RDX基含铝炸药爆炸电磁辐射信号特性实验研究

陈 鸿，何 勇，潘绪超，焦俊杰，沈 杰，张江南

（南京理工大学智能弹药国防重点学科实验室，江苏 南京 210094）

1 引言

炸药爆炸过程中伴随的电磁辐射现象是炸药爆炸重要宏观物理现象之一，研究爆炸电磁辐射对炸药爆轰理论、炸药应用途径的拓展以及爆炸测试中的电磁干扰防护具有重要意义。而炸药爆轰是一个非常复杂的多物理场耦合作用过程，目前对爆炸电磁辐射机理研究仍处于原理探索阶段，尚未形成完善的理论模型，实验测量依旧是此类研究的主要手段。自20 世纪50年代以来国内外学者相继对爆炸电磁辐射现象进行了实验研究［1-6］，研究结果表明炸药爆炸过程伴随着电磁辐射信号的产生，炸药组份、壳体外形以及测试环境等均会对爆炸电磁脉冲波形和幅度产生影响，不同类型炸药爆炸产生的电磁频谱不同，频谱从赫兹到吉赫兹量级均有报道。随着测试技术的发展，近年来美国洛斯拉莫斯实验室学者Jeremiah Harlin 等［7-10］采用不同测试方法对TNT 和PBX 爆炸电磁辐射信号进行了较为全面的测量，推测爆炸电磁辐射源来自于爆轰波区域的带电粒子。Boronin 等［11］对部分公开报道的实验进行了总结，认为爆炸电磁辐射来源于炸药爆炸产生的高温高压电离区，信号的延迟时间与持续时间与电离区产生的时间和存在时间有关，信号强度与爆轰产物的电离度及带电粒子的偶极变化有关。

随着炸药的发展以及爆炸电磁辐射现象研究的深入，国内外学者发现爆炸生成的带电粒子的种类以及运动过程变化会影响爆炸电磁辐射过程，导致爆炸电磁辐射信号特征发生改变［12］，而活性金属的添加能够改变炸药爆轰反应进程，对爆轰速度、爆热、爆压以及粒子速度产生影响，并且爆轰反应生成的含金属元素粒子使爆轰产物组份、粒子数目等发生变化，从而影响爆炸电磁辐射信号，这引起了学界的广泛关注，各国学者尝试通过改变装药结构、添加活性金属等方式增强爆炸电磁辐射［13］。戴晴等［14］采用一种铝镁混合物炸药，测得一个持续时间为50 ns，频率在0.1～4 GHz 范围内的宽带电磁辐射信号。王长利等［15］测量了梯黑铝爆炸产生的电磁辐射，认为梯黑铝爆炸电磁辐射信号主要与炸药有关，铝粉对信号影响较小。Kuhl等［16-17］计算了含铝TNT 爆轰过程中等离子体参数，并指出等离子体参数的改变会直接影响电磁辐射信号特征。在含铝炸药爆轰性能方面，国内外学者［18-21］进行了大量研究，证明铝粉的添加能够改变炸药爆轰反应进程，增加爆轰反应时间，提高爆轰产物电导率。

目前，国内外学者对炸药爆炸电磁辐射现象进行了相关的实验研究，并探讨了爆炸电磁辐射产生机理，但是对添加活性金属的炸药爆炸电磁辐射现象的定量研究还尚少见报道。含铝炸药作为典型的含金属炸药，其常规爆轰性能参数已取得一定研究成果，但在含铝炸药爆炸电磁辐射方面还需系统研究。开展铝含量对炸药爆炸电磁辐射信号特征的影响，可为炸药爆炸电磁辐射过程以及含铝炸药爆炸过程特性研究提供借鉴，拓展炸药的使用领域。为此，本研究拟开展RDX及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号特征实验研究，通过对实验结果的分析，以期获取RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号场强量级，电磁辐射信号延迟时间，电磁辐射强度以及爆炸电磁辐射频谱特性与含铝量之间的关系，揭示RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号特征，为炸药爆炸电磁辐射特性研究以及炸药的拓展应用提供支撑。

2 实验方法

RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号测量实验总体布局图如图1 所示。实验选在无电磁干扰的开阔场地进行，炸药裸露悬挂于距离地面1 m 高处，测试天线沿炸药径向方向2 m 以及3 m 距离处布置，各天线测点高度距离地面1 m。实验测试系统由测试天线、同轴线缆及示波器构成，各部分均经过标准标定（天线因子标定精度±1.0 dB）。实验共采用7 组测试天线，其中3 组为宽带测试天线，4 组为固定频率的调谐偶极子天线。天线分布如图2 所示，测点1 为宽带单轴 E 场天线，测试频率范围为 9 kHz～500 MHz；测点3 与测点7 为宽带TEM 喇叭天线（无限长非共面扇形天线），上限接收频率为1 GHz；测点2、测点4、测点5 与测点6 是中心接收频率分别为500，300，100 MHz 以及50 MHz 的调谐偶极子天线。测点1 至测点6 距离爆心2 m，测点7 距离爆心3 m。测点3 及测点7 所布置的宽带TEM 喇叭天线测试结果用于计算爆炸电磁辐射信号衰减比例系数。数据采集装置采用示波器，带宽 1 GHz，采样率 1.25 G·s-1，采集长度8 ms，天线端口与示波器之间采用同轴线缆连接，数据采集系统放置于电磁屏蔽柜，距离火工品起爆操作间50 m。

图1 RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号测量实验总体布局图Fig.1 General layout of electromagnetic radiation signal measurement experiment of RDX and RDX based aluminized explosives

图2 测试天线分布图Fig.2 Test antenna layout diagram

实验选用圆柱型压装RDX 以及RDX 基含铝炸药作为实验对象，炸药直径为50 mm，长径比为1∶1，具体情况如表1 所示。实验起爆方式采用瞬发电雷管起爆传爆药，传爆药起爆主装药的形式，采用起爆器起爆。传爆药选用直径20 mm，高度20 mm 的圆柱型药柱，成分为RDX，质量为20 g。为消除雷管及传爆药柱爆炸电磁辐射信号的影响，本次实验在同等测试条件下对雷管及传爆药爆炸电磁辐射信号进行了实验测量。将起爆器电压输出信号作为实验数据采集系统的触发信号，t=0 µs时刻为起爆回路起爆器放电初始时刻。

表1 RDX 及RDX 基含铝炸药组分及相关参数Table 1 Composition and related parameters of RDX and RDX based aluminized explosives

3 实验结果分析

3.1 电磁辐射信号延迟时间

距爆心2 m 处各天线所测电磁辐射信号出现时刻记录结果如表2 所示，根据标准偏差及随机误差分析［22］计算得到各组实验测点1～6 所测爆炸电磁辐射信号波形出现时刻的标准偏差在0.019～0.021 µs 范围内，随机误差在0.07%～0.1%之间。从表2 可以看出，同种炸药爆炸电磁辐射信号出现时刻基本一致，不同种类炸药爆炸电磁辐射信号出现时刻明显不同。考虑到爆炸场的复杂性以及爆炸脉冲辐射场信号测试的瞬态性［22］，可以近似认为爆炸电磁辐射信号来源于同一稳定辐射源，且在炸药径向方向上传播无明显差别。

为说明RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号延迟时间特征，选取各组实验中测点3 TEM 喇叭天线所测辐射信号出现时刻、峰值到达时刻以及电磁辐射信号持续时间记录结果列于表3。由表3 可以看出，炸药爆炸电磁辐射信号存在明显延迟时间，电磁辐射信号峰值到达时刻出现在起爆后62.66～77.52 µs 之间，测试结果随机误差在5%～7%范围内，辐射信号持续时间为0.1 µs。

4 种炸药爆炸电磁辐射信号峰值到达时刻与含铝量关系如图3 所示。由图3 可以看出，当含铝量从0 增至20%时，随铝粉的增加，峰值信号到达时刻逐渐减小；当含铝量为20%时，峰值信号到达时刻最小；当含铝量从20%增至30%时，峰值信号到达时刻逐渐增大，含铝量与爆炸电磁辐射延迟时间之间是非线性关系。Boronin A P 等［11］指出爆炸电磁辐射信号延迟时刻与炸药质量相关，而实验结果表明爆炸电磁辐射信号延迟时间与炸药组份也有明显关系，铝含量对RDX炸药爆炸电磁辐射信号延迟时间有明显影响。炸药爆炸电磁辐射是由爆炸过程中形成的带电粒子团的加速运动产生，爆炸产生的带电粒子团形成有效电磁辐射源这一过程是导致电磁辐射信号产生明显延迟的主要原因，铝的添加引起的爆轰参数和爆轰产物的改变是爆轰电磁辐射延迟时间发生变化的主要原因。RDX炸药添加铝粉后改变了炸药爆轰反应进程以及爆轰产物组份，导致爆炸电磁辐射延迟时间发生变化。当铝粉含量在一定范围时，铝粉的添加会促进有效爆炸电磁辐射源的快速形成，该过程中爆速爆压有一定下降，但含铝带电粒子的快速产生以及爆热的增加促进了有效爆炸电磁辐射源的形成，当铝粉含量达到一定极限时，随着爆速爆压下降以及铝粉含量增多，爆轰产物粒子数目的减少，大质量粒子的增多致使有效爆炸电磁辐射源的形成时间变长。

表2 距爆心2 m 处各测点RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号出现时刻记录结果Table 2 The start time of radiation signal from RDX based aluminized explosives at 2 m

表3 测点3 处RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号出现时刻、峰值到达时刻、持续时间记录结果Table 3 The start time，peak arrival time，duration time of the radiation signal of RDX based aluminized explosives recorded at point 3

图3 距离爆心2 m 处TEM 喇叭天线电场峰值信号到达时刻与含铝量关系Fig.3 Relationship between peak arrival time of TEM horn antenna at 2 m distance from detonation center and aluminum content

3.2 电磁辐射信号强度衰减规律

图4 为RDX 爆炸过程中距爆心2 m 处各测试点天线所测典型波形，其他炸药爆炸电磁辐射信号波形与之类似。如图4a 所示为示波器记录的6 组天线时域上的整体波形，坐标轴显示时间为1 ms。天线所测数据在0～10 µs 以内为明显的起爆器放电干扰信号，在10～50 µs 以内无明显辐射信号，爆炸电磁辐射信号主要集中在50～100 µs 以内。图4b 为测试结果中峰值信号的具体波形，由图4b 可以看出，爆炸电磁辐射信号波形在时域上为典型的脉冲形式，从偶极辐射原理来看［21］，爆炸电磁辐射时域信号波形与带电粒子偶极变化在时域上产生的辐射波形相符，说明爆炸电磁辐射信号来源与爆炸过程中的带电粒子有关［12］。

炸药爆炸瞬间产生的巨大能量，使气体温度迅速升高，温度约为3500 K，这导致气体分子与原子发生热电离形成带电粒子团。随着爆轰反应的进行，带电粒子团运动产生了电磁辐射信号［12］，假设爆炸产生的电磁辐射来自于爆炸产生的带电粒子的偶极变化，则根据偶极辐射理论可得方程［21］：

式中，P是偶极矩，为电荷量与电荷位置半径的乘积，C·m；ε0为真空介电常数（8.85×10-12F·m-1）；c为光速（3.0×108m·s-1）；r为观测点距离。

图4 距爆心2m 处测点1～测点6 RDX 爆炸电磁辐射信号波形及峰值信号局部放大图Fig.4 Electromagnetic and the peak signals of point 1～6 at 2 m when RDX exploded

电磁辐射信号在空气中传播时，当r＜＜λ，电场强度以1/r3衰减，该区域属于偶极辐射的近场电离区；当r～λ，电场强度以 1/r2衰减，该区域属于中区；当r＞＞λ时，电场强度以1/r衰减，该区域属于远区。根据2 m、3 m 处TEM 喇叭天线测试结果，计算得到在距爆心2 m至3 m 范围内爆炸电磁辐射信号强度随距离衰减系数，如表4 所示，随着炸药含铝量的增加，电磁辐射信号强度的衰减系数逐渐降低。由于实验条件有限，根据计算结果可以初步推断实验所用一定当量的RDX 及RDX基含铝炸药在距爆心2 m、3 m 处接收的爆炸电磁辐射来自于偶极辐射场的中远区，后续有待深入研究。

表4 RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度衰减系数Table 4 Attenuation coefficient of the field strength of RDX based aluminized explosives

3.3 电磁辐射信号强度与AL含量关系

实验共测量了6 组炸药爆炸产生的电磁辐射信号，其中2 组为雷管和传爆药，另外4 组为RDX 及RDX基含铝炸药。爆炸电磁辐射信号强度测试结果如表5所示，所有数据最终记录结果为各组炸药3 次重复实验结果的平均值，由于爆炸场环境复杂，同种炸药爆炸电磁辐射信号3 次重复实验测量数值存在一定偏差，采用重复测量数据随机误差分析方法［22］，计算所得辐射场强测试结果随机误差在8%～15%范围内。如表5所示，距爆心2 m 处RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度在1.87～15.20 V·m-1范围内。由表5 中雷管及传爆药爆炸电磁辐射信号强度测试结果可以看出，在同等测试条件下，雷管以及传爆药爆炸电磁辐射信号强度低于单轴E 场天线以及TEM 喇叭天线所设置的最小接收信号，未测到明显信号。4 组调谐偶极子天线测量敏感度较高，所测雷管及传爆药爆炸电磁辐射信号强度与RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度的最小值相差十几至数十倍，与最大值相差数百倍，因此在RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度分析中可以忽略来自雷管及传爆药的影响。

表5 RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度测试结果Table 5 Experimental result of the field strength of RDX based aluminized explosives

图5a 所示为距爆心2 m 处宽带E 场天线和TEM喇叭天线所测爆炸电磁辐射信号强度与含铝量关系，图5b 所示为距爆心2 m 处中心频率分别为500，300，100，50 MHz 调谐偶极子天线所测爆炸电磁辐射信号强度与含铝量关系。由图5a 和图5b 可以看出，爆炸电磁辐射信号强度宽带天线测试结果与固定中心频率天线测试结果随炸药含铝量的变化趋势相同，当含铝量从0 增至20%时，爆炸电磁辐射信号强度随含铝量的增加而增强；当含铝量为20%时，爆炸电磁辐射信号强度最大；当含铝量从20%增至30%时，爆炸电磁辐射信号强度随含铝量的增加而降低，并且低于RDX爆炸电磁辐射信号。爆炸电磁辐射由炸药爆炸过程中形成的带电粒子团加速运动产生，铝粉的添加会改变带电粒子的种类、数目以及速度，对爆炸电磁辐射信号强度产生影响。当含铝量从0 增至20%时，爆炸过程中带电粒子的种类、数目以及速度会随着铝粉含量的增大而增大，导致爆炸电磁辐射信号强度逐渐增强；当含铝量增至20%时，铝粉的添加使得爆炸过程中形成的电磁辐射源达到最大，爆炸电磁辐射信号强度达到峰值；当含铝量增至30%时，由于爆轰过程中产生的分子总数急剧减少，高密度凝聚相AL2O3等大质量粒子的形成［22］，使得整体带电粒子总数平均质量增大，数目减少，速度降低，从而导致爆炸电磁辐射信号强度急剧降低。

对比图3 与图5 可以看出，含铝量与爆炸电磁辐射信号延迟时间及爆炸电磁辐射信号强度之间均是明显的非线性关系，并且在含铝量为20%时，变化趋势发生改变。当含铝量从0 增至20%时，随着铝粉的添加，RDX 爆炸过程中含铝带电粒子的产生以及在高温高压环境下大量电子的逸出，促进了有效爆炸电磁辐射源的快速形成，导致爆炸电磁辐射信号延迟时间逐渐缩短，同时，大量带电粒子的产生使得爆炸电磁辐射信号强度逐渐增强；实验中，当含铝量增至20%时，爆炸电磁辐射信号延迟时间达到最小，强度达到最大；当含铝量增至30%时，由于爆速爆压的降低、大质量粒子的形成以及粒子数目的降低，导致有效爆炸电磁辐射源的形成时间变慢，强度降低。RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号延迟时间及强度与含铝量之间的关系均表明炸药爆炸过程中形成的带电粒子的种类、数目以及运动过程是爆炸电磁辐射源产生速度和强度的重要影响因素，金属元素的添加不仅能改变炸药爆炸热力学特性，对炸药爆炸的电磁辐射特性也有着重要影响，由于实验条件所限，实验中未能给出电磁辐射与含铝量的明确关系公式，具体量化关系还需进一步深入研究。

图5 距爆心2 m 处测点1～6 电磁辐射信号强度测试结果随炸药含铝量关系Fig5 Relationship between wAl and field strength of point 1 to point 6 at 2 m

3.4 电磁辐射信号频谱分析

为说明RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号频率组份，将爆炸电磁辐射信号时域波形进行快速傅里叶变化，得到4 种炸药爆炸电磁辐射信号频谱对比结果，如图6 所示。从爆炸电磁辐射信号频谱分析来看，RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号是一个宽带低频信号，炸药爆炸电磁辐射信号频率主要集中在500 MHz 以内，不同炸药爆炸电磁辐射信号整体频谱分布明显不同。偶极辐射机理表明［21］，带电粒子偶极变化产生的辐射其频谱为覆盖一定频率范围的连续谱，这与图6 所示爆炸电磁辐射信号频谱相符。由图6可以看出，4 种炸药爆炸电磁辐射信号在100 MHz 以内的频谱分布基本相同，频率基本分布在30 MHz、60 MHz 以及80 MHz 附近，且该频段为整体信号能量集中部分，该频段信号主要与RDX 爆轰反应产生的带电粒子有关。在100 MHz 以上频率范围内，铝含量的变化会导致爆炸电磁辐射信号出现不同频率组份。当含铝量为10%时，爆炸电磁辐射频谱在380 MHz 附近有明显频率成分；当含铝量为20%时，爆炸电磁辐射频谱在310 MHz 附近以及380 MHz 附近处有明显频率成分。当含铝量为30%时，爆炸电磁辐射信号较弱，整体频谱能量主要集中在100 MHz 以内，100～500 MHz 频率范围内无明显频率组份。含铝量为10% 和20% 的炸药爆炸电磁辐射信号在300～380 MHz 附近的频率分量主要与爆轰过程中生成的含铝元素带电粒子有关。当含铝量为30%时，爆炸产生的有效带电粒子辐射源变小，粒子数目以及粒子速度的下降导致电磁辐射频谱改变。

图6 RDX 及RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射典型频谱对比Fig.6 Comparison of typical spectrum of electromagnetic radiation of RDX and RDX based aluminized explosives

4 结论

（1）炸药爆炸电磁辐射信号出现时刻有明显延迟，距爆心2 m 处所测爆炸电磁辐射信号延迟时间在62.66～77.52 µs 之间，RDX 基含铝炸药爆炸产生的电磁辐射信号延迟时刻与含铝量是明显的非线性关系。

（2）距爆心 2 m 处，RDX 及 RDX 基含铝炸药爆炸产生的电磁辐射信号强度在1.87～15.20 V·m-1范围内，随距离的增加而衰减，不同含铝量炸药爆炸电磁辐射信号强度在空气中随距离的衰减系数不同。

（3）RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号强度与含铝量是非线性关系，当含铝量为0～20%时，电磁辐射信号强度随含铝量的增加而增强；含铝量为20%～30%时，电磁辐射信号强度随含铝量的增加而减小。

（4）铝粉的添加会明显改变炸药爆炸电磁辐射信号频谱，RDX 基含铝炸药爆炸电磁辐射信号频率集中在500 MHz 以内。当含铝量为0 和30%时，爆炸电磁辐射信号频率主要集中在100 MHz 以内，当含铝量为10%和20%时，爆炸电磁辐射信号在100 MHz 以内且在300～380 MHz 范围内有明显频率组份。