典型復合溫壓炸藥爆炸特性試驗研究

陳皓，李文彬，宋平，張玉磊

（1.南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；3.防化研究院，北京 100191）

溫壓炸藥（thermobaric explosive，TBX）是一種利用其爆轟產物的后燃效應提升能量釋放水平并加強爆炸沖擊效應的炸藥［1-2］。同時，溫壓炸藥在釋能過程中還伴隨著顯著的熱效應［3-4］?？傮w而言，溫壓炸藥分為液固相溫壓炸藥和全固相溫壓炸藥，前者一般由高能液體燃料與可燃金屬粉末混合而成，其優點是爆炸能量大、工藝簡單，但存在裝填密度低、安定性差以及存儲壽命短等問題。全固相溫壓炸藥一般由高能炸藥、高熱值金屬以及含能聚合物材料按照一定密度混合而成。相比于液固相炸藥，全固相溫壓炸藥具有裝填密度高、安定性好等優點。按照裝藥工藝的不同，全固相溫壓炸藥又可分為壓裝溫壓炸藥和澆注溫壓炸藥2 類［5］。隨著反恐戰爭和城市局部戰爭的頻發，以全固相溫壓炸藥為主裝藥的溫壓彈藥已逐漸成為世界武器領域關注的焦點之一。

世界各國對于溫壓炸藥的研究主要集中在炸藥配方研制、溫壓炸藥爆轟特性及釋能機理等方面［6-8］。受炸藥組成的影響，溫壓炸藥的能量釋放過程主要分為以下3個階段［9］：1）高能炸藥的快速分解和無氧爆轟反應；2）爆轟產物中的氧化物與金屬顆粒進行劇烈反應；3）爆轟產物中的可燃成分與環境中空氣發生燃燒反應。鋁粉含量、顆粒度以及鋁粉活性對溫壓炸藥能量輸出特性具有重要的影響［10-14］。Hahma 等［14］通過試驗研究對比了不同金屬粉末對溫壓炸藥沖擊波超壓的影響規律。韓勇等［15］對黑索金（RDX）/高氯酸銨（AP）/鋁粉混合而成的溫壓炸藥進行了研究，結果表明，當其他成分比例固定，鋁粉含量的增加會導致前期爆壓的減小。陳坤等［16］對鋁粉粒徑對HMX 基溫壓炸藥在密閉空間爆炸參數的影響進行研究，發現鋁粉粒徑的增加，反射波超壓和沖量呈先增加后減少的趨勢。

綜上，炸藥組份及配比對溫壓炸藥的爆轟特性和釋能過程有著重要的影響。本文制備了壓裝和澆注2 種不同裝藥類型的全固相溫壓炸藥，并通過靜爆試驗，研究了一定比例距離下2 種炸藥的爆炸特性，并對空氣和地面沖擊波超壓、火球溫度以及直徑等爆轟參數與TNT炸藥進行了對比。

1 溫壓炸藥爆炸特性試驗設計

1.1 試驗樣品

為對比不同配比、不同裝藥工藝溫壓炸藥裝藥的自由場爆炸特性參數，本文制備了HMX 基（H-1）和RDX 基（R-1）2種溫壓炸藥的裸藥柱，其中H-1為壓裝工藝，R-1 為澆注工藝。同時，為對比2 種復合溫壓炸藥裝藥爆炸特性參數較TNT 單質炸藥裝藥的威力提升，本文制備了相同質量的TNT 壓制裸藥柱，密度1.59 g/cm3。3種炸藥的詳細參數見表1。

表1 H-1、R-1和TNT炸藥的相關參數Table 1 Parameters of H-1,R-1 and TNT

1.2 試驗方法

本文共制備了相同質量的H-1、R-1和TNT藥柱各一發，并通過靜爆試驗對比3種炸藥裝藥的爆轟特性參數。試驗中，使用8#電雷管起爆傳爆藥柱。傳爆藥柱為JH-14 炸藥，質量為10 g，約為被試炸藥質量的0.5%，長徑比為1.5，能夠完全起爆3種炸藥，且對爆炸輸出效應的增益可以忽略。試驗場地總體布局如圖1。試驗時，將被試樣品豎直放置于木制彈架上，藥柱中心距地面1.0 m。在距爆心一定距離處布設2條壓力傳感器測線，分別用于測試地面沖擊波和空中沖擊波參量，測點距爆心2.52、3.78、5.04、6.3、8.82、12.6 m處布設壓力傳感器，每個測試距離布放2個傳感器，總計12路，采用2個測點的平均值作為實驗結果。其中，用于空中沖擊波測量的傳感器與爆心處于同一水平高度，為避免后置測點測量的沖擊波壓力受前置測點傳感器支架的影響，采用徑向錯開排布的方式布置空中沖擊波壓力測點。同時，沿著藥柱中心同一水平面內相互正交的2方向布設高速動態分析儀和紅外測溫儀，用于記錄爆炸火球增長過程及表面溫度參數。圖2（a）和圖2（b）分別為試驗中使用的超壓傳感器、高速及紅外測溫系統。

圖1 試驗布局Fig.1 Test layout

圖2 測試設備Fig.2 Test equipment

2 溫壓炸藥爆炸特性試驗結果分析

2.1 地面超壓分布

圖3 分別給出了TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥起爆后，距爆心不同位置處的地面沖擊波超壓隨時間的變化歷程。

圖3 3種炸藥裝藥的地面超壓時程曲線Fig.3 Ground overpressure time history curves of three explosives

由圖3 可知，試驗中得到的超壓波形清晰、穩定，具有明顯的壓力上升和下降過程。總體而言，隨著沖擊波傳播距離的增大，其波陣面壓力峰值迅速衰減。將3種炸藥裝藥在不同距離處的沖擊波壓力峰值進行對比，如圖4所示。

圖4 地面超壓隨距離的衰減Fig.4 Attenuation of ground overpressure with distance

圖4 位置在距離爆炸中心2.52 m 處，TNT、H-1和R-1 等3 種炸藥裝藥的沖擊波峰值壓力分別為：0.377、0.473、0.494 MPa，2 種溫壓炸藥裝藥的沖擊波壓力峰值較TNT 裝藥分別提高了25.5% 和31.0%。隨著沖擊波傳播距離的增大，在距離爆心2.52～8.2 m 內2 種溫壓炸藥裝藥的壓力峰值迅速衰減，但仍高于TNT 炸藥裝藥的壓力峰值，在距離爆心8.2 m 以外，3 種炸藥裝藥的壓力峰值已經趨于一致。由此可知，相比與普通高爆炸藥裝藥而言，溫壓炸藥裝藥能夠大幅提升近場的沖擊波力。

根據超壓試驗數據，對TNT 的沖擊波峰值方程中的系數進行擬合，并在此基礎上參考GJB 5412-2005 中的計算方法，對2 種溫壓炸藥裝藥在不同爆心距處的沖擊波超壓TNT當量進行計算：

式中：a、b、c為常系數，分別為0.76、2.55、6.5；m為炸藥的沖擊波威力TNT 當量；R為距爆心距離（1 m ≤R≤15 m）；Δp為沖擊波超壓。具體計算結果如表2。

表2 2種炸藥的地面沖擊波超壓的TNT當量Table 2 TNT equivalent of ground shock wave overpres‐sure for two types of explosives

由表2 中數據可知，在2.52 m 處，H-1 和R-1 的沖擊波超壓TNT 當量分別為1.3 和1.37，但隨著距離的增加，R-1的沖擊波超壓TNT當量迅速降低，在爆心12.6 m 處，H-1 和R-1 的沖擊波超壓TNT 當量分別為1.25和1.025。

對圖3 中3 種炸藥裝藥的沖擊波歷程曲線進行積分，能夠得到3 種炸藥裝藥在不同距離處的地面沖擊波沖量。如圖5所示，3種炸藥裝藥在不同距離處的沖擊波沖量變化趨勢與超壓相同。相比之下，以HMX 為基的H-1 炸藥裝藥在相同位置處的沖量更高，在距離起爆中心較遠的位置（5 m以上），R-1與TNT炸藥裝藥的沖量基本一致，而H-1炸藥裝藥在相同位置的沖擊波沖量仍然保持著10%左右的增幅。

圖5 地面沖量隨距離的衰減Fig.5 Attenuation of ground impulse with distance

2.2 空中超壓分布

以上分別對TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥的地面沖擊波超壓進行了對比分析。實際上，布置在地面上的壓力傳感器測的壓力并不是沖擊波陣面的入射壓力，而是經過地面反射、疊加后的壓力值，其在數值上要偏大。本文利用布置于空中的壓力傳感器對3種炸藥裝藥起爆后沖擊波的自由場（空中）超壓進行了測量，超壓波形如圖6 所示。受地面反射作用的影響，空中傳感器測的超壓曲線具有明顯的“雙波峰”。其中第1 個波峰為沖擊波的入射波峰，第2個波峰為地面反射后的反射波峰。因此，第1個波峰的峰值便是沖擊波在自由場中的壓力峰值。

圖6 3種炸藥裝藥的空中超壓時程曲線Fig.6 Time history curve of overpressure in air of three explosives

與地面沖擊波超壓的計算方法相同，根據圖6中的數據對TNT、H-1 和R-1 等3 種炸藥裝藥在空氣中的超壓衰減規律以及TNT 當量分別進行計算。如圖7 所示，在距離爆心2.52 m 處，3 種炸藥裝藥的沖擊波超壓分別為0.202、0.29、0.194 MPa。H-1 的空中沖擊波超壓要明顯高于TNT 和R-1 炸藥裝藥。結合表3可知，就空中沖擊波壓力而言，在一定比例距離下，R-1 炸藥裝藥的TNT 當量平均值為1.09，在不同位置處的超壓值與TNT 相差不大。而以HMX為基的H-1炸藥裝藥在不同位置處的超壓均明顯高于TNT和R-1炸藥裝藥，其平均TNT當量為1.4。

圖7 空中超壓隨距離的衰減Fig.7 Attenuation of air overpressure with distance

表3 空中沖擊波超壓的TNT當量Table 3 TNT equivalent of air shock wave overpressure

2.3 爆炸火球直徑

圖8（a）～（c）分別為高速運動分析儀記錄的TNT、H-1 和R-1 等3 種裝藥起爆后，爆炸火球的動態演變過程。由圖8可知，受稀疏波影響，TNT炸藥裝藥起爆后的火球呈現出明顯的蘑菇云形態，且火球邊緣伴隨著黑色的爆轟產物。而在相同時刻下，2種溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球更加明亮，火球形態近似呈球形。這表明2種溫壓炸藥裝藥起爆后釋放的能量更大，釋能時間更長。

圖8 爆炸火球演變過程分幅照片Fig.8 Picture of the evolution of explosive fireball

為了對3 種炸藥裝藥起爆后火球直徑作進一步的對比分析，對圖5中的圖像照片進行分析和處理，獲得不同時刻下火球的最大直徑。圖9 為3 種炸藥裝藥起爆后火球最大直徑隨時間的變化關系。由圖中數據可知，2 種溫壓炸藥裝藥起爆后火球演變規律較TNT 有較大的區別。從數值上看，以HMX 高能炸藥裝藥為基的H-1溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑最大值為4.42 m，以RDX 為基的R-1 溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑最大值為4.31 m，而TNT裝藥起爆后形成的最大火球直徑僅為2.93 m，該數值約為H-1 炸藥裝藥的66.3%，R-1 炸藥裝藥的68%。從火球直徑變化規律上看，對于溫壓炸藥而言，隨著炸藥釋能的發展以及鋁粉與空氣、氧化物等在炸藥釋能后期的相互作用，其火球直徑在增長至最大值后并沒有迅速衰減，H-1 炸藥裝藥的最大火球持續了約14 ms，R-1 炸藥裝藥的最大火球持續了約16 ms，而TNT 炸藥裝藥的火球在增長至最大后，受稀疏效應影響，其直徑會出現迅速的降低。

圖9 爆炸火球直徑隨時間的變化Fig.9 Change of fireball diameter with time

從圖9 中還可以看出，H-1 炸藥裝藥和R-1 炸藥裝藥起爆后，爆炸火球直徑先變小然后又變大，而TNT炸藥裝藥沒有這一現象。這是因為H-1炸藥和R-1 炸藥配方中加入了大量的鋁粉，炸藥爆轟后，爆轟產物快速膨脹，爆轟產物與空氣混合后，氣體溫度迅速下降，使得火球直徑變小。鋁粉在向外拋撒的過程中與空氣中的氧氣充分混合，在爆轟產物的高溫高壓作用下，鋁粉和未氧化完全的爆轟產物與空氣中的氧氣發生爆燃和燃燒反應，使得火球直徑再次變大。TNT 炸藥裝藥中未添加鋁粉，因此TNT 炸藥裝藥爆炸火球直徑沒有這一現象。

2.4 爆炸火球溫度

對溫壓炸藥而言，爆炸火球的溫度以及高溫持續時間也是評判其性能的重要指標。圖10 為紅外測溫儀記錄的TNT、H-1 和R-1 等3 種裝藥起爆后，火球表面溫度隨時間的變化規律。

圖10 爆炸火球表面溫度變化Fig.10 Surface temperature change of fireball

由圖10 可知，3 種炸藥裝藥在起爆后形成的火球表面溫度隨時間的發展呈降低的趨勢。相比之下，鋁粉含量最高的R-1 炸藥裝藥在起爆后火球表面溫度最高，其最大值達到2 873℃；TNT 炸藥裝藥起爆后形成的火球表面溫度最大值為2 131℃；而H-1炸藥裝藥起爆后火球溫度的最大值（2 574℃）雖高于TNT炸藥裝藥，但隨著時間的發展，2種炸藥裝藥形成的火球表面溫度趨于一致。因為H-1炸藥裝藥中沒有AP 提供氧化劑，鋁粉只能先與主炸藥中的氧成分發生反應、剩余的鋁粉再與空氣中的氧氣反應，而R-1炸藥裝藥中AP 可以為鋁粉反應提供氧化劑，鋁粉燃燒反應更為充分、快速，對外釋能的熱也較多。同時，從2種炸藥裝藥配方中也可以看出，R-1 炸藥裝藥配方中的Al 粉含量比H-1 炸藥裝藥中鋁粉的含量高5%，鋁粉的增加也在一定程度上使得R-1 炸藥裝藥起爆后火球表面溫度比H-1 炸藥裝藥高。

根據圖10 中的數據，對3 種炸藥裝藥起爆后形成的火球表面最高溫度以及高溫持續時間進行統計和分析，具體數據見表4。由表40 中數據可知，R-1炸藥裝藥形成的火球具有最高的表面溫度和高溫持續時間，其火球表面溫度高于1 000℃的時間長達233.3 ms；而H-1 炸藥裝藥和TNT 炸藥裝藥在對應工況的持續時間僅為120 ms，較R-1 炸藥裝藥縮短了近1倍。這表明，以R-1為主裝藥的溫壓彈藥能夠對目標造成更長時間的、持續的殺傷效果。

表4 3種炸藥裝藥火球溫度參數對比Table 4 Comparison of fireball temperature parameters of three explosives

3 結論

1)在相同裝藥質量下（2 kg），H-1 溫壓炸藥裝藥（HMX/Al/粘結劑）的沖擊波超壓要高于R-1（RDX/AP/Al/粘結劑），在距爆心5 m 范圍內，H-1炸藥空中沖擊波超壓的平均TNT 當量為1.28；同時，在距爆心12 m 范圍內，地面沖擊波超壓的平均TNT 當量為1.4。

2)與TNT 炸藥裝藥相比，H-1 和R-1 這2 種溫壓炸藥裝藥起爆后形成的火球直徑更大。在本試驗條件下，H-1 和R-1 這2 種溫壓炸藥的火球最大直徑約為TNT 的1.5 倍；同時，TNT 炸藥裝藥的火球在達到最大直徑后會迅速衰減，而2 種溫壓炸藥裝藥的最大火球直徑能夠分別持續14 ms和16 ms。

3)在相同裝藥質量下（2 kg），R-1 炸藥裝藥爆炸后形成的火球具有更高的表面溫度。紅外數據顯示，R-1 炸藥裝藥形成的火球表面最高溫度為2 873℃，其溫度高于1 000℃的時間長達233.3 ms。