温压炸药在无氧环境下的能量输出研究

张丁山，周 涛，张玉磊



温压炸药在无氧环境下的能量输出研究

张丁山，周 涛，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无氧环境下起爆后的能量输出，建立了温压炸药起爆过程的化学反应方程组，结合温压炸药起爆过程中的能量输出特性，对温压炸药在有氧环境和无氧环境下分别起爆后的能量输出情况，以及在相同装药量下，温压炸药、TNT炸药和梯黑铝炸药在无氧环境下起爆后的能量输出情况进行了计算分析，并应用26m3的爆炸罐分别测量了2kg 3种炸药在无氧环境下爆炸后的冲击波超压。经对比得出温压炸药在无氧环境下起爆后的能量输出约为有氧环境能量输出的66%，但输出的能量仍为TNT炸药的1.4倍和梯黑铝炸药的1.02倍。

温压炸药；爆轰；无氧环境；毁伤

近年来迅速发展的温压战斗部装填的温压炸药与常规炸药不同，其配方中含有较高比例的高能含能材料和大量的高活性金属粉末，爆炸时，既产生与常规炸药相似的高峰值短脉冲冲击波，同时将大量高活性金属粉末抛撒到空气中，与空气中的氧气产生强烈的后燃烧反应，使温压战斗部起爆后对密闭、半密闭空间目标产生显著的较长时间高冲量冲击波、热膨胀、缺氧“窒息”等多种毁伤模式，具有常规弹药和燃料空气弹药的融合优势。

为进一步提高常规战斗部对军事目标的高效毁伤威力，温压弹药的研制及应用受到了各国的高度重视，我国也开展了大量的研究工作，主要对温压炸药的配方[1]、起爆特性（冲击波[2]、后燃烧火球温度及半径[3]、抛撒过程[4]、缺氧效应[5]、威力对比[6]等）、温压战斗部的设计[7]、对典型目标（坑道[8]、建筑物、舰船、车辆等）的毁伤威力验证等开展了研究工作，并取得了显著成果，但对于温压战斗部在缺氧或无氧环境下的毁伤研究则相对较少。而使用方对于温压战斗部在相近环境下的毁伤输出特性十分关注，同时为了进一步准确掌握温压战斗部的应用范围，需开展该方面的研究工作。因此，本文通过对温压炸药起爆过程中的化学反应进行分析，同时开展爆炸罐内静爆试验，对温压炸药在缺氧或无氧环境下的毁伤模式和毁伤威力进行研究，并与常规炸药在相同环境下的毁伤威力进行对比，为温压战斗部的研制及推广提供参考。

1 模型建立

温压炸药起爆过程及能量释放描述：试验用温压炸药的组分为65%的奥克托今、30%的高活性铝粉和5%的粘结剂，其中65%的奥克托今与15%的铝粉构成了含铝炸药，剩余15%的铝粉将与空气形成体积爆轰。因此，温压炸药起爆反应过程的能量输出主要由两部分组成：一部分是凝聚相含铝炸药爆轰释放，一部分是铝粉与空气中的氧气发生体积爆轰释放。

1.1 基本假设

依据温压炸药起爆过程及能量释放特性，建立计算温压战斗部在无氧环境下的起爆过程中毁伤能量输出模型时，做出以下基本假设[9]：（1）炸药爆炸时生成的微量产物忽略不计；（2）炸药中的氮全部生成氮气；（3）炸药中的氧首先将可燃金属元素氧化成金属氧化物；（4）剩余的氧将H氧化成H2O；（5）继续剩余的氧将C氧化成CO；（6）参与反应的Al粉全部被氧化成Al2O3；（7）爆炸反应过程中包含的化学反应平衡，按照反应物含量的50%进行计算，其余量保持平衡；（8）所有需要外界氧气参加的反应均未进行。

1.2 反应方程

依据温压炸药起爆过程、能量释放特性和做出的（1）～（7）基本假设，建立了温压炸药在氧气充足环境下的起爆反应方程组：

0.28(CH2N-NO2)4+0.7Al

→0.35Al2O3+1.12H2O+0.07CO+1.05C+1.12N2（1）

2Al+3H2O→Al2O3+3H2（2）

2H2+O2→2H2O （3）

2C+O2→2CO （4）

4Al+3O2→2Al2O3（5）

依据基本假设（8），温压炸药在无氧环境下的起爆反应将没有方程式（3）、（4）、（5）、（6）的化学反应过程，即温压炸药在无氧环境下的起爆反应方程组为：

0.28(CH2N-NO2)4+0.7Al→0.35Al2O3+1.12H2O

+0.07CO+1.05C+1.12N2

2Al+3H2O→Al2O3+3H2

通过温压炸药在氧气充足环境下和无氧环境下的起爆反应方程组对比可得，温压炸药在无氧环境下起爆后的能量输出来源于温压炸药组分中65%的奥克托今与15%的铝粉组成的含铝炸药起爆，剩余15%的铝粉未发生反应，没有能量输出，即1kg温压炸药在无氧环境下起爆后的能量输出来源于0.65kg的奥克托今和0.15kg的铝粉组成的0.8kg含铝炸药起爆，剩余0.15kg的铝粉和0.05g粘结剂未发生反应，没有能量输出。

2 试验研究

应用26m3爆炸罐开展静爆试验，如图1所示，分别测量2kg温压炸药在有氧环境（正常空气）和无氧环境（抽真空充氮气1atm）下爆炸后的冲击波超压，以及相同质量（2kg）TNT炸药和梯黑铝在无氧环境下爆炸后的冲击波超压。通过对比冲击波超压峰值得出不同炸药爆轰后的能量输出特性。

图1 试验装置

试验时，各炸药以圆柱型药柱的形式放置于爆炸罐的几何中心处，压力传感器布设于正对药柱的爆炸罐侧壁上，传感器距爆心的距离为1.17m。

3 结果及分析

3.1 能量输出计算结果

计算过程中，对温压炸药分别在有氧环境和无氧环境下起爆后的能量输出进行了计算，对比分析了有氧环境和无氧环境对温压炸药起爆后能量输出的影响，另外分别计算了温压炸药、TNT炸药和梯黑铝炸药在无氧环境下起爆后的能量输出，并进行了对比分析。

3.1.1 在无氧环境和有氧环境下起爆的能量输出对比

依据化学反应方程式（1）、（2）、（7）、（8）计算得出，0.8kg含铝炸药在无氧环境下起爆后输出的能量为5.9MJ。依据化学反应方程式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）、（7）、（8）计算得出，0.8kg含铝炸药在氧气充足环境下起爆后输出的能量为 6.3MJ。

考虑剩余0.15kg铝粉的活性及参与体积爆轰的铝粉百分含量，并依据化学反应方程式（5）计算得出，1kg温压炸药在氧气充足环境下起爆后由铝粉与空气发生体积爆轰输出的能量为2.6MJ。表1列出了1kg温压炸药在有氧环境和无氧环境下起爆后的能量输出，以及两者的比值，通过对比得出，温压炸药在无氧环境下的能量输出约为有氧环境下能量输出的66%。

表1 1kg温压炸药在有氧环境和无氧环境下起爆的能量对比

Tab.1 The energy of 1kg thermobaric power explosion in aerobic or anaerobic environment

3.1.2 温压炸药和几种常规炸药在无氧环境下起爆的能量输出对比

表2列出了1kg温压炸药、TNT炸药和梯黑铝炸药分别在无氧环境下起爆后的能量输出，通过对比得出，相同药量下，温压炸药在无氧环境下的能量输出为TNT炸药的1.4倍，为梯黑铝炸药的1.02倍，能量输出基本相当。

表2 1kg炸药在无氧环境下起爆的能量输出对比

Tab.2 The energy of 1kg powder explosion in anaerobic environment

3.2 冲击波超压计算结果

冲击波超压计算公式：

式（9）中：△为冲击波超压，MPa；为考虑药柱在爆炸罐内静爆时由于冲击波反射、叠加等引起的超压增强系数；为距爆心的距离，m；为炸药的TNT当量，kg。

应用冲击波超压计算公式，可以得出：（1）2kg温压炸药在有氧环境和无氧环境下分别起爆后，距爆心1.17m处（测试点）的冲击波超压峰值比约为1.25，即温压炸药在有氧环境下起爆后测试点处的冲击波超压峰值约为无氧环境下的1.25倍。（2）2kg温压炸药、TNT炸药和梯黑铝炸药分别在无氧环境下起爆后，温压炸药距爆心1.17m处（测试点）的冲击波超压峰值分别为TNT炸药的1.22倍、梯黑铝炸药的1.02倍。

3.3 试验结果

温压炸药在无氧环境和有氧环境下起爆的冲击波超压测试结果见图2。通过图2可得，2kg温压炸药在有氧环境和无氧环境下分别起爆后，测试点处的冲击波超压峰值分别为12.84MPa和10.78MPa，比值为1.19。

图2 温压炸药冲击波超压测试曲线

3种炸药在无氧环境下起爆的冲击波超压测试结果见图3。通过图3可得，2kg温压炸药、TNT炸药和梯黑铝炸药分别在无氧环境下起爆后，测试点处的冲击波超压峰值分别为10.78MPa、8.5MPa和10.2MPa，温压炸药与TNT炸药和梯黑铝炸药的冲击波超压峰值比分别为1.27和1.06。通过冲击波超压理论计算结果与试验测试结果对比，可知理论计算结果与试验测试结果相近，表明能量输出计算模型较为准确，可以用于工程设计计算。

图3 3种炸药在无氧环境下的冲击波超压测试曲线

4 结论

经对比得出，温压战斗部装填的温压炸药在无氧环境下起爆后的能量输出约为有氧环境能量输出的66%，但输出的能量仍然高于TNT、梯黑铝等常规炸药，即在相同条件下，温压战斗部在无氧环境下起爆后的毁伤威力仍然大于装填TNT炸药和梯黑铝炸药的战斗部。

[1] 王红星,王浩,蒋芳芳,等.铝粉含量对温压炸药性能的影响[J].火工品,2013(6):32-35.

[2] 赵新颖,王伯良,李席,等.温压炸药爆炸冲击波在爆炸堡内的传播规律[J].含能材料,2016,24(3):231-236.

[3] 李秀丽,惠君明.温压炸药的爆炸温度[J].爆炸与冲击，2008,28(5):471-475.

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[5] 胡岚,刘红妮,任春燕,等.某温压弹爆轰气体靶场测试技术[J].含能材料,2010,18(2):196-199.

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[9] 惠君明,陈天云.炸药爆炸理论[M].南京:江苏科学技术出版社,1995.

The Research on Energy Output of Thermobaric Power in the Condition without Oxygen

ZHANG Ding-shan，ZHOU Tao，ZHANG Yu-lei

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

In order to study the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen, the chemistry reaction equation of thermobaric power was set up, the energy output of thermobaric power in the condition without oxygen or with oxygen was calculated, and the energy output of thermobaric power, TNT and THL power were calculated and analyzed in the same condition without oxygen, as well as the shock wave of three kinds of powder explosion in anaerobic environment by 26m3explosion pot were tested. It is concluded that the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen is 66% of that in the condition with oxygen, and the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen is 1.4 times of that of the TNT power, or 1.02 times of that of the THL power.

Thermobaric power；Detonation；Without oxygen condition；Destroy

1003-1480（2018）06-0034-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.009

2018-06-06

张丁山（1984 -），男，副研究员，主要从事战斗部结构设计及性能研究。