、低易损性（通过快速烤燃、慢速烤燃和子弹撞击）和成本低等特点，有望替代TNT基熔铸炸药，大幅提升当前战斗部装药的能量水平与安全性能。

目前DNAN基熔铸炸药研究主要在配方、工艺以及安全性等方面，对大尺寸带壳装药的能量输出特性研究甚少，不明确DNAN基熔铸炸药的能量输出优势能否在壳体约束下完全发挥出来。战斗部壳体对爆炸冲击波强度有重要影响[6]，壳体、炸药以及爆炸介质的匹配特性对爆炸冲击波有重要影响[7-8]，直接影响到装药的杀伤威力性能。本文通过经验公式计算了不同比例距离下大尺寸带壳装药的冲击波超压，通过百公斤级带壳装药的静爆试验研究了DNAN基熔铸炸药的冲击波输出特性；利用高速摄影仪，记录并分析了爆炸火球的成长历程及特征，并与TNT装药进行了对比，为战斗部的威力设计提供技术支撑。

1 冲击波参数理论计算

根据爆炸相似率，TNT装药在无限空气介质中爆炸时的冲击波超压为[9]：

炸药在刚性地面爆炸时，由于地面阻挡，冲击波不是向整个空间传播，而只向一半空间传播，被冲击波带动的空气量减少一半，可看作两倍的装药在无限空间爆炸，w=2，代入式（1）可得：

如果是土壤地面，则取w=1.8来修正式（1），见式（3）：

根据炸药TNT当量的计算公式，可计算质量为的DNAN基炸药的TNT当量质量为：

由式（3）~（4）可以计算出DNAN基熔铸炸药在土壤地面爆炸时入射冲击波峰值超压Δp为：

式（6）中：为冲击波入射角。

现取比例距离2m/kg1/3、2.5m/kg1/3、3m/kg1/3、4 m/kg1/3和5m/kg1/35个测点，分别代入式（3）和式（4）中计算TNT与DNAN基炸药入射冲击波峰值超压，代入式（6）计算马赫反射波超压峰值，计算结果如表1所示，两种炸药入射波和马赫波的冲击波峰值超压变化曲线如图1所示。

表1 不同比例距离处的冲击波峰值超压计算值 (MPa)

图1 冲击波峰值超压变化曲线

由表1可以看出，在比例距离2m/kg1/3处，DNAN基炸药的入射波和马赫波峰值超压为0.470MPa和0.572MPa，较TNT试样均提高了52.5％；通过图1曲线可以看出，这种冲击波能量的优势主要体现在近场，随着比例距离的增大，两种炸药的冲击波峰值超压差距逐渐减小，当比例距离为5m/kg1/3时，两者峰值超压已非常接近。

2 静爆试验状态及布置

2.1 试验样品与壳体状态

试验样品为TNT和DNAN基带壳装药各1发，采用熔铸工艺装药，试验样弹见图2，试验样品技术状态见表2。装药壳体直径为457mm，材料为35CrMo SiA钢，壳体厚度为16mm。

图2 试验样弹

表2 百公斤级静爆试验样品参数

Tab.2 The parameters of the static explosion experiment samples

样品置于木质弹架之上，装药中心距地面高度为1.5m，弹架下放置平整钢板，确保试样起爆水平，采用φ45mm×50mm（约131.8g）的JH-14作传爆药柱，用8#铜壳电雷管起爆。

2.2 测试系统及试验布局

本次试验测试侧重于冲击波参数的测试，并配合高速摄影系统，可直观反映爆轰反应情况，具体布局如图3所示。

图3 静爆试验场地示意图

与裸装药不同，由于战斗部壳体的存在，对爆炸作用场有很大影响，带壳装药爆炸后，炸药放出的能量一部分消耗于壳体变形、破碎和破片的驱动飞散，另一部分能量才能消耗于爆炸产物的膨胀和形成爆炸冲击波。不同的结构对于当量的等效公式不同，对于圆柱形带壳装药，留给爆炸产物的能量当量可由式（7）计算[10-11]：

式（7）中：W为战斗部装药质量，kg；为装填系数，取0.44；为多方指数，取2.22；0为装药半径，r为破片达到最大速度时的半径，r/0≈1.5。

压力传感器布设比例距离分别为2m/kg1/3、2.5 m/kg1/3、3m/kg1/3、4m/kg1/3和5m/kg1/3，根据装药量以及式（7）可以计算出留给爆炸产物的能量当量，并根据比例距离计算公式可以反推出各个测点传感器的布置距离。传感器布设距离见表3。

表3 静爆试验传感器布置距离表

Tab.3 The sensor distance in static explosion experiment

3 试验结果对比与分析

3.1 宏观现象

静爆试验后现场如图4所示，可以看出，DNAN基炸药起爆后的爆坑直径明显大于TNT的爆坑直径，见证钢板的破坏程度也明显大于TNT试样。

3.2 爆炸火球对比分析

通过高速摄影系统（2 000fps）对2发试验的整个爆轰过程以及冲击波传播和爆轰产物膨胀、收缩过程进行记录，不同时刻TNT试样和DNAN基试样的高速摄影图像分别见图5和图6。

通过图片及高速摄影视频可以看出，炸药被引爆后初始阶段，爆炸冲击波与火球界面分离之前，在爆炸能量的驱动下，火球呈规则球形快速扩张；当爆炸冲击波与火球界面分离后，火球呈尖锥形，轴向向上会出现“尖峰”，同时径向半径也快速扩张，当轴向达到最大特征半径后，其径向扩张基本停止。轴向向上产生“尖峰”的原因可能是：爆炸所产生的高压爆轰产物推动周围的空气形成爆炸冲击波，由于冲击波的传播速度大于爆轰产物的传播速度，随着两者的传播，逐渐出现了分离，随着冲击波继续向前运动，波阵面上的气体便被向前压缩，这样就在冲击波阵面和已分离的爆轰产物之间形成了一个负压区，冲击波后面已被压缩的空气开始反向膨胀，形成了膨胀波。

图5 不同时刻TNT试样爆炸图像

图6 不同时刻DNAN基试样爆炸图像

分别对比两种试样在相同时刻的图像可以看出，DNAN基试样初始冲击波发光阶段的亮度明显高于TNT试样，与环境光色对比鲜明、边界清晰，火球直径与火球面积也远远大于TNT试样。

试验前在距爆心10m处放置一个对比杆，DNAN基试样起爆后火球边界到达对比杆的时间为10ms，TNT试样则为12.5ms，说明DNAN基试样的火球扩展速度更快；DNAN基试样到达火球最大直径的时间为325ms，TNT试样为245ms，这说明DNAN基试样火球扩展持续时间比TNT长，综上分析，DNAN基试样的火球最大直径和火球持续时间应远大于TNT试样。

3.3 冲击波参数分析

对试验得到压力——时间曲线进行处理，汇总不同比例距离处的超压峰值Δ、冲量及特性乘积Δ•数据，如表4所示。

表4 不同比例距离处冲击波测试数据

3.3.1 马赫反射波峰值超压计算值与试验值对比

将不同比例距离处马赫波超压峰值的理论计算值与试验值作图，见图7。由图7可见，在近场时，试验值均稍大于理论计算值，两种试样理论计算值与试验值曲线基本吻合，可见通过理论计算的方法计算带壳装药的冲击波超压峰值具有可行性。

图7 马赫波超压峰值计算值与试验值对比

3.3.2 两种试样冲击波参数对比分析

对比表4的数据可得，DNAN基试样在不同比例距离处的入射波和马赫波峰值超压较TNT均有大幅提高，在比例距离2.5m/kg1/3处入射波峰值超压增量达到92％，马赫波峰值超压增量为68.4％。而DNAN基试样较TNT的冲量优势则不明显，通过分析冲击波压力——时间曲线图（图8）可以看出，在同一测点，冲击波的峰值压力虽高出TNT很多，但是其压力随时间衰减速率过快，总的冲击波压力持续时间为4.55ms，较TNT的5.74ms也缩短了不少，两者因素综合则导致冲量提高较小。常见的冲击波毁伤准则有超压准则、冲量准则和超压-冲量准则，通过超压-冲量准则评价试样空中爆炸冲击波威力毁伤效应更具普遍意义。由表4中Δ•数据可见，不同测点下DNAN基试样的特性乘积较TNT试样均较大提高，近场优势更加明显，最大增量达77％，说明DNAN基试样对近场目标的冲击波威力毁伤效应较大。

图8 比例距离2.5m/kg1/3处冲击波压力——时间曲线

4 结论

（1）通过理论计算方法预估DNAN基带壳装药的冲击波超压峰值，与实际试验测试值接近，具有可行性。

（2）DNAN基炸药的爆坑直径、见证钢板的破坏程度均明显大于TNT试样。

（3）DNAN基试样初始冲击波发光阶段的亮度明显高于TNT试样，与环境光色对比鲜明、边界清晰，火球直径与火球面积也远远大于TNT试样，火球扩展速度更快，火球扩展持续时间也比TNT长。

（4）DNAN基试样的冲击波峰值超压、冲量及特性乘积均高于TNT试样，其中冲击波峰值超压和特性乘积较TNT有较大提高，冲击波毁伤效应优势主要体现在近场。

[1] Daniel W Doll, Jami M Hanks, Alan G Allrend, et al. Reduced sensitivity melt-pourable TNT replacements: US,2003/0005 988 [P]. 2003.

[2] 王永川，唐兴民.梯黑药柱的改性研究[J].含能材料,1994, 2(1):7-11.

[3] Steven Nicolich, John Niles, Pamela Ferlazzo, et al. Recent developments in reduced sensitivity meIt-pour explosives[C]// 34th Interactional Annual Conference of ICT. Karisruhe, Germany:ICT, 2003.

[4] 张光全,董海山.2,4-二硝基苯甲醚为基熔铸炸药的研究进展[J].含能材料,2010,18(5):604-609.

[5] 连舜华.美国的低易损性炸药[J].现代兵器,1987(5):36-40．

[6] 张奇，苗常青. 壳体对爆炸空气冲击波强度的影响[J].应用力学学报,2003,20(3):145-147.

[7] 梁斌,卢永刚,陈忠富.不同壳体装药在混凝土中爆破威力初步分析[J].弹箭与制导学报,2007,27(4):111-113.

[8] 梁斌,等.不同壳体装药爆炸威力的数值模拟及实验研究[J]. 火炸药学报,2008,31(1):6-11.

[9] 陈昊,陶,钢,蒲元.冲击波的超压测试与威力计算[J].火工品，2010 (1):21-24.

[10] 北京理工大学八系.爆炸及其作用[M].北京:国防工业出版社,1979.

[11] 段卓平,黄风雷.地下弹药库爆炸产生的地面空气冲击波的估算与数值模拟[J]. 安全与环境学报,2001,1(4):45-49.

The Energy Output Characteristic of DNAN-based Explosive in Big Charging Size with Shell

YANG Fei，LUO Yi-ming，GAO Jie

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

To verify the energy matching characteristics between DNAN-based melt-cast composition explosive and shell of blast warhead, the air blast shock wave parameters and propagation regularity of DNAN-based explosive with big charging size and shell were acquired, by the theoretical calculation and the static explosion experiment. The characteristics parameter of explosion fireball was measured by high-speed photography, and contrasted with those of TNT sample. The results show that the calculated value is close to the test value of peak pressures of shock wave with shell. Incident shock wave and Mach reflection wave overpressure of DNAN-based sample are increased by 92％ and 68.4％ at 2.5m/kg1/3, impulse is increased 5.1％, air explosion powerΔ•is increased 77％. The advantage of damage effect mainly shows in the near field. The luminance, diameter and area, as well as duration time of explosion fireball of DYAN-based sample are much better than those of TNT sample.

DNAN; Energy output characteristics; Charge with shell; Shock wave parameters; Explosion fireball

1003-1480（2019）01-0013-05

TQ565

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.004

2018-09-12

杨斐（1990-），男，工程师，主要从事熔铸炸药配方及工艺研究。