温压炸药内爆炸压力特性及威力试验研究

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)

0 引言

内爆炸毁伤是舰船、地下工事等腔室结构目标的常用毁伤工况，为有效打击此类目标，近年来世界各军事强国对发展适用于有限空间内爆炸温压弹药的兴趣越来越浓。温压炸药内爆炸条件下的压力效应分为冲击波压力效应和准静态压力效应[1-3]。炸药爆炸后，冲击波首先作用于目标，使结构产生变形、撕裂等预毁伤，紧接着准静态压力继续作用，最终造成目标结构解体、飞散等更严重的毁伤。其中，准静态压力是由于爆炸产生的高温高压气体产物向外扩张膨胀受到密闭空间约束形成的，与冲击波压力相比，具有上升缓、峰值低、时间长的特点。

国内外研究人员对炸药内爆炸效应开展了大量研究。Baker[4]、Duffey等[5]基于试验预测了内爆炸冲击波载荷的分布，并建立了简化的三角载荷模型；曹玉忠等[6]、张亚军等[7]开展了爆炸容器内冲击波系演化的数值研究；Tassia[8]和Lee等[9]通过研究建立了以准静态压力为指标的炸药内爆炸威力评估方法；金朋刚等[10]、王等旺等[11]基于密封罐内爆炸实验开展了梯恩梯(TNT)基炸药的内爆炸压力特性研究。

虽然国内外已经开展了大量内爆炸压力效应及威力研究，但是这些研究主要是针对冲击波压力效应及威力。由于内爆炸最终毁伤效果与冲击波压力和准静态压力的协同作用密切相关，综合考虑冲击波压力和准静态压力的研究有待深入开展。本文以某温压炸药为研究对象，以TNT炸药为参照，开展了大型密闭空间内爆炸系列试验，获取了温压炸药内爆炸冲击波压力及准静态压力，并采用等效TNT当量法开展了温压炸药内爆炸威力评估，所得结果可为温压炸药内爆炸毁伤威力评估提供参考。

1 试验方法

1.1 试验装置及样品

试验装置为一胶囊形爆炸罐(见图1)，罐的直径为φ2.6 m、圆柱部分长为3.2 m，其主体由抗爆承压层、隔音层和内衬装甲层构成，常压下抗爆当量为7 kg TNT，爆炸罐主体上有多个可安装传感器的法兰盘，如图2所示。

试验炸药样品为质量2 kg某温压炸药和TNT炸药，该温压炸药主要成分为奥克托今(HMX)、铝粉和黏结剂，爆热约为TNT的1.8倍。样品均为长径比约1∶1的压制柱形裸药，直径为113 mm. 温压药柱密度为1.86 g/cm3；TNT药柱密度为1.58 g/cm3. 药柱均以10 g压装JH-14炸药为传爆药，用8号电雷管在药柱上端面中心起爆。

1.2 测点布局及测试系统

试验时，将药柱悬挂于试验装置的中心位置，将冲击波超压传感器安装于图2所示法兰盘1和3的中心位置，敏感面正对爆心，准静态压力传感器安装于法兰盘2和4的中心位置，测点距离爆心为1.17 m.

冲击波超压测试选用美国PCB公司的ICP型113B系列通用高频压力传感器，固有频率大于500 kHz，上升时间小于1 μs. 准静态压力测试选用昆山双桥传感器测控公司产CYG400型压阻式压力传感器，测量精度为0.5级，测试时加装机械滤波器以滤掉高频冲击波分量，实现低频准静态压力的直接测量[2]。经校准，测试组件上升时间为0.24 ms.

2 理论计算

2.1 冲击波超压计算

炸药在罐内爆炸后，入射波作用于压力传感器所在的法兰盘后发生正反射。爆炸冲击波入射压和正反射压的计算公式[12]为

(1)

(2)

式中：pi为入射冲击波压(MPa)；meQ为基于爆热换算得到的等效TNT药量(kg)；r为爆心距(m)；pr为正反射压(MPa)；p0为初始大气压力，取0.101 MPa.

根据(1)式和(2)式计算得到本试验中TNT爆炸后的入射压pi为1.28 MPa，正反射压pr为7.51 MPa；温压炸药爆炸后入射压pi为2.04 MPa，正反射压pr为13.19 MPa.

2.2 准静态压力计算

假设爆炸气体产物为理想气体绝热模型，爆炸产物中固态产物所占体积可忽略不计，在不考虑密闭空间内炸药爆炸前后物质的量变化和产物二次反应的条件下，准静态压力的形成可看作独立的两部分[11,13]，即爆轰反应产生的大量气体压缩在密闭空间造成的压力上升p1和爆炸释能引起密闭空间内温度上升而导致的压力上升p2.

爆炸生成的气体体积为爆容V0与装药质量m的乘积。与密闭空间容积相比，炸药的体积可以忽略，根据理想气体状态方程，有

p1V=p0V0m，

(3)

则新增气体产物压缩在容积为V的密闭空间内造成的压力上升为

(4)

假定爆炸反应释放的能量全部用来加热气体，则罐内气体的温升为

(5)

式中：Qv为炸药定容爆热(J/kg)；mg为密闭空间内气体质量(kg)；cv为密闭空间内气体定容比热(J/(kg·K))。由状态方程可得：

(6)

式中：n为物质的量(mol)；R为理想气体常数(8.314 J/(mol·K))。由此可得到准静态压力pq的计算公式为

(7)

对于负氧炸药，高温状态下爆炸产物之间、产物与空气中的氧会继续反应释能(即后燃反应)，容器内的准静态压力将进一步升高，这部分释能可通过一定质量的炸药折算补偿。记折算系数为k，有

(8)

基于上述分析可知，pq与m/V呈线性关系，即pq=α×(m/V)，α为待定系数。密闭条件下爆炸反应产物与空气、产物之间的化学反应过程非常复杂，目前仍没有较好的理论模型，通过试验确定α值是一种可靠途径。

王等旺等[11]通过装药质量为8 g、27 g和133 g的系列试验，得到了0.5 kg/m3

(9)

本文试验质量容积比meQ/V<0.5 kg/m3，需要基于试验数据拟合适用的计算公式。

3 结果与分析

3.1 压力测试结果分析

本试验条件下的冲击波超压峰值Δp测试结果及其计算值偏差、准静态压力峰值pq列于表1，温压炸药内爆炸典型冲击波超压和准静态压力时程曲线如图3所示，温压炸药与TNT内爆炸冲击波超压时程曲线及准静态压力时程曲线分别如图4和图5所示。

表1 温压炸药及TNT内爆炸压力测试结果

从表1中的数据可以看出，本文试验条件下，同质量的温压炸药内爆炸冲击波超压峰值和准静态压力峰值均高于TNT炸药，其中冲击波超压峰值提高了18.0%，准静态压力峰值提高了62.9%. 与理论计算值比较，TNT超压峰值试验值与计算值基本相当，温压炸药超压峰值计算值偏大48.0%，这是因为爆热表征了炸药爆炸所释放的热量，而温压炸药的能量很大一部分通过后燃烧释放，并未形成冲击波，所以温压炸药的冲击波威力值不能简单地通过TNT爆热当量计算，按爆热计算的超压值是偏大的。

将TNT药量m、爆炸罐容积V和内爆炸准静态试验结果pq代入pq=α×(m/V)，得到本文试验工况下TNT内爆炸准静态压力峰值的计算公式为

pq=3.185m/V.

(10)

若按爆热换算法，则由(10)式可得到温压炸药内爆炸准静态压力峰值为0.441 MPa，结果较试验值偏大10.5%. 由于温压炸药含有大量的铝粉，会消耗大量空气中的氧，其反应机制与TNT有显著差异，可见爆热换算法同样不适用于温压炸药内爆炸准静态压力峰值计算。

从图3可以看出，冲击波超压峰值高、反射次数多、衰减迅速，准静态压力峰值低、持续作用时间长。冲击波与内壁面的多次反射过程中准静态压力逐渐上升，冲击波反射结束后，准静态压力才到达峰值并维持较长时间。准静态压力上升时间为数十毫秒，峰值pq大小为超压峰值Δp的二十分之一甚至更低。这是由于爆轰产物气体在密闭空间内均匀分布需要经历一定时间，准静态压力上升到稳定状态的过程相对缓慢；达到峰值后压力曲线呈现准平台效应，持续时间为秒级。

从图4可以看出，温压炸药内爆炸超压峰值高于TNT，持续时间均约为0.5 ms，但温压炸药冲击波首峰在衰减至50%附近时有一个台阶，如图4中圆圈所示，而TNT没有该现象，因此温压炸药的冲量显著大于TNT. 通过对压力曲线积分得到温压炸药和TNT的内爆炸冲量分别为999.6 Pa·s和619.6 Pa·s，温压炸药较TNT提高了61.3%. 研究人员通过数值计算和试验认为，温压炸药的后燃反应导致压力衰减较传统炸药缓慢，冲量显著增加[14]。

从图5可以看出，同质量的温压炸药内爆炸准静态压力上升速率和TNT炸药相差不大，但压力峰值较TNT大幅度提高。相对于冲击波超压，温压炸药的内爆炸准静态压力提升更为明显。这是因为冲击波超压峰值大小主要取决于无氧反应阶段释能，而准静态压力大小与无氧阶段和有氧后燃烧阶段的释能都有关系。与TNT相比，温压炸药最显著的爆炸特性就是具有强烈的有氧后燃烧作用，大量的热释放提高了密闭环境的准静态压力。

3.2 TNT当量计算

TNT当量的初始定义为单位质量某炸药爆热与TNT爆热的比值。但爆热高的炸药其爆炸冲击波威力并非一定高，尤其是温压炸药爆炸后一部分能量以燃烧的形式释放。因此，爆热TNT当量并不适用于炸药爆炸威力评估。威力TNT当量法以爆炸威力参量为评价依据，可以真实地反映爆炸对目标的毁伤潜能。本文选用威力TNT当量法，以TNT现场爆炸威力数据建立TNT爆炸威力模型，将温压装药同条件下获得的爆炸威力试验结果代入TNT模型，反向求解出要达到相同爆炸威力的TNT等效装药量meQ，以温压爆炸的TNT等效装药量meQ和温压炸药装药量mw的比值meQ/mw作为TNT当量qt[15]。

开展内爆炸威力评估时需要同时考虑冲击波威力和准静态压力，美国海军水面武器中心已将准静态压力作为弹药装药威力的考核指标之一[9]，特别是在冲击波预毁伤作用后，目标的易损性能显著降低，后续的准静态压力作用甚至可能是目标最终毁伤效果的决定因素。

3.2.1 冲击波超压TNT当量

选择冲击波超压峰值为威力评估指标。试验结果表明：TNT爆炸冲击波超压理论计算值与试验值十分接近，(1)式可直接作为TNT冲击波入射超压威力模型。将温压炸药内爆炸超压测试结果代入(2)式，得到温压炸药其入射冲击波超压pi,w为1.47 MPa，再将pi,w代入(1)式，可得等效TNT药量meQ为2.35 kg. 温压炸药的TNT等效装药量和温压炸药装药量的比值meQ/mw为1.18，即温压炸药内爆炸冲击波超压TNT当量qt为1.18.

3.2.2 准静态压力TNT当量

将温压炸药内爆炸准静态压力峰值0.399 MPa代入(10)式，得到等效TNT药量meQ为3.26 kg，即本文试验条件下，温压炸药内爆炸准静态压力TNT当量qt为1.63.

当量计算结果表明，冲击波超压TNT当量和准静态压力TNT当量均小于爆热当量，与试验测试结果和理论分析结果一致。

4 结论

1)炸药内爆炸压力效应分为冲击波超压和准静态压力，内爆炸准静态压力的上升伴随着冲击波的多次反射，本文试验条件下该过程持续时间为数十毫秒，反射结束后准静态压力上升到峰值并维持较长时间，准静压峰值大小为超压峰值的二十分之一甚至更低。

2)温压炸药与TNT的内爆炸冲击波超压和准静态压力不能简单地通过爆热相互转换计算。本文试验条件下，同质量的温压炸药内爆炸冲击波超压峰值、冲量和准静态压力峰值均高于TNT炸药，其中冲击波超压峰值提高了18.0%、冲量提高了61.3%、准静态压力峰值提高了62.9%.

3)对温压炸药内爆炸威力进行评估，需要综合考虑冲击波超压和准静态压力的威力大小。基于威力TNT当量法，计算得到本文试验条件下温压炸药内爆炸冲击波超压TNT当量为1.18，准静态压力TNT当量为1.63，均小于爆热当量。