坑道内温压炸药的爆炸热效应研究

闫潇敏，苏健军，李芝绒，苟兵旺，张玉磊

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065)

坑道内温压炸药的爆炸热效应研究

闫潇敏，苏健军，李芝绒，苟兵旺，张玉磊

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065)

为了研究温压炸药在半密闭条件下的爆炸热效应，以WRe5/26热电偶作为效应物，对TNT、TBX-1及TBX-2 3种炸药在坑道内的爆炸进行了热响应温度测试。试验结果表明：在坑道环境下，温压炸药具有明显的二次燃烧过程，可形成较长的温度作用时间，表现出较大的温度场效应；与等质量的TNT相比，温压炸药爆炸后产生的温度场范围大、温度高、后续持续时间长，对坑道内的人员和设备能产生更大的破坏作用。

炸药；坑道；热电偶；热效应

温压炸药(thermal-baric explosive，简称TBX)是利用热效应和压力效应造成毁伤的一类炸药[1]，主要成分为高能炸药颗粒、液态敏化剂、高热值金属粉及含能聚合物材料等。温压炸药爆炸时在中心高爆装药作用下形成边飞散、边爆燃、边释能的过程，能利用周围空气中的氧参与释能反应，其爆炸热效应较常规高爆炸药更显著，热量释放过程更复杂。温压炸药抛撒后可以产生更强的爆炸冲击波和持续更长时间的高温火球，利用爆炸产生的爆轰波和冲击波的破坏作用可以对常规目标进行硬杀伤；利用持续的高温和窒息作用能高效杀伤隐藏在建筑物或山洞等密闭掩体内的有生力量；甚至在反恐战争中，可以利用温压战斗部爆炸产生的持续高温来摧毁恐怖分子库存的化学和生物战剂，不至因生化战剂泄漏造成更大的人为灾害[2-3]。

温压炸药中一般添加铝、硼、硅、钛、镁、锆等物质的粉末，这些粉末在加热状态下点燃并释放大量能量，大大增强了温压炸药的热效应和压力效应[4]。根据温压炸药爆炸效能的固有特性，在空旷环境中爆炸时火球的持续时间较短，高温损伤效应不明显，冲击波成为主要的杀伤因素；在密闭、半密闭空间爆炸时，不仅其冲击波压力会大大提高，其能量释放效率也有很大提高，同时爆炸火球的高温持续时间也将大大增加。因此，在密闭、半密闭空间内使用温压炸药，可大大提高其综合毁伤效应。目前对于温压炸药自由场条件下的爆炸已有不少报道[5-7]，而密闭、半密闭条件下的研究较少。本文通过对温压炸药和TNT炸药在坑道内爆炸热效应的研究，从热量释放角度分析了温压炸药在坑道环境下的爆炸释热特性，为半密闭空间内温压炸药的爆炸特性研究提供了参考。

1　试验

1.1试验样品

试验样品为TNT、TBX-1（HMX/Al/AP/黏结剂～26/30/30/14）和TBX-2（HMX/Al/黏结剂～60/26/14）压装药柱，质量均为8kg，底面直径为170mm，长径比为(1.0～1.25):1，装药密度分别为1.59 g/cm3、1.82 g/cm3、1.94g/cm3。传爆药为JH-14C压装药柱，尺寸为Φ50mm×50mm，密度为1.67g/cm3，将传爆药柱粘接在主装药上方的中心位置处。

1.2测试设备及实验布局

试验坑道为直墙圆拱钢筋混凝土结构，如图1所示，爆炸源距坑道口150m，炸高1.2m。温度传感器安装在坑道中线上，与爆炸源同高，测点距爆炸源水平距离分别为3m、6m、9m、12m，传感器安装位置见图2所示。

图1　爆炸坑道截面图Fig.1　Layout of blast tunnel

图2　传感器安装结构示意图Fig.2　Installment location of the sensors

图2中，温度传感器采用WRe5/26热电偶丝制作，偶丝直径为0.2mm，热响应时间小于2ms，测量端两点对焊，冷端用隔热材料封装在金属壳体内，结构如图3所示[8-9]，该传感器的动态响应误差较小，具有足够的抗爆强度。试验过程中，热电偶传感器将爆炸产生的急剧变化的模拟温度信号，由DEWETRON数据采集系统进行采集并经模、数转换后输出数字电压信号，然后根据WRe5/26热电偶分度表得到对应的温度值。

图3　热电偶结构示意图Fig.3　Schematic structure of thermocouple

2　结果与分析

2.1热响应温度时间历程

图4给出了坑道内3种炸药爆炸距爆心4个不同距离处的热响应温度时间曲线，其中，TBX-2炸药爆炸试验时，3m测点处传感器线炸断未采集到数据。

图4　不同炸药爆炸的热响应温度时间曲线Fig.4　The thermal response temperature vs time curves of different explosives

从图4中可以看出，3种炸药的热响应温度都是先增大后减小，之后又增大，并且随着时间推移会持续一段时间，然后逐步衰减，并且两种温压炸药在各个测点对应的温度随时间的衰减速度明显低于TNT炸药。在试验坑道中温压炸药爆炸二次燃烧现象比较明显，这是由于坑道内温压炸药爆炸产生的瞬态高温和热作用会使其中的高热值金属粉颗粒的活性增加，与坑道内的氧气充分燃烧，释放出大量的热，使得热响应温度再次升高。TBX-1炸药6m测点处和TBX-2炸药9m测点处的爆炸热响应时间曲线最能反映出二次燃烧特征。图4(b)中TBX-1药柱6m测点处，在爆炸初始峰值温度达到456℃之后温度迅速回落，之后再次上升，二次燃烧温度达到467℃后开始快速下降，到205℃时温度下降变缓，稳定温度为175℃，二次燃烧温度升高的峰值与初始峰值温度相当。图4(c) 中TBX-2药柱9m测点处，爆炸初始峰值温度为91℃，经小幅下降后迅速回升至185℃，之后再次小幅下降，二次回升到最高温度峰值229℃，两次回升后的峰值温度都超过了初始峰值温度，而且持续时间较长。

2.2温度作用效果

表1列出了3种炸药爆炸距爆心4个不同距离处的最高峰值温度，表2给出了6m测点和12m测点不同温度区间的持续时间。

表1　不同测点处的温度峰值Tab.1　The maximum temperature of different distance

表2　不同温度区间的持续时间　　　（ms）Tab.2　Durative time of different temperature range

从表1和表2可以看出，两种温压炸药不同距离处的最高峰值温度和高温持续时间都大于相同质量的TNT。3m测点处，TBX-1炸药的最高温度为692℃，而TNT为570℃；9m测点处，TBX-1、TBX-2炸药的最高温度分别为132℃和229℃，而TNT仅为98℃。从高温持续时间上看，TBX-1和TBX-2爆炸产生的高温持续时间比TNT要长得多。6m处，温度高于400℃的作用时间，TNT只持续了177 ms，而TBX-1持续了438 ms，TBX-2则持续长达2 922 ms；12m处温压炸药最高峰值温度虽都低于100℃，但TBX-1、TBX-2炸药高温持续时间长达1 763ms和4 194ms，是TNT的数十倍。与等质量的TNT 相比，温压炸药爆炸的高温作用区域大、持续时间长。

2.3最高温度随距离变化

国内外研究者在对温压炸药爆炸效能的研究中得到：温压炸药爆炸要经历爆轰阶段、无氧扩展和有氧燃烧3个阶段[10-12]。在坑道爆炸中，环境能够为炸药提供充足的氧气，初始的无氧爆轰反应把炸药抛撒开形成一定的体积，爆轰产物不从空气中吸取氧气，此阶段仅释放一部分能量，形成初始温度峰值，并产生大量富含燃料的产物，这些四处飞散的燃烧产物从坑道空气中获取氧气，与空气混合并以湍流的形式燃烧扩散，同时释放大量能量，产生二次燃烧，延长了高温作用的持续时间。

图5给出了3种炸药爆炸的最高温度随距离的变化关系。由图5可以看出，两种温压炸药爆炸火球的最高温度均高于TNT，且爆炸火球的最高温度顺序依次为：TBX-2、TBX-1、TNT，6m处3种炸药爆炸火球的最高温度最为接近。TNT是高爆炸药，其特征是点源爆炸，虽然一开始火球中心部位温度较高，但是由于爆炸在瞬间结束，几乎没有产物的后续燃烧，爆炸产物与周围空气热交换之后温度迅速降低，所以不仅高温区域小而且持续时间也短。而温压炸药含有高热剂铝粉成分，具有一定的体积爆炸特征，中心药爆炸后，药剂会有一个边飞散边爆燃的过程，并最终形成一个高热云团，进而形成较大的高温区域；又由于四周空气中的介质接收到后续燃烧产生的热量，一方面其爆炸温度提高了，另一方面高温持续时间得以增加。因此，同量级温压炸药的爆炸威力要远大于TNT。

图5　不同炸药爆炸最高温度随距离的变化关系Fig.5　Curve of the maximum temperature vs distance of different explosives

由图5还可以看出，3种炸药爆炸产物的响应温度均随爆心距的增加而降低，近距离处温度随距离变化梯度较大，远距离处温度随距离变化梯度较小。这是因为近距离处爆炸产物集中，能量释放强烈，在坑道中气流的作用下，爆炸产物与效应物的热量交换剧烈，温度由接近炸药爆温开始骤然下跌，远处由于温压炸药的后燃烧效应，使火球处于暂时稳定期。同时，坑道壁面为水泥结构，材料导热系数较低，爆炸所产生的热量对外散热较慢，由于坑道壁面的限制，空气冲击波在坑道壁面来回反射，增加了温度效应，造成短时间内热量积聚，温度下降的趋势减缓。与自由场温压炸药爆炸相比，坑道环境中温压炸药爆炸后产生的温度场范围大、温度高、后续持续时间长，对坑道内的人员和设备能产生更大的破坏作用。

3　结论

（1） TNT、TBX-1及TBX-2 3种炸药在坑道中爆炸，都出现了二次燃烧现象，温压炸药的二次燃烧现象比TNT炸药明显。

（2）温压炸药具有较高的温度效应，其高温区域范围和温度持续时间都大于TNT，体现了温压炸药相对于传统高能炸药的温度场优势。

（3）与等质量TNT相比，温压炸药的后燃烧效应、坑道壁面反射效应明显，高温区域大，高温持续时间长。

（4）TBX-1和TBX-2在坑道中爆炸温度的高低与离爆心的距离不呈线性关系，说明爆炸场中的温度不是均匀分布的。

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Experimental Study on Explosive Thermal Effect of Thermal-baric Explosives in Tunnel

YAN Xiao-min, SU Jian-jun, LI Zhi-rong, GOU Bing-wang, ZHANG Yu-lei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to study the thermal effect of thermal-baric explosive under semi-closed condition, three explosives (TNT、TBX-1 and TBX-2) were tested by using WRe5/26 thermocouple as the analogue in tunnel. The result shows that the secondary combustion process occurs obviously in tunnel condition. The duration time of temperature was long and the temperature field effect was large. Compared to TNT of the same weight, explosion of thermo-baric explosives experiences bigger field, higher temperature and longer durative time of after-burning. The destructive action was large to human and equipment in tunnel.

Explosives; Tunnel; Thermocouple; Thermal effect

TQ564

A

1003-1480（2015）01-0022-04

2014-10-29

闫潇敏（1982-），女，工程师，从事毁伤效应测试与评估技术研究。