含鋁炸藥爆炸光輻射能量輸出特性研究

宋 浦，楊 卓，趙向軍，楊 磊，梁安定

(西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

炸藥作為典型的高能量密度材料，在一定外界刺激下能夠發生劇烈的爆炸反應，快速釋放出大量能量，其中部分爆炸能量會以多波段光輻射的形式傳播。由于強光輻射能夠對一定距離上的人員和光電探測裝備產生干擾、壓制或毀傷[1-4]，因此，基于爆炸源的強光輻射作為一種新型功能毀傷模式，受到了高度關注。

20世紀60年代起，美國就開始研發燃爆閃光技術，主要應用于高速攝影及光電傳感器干擾等領域[3-5]。近年來裝填煙火劑的聲光彈等主動拒止武器系統成為美國國防部21世紀新戰略計劃—非致命武器技術發展計劃的重要內容之一[6]。由于燃燒效應作用時間長、能量釋放充分等特點，目前國內外的應用研究主要集中于煙火劑的燃燒輻射[7-8]，利用層流燃燒和對流燃燒的反應形式實現不同的應用效果。如北京理工大學研究了閃光煙火劑的輻射機理、配方組成、性能測試和對夜視探測器材的干擾情況[9]并進行了模擬樣彈試驗，結果表明，以KClO4為氧化劑、以Al為可燃物和以環氧樹脂(或酚醛樹脂)為黏合劑組成的三元配方(質量比50∶50∶3)裝藥爆燃可見光強度可達107坎德拉量級。

凝聚態炸藥爆炸光輻射的主要機制為：(1)爆轟波，即爆轟界面和化學反應區構成的復合體；(2)在爆轟波陣面后產生的爆轟產物；(3)空氣沖擊波。因此與燃燒光輻射相比，高能炸藥爆炸光輻射的作用過程迅速、瞬間強度峰值大、釋放功率高，高能炸藥爆炸反應能夠在極短時間內達到高能量功率密度，從而釋放出更強的光輻射。尤其是高能含鋁炸藥，通過爆轟反應、無氧燃燒反應和有氧燃燒反應的三階段釋能[10-16]，可以在更長的作用時間內激發出強度更高的光輻射，已在前沿毀傷技術中獲得關注。含鋁炸藥等典型非理想炸藥的爆轟反應通常有較寬反應區，而且在C-J面后仍能釋放一部分能量。由于炸藥配方設計中含有大量可燃金屬顆粒，需要利用空氣中的氧氣持續反應釋能，因此一般認為典型非理想炸藥爆炸歷程可分為如下階段：最初的無氧爆轟(微秒量級)、爆轟后的無氧燃燒(毫秒量級)、后續的有氧燃燒(百毫秒量級)，由于燃燒遠大于爆轟歷程的跨時間尺度，非理想炸藥反應演化過程十分復雜[17-21]。考慮含鋁炸藥不同反應階段的不同作用機制，不同波段爆炸光輻射的能量輸出特性也存在差異，對應不同的毀傷作用機制會有較大區別，這是國內外相關應用研究中缺失的一個方向。

本研究基于含鋁炸藥爆炸光輻射試驗設計，通過不同波段可見光、中波紅外和長波紅外的輻射強度測定，對比計算不同波段光輻射的能量利用率，獲取含鋁炸藥爆炸光輻射能量輸出參量，得到爆炸強光輻射的特性規律，結合含鋁炸藥的爆炸能量輸出結構特點，為新型光電對抗技術提供理論支撐。

1 試 驗

選取典型HMX基高能含鋁炸藥，設計鋁殼體試驗樣彈，含鋁炸藥配方(質量分數)為：HMX，65%；Al粉，30%；黏結劑，5%。裝藥密度為1.85g/cm3，裝藥質量約為1.5kg，樣彈結構如圖1所示。利用強光紅外瞬態輻射強度測試儀，分別測量中波紅外(MWIR)、長波紅外(LWIR)波段的輻射強度等特征參量，得到輻射強度隨時間的變化特性；同時利用瞬態光強測定儀，測量可見光的平均照度、峰值照度、最大值時間、有效光強等特征參量隨時間的變化特性，研究含鋁炸藥在不同反應階段的光輻射規律。

圖1 樣彈結構Fig.1 Experimental warhead structure

爆炸強光效應試驗現場布局如圖2所示。在距離爆心40m距離處分別布置可見光光強瞬態測試系統、紅外光輻射強度測試系統和高速動態分析儀。要求各測試系統探頭對準爆心位置，為了盡量減少干擾因素，試驗在深夜進行，保持試驗場周邊無燈光照射，測量爆炸可見光光強和中/長波段紅外光輻射強度時程曲線。

圖2 爆炸強光效應試驗布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of the explosion light effect test system

采用GQ-100瞬態光強測定儀，對可見光的平均照度、有效光強隨時間的變化曲線、峰值照度、最大值時間等進行測試；采用MWIR/LWIR強光紅外瞬態輻射強度測試儀對中/長波紅外光的最大輻射強度、最大輻照度、平均輻照度、峰值時刻、響應電壓最大值等特征參量進行測試。首先進行三發小質量藥柱標定試驗，測試藥柱爆炸發光強度，標定試驗的誤差范圍，確定試驗測試系統的可能誤差范圍。然后進行含鋁炸藥樣彈爆炸激發試驗，得到爆炸輻射強度隨時間的瞬態變化規律。

通過光電信號采集的響應電壓最大值和同一工況試驗結果的重復性判斷試驗結果的有效性。若同一工況多發試驗結果的響應電壓值均遠小于5V測試基值且符合度高，則判定該工況試驗結果有效。

2 結果與討論

2.1 不同波段光輻射強度的變化過程

凝聚相炸藥爆炸反應是炸藥分子間的快速氧化還原反應，光輻射主要由沖擊波陣面和熾熱的爆轟產物產生。根據熱輻射理論，可見光譜段對應的溫度范圍是7000～13000K，在爆炸作用近區空氣沖擊波的發光類似于絕對黑體，輻射譜連續，因而可以認為空氣沖擊波是在寬譜段內發出輻射的灼熱體，爆轟產物則是以紅外輻射為主的強熱輻射源[22]。由于含鋁炸藥中添加了金屬可燃劑鋁粉，利用鋁粉在加熱狀態下燃燒釋放出大量的熱來增強其燃燒效應，同時主基高能炸藥可以用來增強爆炸效應，因此一般認為其反應是分三階段進行的非理想爆轟[23]，不同反應階段對應不同的光輻射特性規律。

典型工況下含鋁炸藥爆炸激發的可見光輻射強度和中/長波段紅外光輻射強度時程曲線如圖3所示。由圖3可以看出，可見光峰值處于爆轟零點后的396μs，中波紅外(波長為3～5μm)的曲線峰值位于爆轟零點后的774μs，長波紅外(波長為8～14μm)的輻射強度有兩個明顯峰值，其中最大值時刻在爆轟零點后的24.2ms。

第一階段爆轟反應，初始時刻主要發生炸藥分子的氧化還原反應，產生持續微秒量級的爆轟波，近似認為在這一階段Al粉基本不參加反應[24]。根據Le Chatelier方法，這一階段生成的爆轟產物主要由CO、H2、N2、H2O、CO2等組成，同時高溫高速的空氣沖擊波會迅速引起一系列電離和離解反應[25-26]。由圖3(a)可知，可見光輻射時程曲線在最大峰A2之前有一個截斷的短脈沖尖峰A1，此尖峰是暴露在殼體外的傳爆藥柱爆炸發出的可見光引發。根據經驗，爆轟波破碎直徑為150mm的鋁制殼體所需時間約為120～150μs，因此時程曲線在尖峰A1、A2之間有間斷，然后觀測到主體炸藥爆炸激發的可見光峰值及其持續時間。考慮含鋁炸藥的爆轟反應區特征，可見光峰值與第一反應階段的時程基本重合，主要由第一反應階段的爆轟波激發。

第二階段是在高溫高壓條件下發生的劇烈的無氧燃燒反應。由于劇烈的沖擊壓縮，金屬鋁粉表面的氧化層破裂，與爆轟產物在C-J面后發生反應，持續時間為毫秒量級，通常是幾百微秒。由圖3(b)可知，中波紅外的輻射峰值(圖中B1點處)處于第二反應階段的持續時間段的中后期。無氧燃燒階段中后期的激波速度大幅衰減，激發光輻射頻率隨之下降；但隨著反應的持續，積累的熱量逐漸增加，在第二階段反應結束后，中波紅外的輻射強度也迅速下降。因此認為中波紅外的最大輻射主要在第二反應階段發生。

圖3 典型工況不同波段光輻射測量時程曲線Fig.3 Time-history curves of light radiation in different bands under typical operating conditions

第三階段反應中，空氣中的氧與炸藥中的可燃組分Al、H2、C、CO等繼續充分混合，發生持續數十毫秒量級的有氧燃燒。隨著產物的進一步擴散，反應物濃度和壓強下降導致反應速率減慢，但此階段仍然釋放出大量能量，延長了反應的持續時間，爆炸火球的溫度會進一步提升。由圖3(c)可知，長波紅外的輻射峰值(圖中C1點處)位于爆炸零時后的24.2ms，正處于爆炸反應的第三階段。可以認為長波紅外輻射主要由第三階段反應激發。

2.2 爆炸激發光輻射的能量轉化效率

由于爆炸光輻射瞬態測量難度大，因此基于能量分析爆炸能量轉換為光輻射的效率。

HMX分子式為C4H8N808，是一種典型的負氧平衡炸藥，根據Le Chatelier方法(假定Al不參加第一階段反應)，反應第一階段生成的爆轟產物主要有CO、H2、N2、H2O、CO2等成分[25-26]，若Al在后兩個階段反應完全，則可計算出1.5kg的含鋁炸藥在第一階段反應釋放的能量和反應過程釋放的總能量分別為4666.5kJ和22089kJ。由于HMX爆炸反應速率高，在與氧氣充分混合之前反應已經結束，因此無法達到完全氧化的反應程度。通常鋁粉的反應率為50%～70%，爆熱取7417kJ/kg[23]，則反應過程釋放的總能量為11125.5kJ。

為便于進行分析比較，統一能量單位，將可見光光強換算為5.4×1014Hz的單色輻射強度[27]，輻射強度單位是W/Sr，對測量值進行積分計算：

(1)

式中：E為測試頻段內光輻射總能量；F為某波段光輻射強度測量值；Ω為爆炸火球光輻射球面角。本研究假設炸藥爆炸后的反應產物形成一個爆炸火球，系統測量到的輻射強度為火球表面的輻射值。

可見光輻射和紅外光輻射的總能量及能量利用率計算結果見表1。

表1 炸藥爆炸激發光輻射的能量利用率

注：E為輻射能量；Φ為能量利用率。

含鋁炸藥爆炸產生的可見光及中/長波紅外光最大輻射強度均大于105W/Sr量級，光輻射的總能量利用率為5.91%。其中激發可見光輻射的能量轉化率僅為0.41%，主要原因在于爆轟反應階段的能量釋放速率和功率均高，因此要提高可見光輻射強度，提高爆轟反應階段的能量釋放及適當降低釋放速率是有效途徑。

作為常規炸藥的含鋁炸藥爆炸光輻射能量利用率僅為5.91%，遠低于核爆炸利用率的30%量級，主要在于核爆炸時較大能量以熱輻射形式釋放，能夠達到n×107℃的高溫，激發出更長時間的高強度輻射[25]；而常規化學爆炸的溫度為幾千攝氏度量級，持續時間短，因此導致二者產生光輻射強度及能量利用率的數量級的差異[28-30]。含鋁炸藥能量轉化率與炸藥質量、鋁粉含量等影響因素的定量關系有待于進一步研究。

3 結 論

(1)含鋁炸藥爆炸激發的可見光、中波紅外和長波紅外3個頻段的光輻射分別在含鋁炸藥爆炸的3個反應階段達到最大峰值，光輻射強度與溫度呈正相關，激發的光輻射頻段與不同階段的反應機制和釋能特性吻合。

(2)含鋁炸藥爆炸激發光輻射的能量轉化率為5.91%，與核爆炸模式的光輻射轉化率存在數量級上的差異，但通過控制化學爆炸的反應過程，如采用優化的含鋁炸藥配方設計、復合裝藥結構等技術途徑，仍可能有較大的提升空間。