模擬高原環境條件下C5-C6燃料的爆轟特性研究*

尤祖明，祝逢春，王永旭，李 斌，解立峰

(1.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；2.中國人民解放軍95856部隊，江蘇 南京 210028)

氣液兩相云霧爆轟過程涉及復雜的爆炸力學、流體力學和多相流等領域的相關知識，其應用范圍涵蓋工業生產中的氣云爆炸防治和軍事應用領域的云爆武器制備相關領域，具有重要的研究價值和實際意義。無論在工業生產過程還是云爆武器的配方研究中，碳氫燃料都作為主要成分或參與對象廣泛存在。目前，對于碳氫燃料燃爆特性的研究多集中于碳氫燃料的燃燒或燃燒轉爆轟過程，白春華等[1]，蔣麗等[2]首先將云霧爆轟與云爆武器運用結合，奠定了云霧爆轟的軍事應用價值基礎，陳嘉琛等[3]、史遠通等[4]、L.J.Liu等[5]和劉慶明等[6]，針對特定的碳氫燃料，開展了爆炸罐內或外場的燃料爆炸特性實驗研究和仿真工作；鄭權等[7]針對爆轟發動機背景開展了液態燃料的相關研究，研究工作多集中在霧化效果以及爆轟威力的銜接方面；徐曉峰[8]、姚干兵[9]等使用與本文一樣的爆轟管裝置開展了一些碳氫燃料的爆轟威力實驗，但是沒有針對環境條件進行深入研究；M.Pilch等[10]、G.M.Faeth等[11]、L.P.Hsiang等[12]、D.M.Johnson等[13]、S.I.Jackson[14]等更多地在燃料分散領域開展了大量的研究工作，對燃料爆轟及影響因素的研究不多。在工業應用背景下，一些專家學者將研究重心放在可能影響碳氫燃料燃燒效果或爆炸威力的外界因素條件中，例如在工業生產過程中的環境壓力、環境溫度、容器尺寸結構等，獲得了大量的研究成果，但環境壓力溫度的影響研究多集中于高溫(高于200℃)或高壓(幾個大氣壓)條件，配合工業生產背景，涉及碳氫燃料在低溫或低壓條件下爆轟的研究幾乎沒有。

環境適應性是云爆燃料配方設計必須考慮的一個重要問題。云爆武器以其面殺傷而聞名，且在平原地帶具有較好的應用效果，但在高原地區，由于海拔較高、氣壓低，其燃料的使用及威力的局限性必須考慮。本文中基于此背景，通過實驗手段探究在低溫低壓環境下碳氫燃料的爆轟特性，借助已有的實驗和測試手段，通過改變初始環境溫度和初始環境壓力，獲得燃料在不同條件下的爆轟狀態，為特定環境下的云爆燃料配方設計提供參考。

1 實驗方法和條件

1.1 實驗條件確定

自然環境中，大氣壓會受到溫度、濕度、風速和海拔等因素的影響，這些因素的改變都將導致大氣壓發生相應的變化，其中以海拔高度的影響最為顯著，它與大氣壓是呈反比關系。一般來說，海拔每升高100 m，大氣壓下降0.67 kPa。海拔與大氣壓的關系如下式所示：

p=101.325exp(-H/7 924)

(1)

式中:p為大氣壓，kPa；H為對應的海拔高度，m。

模擬實驗條件時，季節條件選擇為夏季，此時假設0 m海拔高度下的環境溫度為303 K，通過計算，根據公式(1)和溫度的經驗公式計算出高原環境下不同海拔高度對應的環境壓力及溫度(以海拔高度為0 m時大氣壓力為101.3 kPa，溫度為303 K進行計算)，如圖1所示。

1.2 實驗裝置及儀器

1.2.1 實驗裝置

本次實驗采用云爆燃料性能測試平臺中的立式爆轟管裝置進行，其結構圖和實物圖如圖2所示。

整套立式爆轟管裝置由爆轟管主體、燃料霧化系統、點火系統及抽真空系統等組成。爆轟管內徑200 mm、壁厚20 mm、高5.4 m。燃料霧化系統由空氣壓縮機、儲氣罐、U形管儲液裝置、噴頭等組成。點火系統由延時點火器、起爆線、雷管基座等組成。抽真空系統由防爆真空泵及真空表等配件組成。

實驗開始前，先檢查爆轟管裝置的氣密性。當爆轟管裝置的氣密性符合要求后，向燃料霧化裝置中的U型管內注入燃料，開啟空氣壓縮機，向儲氣罐內注入一定量壓縮空氣。然后打開真空泵，將管體抽到指定的壓力值。最后開啟壓力采集系統，設置點火延時器。一切準備就緒后，開啟電磁閥，壓縮空氣夾帶燃料液體由噴頭霧化后進入爆轟管，通過點火延遲器控制點火時間，待燃料完全霧化且濃度合適后點火，通過壓力測試系統和數據采集系統記錄壓力曲線并保存。

1.2.2 測試儀器

壓力測試系統由傳感器、電荷放大器、數據采集卡、微機等組成。采用PCB壓電式石英傳感器，如圖2所示。傳感器間距0.5 m，傳感器1距離起爆端1.4 m，具體傳感器布置位置及量程參數見表1。圖3為液體燃料爆轟過程的典型壓力時間曲線，通過對壓力時間曲線的數據處理，可以得到燃料的最大爆轟壓力和兩個傳感器響應的時間間隔，加上傳感器距離的確定，可計算得出爆轟波的傳播速度。

表1 傳感器布置位置及量程參數Table 1 Positions of pressure sensors and its parameter ranges

1.2.3 實驗樣品和條件

在本次實驗中，燃料為碳氫燃料C5-C6，從南京某化工廠購置，該燃料曾經為某型液體云爆藥劑的主要配方成分。根據燃料霧化效果，點火延時時間設置為160 mm。為使碳氫燃料在霧化形成云團后能直接爆轟，點火具選取1發雷管加3 g塑性炸藥的形式，通過成分能量計算，起爆能量約為23.5 kJ。

2 實驗結果及討論

高原環境是環境溫度和環境壓力共同變化的環境狀態，為進行更為系統和針對性的研究，首先分別針對初始環境溫度和初始環境壓力兩個單因素進行研究，通過實驗數據分析，確定影響燃料爆轟威力的主要環境因素后，針對高原環境的實際溫度和壓力條件進行系統分析。實驗中將壓力傳感器固定在不同位置，如圖2中管體結構圖所示，不同位置處的壓力傳感器能測得當前位置碳氫燃料的爆炸峰值超壓，即最大爆轟壓力。

2.1 不同初始環境溫度下燃料的爆轟威力

根據模擬的高原環境條件，實驗時將爆轟管的初始溫度控制在273～303 K，以3 K為步長進行測試，實驗結果如圖4～5所示。

由圖4可以看出，對每個初始溫度測試條件下的實驗結果來說，爆轟波壓力和速度隨傳播距離基本保持穩定，可以認為燃料達到了穩定爆轟狀態；隨著初始環境溫度的升高，在相同測試位置處燃料爆轟壓力和爆轟速度都有所增加，且最大增幅(Δpmax和Δvmax)和最小增幅(Δpmin和Δvmin)分別為0.24 MPa、60 m/s和0.18 MPa、31 m/s。經過3組平行試驗的數據處理分析后，選取實驗數據中6個位置的爆轟壓力的平均值作為爆轟壓力值，爆轟速度的平均值為爆轟速度值，如圖5所示，隨著環境初始溫度的升高，燃料的爆轟壓力和爆轟速度都緩慢增加，從273 K到303 K，爆轟壓力和爆轟速度分別增加了9.4%和2.0%；相比來看，在環境溫度超過283 K后，爆轟速度測量誤差較小，而爆轟壓力的測量具有較高的不穩定性，且在環境溫度為293 K以下時尤為明顯。

從環境溫度對燃料爆轟威力的影響來看，在環境初始壓力不變的條件下，由于環境溫度的升高，燃料的揮發分濃度增加，相比與低溫狀態時，燃料云霧具有更多的氣相成分，有利于燃料的爆轟發展和持續，同時，經霧化系統進入爆轟管的燃料分子運動速度加快，在溫度升高后，其與空氣反應更為劇烈，有利于燃料爆轟威力的提高。

2.2 不同初始環境壓力下燃料的爆轟威力

在初始環境溫度為303 K時，開展初始環境壓力變化條件下燃料的爆轟威力研究，此時，為使燃料達到較好的爆轟效果，選擇當量比為1.0左右時候的燃料量進行實驗，其結果如圖6～7所示。

從圖6可以看出，在真空條件下下，環境壓力值對碳氫燃料的爆轟壓力和爆轟速度隨距離發展影響變化不大，這是由于所有實驗都是在當量比為1左右的條件下開展，燃料和空氣中的氧氣基本能夠完全反應，燃料云霧最初的爆轟狀態基本能夠得到延續。從圖7可以明顯看出，在真空條件下，初始環境壓力對燃料的爆轟特性影響很大，隨著初始環境壓力的降低，燃料的爆轟壓力和速度都呈下降趨勢，且下降幅度越來越大。當初始真空度下降近50%時，燃料的爆轟壓力下降至正常大氣壓力條件下燃料爆轟壓力的16.1%，爆轟速度下降為正常大氣壓力條件下燃料爆轟速度的37.5%。

當初始環境溫度一定時，環境壓力的改變，尤其是向真空狀態發展時，由于爆轟管內容積一定，單位體積內燃料和氧氣的量減少，在相同能量作用下，燃料與氧氣反應的自持性減弱；同時，因為氧氣分子間隙增大，燃料在霧化入爆轟管后由于環境壓力減弱，其懸浮能力降低，沉降更快，在相同的二次起爆延時條件下，容易在管體內自上而下形成濃度梯度，這些因素都可能造成起爆后燃料云霧的爆轟壓力降低甚至不能實現爆轟。

2.3 模擬高原環境條件下C5-C6燃料爆轟參數變化趨勢的綜合分析

為更貼合高原狀態下的實際環境條件，針對不同海拔高度實際環境條件下的碳氫燃料爆轟特性進行了深入研究，得到海拔高度與燃料爆轟特性的關系，如圖8所示。從圖8可以看出，隨著海拔高度的增加，碳氫燃料的爆轟壓力和速度都呈快速遞減趨勢，結合之前分別針對環境溫度和環境壓力的研究發現，當兩個因素結合起來時，碳氫燃料的爆轟參數變化與環境壓力的變化趨勢更為接近。

由上述實驗結果可以看出，在通常氣候條件下的環境低溫(273～303 K)對碳氫燃料爆轟參數影響不明顯，相比爆轟速度，爆轟壓力隨環境溫度尚有一定的變化趨勢；而環境壓力對碳氫燃料的爆轟參數影響顯著，為更好地對比研究，基于上述實驗數據，分別針對燃料的爆轟壓力進行環境溫度和環境壓力的分析，得到燃料爆轟壓力與環境溫度和壓力的擬合方程為：

pd=0.348+0.007 35T0

(2)

pd=0.045 2p0-1.87

(3)

式中：pd為燃料的爆轟壓力，MPa；T0為環境溫度，K；p0為環境壓力，MPa。

式(2)的相關系數為0.987，式(3)的相關系數為0.990。

由式(2)～(3)可以看出，燃料爆轟壓力受環境初始壓力的影響變化幅度約為受環境初始溫度影響變化幅度的6倍，說明在通常氣候條件下使用云爆武器時或在云爆燃料配方的篩選方面，針對某種燃料，要優先考慮環境壓力對爆轟性能的影響，其次再考慮環境溫度的影響。在高原環境下使用云爆武器時，云爆燃料的爆轟特性更多由環境壓力的大小決定。

3 結 論

(1) 模擬高原環境溫度條件時，環境溫度的變化對燃料爆轟壓力和速度有影響但影響不大，從0 ℃到30 ℃的環境溫度變化過程中，燃料的爆轟壓力和速度分別增加了9.4%和2.0%，當溫度較低時，燃料云霧的爆轟仍處于穩定強爆轟狀態。

(2) 模擬高原環境壓力條件時，環境壓力的變化對燃料爆轟壓力和速度影響很大；當環境壓力下降至常壓的50%時，燃料的燃爆壓力下降至常溫常壓狀態下的16.1%，燃爆速度下降至常溫常壓狀態下的37.5%，但燃料云霧仍然能夠發生自持反應，處于穩定弱爆燃狀態。

(3) 模擬高原環境條件時，云爆燃料的爆轟特性更多由環境壓力的大小決定。