初始压力对TNT密闭空间爆炸温度的影响

张玉磊，李芝绒，蒋海燕，翟红波，袁建飞，仲 凯

（西安近代化学研究所， 陕西 西安，710065）

初始压力对TNT密闭空间爆炸温度的影响

张玉磊，李芝绒，蒋海燕，翟红波，袁建飞，仲 凯

（西安近代化学研究所， 陕西 西安，710065）

为研究密闭空间内初始压力对TNT炸药爆炸温度的影响，采用真空爆炸罐测试系统，开展了不同初始压力条件下0.5kg和1kg药量TNT内爆炸温度试验研究，对测试所得的温度峰值、峰值到达时间、温度变化趋势进行了分析。结果表明：初始压力相同条件下，爆炸温度峰值与药量成正比；同等药量条件下，爆炸温度峰值、峰值到达时间及温度上升速率随初始压力的下降而增加，峰值后的温度下降速率随初始压力下降而减小；随着压力的降低，1kgTNT和0.5kgTNT爆炸温度峰值的比值呈线性减小，当初始压力不同时，小药量TNT的爆炸温度峰值可大于大药量TNT的爆炸温度峰值。

炸药；内爆炸；初始压力；爆炸温度；真空爆炸罐

在非密闭环境，由于炸药爆炸冲击波的作用范围大于热作用的范围，且在极短的爆炸反应时间内热效应难以积累，热毁伤难以实现，因此研究人员对炸药爆炸作用研究重点集中于冲击伤效应[1-2]。而在密闭空间内，由于固壁的屏障作用，热效应得以累计，热毁伤不可忽略。随着研究的逐渐深入，发现对特定目标的热毁伤具有冲击波毁伤不具有的优势。经统计，由于爆炸产生的灼热空气流体对人员造成的吸入性损伤甚至超过了冲击波损伤[3]。热毁伤威力主要取决于爆炸产物的最高温度、温度持续时间、温度上升速率等参数。根据气体状态方程，气体介质的温度与其压力密切相关[4]，研究在不同的压力环境下炸药爆炸温度的变化规律具有重要的意义。

炸药爆炸后，周围气体介质温度在极短的时间内升高到几千摄氏度，由于爆炸场环境具有高压、高冲击等特点，因而对测试设备的稳定性要求极高[5]。目前，温度测量主要有非接触式测温（光谱法和辐射法等），以及接触式测温（热电偶等）。对于密闭爆炸罐内爆炸测温，接触式测量是一种可行方法，即在罐内壁安装快速响应热电偶记录爆炸温度，它具有结构简单、响应快、测温范围宽等特点[6-7]。

本研究以大型爆炸罐为典型密闭空间试验装置，通过控制密闭爆炸罐内压力，采用W-Re5/26热电偶测量得到了TNT炸药在不同罐内初始压力下的爆炸温度，并分析了罐内初始压力和温度的关系。在本实验条件下，爆炸反应所释放的化学能绝大部分用来使反应后的气体从初始温升到爆炸温度，极少部分传递给周围的环境，又由于爆炸是在瞬间完成，爆炸时产生的能量通过器壁传给外界的量极少，接近绝热，因此内爆炸过程可以认为是绝热恒容过程[8]。

1 实验设备与环境条件

本实验样品为压制TNT药柱，长径比1:1，密度1.57g/cm3，质量为0.5kg和1kg。采用端面中心起爆，起爆药为JH-14，质量10g，用8#铜壳电雷管起爆。试验装置为真空爆炸罐，如图1所示。

图1 真空爆炸罐装置Fig. 1 Explosion vessel

图2 数字真空计Fig.2 Digital vacuum gauge

爆炸罐为一胶囊形，直径Φ2.6m，圆柱部长3.2m，其主体由抗爆承压层、隔音层和内衬装甲层构成，0.5h内可达到或小于1×103Pa。爆炸罐内的真空度可由其配套的数字真空计读出，如图2所示。爆炸温度测量传感器为自制的W-Re5/26裸露型热电偶，偶丝直径0.2mm，响应时间小于10ms，测量范围0～2 500℃。

试验时，药柱悬挂于爆炸罐内顶固定环上，并使其位于爆炸罐几何中心，热电偶安装于距离爆心1 140mm的法兰盘上，热电偶敏感端指向爆心，实验布局如图3所示。罐内初始压力分别为常压、50kPa、20kPa、10kPa和5kPa。

图3 内爆试验装置及测点布置示意图Fig.3 Test equipment of inner explosion and monitoring point arrangement

2 实验结果与分析

2.1 温度峰值及其到达时间

图4～5给出了0.5kg和1kgTNT药柱在不同初始压力下测得的温度变化曲线。

图4 不同初始压力下0.5kgTNT爆炸温度曲线Fig. 4 The curves of 0.5kg TNT’s explosion temperature under different initial pressure

图5 不同初始压力下1kgTNT爆炸温度曲线Fig. 5 The curves of 1kg TNT’s explosion temperature under different initial pressures

从图4和图5可见，药柱引爆后，爆炸罐内温度经过短暂延迟时间后迅速上升到最高值，此后相对缓慢下降，1s后温度仍大于200℃。温度峰值Tmax和温度峰值的到达时间t见表1。

表1 不同工况下响应温度峰值及到达时间Tab.1 The peaks of response temperature and its arrival times under different working conditions

由表1可知，在实验条件下，随着罐内初始压力的下降，TNT的爆炸温度峰值呈上升趋势。随着压力降低，气体介质密度降低，爆炸后罐内被加热的空气质量也随之减少，因此达到的温度峰值随着初始压力的下降而上升。当初始压力由常压下降到5kPa，1kgTNT爆炸温度峰值由965℃上升到1 328℃，0.5kgTNT爆炸温度峰值由557℃上升到1 033℃。在相同初始压力条件下，爆炸温度峰值与装药量成正比，这是装药量越大热能释放越多的结果。

由表1还可以看出，温度峰值到达时间有一定离散性。剔除0.5kg、10kPa试验工况的试验结果，仍可发现随着罐内初始压力的下降，温度峰值的到达时间呈上升趋势。这表明，初始压力降低，罐内气体的温升时间更长、峰值更高、热效应更为显著。

对峰值结果进行线性和二项式拟合，如图6所示，并得到0.5kg和1kg内爆炸的经验公式，如表2所示。

图6 温度峰值——初始压力曲线图Fig. 6 Curves of peak temperature vs initial pressures

表2 试验值公式拟合结果Tab.2 Trial values and fitting formulas

从拟合结果来看，二项式拟合精度已达到0.99。图中直线和虚线的两交点对应的罐内初始压力约为20kPa和100kPa，当压力位于此区间时，实线位于虚线下方，当压力小于20kPa时，实线位于虚线上方。这表明，压力刚开始降低时，温度峰值升高较为缓慢，当压力下降到20kPa及更低时，温度峰值上升更为迅速，换言之，温度峰值的增加随着压力的降低而加剧。

2.2 温度变化速率分析

在温度上升阶段，图4～5中初始压力高的温升曲线位于压力低的温升曲线的下方（除0.5kg、20kPa试验条件外），表明初始压力越小温度升高越快，即在相同的上升时间内，爆炸温度值随着初始压力的下降而升高。常压下1kgTNT爆炸后达到最高温度965℃的时间为0.108s，该时刻对应的50kPa、10kPa和5kPa条件下的温度分别为1 002.6℃、1 163.6℃和1 236.7℃，均处于上升阶段且初始压力越小温度值越高。这主要是由于低压环境空气介质密度低，热阻抗明显减小，从而温度升高快。

在温度下降阶段，初始压力为5kPa、10kPa、20kPa时，爆炸温度近似呈线性下降；而50kPa和常压时呈指数下降，温度峰值后短时间内温度下降极为迅速，之后趋于平缓。究其原因，可能是与低压环境相比，常压空气介质密度高、质量大，维持所需热量更大，一旦放热结束，温度下降极为迅速[9]。当时间位于0.3～0.4s时，罐内初始压力为50kPa和常压时的爆炸——温度迅速下降阶段结束，进入缓慢下降区，而初始压力小于20kPa的爆炸温度仍保持近似直线下降，指数下降与线性下降造成温度差值最大。这表明，在低压环境下，热效应维持时间较常压环境长，对目标的热作用更持久。

2.3 不同初始压力下药量对温度峰值的影响

从实验结果可以看出，不同初始压力条件下，药量对爆炸温度峰值的影响程度有所差异。计算表2中1kgTNT和0.5kgTNT爆炸在不同初始压力下的爆炸温峰值的比值，得到如图7所示曲线。

图7 不同初始压力条件下两种药量爆炸温度峰值比值Fig.7 Ratio of two charge masses’ peak temperature under different pressures

由图7可知，随着压力的降低，1kgTNT和0.5kg TNT爆炸温度峰值比值呈线性减小，在常压环境下，爆炸温度峰值比值为1.73，压力为5kPa时减小为1.26。可见，初始压力越小，药量造成温度峰值的差异越小。此外，随着压力的下降，0.5kgTNT爆炸温度峰值增加量较1kgTNT大。0.5kgTNT药柱在常压下温度为557℃，5kPa时达到了1 033℃，提高了1.85倍；1kgTNT药柱在常压下温度为965℃，5kPa时为1 328℃，提高了1.38倍。在不同压力条件下，小药量TNT的爆炸温度峰值可大于大药量TNT的爆炸温度峰值，如0.5kg TNT在10kPa和5kPa时的温度峰值分别高于1kgTNT常压下的温度峰值。

3 结论

（1）相同初始压力条件下，TNT爆炸温度峰值随药量的增加而增加；相同药量条件下，TNT的爆炸温度峰值及峰值到达时间随初始压力的减小而增加。

（2）在温度上升阶段，温度上升速率随初始压力的减小而增加；在温度下降阶段，总体趋势为温度下降速率随初始压力的减小而减小，其中初始压力为5kPa、10kPa、20kPa时，爆炸温度近似呈线性下降；而50kPa和常压时呈指数下降。

（3）随着初始压力的减小，1kgTNT和0.5kgTNT爆炸温度峰值比值近似呈线性减小，由药量造成温度峰值的差异随压力降低而减小；在不同初始压力条件下，小药量TNT的爆炸温度峰值可大于大药量TNT的爆炸温度峰值。

[1]郭学永,李斌,解立峰.温压药剂的热毁伤研究[J].火炸药学报,2008(31):16-19．

[2]Davies P A．A guide to the evaluation of condensed phase explosives[J]．Journal of Hazardous Materials,1993(33):1-33.

[3]Nabil M.Elsayed，James L.Atkins著.爆炸与冲击相关损伤[M]. 蔡继峰,译.北京:人民卫生出版社,2011．

[4]李润之,黄子超,司荣军.环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响[J].爆炸与冲击,2013,33(4):415-419．

[5]李媛媛,王建灵,徐洪涛.Al-HMX混合炸药爆炸场温度的试验研究[J].含能材料,2008,16(3):241-243．

[6]李秀丽,惠君明,解立峰.红外热成像技术在云团爆炸测温中的应用[J].含能材料,2008,16(3):344-348．

[7]李媛媛,南海.半密闭条件下爆炸场的温度与压力测量[J].火炸药学报,2008,31(1):48-52.

[8]王志荣,蒋军成,李玲.容器内可燃气体燃爆温度与压力的计算方法[J].南京工业大学学报,2004,26(1):9-12．

[9]虎刚,吴金涛.充气条件下陀螺马达的温升特性研究[J]．宇航学报,2007,28(5):1 167-1 170．

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Influence of Initial Pressure on the Explosion Temperature of TNT in Enclosed Space

ZHANG Yu-lei，LI Zhi-rong，JIANG Hai-yan，ZHAI Hong-bo，YUAN Jian-fei，ZHONG Kai
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065)

In order to research the influence of initial pressure on the explosion temperature of TNT in enclosed space, vacuum explosion vessel test system was adopted. Under different initial pressures, the explosion temperatures of 0.5kg TNT and 1kg TNT were studied through experiments respectively. The peak temperatures and the corresponding time as well as the variation trends of temperature were researched. The result shows that under the same initial pressure, the peak temperature is proportional to the charge mass. With the same charge mass, when the initial pressure declines, the peak temperature and the time to reach it, as well as the temperature’s climbing speed all increase, while the temperature’s lowering speed decreases after it gets the peak. With the decrease of pressure, the ratio of 1kg TNT’s and 0.5kg TNT’s peak temperatures decreases linearly. When the initial pressures are different, the peak temperature of smaller charge mass can be higher than that of the larger charge mass.

Explosive；Inner explosion；Initial pressure；Explosion temperature； Vacuum explosion vessel

TQ564.3

A

1003-1480（2016）06-0044-04

2016-07-21

张玉磊（1987-），男，工程师，主要从事爆炸毁伤测试与评估技术研究。