基于分装结构的CS刺激剂爆炸分散过程研究

李 廷，梁 婷，李江存，孙 航，蒋志刚

（1.陆军防化学院，北京 阳坊 102205；2.军事科学院防化研究院，北京 阳坊 102205；3.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

1 引言

我军现役爆炸型催泪弹的装药由刺激剂与炸药混合而成，称为特种混合炸药。目前该混装结构的爆炸型催泪弹难以满足不同作战环境和作战样式的使用需求，主要表现在对刺激剂热稳定性要求高（现役装填的刺激剂仅有CS一种）、装药结构单一、刺激剂利用效率低且难以评估等问题［1］。薛田［2］通过刺激剂混合炸药爆速试验确定了混合炸药能爆炸的最小比药量为14%，再应用红外热成像技术分别研究混合炸药和中心药柱空中爆炸形成的气溶胶云团，表明中心药柱爆炸分散时气溶胶云团低温范围广，刺激剂热分解明显减少，云团浓度有大幅度提高，热性能较差的OC（辣椒素）和CR（二苯并-1，4-氧杂吖庚因）刺激剂在混合炸药爆炸时热分解严重，不适于混合炸药爆炸方式分散。针对这种现状，本文进行了相关基础技术研究。

爆炸型催泪弹是利用炸药的能量将装填在弹体内的刺激剂装药直接分散，刺激剂气溶胶云团是其主要的毁伤元，刺激剂气溶胶云团形成过程则是爆炸分散效果的直接体现，研究中心装药对刺激剂分散的作用，是设计新型催泪弹药的关键环节之一，也是提高催泪弹药效能的重要途径。由于爆炸分散过程的复杂性，目前工程试验仍是研究涉及爆炸抛撒武器的主要方法，爆炸分散试验常用高速运动分析系统、试验采样、光学方法等技术手段，研究分散过程的云团范围、分散速度、云团浓度等参数，但是试验采样存在局限性，对于爆炸初期高速瞬态研究困难较大，光学方法一般用于模拟室内爆炸扩散，受实验条件和激光强度等制约，不适用于外场试验中。因化学防暴装备较为敏感，公开的研究资料较少，尤其是对爆炸作用刺激剂分散的研究较少，但在其它介质材料爆炸分散规律研究中，国内外学者针对云爆武器等爆炸抛撒研究较为深入。国外已有的文献主要是研究催泪弹药的弹体结构设计［3］，刺激剂伤害效应及分析检测［4-5］。此外，F.Zhang等［6］利用闪光X射线摄影装置观测了球形装药对固体颗粒的抛撒过程，建立了与试验现象相符的抛撒云团半径模型等等。国内，程万影等［7］采用添加隐形识踪剂和后期采样分析的试验手段，对悬挂在空中两米处的新型控暴器材进行爆炸分散研究，得到了单发弹静爆后形成的威力幅员和作用时间。薛田［2］运用高速摄影系统研究了不同比药量时混合炸药空中爆炸分散刺激剂的过程，得出气溶胶云团直径和速度变化规律。张奇等人［8-9］利用高速摄影系统得到了云爆燃料的运动情况和抛撒规律，并将燃料抛撒过程分为加速阶段、减速阶段和湍流阶段。刘志龙等［10］在爆炸室内对短切碳纤维开展了空中爆炸分散试验，利用两台高速摄像机同时拍摄，获得了壳体破裂、云团特征，得出云团参数变化规律及相似律。陆晓霞等［11］采用两台高速摄像仪对固定在密闭空间内支架上的液体容器进行爆炸抛撒试验，讨论和分析了壳体约束对早期流场的影响、液体状态变化和破裂分散机理，并通过数值模拟对比分析。上述研究中的高速摄影法和装药结构均可作为借鉴，但研究过程涉及理论模型分析计算的较少，均忽略了地面约束条件的影响，在无约束空间中爆炸，未对地面爆炸分散的特性进行研究，对地爆和空爆两种方式下中心装药爆炸分散刺激剂的规律及差异尚未清楚。因此，紧贴爆炸型催泪弹的军事应用需求，结合其多运用于地爆的实际情况，有必要开展分装结构在不同方式下爆炸分散刺激剂的规律研究，为新型催泪弹药设计和运用提供参考。

为此，本研究基于云爆武器等抛撒燃料的基本原理，提出分装结构的装药方式，即将中心装药和刺激剂装药各自分装压制后再组合的设计方案，利用中心装药爆炸作用分散刺激剂形成气溶胶云团。

表1 试验样弹基本参数Table 1 Basic parameters of test sample grenade

2 外场试验平台构建

2.1 试验组成系统与原理

试验系统主要由试验原理样弹、点火系统和高速运动分析系统等组成。试验过程中，首先将电雷管插入中心装药内，通过点火系统激发雷管起爆，进而引爆中心装药，将装填的刺激剂直接分散。高速运动分析系统与点火系统同步触发，在起爆瞬间开始拍摄记录。

2.2 主要器材与参数设置

试验采用高速运动分析系统记录气溶胶云团的形成过程，高速摄影仪为日本Photron公司生产的FASTCAM SA3型，拍摄最高幅频为120000幅/s，最低幅频为50幅/s，拍摄时可以结合爆炸分散过程实际和图像清晰度要求进行调试，本试验中采用的拍摄频率为10000幅/s，分辨率达到512×256，采集到的图像可以记录为数据文件，并通过专门软件进行处理分析。此外还有移动式掩体、起爆控制装置、风向风速仪、幕布、支架和笔记本电脑等。

图1 试验样弹主要组成部分Fig.1 Main components of test sample grenade

2.3 试验原理样弹结构

试验设计的原理样弹与现役混装结构的爆炸型催泪弹不同，采用分装的装药结构，原理样弹主要组成部分如图1所示，主要由壳体、刺激剂药柱、中心炸药柱等部分组成，选择常用的CS刺激剂为主装药，结合催泪弹的非致命特点，从降低其炸药配比和减少附带损伤方面考虑，并参照爆炸型催泪弹相关研究［2］，比药量选定为14%，壳体为聚乳酸（PLA）材料，厚度为2.3 mm，中心装药为钝化黑索金，雷管为8号电雷管，样弹其它相关参数见表1。

2.4 试验场地布设

外场试验选择在常温下气流比较稳定的露天靶场进行，地面为水泥地面。地爆时，将样弹贴地面垂直放置，高速摄影仪放置在弹体正前方，距离样弹的安全距离为40 m，调整拍摄角度和位置进行拍摄。空爆时，将样弹悬挂于距离地面为1.5 m处，高速摄影仪放置在距离样弹40 m处的正前方，位于同一水平高度。根据经验，幕布距离样弹的水平安全距离设置为4.6 m，为增强观测效果及确定云团范围，幕布选用蓝色，尺寸400 cm×300 cm，分别用黄、白两种颜色在幕布上标记出长宽为20 cm的单元方格。场地相关设置如图2所示。

3 试验结果与分析

采用专门的高速摄影软件Photron FASTCAM Viewer（PFV）对高速摄影拍摄的视频图像进行读取和处理，试验图像数据采用GetData软件测量，先以幕布格子为基准建立坐标系，然后选取云团边界点读取坐标，计算出云团直径和扩散高度，对3次重复试验结果求取平均值。通过高速摄影系统实现了在百微秒的时间量级上观测刺激剂气溶胶云团的形成过程，重点观察壳体的解体分散、云团分散范围、速度变化情况等。

3.1 地面爆炸分散CS刺激剂形成气溶胶云团的过程

图3为地爆试验中样弹在爆炸驱动载荷作用下的CS刺激剂分散过程，以开始观测到中心装药起爆亮光为0时刻，选取了50 ms内的部分图像，分幅图片清晰的反映了CS刺激剂气溶胶云团的形成过程。

0时刻中心装药起爆产生火光，第2幅图0.1 ms时仍能观察到爆炸余光，生成的射流从壳体中沿轴向和径向飞出，此后分散的气溶胶云团直径迅速膨胀变大，约在3 ms左右时，云团直径增长速度明显变缓，开始进入湍流阶段，受气动阻力和湍流的作用，云团边缘开始翻滚，云团的颜色越来越白，云团范围在轴向上有进一步的扩展，使刺激剂颗粒在云团中分布的更加均匀，湍流阶段维持一段时间后开始进入扩散阶段。气溶胶云团在形成的过程中，有一些明显的特征：一是中心装药爆炸后出现较亮火光，持续时间极短，产生的高温黑色产物一直处于白色云团中心部位，始终与刺激剂云团未均匀混合。二是云团形状左右不对称的现象，是受到试验中风速、空气阻力和地面条件等因素的影响。三是爆炸初期膨胀阶段形成的气溶胶云团中心厚，外部呈现扁平状，从云团中心到边缘，厚度越来越小，产生的原因主要在于中心装药爆轰过程中产生的爆轰波，由上向下传播中出现稀疏波，导致刺激剂药柱上端颗粒的径向分散速度小于中部颗粒的径向速度，刺激剂药柱上端部的分散距离较近，同时爆炸产物的轴向分散也会带动顶端部的刺激剂颗粒运动。

图3 地爆试验中CS刺激剂分散过程Fig.3 The process of CS irritant agent dispersion in ground burst test

3.2 空中爆炸分散CS刺激剂形成气溶胶云团的过程

图4为空爆试验中样弹在爆炸驱动载荷作用下的CS刺激剂分散过程图，选取12张分幅图片记录了气溶胶云团的形成过程。同样以观测到中心装药起爆亮光为0时刻，0时刻中心装药起爆火光亮度比地爆时明显，此后50 ms内基本都能观察到爆炸余光，第2幅图0.1 ms以后的刺激剂云团形成过程同地爆时一样，同样经历射流喷出和云团膨胀阶段后，在3 ms左右时，云团直径不再明显增大，进入湍流阶段，此后为扩散阶段。空爆形成的气溶胶云团特征同地爆基本一致，空爆过程的云团轴向扩展比地爆明显，云团外形厚度大于地爆，主要原因在于地爆时受地面约束条件的影响，地面对冲击波的吸收与反射，造成了部分能量损失。

图4 空爆试验中CS刺激剂分散过程Fig.4 The dispersion process of CS irritant agent in air explosion test

3.3 地爆和空爆试验结果的对比分析

中心装药起爆后，刺激剂药柱在冲击波和爆轰产物的共同作用下破碎、运动形成气溶胶云团。图5～图7分别为地爆和空爆分散试验中在水平方向的CS刺激剂气溶胶云团直径、云团轴向扩散高度和云团径向分散速度随时间的变化图。

图5 CS气溶胶云团直径随时间变化规律Fig.5 The variation of CS aerosol cloud diameter with time

图6 CS气溶胶云团轴向扩散高度随时间变化规律Fig.6 The axial diffusion height of CS aerosol cloud varies with time

根据对云团分散成形特征的分析，结合云团直径、高度和速度变化曲线图，发现地爆和空爆云团直径和高度变化规律基本一致，云团直径随着时间呈单调递增趋势，3 ms左右时云团直径增长速度明显变缓，地爆的云团直径大于空爆，其云团扩散高度小于空爆，10 ms时空爆云团扩散高度约是地爆的4.7倍，10 ms后轴向扩展缓慢，呈平稳趋势。表明了水泥地面接近刚性地面，冲击波对刚性地面发生反射叠加，强度提高，影响地爆和空爆的结果差异。地爆和空爆的云团径向速度总体规律一致，均呈先增大再减小的趋势，0.3 ms之前，地爆分散速度小于空爆，0.3 ms之后，地爆分散速度大于空爆，地爆在0.7 ms左右速度达到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右达到最大值1697 m·s-1，之后进入减速阶段，空气阻力占据主导作用，速度迅速下降。

图7 CS气溶胶云团径向速度随时间变化规律Fig.7 The radial velocity of CS aerosol cloud varies with time

4 爆炸驱动刺激剂气溶胶云团运动过程的理论分析与建立模型

试验研究得出分装结构爆炸分散刺激剂的过程可以分为加速阶段、减速阶段、湍流阶段和扩散阶段。爆炸载荷主要在加速阶段驱动刺激剂气溶胶云团的扩散，加速阶段结束时形成具有一定初始速度的刺激剂颗粒在外界作用力下开始减速运动，本文主要从理论方面分析研究加速阶段云团径向运动的速度变化规律。

在整个爆炸分散过程中，中心药柱爆轰和壳体解体时间非常短暂，不考虑爆轰过程及冲击波的传播与反射，忽略爆轰产物沿装药轴向的飞散，可以近似认为高温高压爆轰产物的膨胀，推动刺激剂药柱整体径向加速运动。由试验结果可知，云团加速阶段湍流不显著，因此空气作用力主要是空气对云团的压力，起始阶段，爆轰产物的驱动压力pg大于周围对云团的压力pe，云团向外做加速运动，驱动力对云团所做的正功与空气阻力对云团所做的负功之和就是云团所获得的动能。根据爆轰产物做功过程得出：

式中，下标O表示初始时刻，Vog为中心药柱体积，Vg为中心药柱爆轰产物体积，Vop为弹药体积，Vp为爆轰产物体积Vg和气溶胶体积Vl之和，单位均为m3；ml为刺激剂总质量，kg；ua为刺激剂颗粒的最大速度，m·s-1。

由多方方程，得出爆轰产物的压力为：

式中，pog为中心装药初始爆压，Pa；由式（1）和式（2）联合计算得出刺激剂加速阶段的最大速度ua的表达式为：

由于加速阶段爆轰产物体积Vg远大于中心药柱体积 Vog，则 Vg1-n≪Vog

1-n，式（3）可以进一步表示为：

以地面爆炸试验结果为例，由试验结果得出加速阶段速度最大值为1495 m·s-1，通过读取地爆时0.7 ms时云团照片的直径和高度，将云团体积近似处理为圆柱体积，得出Vp为0.35 m3，由试验弹的基本参数得出，弹药体积 Vop为 9.9×10-5m3，中心药柱体积 Vog为6.8×10-6m3，根据文献［12-13］，针对所使用的钝化黑索金的含量和装填密度，选取初始爆压pog为28.7×109Pa，多方指数n结合实际取近似值3，求解出加速阶段速度最大值ua为1444 m·s-1，则理论计算值与试验值吻合较好。同理，读取空爆0.3 ms时云团照片数据，计算出Vp为0.28 m3，得出速度最大值ua为1523 m·s-1，和空爆试验速度最大值1697 m·s-1也比较吻合，表明建立的数学模型有一定的可行性，能较好的描述云团膨胀规律。理论计算值偏小的主要原因是多方指数的选取问题和模型建立中忽略因素的影响，在爆炸过程中多方指数是在变化的，实际上是一个近似值，计算时取值存在偏大问题，另外机械能守恒方程建立过程中忽略了次要因素影响及试验值也存在一定的误差等等。

5 结论

通过外场试验得到了地爆和空爆分散刺激剂气溶胶云团的直径、径向速度、扩散高度等变化规律，从试验结果和理论上分析了分装结构爆炸分散刺激剂形成气溶胶云团的过程，并给出描述云团加速阶段膨胀规律的数学模型。主要有以下结论：

（1）试验表明，在地爆和空爆两种条件下，分装结构爆炸分散CS刺激剂的过程均可以分为径向加速阶段、减速阶段、湍流阶段和扩散阶段，加速阶段和减速阶段决定了云团的范围、速度等参数，这两个阶段末期的初始云团参数可为后期扩散阶段研究提供关键初始条件，也可作为预测爆炸型催泪弹有效作用面积及评估威力幅员的重要指标。

（2）试验表明，相比空中爆炸，总体规律基本一致，地面爆炸分散云团直径较大，扩散高度较小，冲击波对水泥地面发生反射叠加，强度大大提高，有利于流场和颗粒本身径向运动的扩散，对贴地面径向扩散有积极的影响。

（3）在中心装药爆炸驱动的过程中，爆炸驱动力和空气阻力为作用于刺激剂云团的主导作用力，两者的变化决定径向速度的变化，地爆和空爆的云团径向速度规律一致，均呈先增大再减小的趋势，地爆在0.7 ms左右速度达到最大值1495 m·s-1，空爆在0.3 ms左右达到最大值1697 m·s-1，结合爆炸驱动气溶胶云团运动过程的理论分析，建立的云团径向速度数学模型和试验较为吻合。