含铝炸药爆炸光辐射能量输出特性研究

宋 浦，杨 卓，赵向军，杨 磊，梁安定

(西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

炸药作为典型的高能量密度材料，在一定外界刺激下能够发生剧烈的爆炸反应，快速释放出大量能量，其中部分爆炸能量会以多波段光辐射的形式传播。由于强光辐射能够对一定距离上的人员和光电探测装备产生干扰、压制或毁伤[1-4]，因此，基于爆炸源的强光辐射作为一种新型功能毁伤模式，受到了高度关注。

20世纪60年代起，美国就开始研发燃爆闪光技术，主要应用于高速摄影及光电传感器干扰等领域[3-5]。近年来装填烟火剂的声光弹等主动拒止武器系统成为美国国防部21世纪新战略计划—非致命武器技术发展计划的重要内容之一[6]。由于燃烧效应作用时间长、能量释放充分等特点，目前国内外的应用研究主要集中于烟火剂的燃烧辐射[7-8]，利用层流燃烧和对流燃烧的反应形式实现不同的应用效果。如北京理工大学研究了闪光烟火剂的辐射机理、配方组成、性能测试和对夜视探测器材的干扰情况[9]并进行了模拟样弹试验，结果表明，以KClO4为氧化剂、以Al为可燃物和以环氧树脂(或酚醛树脂)为黏合剂组成的三元配方(质量比50∶50∶3)装药爆燃可见光强度可达107坎德拉量级。

凝聚态炸药爆炸光辐射的主要机制为：(1)爆轰波，即爆轰界面和化学反应区构成的复合体；(2)在爆轰波阵面后产生的爆轰产物；(3)空气冲击波。因此与燃烧光辐射相比，高能炸药爆炸光辐射的作用过程迅速、瞬间强度峰值大、释放功率高，高能炸药爆炸反应能够在极短时间内达到高能量功率密度，从而释放出更强的光辐射。尤其是高能含铝炸药，通过爆轰反应、无氧燃烧反应和有氧燃烧反应的三阶段释能[10-16]，可以在更长的作用时间内激发出强度更高的光辐射，已在前沿毁伤技术中获得关注。含铝炸药等典型非理想炸药的爆轰反应通常有较宽反应区，而且在C-J面后仍能释放一部分能量。由于炸药配方设计中含有大量可燃金属颗粒，需要利用空气中的氧气持续反应释能，因此一般认为典型非理想炸药爆炸历程可分为如下阶段：最初的无氧爆轰(微秒量级)、爆轰后的无氧燃烧(毫秒量级)、后续的有氧燃烧(百毫秒量级)，由于燃烧远大于爆轰历程的跨时间尺度，非理想炸药反应演化过程十分复杂[17-21]。考虑含铝炸药不同反应阶段的不同作用机制，不同波段爆炸光辐射的能量输出特性也存在差异，对应不同的毁伤作用机制会有较大区别，这是国内外相关应用研究中缺失的一个方向。

本研究基于含铝炸药爆炸光辐射试验设计，通过不同波段可见光、中波红外和长波红外的辐射强度测定，对比计算不同波段光辐射的能量利用率，获取含铝炸药爆炸光辐射能量输出参量，得到爆炸强光辐射的特性规律，结合含铝炸药的爆炸能量输出结构特点，为新型光电对抗技术提供理论支撑。

1 试 验

选取典型HMX基高能含铝炸药，设计铝壳体试验样弹，含铝炸药配方(质量分数)为：HMX，65%；Al粉，30%；黏结剂，5%。装药密度为1.85g/cm3，装药质量约为1.5kg，样弹结构如图1所示。利用强光红外瞬态辐射强度测试仪，分别测量中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)波段的辐射强度等特征参量，得到辐射强度随时间的变化特性；同时利用瞬态光强测定仪，测量可见光的平均照度、峰值照度、最大值时间、有效光强等特征参量随时间的变化特性，研究含铝炸药在不同反应阶段的光辐射规律。

图1 样弹结构Fig.1 Experimental warhead structure

爆炸强光效应试验现场布局如图2所示。在距离爆心40m距离处分别布置可见光光强瞬态测试系统、红外光辐射强度测试系统和高速动态分析仪。要求各测试系统探头对准爆心位置，为了尽量减少干扰因素，试验在深夜进行，保持试验场周边无灯光照射，测量爆炸可见光光强和中/长波段红外光辐射强度时程曲线。

图2 爆炸强光效应试验布局示意图Fig.2 Schematic diagram of the explosion light effect test system

采用GQ-100瞬态光强测定仪，对可见光的平均照度、有效光强随时间的变化曲线、峰值照度、最大值时间等进行测试；采用MWIR/LWIR强光红外瞬态辐射强度测试仪对中/长波红外光的最大辐射强度、最大辐照度、平均辐照度、峰值时刻、响应电压最大值等特征参量进行测试。首先进行三发小质量药柱标定试验，测试药柱爆炸发光强度，标定试验的误差范围，确定试验测试系统的可能误差范围。然后进行含铝炸药样弹爆炸激发试验，得到爆炸辐射强度随时间的瞬态变化规律。

通过光电信号采集的响应电压最大值和同一工况试验结果的重复性判断试验结果的有效性。若同一工况多发试验结果的响应电压值均远小于5V测试基值且符合度高，则判定该工况试验结果有效。

2 结果与讨论

2.1 不同波段光辐射强度的变化过程

凝聚相炸药爆炸反应是炸药分子间的快速氧化还原反应，光辐射主要由冲击波阵面和炽热的爆轰产物产生。根据热辐射理论，可见光谱段对应的温度范围是7000～13000K，在爆炸作用近区空气冲击波的发光类似于绝对黑体，辐射谱连续，因而可以认为空气冲击波是在宽谱段内发出辐射的灼热体，爆轰产物则是以红外辐射为主的强热辐射源[22]。由于含铝炸药中添加了金属可燃剂铝粉，利用铝粉在加热状态下燃烧释放出大量的热来增强其燃烧效应，同时主基高能炸药可以用来增强爆炸效应，因此一般认为其反应是分三阶段进行的非理想爆轰[23]，不同反应阶段对应不同的光辐射特性规律。

典型工况下含铝炸药爆炸激发的可见光辐射强度和中/长波段红外光辐射强度时程曲线如图3所示。由图3可以看出，可见光峰值处于爆轰零点后的396μs，中波红外(波长为3～5μm)的曲线峰值位于爆轰零点后的774μs，长波红外(波长为8～14μm)的辐射强度有两个明显峰值，其中最大值时刻在爆轰零点后的24.2ms。

第一阶段爆轰反应，初始时刻主要发生炸药分子的氧化还原反应，产生持续微秒量级的爆轰波，近似认为在这一阶段Al粉基本不参加反应[24]。根据Le Chatelier方法，这一阶段生成的爆轰产物主要由CO、H2、N2、H2O、CO2等组成，同时高温高速的空气冲击波会迅速引起一系列电离和离解反应[25-26]。由图3(a)可知，可见光辐射时程曲线在最大峰A2之前有一个截断的短脉冲尖峰A1，此尖峰是暴露在壳体外的传爆药柱爆炸发出的可见光引发。根据经验，爆轰波破碎直径为150mm的铝制壳体所需时间约为120～150μs，因此时程曲线在尖峰A1、A2之间有间断，然后观测到主体炸药爆炸激发的可见光峰值及其持续时间。考虑含铝炸药的爆轰反应区特征，可见光峰值与第一反应阶段的时程基本重合，主要由第一反应阶段的爆轰波激发。

第二阶段是在高温高压条件下发生的剧烈的无氧燃烧反应。由于剧烈的冲击压缩，金属铝粉表面的氧化层破裂，与爆轰产物在C-J面后发生反应，持续时间为毫秒量级，通常是几百微秒。由图3(b)可知，中波红外的辐射峰值(图中B1点处)处于第二反应阶段的持续时间段的中后期。无氧燃烧阶段中后期的激波速度大幅衰减，激发光辐射频率随之下降；但随着反应的持续，积累的热量逐渐增加，在第二阶段反应结束后，中波红外的辐射强度也迅速下降。因此认为中波红外的最大辐射主要在第二反应阶段发生。

图3 典型工况不同波段光辐射测量时程曲线Fig.3 Time-history curves of light radiation in different bands under typical operating conditions

第三阶段反应中，空气中的氧与炸药中的可燃组分Al、H2、C、CO等继续充分混合，发生持续数十毫秒量级的有氧燃烧。随着产物的进一步扩散，反应物浓度和压强下降导致反应速率减慢，但此阶段仍然释放出大量能量，延长了反应的持续时间，爆炸火球的温度会进一步提升。由图3(c)可知，长波红外的辐射峰值(图中C1点处)位于爆炸零时后的24.2ms，正处于爆炸反应的第三阶段。可以认为长波红外辐射主要由第三阶段反应激发。

2.2 爆炸激发光辐射的能量转化效率

由于爆炸光辐射瞬态测量难度大，因此基于能量分析爆炸能量转换为光辐射的效率。

HMX分子式为C4H8N808，是一种典型的负氧平衡炸药，根据Le Chatelier方法(假定Al不参加第一阶段反应)，反应第一阶段生成的爆轰产物主要有CO、H2、N2、H2O、CO2等成分[25-26]，若Al在后两个阶段反应完全，则可计算出1.5kg的含铝炸药在第一阶段反应释放的能量和反应过程释放的总能量分别为4666.5kJ和22089kJ。由于HMX爆炸反应速率高，在与氧气充分混合之前反应已经结束，因此无法达到完全氧化的反应程度。通常铝粉的反应率为50%～70%，爆热取7417kJ/kg[23]，则反应过程释放的总能量为11125.5kJ。

为便于进行分析比较，统一能量单位，将可见光光强换算为5.4×1014Hz的单色辐射强度[27]，辐射强度单位是W/Sr，对测量值进行积分计算：

(1)

式中：E为测试频段内光辐射总能量；F为某波段光辐射强度测量值；Ω为爆炸火球光辐射球面角。本研究假设炸药爆炸后的反应产物形成一个爆炸火球，系统测量到的辐射强度为火球表面的辐射值。

可见光辐射和红外光辐射的总能量及能量利用率计算结果见表1。

表1 炸药爆炸激发光辐射的能量利用率

注：E为辐射能量；Φ为能量利用率。

含铝炸药爆炸产生的可见光及中/长波红外光最大辐射强度均大于105W/Sr量级，光辐射的总能量利用率为5.91%。其中激发可见光辐射的能量转化率仅为0.41%，主要原因在于爆轰反应阶段的能量释放速率和功率均高，因此要提高可见光辐射强度，提高爆轰反应阶段的能量释放及适当降低释放速率是有效途径。

作为常规炸药的含铝炸药爆炸光辐射能量利用率仅为5.91%，远低于核爆炸利用率的30%量级，主要在于核爆炸时较大能量以热辐射形式释放，能够达到n×107℃的高温，激发出更长时间的高强度辐射[25]；而常规化学爆炸的温度为几千摄氏度量级，持续时间短，因此导致二者产生光辐射强度及能量利用率的数量级的差异[28-30]。含铝炸药能量转化率与炸药质量、铝粉含量等影响因素的定量关系有待于进一步研究。

3 结 论

(1)含铝炸药爆炸激发的可见光、中波红外和长波红外3个频段的光辐射分别在含铝炸药爆炸的3个反应阶段达到最大峰值，光辐射强度与温度呈正相关，激发的光辐射频段与不同阶段的反应机制和释能特性吻合。

(2)含铝炸药爆炸激发光辐射的能量转化率为5.91%，与核爆炸模式的光辐射转化率存在数量级上的差异，但通过控制化学爆炸的反应过程，如采用优化的含铝炸药配方设计、复合装药结构等技术途径，仍可能有较大的提升空间。