新型扫雷装药爆炸场特性分析及应用*

2021-04-09吴克刚

国防科技大学学报 2021年2期

吴克刚，王博

(1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083； 2. 国防科技大学军事基础教育学院，湖南长沙 410072)

燃料空气炸药(Fuel Air Explosive，FAE)，一直以来是世界各国研究的热点内容[1-2]。自20世纪60年代开始，美国和苏联先后研制了型号繁多的燃料空气炸药，并相继在越南、阿富汗、海湾和车臣的多次战争中使用，引起了国际军事研究人员的注意。在2002年的阿富汗战场上，美军投入了与传统的燃料空气炸药原理相似、但杀伤力更强的一次引爆型燃料空气炸药(又称作温压炸弹)，进一步吸引了世界的眼球。现今除美国、俄罗斯外，还有英国、法国、加拿大、印度、南非等国家也在大力开展这类武器的研究，有的已装备部队。

20世纪70年代末80年代初，von Elbe 等利用三氟化氯(Chlorine TriFluoride, CTF)和三氟化溴(Bromine TriFluoride，BTF)等无机氟化物，将之喷入碳氢燃料FAE，形成了一次点火并引发爆轰[3-4]。Stayles 将燃料与起爆的化学催化剂同时抛入大气中而形成一次引爆[5]。Lee等将二甲基锌喷入等摩尔的氧-乙炔混合物，也实现了引爆[6]。莫斯科化学物理所的Gelfand等完成了有机硼化物和液体碳氢化合物同时被抛撒到空气中导致自点火的实验研究[7]。一次引爆型点火方法逐步完善，不过，由于气态混合物在储存等应用中存在较大的问题，研究者转向固态云爆剂的研究。

第3代FAE是固态FAE[8]，它是在一次引爆型液态和液-固FAE基础上发展起来的一种新云爆剂，它的物理性状很稳定，原材料来源广泛，成本低，并且有效克服了前面两代FAE易发生沉淀分层，不便于制作加工及储运，因装药分布不均匀，易产生弹的偏心效应等问题，是当今新的FAE研究热点。

国内在20世纪90年代开始，中国科学技术大学的徐胜利等[9]、北京理工大学的白春华等[10-11]、南京理工大学的王伯良等[12]，也大力研究和发展了一次引爆型FAE, 燃料空气炸药具有高爆热，正压作用时间长，冲量大，装药利用率高，大体积云雾爆轰杀伤面积大等特点，特别适合于毁伤大范围、大面积的目标，是一种理想的扫雷装药。固态FAE作为一种新云爆剂，如何充分利用其爆炸场参数及其威力的特性，将其用于扫雷，并改进设计方案，一直是科研工作者研究的热点。刘庚冉等就固态燃料空气炸药空爆问题进行了实验研究[13]，国内部分学者对将固态FAE应用于地雷场也做过一些有益的探索，相关研究结果表明，在相同空间位置上，固态FAE爆炸场超压峰值均高于等质量的TNT，FAE爆炸场正压作用时间相对较长，是一种较理想的扫雷装药，但对扫雷装置的研究很少。

本文在文献[12]以及已有的某型扫雷爆破筒装药设计的基础上，通过对爆炸场冲击波峰值超压、正压作用时间、比冲量等重要参数指标来定量分析固态FAE近地面爆炸场的特性，结合实际模拟扫雷对比实验，设计某款扫雷装置，寻求固态FAE扫雷装置最佳设置情况与扫雷特性的综合平衡。

1 理论基础

目前还没有系统的理论来支撑固态FAE爆炸场参数的理论计算，但仍可以参考以往猛炸药爆炸冲击波作用原理[14]。为了提高扫雷效果，扫雷装药设置成离地一定高度爆炸。爆炸产生的冲击波在空中传播，遇到地面后反射，不同的地面以及冲击波的入射角度，地面反射的压力是不同的，冲击波参数计算方法也不一样。

如图1所示，扫雷装药在空气中A点爆炸时不同位置处所发生的情况，图中R表示入射波，S表示反射波。地面B、C、D、E、F各点相对于爆炸中心因入射角φ0不同，反射压力也不同。当φ0=0时，图中B点产生正反射，压力要比自由场的高很多。图中C、D两点处，由于入射角满足φ0<φoc(φ0表示入射角，φoc表示马赫反射临界角)，只发生规则反射。当φ0>φoc时，图中E、F两点处产生马赫反射，反射压力比入射的更高。因此，装药在空气中爆炸时，地表面不同位置处发生各种形式的反射。可以利用冲击波的这种反射特性，使扫雷装药在距离地面合适的高度爆炸，以达到最佳破坏效应。

图1 空中爆炸地面各点反射图Fig.1 Reflectance map of ground points of air explosion

对于正反射的压力，需要知道入射压力，其压力与TNT球形装药在无限空气介质中爆炸时，空气冲击波峰值超压计算可表示为：

(1)

在无限空气中爆炸时,装药的比例高度需满足：

(2)

式中，H为装药中心离地面的高度，单位为m。

当装药在刚性地面爆炸时，刚性地面完全反射爆炸能量，在此种情况下，取反射系数2,可得：

(3)

空气冲击波反射后的压力与冲量的计算如下：

1)正反射

(4)

式中，Δp1表示入射波超压，Δp2表示反射波超压，p0表示大气压。

2)规则反射

(5)

式中，Δp2表示反射波超压。

3)马赫反射

经验公式：

Δpm=Δpmgr(1+cosφ0)

(6)

式中：Δpm为峰值超压；Δpmgr为刚性地面爆炸时空气冲击波的峰值超压。

冲量的实验结果：

i=i+G(1+cosφ0)， 0°≤φ0≤45°

(7)

i=i+G(1+cosφ0)， 45°≤φ0≤90°

(8)

式中，i+G为地面爆炸时的冲量，按r取从爆心到该点的直线距离进行计算。

爆炸高度对地面的反射波压力有显著的影响。一方面，高度增加，表明离爆心越远，入射波压力减少；另一方面，引起了φ0和φ0c的减少，使反射波压力增加。装药在离刚性地面不同高度爆炸，不同水平距离上产生的地面超压也会不同，因此，对一定的反射波压力，存在一个最有利的爆炸高度，公式[15]如下：

(9)

式中：Hur为产生一定反射波压力Δp2时的最有利高度(单位为m)；Δp2为破坏目标的反射波压力(以105Pa为计量单位)；C为装药质量(单位为kg)

根据上述爆炸作用原理，在爆炸试验设计时就应考虑炸高对地面爆炸作用的效应。固态FAE爆炸特性要求装置设置应充分考虑云雾扩散的作用，而把炸高作为主要试验参数。

2 实验装置及测试系统

2.1 实验装置

一般的扫雷爆破筒，采用的装药是TNT，有起爆结构与主装药结构。本次实验，采用固态FAE为主装药，装置结构如图2所示，实验用的FAE弹体外形设计为圆柱形，装置外壳及中心药柱外壳均为PVC薄壁圆筒，圆筒壁厚3 mm，装置外壳长度为735 mm，直径为104 mm，中心药柱长度为480 mm，直径为25 mm，中心管上下端口用薄壁材料封闭固定，中心药柱位于云爆药剂中心，中心药柱为RDX，质量为300 g，云爆药质量为8.2 kg，装药密度为1.343 g/cm3。装置外壳两端用钢制支架固定，采用8号电雷管由中心装药一次引爆。试验时，FAE装置放置在一定高度的底架上以设置相应的炸高。图2(a)为固态FAE装置结构示意图，各部名称已标注，结构尺寸前面已描述，图2(b)为固态FAE装置实物，图为装置离地面一定高度水平放置的情况。

1—装置外壳；2—云爆剂；3—中心装药外壳；4—中心药柱；5—支架；6—雷管孔。(a) 结构图(a) Structure picture

(b) 实物图(b) Model picture图2 固态FAE装置结构图及实物图Fig.2 Structure and physical picture of solid FAE device

2.2 测试系统

由9个已标定好的美国PCB PIEZOTRONICS压电式压力传感器、1台KD5010电荷放大器以及8860-50-HIOKI存储记录仪组成了压力测试系统，当爆轰波或冲击波超压信号传到压力传感器时，传感器将压力信号转变为电荷信号，然后经电荷放大器转换为相应的电压信号，再经数据采集系统采集储存，由计算机对数据分析处理，就可以得到相应的压力信号随时间变化曲线，以及爆轰波的各项参数。压力测试系统构成如图3所示。装药中心至各传感器距离如表1所示。

图3 压力测试系统构成Fig.3 Structure of pressure test system

表1 传感器至装药中心距离Tab.1 Distance from sensor to charge′s central

在地面上，沿着FAE的轴向，左方布置1个传感器，右方布置3个传感器，沿着FAE的径向在前方不同位置处布置5个传感器，传感器距爆心的距离如图4所示。

图4 压力传感器安装位置示意图Fig.4 Pressure sensor installation location′s picture

光测系统采用Photron 公司的FASTCAM SA-Z高速彩色摄影系统，高速摄影仪在爆炸安全距离外安放，正对爆心，选用2000帧/s的拍摄频率。

3 测试结果与分析

3.1 爆炸场冲击波超压

为比较固态FAE处于不同设置状态时近地面爆炸场的特性，野外实验选取4种不同设置状态FAE爆炸对比实验。为减小实验误差，提高实验的可靠性，典型设置状态进行了二轮实验，并对实验结果取平均值。图5为4种不同设置状态的云爆弹分别在正面距离爆心3 m、3.3 m、3.6 m、4 m、5 m位置等处，以及侧面3.3 m、3.6 m、4 m等处分别测得的地面反射峰值超压值Δp，r为测点距爆心的距离。

由图5可看出，云爆弹爆炸后中远场的峰值超压衰减慢，明显优于等质量的TNT装药爆炸超压，可由式(4)、式(5)计算得到。固态FAE与等质量的TNT相比，前者的峰值超压在3 m处为后者的1.31～5.67倍；在4 m处为后者的1.10～3.49倍；在5 m处为后者的1.23～2.95倍。所得实验结果比文献[12]所得的固体云爆剂平均TNT当量为1.25的结果大，可能是文献[12]所制备的固体云爆剂具有较强的水下爆炸能量输出特性，而并没有做空气中爆炸能量输出实验。

如图5所示，同样的装药条件下，装药径向设置的冲击波作用效果要优于轴向设置的冲击波作用效果，其中在轴向设置的情况下，底端点火爆破效果要优于顶端点火爆破效果。实验表明，对于扫雷装药的设置应采用径向水平设置且最佳炸高约为0.6 m。因本文主要关心爆炸扫雷范围，图5中曲线仅反映了云爆弹爆炸场中远场空气冲击波峰值超压随距离变化的特性，从量测的超压参数与距离衰减结果可以看出区域内并未发生马赫反射。

图5 峰值超压随距离变化曲线Fig.5 Variation curve of peak over-pressure with distance

3.2 正压区作用时间

爆炸冲击波的另一个重要特征参数就是正压区作用时间，它是衡量炸药爆炸威力的另一项重要指标，是指某测点位置的压力在炸药爆炸后从峰值超压开始衰减至初始压力p0的时间历程。根据爆炸相似率可求得正压作用时间[16]：

(10)

式中：t+为正压区作用时间，单位为ms；WT为测点的峰值超压所对应的TNT当量，单位为kg；r为测点至爆炸中心的距离，单位为m。

图6为4种装药相同，炸高设置和起爆方式不同的固态FAE与TNT在不同位置处的正压作用时间，其中TNT的正压作用时间由式(10)计算得到。由图6可以看出，比较固态FAE与TNT的正压区作用时间，固态FAE的正压区作用时间明显长于TNT炸药，前者的正压区作用时间在3 m处是后者的1.33～4.27倍；在4 m处是后者的1.11～1.37倍；在5 m处是后者的1.21～3.15倍。

固态FAE的爆轰过程与高能炸药TNT完全不同，燃料粒子在初始装药爆轰后一边抛撒成雾，一边由内向外被激发云雾爆轰，爆轰范围远远超出其原来装药边界。因此，在水平设置的固态FAE爆轰区域的近区由于云雾爆轰的原因，正压作用时间反而较大，呈“V”形。这是固态FAE爆轰区别于常规炸药的明显特点，然而垂直设置的固态FAE的增加正压作用时间增加量有限，如图6所示。另外从正压作用时间的曲线可以看出，在3.3 m处，装置水平与垂直设置时，正压区作用时间都呈下降趋势，形成较为明显的拐点。分析原因，可能是在中心装药爆炸后，前驱冲击波使固态FAE抛撒开，携裹着FAE中的高能炸药与燃料气体及爆轰产物迅速向外扩展，并将FAE中的高能炸药引爆，爆轰产物到达一定范围后，速度减缓，燃料气体在外界不断加入的氧气作用下进一步发生剧烈的爆轰反应，为前驱冲击波持续提供能量。前期爆轰产物的作用范围在3.3 m左右，对比装置中的装药半径，相当于装药半径的63倍。

图6 不同位置处的正压作用时间Fig.6 Positive pressure acting time in different location

3.3 比冲量

炸药爆炸作用是个瞬态过程，其作用效应还与比冲量有关[17]。固态FAE爆炸场的比冲量可由实验测得的超压曲线与正压区作用时间直接计算确定，而TNT的冲量可以参考式(7)和式(8)进行计算。

固态FAE与等质量TNT在不同位置处的比冲量值见图7。由图7可以看出，对比固态FAE与TNT的比冲量，前者的比冲量在3 m处为后者的1.31～4.5倍；在4 m处为后者的1.33～1.63倍；在5 m处为后者的1.74～2.12倍。可以看到，固态FAE的比冲量在中远场明显大于等质量TNT，可见固态FAE具有中远场超压高及正压区作用时间长的特点。

图7 不同位置处的比冲量Fig.7 Specific impulse in different location

此外，由在侧向布置的传感器可发现，在3.6 m处的比冲量也能达到267.82 kPa·s，这表明采用固态FAE装药爆炸后，由于云雾扩散作用，侧向的扫雷效果也不错。

3.4 扫雷应用分析

爆破法扫雷的爆破筒间距通常设为4 m，通过爆炸冲击波的叠加作用，可以扫除爆破筒垂直轴向2 m范围的普通防步兵地雷。在本实验中，单发固态FAE的扫雷范围如图8所示，最远处5 m埋设了某防步兵地雷，图8(a)中用红色标示出埋雷位置，爆炸后，图8(b)最远处的地雷均被触发，达到了5 m范围。若分别将固态FAE和常规炸药TNT用于扫除某常见防步兵地雷(设该雷诱爆冲量为78.5 Pa·s[17])，按此常见某型防步兵地雷诱爆冲量标准，可推算出固态FAE和装药为TNT的某型扫雷爆破筒的最大扫雷半径与最大扫雷面积，如表2所示。由表2可知，对扫除某型防步兵地雷来说，固态FAE的最大扫雷面积是装药为TNT的某型扫雷爆破筒的1.80～3.85倍。