云爆藥劑爆炸超壓測試及威力評價*

饒國寧,周 莉,宋述忠,解立峰,李 斌,彭金華

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；2.北京奧信化工科技發展有限責任公司，北京 100040)

云爆藥劑(FAE)具有爆轟體積大、正壓作用時間長、沖量大等特點，相比于傳統高能炸藥，其爆炸毀傷面積大。就其爆炸超壓場而言，云爆藥劑在云霧區內爆炸沖擊波能量分布均勻，而云霧區外爆炸沖擊波在空氣中傳播時，沖擊波的超壓值衰減相對較慢[1]。

目前，在炸藥爆炸沖擊波超壓測試時，為避免裝藥彈體爆炸產生的破片擊中并損壞傳感器，通常采用壁面式壓力傳感器采集超壓數據，此類型的壓力傳感器與地面平齊，測試得到的超壓數據是沿地面運動的馬赫波超壓[2]，但這種測試方法所造成的真實誤差在以往的爆炸物當量評估中常被忽略。陳昊等[3]分析了爆炸場中馬赫反射對沖擊波超壓測試的影響，給出了馬赫反射對測試結果的作用以及爆炸高度對測試結果的影響。劉慶明等[4]通過分析氣-固-液多相爆轟的特征和壓力波形的特點，發現在云霧區內，多相爆轟波壓力波形具有多峰結構，爆炸波峰值超壓及沖量為恒定值，爆轟區外，爆轟波轉變成爆炸沖擊波，峰值壓力和比沖量迅速衰減，并得到了沖擊波峰值超壓及比沖量隨傳播距離變化的規律。由于云爆藥劑與常規高能藥劑的爆炸場存在著較大的差異，所以為了對FAE的爆炸威力進行有效評估，就需要針對其爆炸場特點進行深入研究。

本文中，在相同的無約束實驗條件下對自行研制的一次、二次云爆藥劑及標準梯恩梯(TNT)藥劑進行了爆炸超壓測試。通過自由場式與壁面式兩種壓力測試系統，分別獲得空中及地面的爆炸沖擊波參數，運用TNT現場爆炸標定法計算出云爆藥劑的TNT當量，有效評估了一次、二次云爆藥劑的爆炸威力；兩種超壓測試系統結合起來進行多次實驗，通過分析實測超壓值的不確定度發現，實驗中采用的自由場式的測試系統測得的超壓值的不確定度略低于壁面式測試系統測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統應用于普通高能炸藥的超壓測試中是一種有效的測試手段。而在FAE爆炸實驗中，其實測超壓值的不確定度的分布就表現得較為隨機。我們認為聯合運用兩種超壓測試系統，可有效減小云爆藥劑爆炸沖擊波流場的復雜性對測試結果準確性的影響，為云爆藥劑的爆炸場參數研究和威力評估提供參考。

1 實驗方法

1.1 樣品及測試系統

測試炸藥為TNT以及兩種云爆藥劑SEFAE和DEFAE，彈體中的裝藥量均為2 kg。TNT為熔鑄藥柱，長徑比1∶1，密度1.60 g/cm3。SEFAE主要成分是高能炸藥、金屬粉和液體氧化劑，采取一次起爆方式，其中心起爆藥為梯黑藥柱，質量80 g；DEFAE主要成分是高能液體燃料，采取傳統的兩次起爆方式，其中心起爆藥是梯黑藥柱，質量80 g，二次起爆藥柱是質量為200 g的梯黑藥柱。

測試裝置采用高頻響應自動化數字測量系統。超壓測試系統所用的儀器有211B型壓電式石英傳感器、402A型數據調理儀和JV5201數據采集儀。

1.2 場地布置

測試條件、測試手段和數據處理，都按GJB 5412-2005《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數測試及爆炸威力評價方法》進行。

實驗中，裝有云爆藥劑的彈體放置于固定高度的支架中心，以彈體的幾何中心位置為爆心，確定所有實驗中的炸高為1.5 m。在壓力測試中，采用兩路壓力平行測試的形式，壓力傳感器布置圖如圖1所示。一路布置在地面，作為壁面式壓力測試系統，由于沖擊波因入射角度不同會產生正規斜反射和非正規斜反射(馬赫反射)兩種現象[5-7]，為取得實驗結果的一致性，本文中根據藥量選擇了合適的炸高和傳感器布置位置，將地面測試點全部布置于馬赫反射區內，測量到的也就是地面馬赫波的超壓。壓力傳感器的布置依據參照文獻[8]。

另外，SEFAE、DEFAE具有不同于高能炸藥的云霧爆轟區：在云霧區內，爆轟波壓力波形具有多峰結構，爆炸波峰值超壓為一恒定值；爆轟區外，爆轟波轉變成爆炸沖擊波，峰值壓力迅速衰減。由云霧爆轟區半徑公式[9]的計算得到云爆藥劑的云霧爆轟區半徑為1.9 m，因此本實驗中傳感器的布設位置均超出云爆藥劑的爆轟區，所研究的是云霧爆轟區外的沖擊波超壓變化規律。

2 實驗結果和分析

2.1 超壓數據分析

在實驗中，采用壁面式與自由場式兩種超壓測試系統進行藥劑的爆炸超壓測試，實驗環境條件一致。為減小由于實驗測試儀器問題帶來的試驗誤差，采用平行實驗的方式，對每種藥劑進行3次實驗，結果進行均一化處理。3種藥劑的典型超壓曲線如圖2所示。

圖2中，橙色為TNT超壓曲線，綠色為SEFAE超壓曲線，藍色為DEFAE超壓曲線。從圖中可以看出，DEFAE有明顯的雙峰特征，對應兩次起爆的效果，第1個峰為中心藥劑拋撒燃料時產生的超壓，第2個峰為二次藥柱起爆后燃料二次爆轟產生的超壓。

從圖中可以明顯看出，相同的測試條件下，在3 m處TNT的超壓上升沿時刻要早于SEFAE和DEFAE，這是因為TNT為凝聚態炸藥，其能量釋放速率相比其他兩種藥劑要快得多。同時，正因為如此，TNT的爆炸超壓在空氣中衰減迅速，所以在相同測量位置，其超壓峰值要比兩種云爆藥劑略小，且正壓作用時間略短。對于DEFAE，從曲線中能看到明顯的雙峰，這正是二次型云爆藥劑的典型超壓特征，由于燃料和空氣充分混合后發生二次爆轟，其釋放的能量要比SEFAE更大且正壓持續時間更長。

經過處理地面壁面式、空中自由場式的超壓系統的測試值后，分別計算3種藥劑在不同距離的測試超壓的平均值及相應的實測超壓的不確定度，具體數據見表1。

由表1可以看出：壁面式測試系統測得的炸藥爆炸超壓峰值均高于自由場式測試系統的炸藥爆炸超壓峰值，這是由于爆炸沖擊波與地面發生非規則反射，除了入射波和反射波外，還存在一個垂直地面的過度壓縮的沖擊波即馬赫波，馬赫波的超壓值相對較高[10-11]；3種藥劑爆炸沖擊波的實驗測試值，不管是壁面式還是自由場式測試系統的實測超壓值，在距爆心相同位置上TNT的超壓值最小、SEFAE其次、DEFAE最高。

從表1和圖3可以看出，等質量的3種藥劑的爆炸沖擊波超壓峰值在相同位置上的關系為DEFAE最大、SEFAE次之、TNT最小，且爆炸沖擊波在空氣中傳播的衰減率為DEFAE最小、SEFAE次之、TNT最大。產生這種現象的主要原因為：TNT是典型的點源爆炸，爆炸后球面沖擊波迅速衰減；SEFAE中心起爆時其起爆藥柱首先反應，在爆轟后，灼熱的爆炸云團在向四周拋撒的同時，爆炸云團各組分之間以及爆炸云團同環境空氣之間，還會繼續進行劇烈的快速燃燒反應，SEFAE這種邊拋撒邊反應的過程使得它具有明顯的體積爆轟特點，但由于反應的高速性，燃料不能與空氣充分混合，包含在炸藥中的能量不能完全釋放，因此，在相同位置處測到的超壓均低于DEFAE；DEFAE則是先通過中心藥柱爆炸拋撒主裝藥，形成一個具有一定幾何尺寸的氣溶膠云霧團，同時將云爆管散布于云團中，經預定時間云爆管二次引爆云霧團，形成氣溶膠爆轟，也就是說，DEFAE是整個具有一定體積可燃云團的爆轟[9]。

對圖3進行進一步分析還可以得到：當距離為3 m以下時，云爆藥劑的爆炸壓力下降較快，這可能是由于在近場中燃料與空氣介質的反應沒有達到平衡。在距離為3m以上時，云爆藥劑超壓的變化則較為平緩，這是由于云爆燃料與空氣反應所釋放的能量支持了沖擊波傳播，從而延緩了沖擊波的衰減。

從表1和圖4中可以看出：在TNT的爆炸過程中，超壓測量的不確定度小于FAE超壓測量的不確定度，這是因為TNT是單質炸藥，其組分均一，作用過程明確，受外部環境條件和實驗操作條件的影響較小，所以爆炸后產生的沖擊波流場較為對稱，一致性較高；此外，通過TNT藥劑的實驗測試結果同樣發現，離爆心距離越遠，其不確定度值越小，可知實驗測試裝置對爆炸近場的爆炸超壓峰值測量結果影響更大，導致測量數據的震蕩范圍較大。同時，對自由場測試和地面測試方法進行對比發現，自由場式測試系統測得的超壓值的不確定度略低于地面壁面式測試系統測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統應用于普通高能炸藥的超壓測試是一種有效的測試手段[10-11]。

而在云爆藥劑的爆炸實驗中，不論是一次云爆藥劑還是二次云爆藥劑，爆炸超壓峰值的測量結果隨機性較大，這是由于云爆藥劑的組分復雜，同時其爆炸威力受環境條件影響較大，和TNT的爆炸測試結果類似，云爆藥劑近場超壓峰值測試結果的不確定度相比遠場要大，進一步說明遠場超壓測試的結果更為可靠。

表1 3種藥劑實測的超壓數據Table 1 Overpressure data of three explosives

2.2 云爆藥劑超壓的TNT當量分析

(1)

根據實驗所得數據(見表1)，利用最小二乘法可分別擬合出地面和空中的超壓公式。

TNT爆炸地面超壓公式為：

(2)

TNT爆炸空中超壓公式為：

(3)

式中：Δp、m、r的單位分別為kPa、kg、m。

由表2可以看出：對于SEFAE，壁面式超壓測試系統得到的TNT當量比為2.37，自由場式超壓系統測到的TNT當量比為2.10。對于DEFAE，壁面式超壓測試系統得到的TNT當量比為3.81，自由場式超壓系統測到的TNT當量比為3.55。

表2 兩種云爆藥劑各測點對應的TNT當量Table 2 Measuring points of FAE corresping to TNT equivalent

分析兩種測試方法計算的TNT當量結果，可以看出根據壁面式測試系統所測超壓計算得到的云爆藥劑的TNT當量高于自由場式測試。云爆藥劑屬于體積爆轟，爆轟時燃料邊拋撒邊和空氣反應，形成持續的后燃反應，單質炸藥則屬于點源爆轟；因此，在單質炸藥爆轟形成的沖擊波傳播發生馬赫反射的測點處，云爆藥劑不一定發生相同類型的沖擊波反射，所以單純地采用地面反射的方法對云爆藥劑進行TNT當量計算可能不夠準確。相對而言，雖然自由場式超壓測試系統有一定的局限性，如實驗場中自由場式傳感器的布置方式對流場有一定影響，但實際上可以認為自由場式超壓測試系統能直接測得云爆藥劑的靜壓，可以獲得較為準確的TNT當量。云爆藥劑威力評估的主要參數為超壓和正壓作用時間，其正壓作用時間比普通高能炸藥長，發生馬赫反射時入射波和反射波的交點被抬升而離開地面，三波點處的各個區域間相互作用復雜，馬赫桿是強間斷面而不是爆轟波陣面本身，因此采用壁面式超壓測試系統實測的波形中的超壓與正壓作用時間并不能真實地反映爆炸沖擊波本身波形。

由表1可以看出：由于地面存在馬赫反射，所以測試獲得的超壓值相對較高。在GJB 5412-2005《燃料空氣炸藥(FAE)類彈種爆炸參數測試及爆炸威力評價方法》中，針對云爆藥劑爆炸沖擊波流場復雜性的考慮，均利用壁面式超壓測試系統得到馬赫波的超壓值，但是壁面式和自由場式超壓測試系統都有各自特點。我們希望通過以后的實驗研究，將壁面式和自由場式超壓測試系統結合起來運用，設計相對合理的實驗場及測試系統，用以減小FAE爆炸沖擊波流場的復雜性給測試帶來的影響，為云爆藥劑的爆炸場參數研究和威力評估提供有效的參考。

3 結 論

(1)從壁面式與自由場式兩種超壓測試系統得到的結果可以看出，SEFAE和DEFAE的超壓值均高于TNT，具有典型的云霧爆炸場特征，表明SEFAE和DEFAE是優于普通高能炸藥的藥劑。

(2)采用TNT現場爆炸標定法計算SEFAE、DEFAE的TNT當量：SEFAE壁面式超壓測試法所得的TNT當量比為2.37，其自由場式超壓測試得到的TNT當量比為2.10；DEFAE壁面式超壓測試法所得的TNT當量比為3.81，其自由場式超壓測試得到的TNT當量比為3.55。

(3)在測試TNT爆炸實驗中，自由場式測試系統測得超壓值的不確定度略低于壁面式測試系統測得超壓值的不確定度，說明自由場式超壓測試系統應用于普通高能炸藥的超壓測試中是一種有效的測試手段。而在FAE爆炸實驗中，測量超壓值的不確定度分布就表現得較為隨機，其原因在于云爆藥劑的爆炸沖擊波流場的復雜性，云爆藥劑爆炸沖擊波流場不是理想柱對稱的。相對于近場測試超壓值的不確定度，遠場則相對較小，說明遠場的超壓測試值的還是具有較高的可信度。

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