基于頂蓋舉起試驗(yàn)的炸藥內(nèi)爆炸性能評(píng)估

胡宏偉，馮海云，肖　川，顧曉輝，宋　浦

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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基于頂蓋舉起試驗(yàn)的炸藥內(nèi)爆炸性能評(píng)估

胡宏偉1，馮海云1，肖川1，顧曉輝2，宋浦1

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：為了評(píng)估炸藥在密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的爆炸性能，通過自建的頂蓋舉起試驗(yàn)裝置對(duì)5種典型炸藥裝藥進(jìn)行了內(nèi)爆炸試驗(yàn),利用沖擊波超壓和頂蓋的舉起位移評(píng)估了其內(nèi)爆炸威力。結(jié)果表明，沖擊波超壓高的炸藥，內(nèi)爆炸性能不一定好，炸藥的空中爆炸性能與內(nèi)爆炸性能具有顯著的差異；頂蓋舉起最大位移與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有線性關(guān)系，關(guān)系式為xmax=17.717ΔHas-5.322，相關(guān)系數(shù)R2=0.9917；內(nèi)爆類炸藥應(yīng)具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；內(nèi)爆炸；頂蓋舉起試驗(yàn)；沖擊波超壓；沖量；非同步自氧化燃燒熱

引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，彈藥戰(zhàn)斗部在密閉/半密閉結(jié)構(gòu)(如碉堡、坑道、地下工事或作戰(zhàn)指揮中心)內(nèi)部爆炸成為侵徹爆破型武器的主要作戰(zhàn)模式。鉆地彈、侵徹彈裝填的炸藥大多為富燃料的含鋁炸藥，這類炸藥在密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)時(shí)間段的反應(yīng)[1]：首先是爆轟(或爆燃)反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為微秒量級(jí)或更短的時(shí)間；第2個(gè)階段為后燃燒反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。自由空間爆炸由于缺乏周圍結(jié)構(gòu)的約束和反射壓力，爆炸產(chǎn)物迅速膨脹，紊流混合較弱，沒有后燃燒過程或后燃燒過程釋放能量較少。而密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)除了沖擊波的反射，爆炸產(chǎn)物的膨脹受到抑制形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力，炸藥裝藥在密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的能量構(gòu)成為沖擊波動(dòng)壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力[2]。

由于密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的能量釋放和輸出特性與開放空間相比具有顯著的差異，傳統(tǒng)的試驗(yàn)與評(píng)估方法已經(jīng)不能全面反映并評(píng)估炸藥的爆炸威力[3-7]。目前國外已經(jīng)建立了沖擊波壓力-沖量[8-9]、頂蓋舉起試驗(yàn)[10]、準(zhǔn)靜態(tài)壓力[11]和沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力[12]等多種評(píng)估方法，頂蓋舉起試驗(yàn)由于更接近真實(shí)情況，能夠綜合反映沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力這兩個(gè)內(nèi)部爆炸的主要特征參量，已在美國的溫壓炸藥開發(fā)、表征和評(píng)估中得到應(yīng)用。國內(nèi)西安近代化學(xué)研究所研建了頂蓋舉起試驗(yàn)裝置[13]，對(duì)典型炸藥裝藥內(nèi)爆炸性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和評(píng)估。

本研究利用自建的頂蓋舉起試驗(yàn)裝置，對(duì)典型炸藥的內(nèi)爆炸威力進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)分析了頂蓋運(yùn)動(dòng)參量與炸藥性能參數(shù)的關(guān)系，以期為內(nèi)爆類非理想炸藥和內(nèi)爆戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)與炸藥選擇提供技術(shù)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品與儀器

試驗(yàn)樣品包括標(biāo)準(zhǔn)炸藥(TNT)、近似理想炸藥、RDX基含鋁炸藥、HMX基含鋁炸藥、含AP復(fù)合炸藥共5種炸藥，編號(hào)為1～5號(hào)，樣品組分和性能參數(shù)見表1。

試驗(yàn)樣品全部為壓裝的圓柱形炸藥，一端帶有雷管孔。樣品質(zhì)量均為100g，直徑40mm，長徑比為1.0～1.3。采用8號(hào)銅電雷管端面中心起爆，每種炸藥進(jìn)行3發(fā)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表1　5種炸藥的組分和性能參數(shù)

注：ρ為密度；OB為炸藥的氧平衡；D為爆速；pd為爆壓；Qv為爆熱。

STS-D-P型拉線式位移傳感器，北京鑫盛星創(chuàng)測(cè)控技術(shù)有限公司，量程0～2000mm，分辨率0.075mm，線性精度0.1%FS，通過解碼器連接數(shù)據(jù)采集儀記錄位移-時(shí)間曲線；PCB113B31型壁面壓力傳感器，美國PCB公司，量程1.38MPa；微型內(nèi)嵌測(cè)試儀，南京理工大學(xué)，采樣頻率1M/s，采樣長度1.0s。壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀為一體化結(jié)構(gòu)，便于在墻壁上安裝。

1.2試驗(yàn)裝置和方法

頂蓋舉起試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　頂蓋舉起試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of roof lift device

試驗(yàn)裝置為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁面襯有Q235A鋼板，最大許用藥量為1.0kgTNT當(dāng)量。試驗(yàn)裝置的內(nèi)部空間長2.0m、寬2.0m、高2.5m、墻厚0.5m。試驗(yàn)裝置的前墻安裝有防爆門，試驗(yàn)時(shí)防爆門處于關(guān)閉狀態(tài)。頂蓋結(jié)構(gòu)為板架鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，長3.0m、寬3.0m、質(zhì)量5.288t。為了控制頂蓋的上升方向，鋼筋混凝土墻體的4個(gè)角設(shè)置了導(dǎo)軌，頂蓋的4個(gè)角分別焊接有滑軌，導(dǎo)軌和滑軌之間有一定的間隙，防止頂蓋受力不均傾斜時(shí)產(chǎn)生摩擦。

試驗(yàn)時(shí)，樣品懸吊在試驗(yàn)裝置的幾何中心。在試驗(yàn)裝置的4個(gè)角安裝位移傳感器，傳感器一端與頂蓋連接，另一端固定在試驗(yàn)裝置的外側(cè)壁上，位移傳感器的拉線要保持與頂蓋垂直。引爆炸藥后，位移傳感器記錄頂蓋的位移-時(shí)間曲線，通過數(shù)據(jù)處理獲得頂蓋的位移、速度等參數(shù)。試驗(yàn)的頂蓋位移為4個(gè)位移傳感器的平均值，若4個(gè)位移傳感器的最大位移值和最小位移值之差小于5cm，則判定數(shù)據(jù)有效。每次試驗(yàn)前，都要對(duì)位移傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行校正。試驗(yàn)時(shí)內(nèi)嵌測(cè)試儀鑲嵌在試驗(yàn)裝置內(nèi)墻壁的預(yù)留孔中，預(yù)留孔的幾何中心與炸藥試樣位于同一水平面，傳感器敏感面與壁面齊平，炸藥試樣的幾何中心距傳感器敏感面的距離為1.0m。

1.3試驗(yàn)原理

炸藥爆轟后，頂蓋在爆炸載荷的沖擊作用下垂直向上運(yùn)動(dòng)，利用位移傳感器測(cè)量頂蓋運(yùn)動(dòng)的位移。由頂蓋運(yùn)動(dòng)的位移、頂蓋的質(zhì)量計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的沖量并評(píng)估炸藥在密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的威力。

頂蓋運(yùn)動(dòng)的高度由位移傳感器記錄的位移-時(shí)間曲線經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到。由于每次試驗(yàn)頂蓋的質(zhì)量基本不變，密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的平均沖量(Id)可通過公式(1)計(jì)算

(1)

將F=ma代入公式(1)得到

(2)

式中：p為頂蓋所受到的沖擊壓力，MPa；m為頂蓋的質(zhì)量，kg；F為頂蓋受力，N；a為頂蓋的加速度，m/s2；A為頂蓋的下表面面積，m2；t為頂蓋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。

式(2)可變換為

(3)

公式(3)兩邊積分得到

(4)

相對(duì)于頂蓋的上升時(shí)間，頂蓋達(dá)到最大加速度時(shí)間很短，可以忽略，而且其初速為零。

(5)

將式(5)代入式(4)，則得到

(6)

式中：xmax為頂蓋上升的最大位移，mm。

對(duì)位移-時(shí)間曲線進(jìn)行微分即可得到頂蓋的速度(v)。

2結(jié)果與討論

2.1不同種類炸藥的內(nèi)爆炸性能評(píng)估

炸藥裝藥起爆前后頂蓋的位置見圖2。

圖2　起爆前后的頂蓋位置圖Fig.2　Roof postion before and after lift experiment

由圖2可知，起爆后頂蓋由于受力不均略有傾斜，但基本保持垂直上升的姿態(tài)。

以樣品3為例，頂蓋位移隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

圖3　樣品3的頂蓋位移-時(shí)間曲線Fig.3　Displacement-time history of NO.3 sample

由圖3可知，頂蓋的位移-時(shí)間曲線非常平滑，約250ms時(shí)頂蓋的位移達(dá)到最大，位移的上升階段和下降階段以最大位移處呈對(duì)稱分布。

5種炸藥的沖擊波超壓(Δp)、頂蓋最大位移(xmax)和平均沖量(Id)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　5種炸藥的沖擊波超壓、頂蓋最大位移和平均沖量

由表2可知，對(duì)于5種炸藥，以沖擊波超壓作為標(biāo)準(zhǔn)，則樣品3和樣品4的內(nèi)爆炸威力性能較好，其次為樣品2和樣品1，樣品5的最低；以頂蓋的最大位移或平均沖量為標(biāo)準(zhǔn)，樣品3和樣品4的內(nèi)爆炸威力性能較好，其次為樣品5，樣品1和樣品2的最差。因此，沖擊波超壓高的炸藥，其密閉空間內(nèi)部爆炸性能并不一定好，并且單純采用沖擊波超壓來評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸威力不全面，與實(shí)際情況相差較大，需要結(jié)合其他特征參量進(jìn)行全面評(píng)估。綜合沖擊波超壓和頂蓋的平均沖量來看，樣品3和樣品4具有較好的內(nèi)爆炸性能。

2.2頂蓋位移與炸藥性能的關(guān)系

單一使用爆熱來表征炸藥的內(nèi)爆炸威力存在一定缺陷，如對(duì)于樣品1和樣品2，后者的爆熱較前者高42.1%，但其頂蓋上升位移卻低12.6%。爆熱是衡量炸藥總能量的一個(gè)重要參量，但密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸時(shí)，涉及到炸藥能量分配、能量釋放速度和后燃燒的能量釋放機(jī)理等，目前精確地描述這個(gè)反應(yīng)過程與機(jī)制比較困難。

富燃料炸藥密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸時(shí)，除了炸藥自身所含的氧與碳、氫、鋁等元素發(fā)生氧化反應(yīng)外，空氣中的氧也將參與反應(yīng)。不同的反應(yīng)機(jī)制，炸藥爆炸的能量釋放機(jī)理也具有顯著的差異。如果炸藥中所有元素發(fā)生瞬時(shí)反應(yīng)，即炸藥中有足夠的氧完全氧化C、H、Al等元素，這時(shí)的燃燒熱稱為同步自氧化燃燒熱；如果炸藥中所有元素按特定順序發(fā)生反應(yīng)，即炸藥自身所含的氧不能夠完全氧化C、H、Al等元素，這時(shí)的反應(yīng)熱稱為非同步自氧化燃燒熱。

對(duì)于含C、H、N、O元素的炸藥，由于沒有鋁粉的限制，其同步自氧化燃燒熱和非同步自氧化燃燒熱是一致的。對(duì)于非同步自氧化燃燒熱，計(jì)算時(shí)假設(shè)反應(yīng)先后順序?yàn)殇X、碳、氫[13]。炸藥的總?cè)紵裏帷⑼阶匝趸紵裏岷头峭阶匝趸紵裏岬挠?jì)算公式[14]如下：

總?cè)紵裏?ΔHC=∑ΔHCiWi

(7)

(8)

(9)

∑ORi≥∑ONm

(10)

式中：W為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；OR為炸藥自身的含氧量；ON為炸藥中每種元素完全氧化所需氧；下標(biāo)i，m，CH分別代表炸藥的每種組分、金屬鋁和碳?xì)浔取?/p>

5種炸藥的燃燒熱的計(jì)算值見表3。

表3　5種炸藥燃燒熱的計(jì)算值

頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱的關(guān)系如圖4所示。

圖4　頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱的關(guān)系Fig. 4　Roof lift maximal displacement vs. heat ofcombustion by asynchronous self-oxidation

由圖4可看出，頂蓋舉起最大位移與炸藥的非同步自氧化燃燒熱有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.9917。頂蓋舉起最大位移與非同步自氧化燃燒熱關(guān)系如下：

xmax=17.717ΔHas-5.322

(11)

將公式(11)帶入公式(6)得到

(12)

式中:k=2a(m/A)2。

由此可得出，頂蓋平均沖量的平方與炸藥的非同步自氧化燃燒熱也具有線性關(guān)系。

因此，通過炸藥的非同步自氧化燃燒熱，即可計(jì)算出頂蓋的位移和平均沖量，評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸威力。頂蓋舉起位移或平均沖量與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有密切的相關(guān)性，表明頂蓋的上升是炸藥的爆轟和后燃反應(yīng)共同作用的結(jié)果，與文獻(xiàn)[9]結(jié)論一致。

2.3內(nèi)爆類炸藥配方設(shè)計(jì)的參考依據(jù)

依據(jù)本研究結(jié)果，并結(jié)合國外近年來研究成果[6,14-17]，表征密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸性能的參數(shù)還包括沖擊波超壓(Δp)、沖量(I)和準(zhǔn)靜態(tài)壓力(pQS)等，沖擊波超壓和沖量反映的是炸藥爆轟階段釋放的能量，準(zhǔn)靜態(tài)壓力表征了炸藥二次反應(yīng)階段釋放的能量。

頂蓋舉起位移值計(jì)算的沖量體現(xiàn)了炸藥裝藥初始爆轟和二次反應(yīng)兩個(gè)階段的綜合作用。然而，從武器的多用性(或通用性)角度考慮，內(nèi)爆類炸藥還需要考慮爆轟和二次反應(yīng)兩個(gè)階段能量釋放的合理分配，即沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個(gè)特征參量之間的分配，因此，獲得與沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力相關(guān)的炸藥性能參數(shù)也是指導(dǎo)內(nèi)爆類炸藥設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。

綜合考慮，若要保持炸藥有較好的內(nèi)爆炸性能，需要權(quán)衡分配沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個(gè)特征參量，即炸藥要保持適當(dāng)?shù)臎_擊波超壓、較高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力或頂蓋舉起位移。內(nèi)部爆炸載荷與炸藥性能參數(shù)的相關(guān)性見表4。

表4　內(nèi)部爆炸載荷與炸藥性能參數(shù)的相關(guān)性

由表4可知，內(nèi)爆類炸藥應(yīng)具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速。結(jié)合表1和表5中數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了2.1節(jié)評(píng)估結(jié)果的正確性。

3結(jié)論

(1)沖擊波超壓高的炸藥，密閉空間內(nèi)部爆炸性能不一定好，單純采用沖擊波超壓來評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸性能不全面。頂蓋的舉起位移反映了炸藥的爆轟和后燃燒綜合作用，頂蓋舉起試驗(yàn)?zāi)軌蛴脕砣?、合理的評(píng)估密閉/半密閉空間炸藥裝藥內(nèi)爆炸性能。

(2)頂蓋舉起位移和平均沖量的平方與炸藥的非同步自氧化燃燒熱具有線性關(guān)系。通過炸藥的非同步自氧化燃燒熱，即可計(jì)算出頂蓋的位移和平均沖量，評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸威力。

(3)侵徹內(nèi)爆型戰(zhàn)斗部選用的炸藥應(yīng)具有高燃燒熱、高非同步自氧化燃燒熱和適中的爆速等特點(diǎn)。

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

HU Hong-wei1，F(xiàn)ENG 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

基金項(xiàng)目:國防科技工業(yè)基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新計(jì)劃火炸藥專項(xiàng)；國防“973”項(xiàng)目(613143)

作者簡介:胡宏偉(1982-)，男，碩士，副研究員，從事爆炸力學(xué)與毀傷技術(shù)研究。E-mail: hhw505@163.com

中圖分類號(hào)：TJ55;TQ560

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)03-0053-05

通迅作者:宋浦(1973-)，男，博士，研究員，從事爆炸力學(xué)與毀傷技術(shù)研究。E-mail: songpu73@163.com