不同气体环境中温压炸药爆炸特性的试验研究

李芝绒，王胜强，殷俊兰

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

温压炸药是由高能炸药、金属或非金属超细燃料粉、黏结剂、塑性剂按一定比例混合制成［1］，也是一种负氧平衡炸药，爆轰过程不向金属或非金属燃料粉提供充分的氧气，燃料微粒与周围空气中的氧气混合，产生氧化还原反应，释放出大量的热量。相对于高能炸药，温压炸药爆炸冲击波超压峰值不具有明显的优势，然而后燃烧过程产生的持续高温和压力效应，对密闭／半密闭空间的软目标和有生力量产生大的毁伤作用，因此，温压炸药爆轰和后燃烧过程能量释放规律，成为温压炸药配方研究和装药工艺研究的重要内容。

研究温压炸药能量释放规律的试验方法有密闭／半密闭环境试验方法和自由场环境试验方法［3］。密闭／半密闭环境试验主要模拟地堡、洞穴、船舱等爆炸工况，观察炸药爆炸后压力、燃烧演化和产物扩散流动情况。陈昊等［6］在几个联通的密闭空间研究了温压炸药冲击波超压传播规律；胡宏伟［7］等在爆炸塔中研究PBX 炸药的冲击波特性。自由场环境试验主要研究温压炸药爆炸冲击波传播特性和爆炸火球扩散演化特性。相对于密闭／半密闭环境试验，自由场环境试验方法是次要的实验方法。

本研究采用密闭爆炸罐装置，在大气和充氮气环境中测量了温压炸药和TNT 爆炸的压力曲线和热电偶响应温度曲线，研究温压炸药在不同气体环境中爆轰和后燃烧特性。

1 实 验

1.1 样品制备及实验装置

温压炸药由西安近代化学研究所研制，配方（质量分数）为：HMX 64.4%、Al 30%、其他5.6%，密度为1.84g／cm3。TNT（湖北东方化工厂）的密度为1.62g／cm3。将TNT和温压炸药制成1kg的球形，用20gTHL药柱起爆。球形药柱由两个半圆球形药柱对扣形成，半圆球形药柱由半圆球形模具压制而成。在半圆球形药柱的中心有放置起爆药柱的凹槽。

实验爆炸罐内径Φ2.6m，体积26m3，罐体中部壁面上设有4 个传感器测试点，实验环境为空气和氮气环境。空气环境实验模拟炸药在大气环境下的爆炸工况，充氮环境实验模拟炸药在绝氧环境下的爆炸工况。充氮试验前，先由真空泵对罐体抽真空，当真空度达到要求时开始充氮气。当罐体内压力等于环境大气压力时停止充氮。

试验时，细棉线穿过爆炸罐顶部的固定环，将炸药悬挂到罐体的几何中心。试验测点布置如图1所示。

图1 试验测点布置Fig.1 Arrangement of the experimental measuring points

1.2 爆炸效应的测量

为了准确测量爆炸罐内压力-时间信号，本实验采取分段测量，第一阶段急剧变化的冲击波超压信号用PCB公司的ICP 型高频响应压力传感器测量，量程为6.9MPa。第二阶段缓慢变化的低压信号用昆山传感器厂的CYG508 压阻型压力传感器测量，量程为1MPa。

瞬态响应热电偶传感器［4］测量温压炸药后燃烧过程释放的热量，热电偶偶丝材料为WRe5／26，偶丝直径为0.2mm，热响应时间小于2ms。

2 结果与讨论

2.1 密闭空间温压炸药的压力变化规律

图1是温压炸药和TNT 在空气和氮气环境中的冲击波超压及准静态压力测量曲线。为便于观察，分别将TNT 的冲击波超压曲线和罐体内的准静态压力曲线沿时间轴正方向向右移动一段时间。

图2 温压炸药和TNT 在不同气体环境中的压力曲线Fig.2 Overpressure curves of thermobaric explosive and TNT under different gas environments

由图2可知，温压炸药起爆后在爆炸罐内的压力-时间历程可分为两个阶段：冲击波压力在21μs内上升到压力峰值并快速衰减，冲击波超压峰值高，正压持续时间短；冲击波在罐体壁面间来回多次反射，罐体内压力缓慢升高，在100ms内达到稳定并保持准静态压力不变。准静态压力持续时间长，压力峰值低，约为冲击波超压峰值的三十分之一。

2.2 氧气对温压炸药爆轰反应的影响

温压炸药和TNT 在不同气体环境中爆炸冲击超压峰值、冲量、准静态压力测量结果见表1。

表1 两种炸药的p、I和p1 值Table 1 The values of p、Iand p1for two explosives

从表1可以看出，空气环境温压炸药的冲击波超压峰值比氮气环境增加20%，说明氧气参与了温压炸药的爆轰反应，提高了温压炸药的爆轰能量。分析认为，在炸药爆轰反应产生的瞬态超高压和热的作用下，铝粉中超细粉末的活性增加［5］，与氧气产生了燃烧反应，释放的热量使爆轰波的能量增加，冲击波超压峰值增大。

由图2（a）可知，空气环境温压炸药的冲击波超压曲线比氮气环境衰减缓慢，正压持续时间长，冲量大。说明在冲击波扩展过程中，冲击波波阵面后的铝粉与氧气生二次燃烧反应［2］，释放的热量使爆轰产物的温度升高，使冲击波压力维持较长的时间不衰减，从而延长了正压持续时间，增大了冲量。

2.3 氧气对温压炸药后燃烧效应的影响

表2是温压炸药和TNT 在不同气体环境中爆炸热响应温度和升温时间测量结果。

表2 两种炸药爆炸热响应温度测试结果Table 2 Test results of the response peak temperature of two explosive

从表2和图2（b）可知，温压炸药在空气环境的热响应温度峰值是氮气环境的4.9倍，准静态压力是氮气环境的1.8倍，升温速率比氮气环境快，说明氧气与铝粉产生急剧的燃烧反应，释放大量的热量，使罐体内的温度升高、压力增大。炸药爆轰反应后，冲击波在罐体壁面之间来回多次反射，促进了铝粉与空气的混合。铝粉与氧气产生燃烧反应，释放大量的燃烧热。按照理想气体的绝热方程，燃烧热使爆轰产物气体的温度升高，压力增大。随着燃烧反应释放的能量增多，罐体内温度、压力缓慢升高。当燃烧反应完成后，罐体内的温度、压力达到了最大值并保持稳定不变。实验结果表明，在26m3的爆炸罐内，1kg温压炸药在100ms时间内，燃烧反应基本完成。

2.4 TNT 温压效应分析

TNT 是一种典型的负氧平衡炸药，氧平衡值为-0.74g／g，氧的不足使爆炸产物中存在还没有释放的潜在化学能。从表1和表2可以看出，空气环境TNT 的冲击波超压峰值比氮气环境大，准静态压力、热响应温度峰值也比氮气环境高，说明TNT的爆轰产物与介质中的氧气发生了剧烈的氧化反应，释放了大量的燃烧热。与温压炸药在空气环境的爆炸参量相比，同样产生了冲击波压力效应和热效应，只是由于TNT 后燃烧反应释放的热量比温压炸药少，形成的准静态压力和热响应温度低，温压效应相对弱。因此，可以认为TNT 是一种温压效应不显著的温压炸药。

3 结 论

（1）温压炸药在爆轰过程中，氧气与超细铝粉产生氧化反应，使空气环境中的冲击波超压峰值、冲量比氮气环境略高；在后燃烧阶段，氧气与铝粉产生燃烧反应，释放大量的燃烧热，使爆炸罐内准静态压力和热响应温度峰值比氮气环境显著增大。

（2）TNT 的爆轰产物与氧气产生剧烈的后燃烧反应，释放大量的燃烧热，产生温压效应。认为TNT 是一种温压效应不显著的温压炸药。

［1］王志军，尹建平.弹药学［M］.北京：北 京理工大学，2005.

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