复合装药密闭空间爆炸能量释放特性

阚润哲，聂建新，刘 正，郭学永，焦清介，朱英中，刘 攀

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760)

引言

随着现代战争的不断发展和精确制导武器的广泛运用，出于防护与反侦察等需求，许多国家将重要军事设施转移到地下等具有坚固防御能力的建筑内。对于这一类具有典型舱室结构的目标，例如舰船舱室、地下堡垒等，密闭空间爆炸是最常见也是最为重要的毁伤手段[1-3]。研究有效打击密闭空间军事目标的高能炸药成为提高战斗部毁伤能力的重要方向和主要趋势，与研制新型单质炸药和高能燃料相比，利用现有炸药和金属燃料进行合理的拓扑结构设计，是实现武器高效毁伤[4]和安全性[5]要求的重要途径之一。

双元复合装药是指采用两种炸药通过内外嵌套、上下叠加等方式进行组合的一种装药方法，可以有效提高装药的爆炸毁伤性能。Spencer[6]和Kuhns[7]分析了双元装药的爆轰特性发现，采用双元装药能够明显提高炸药爆轰性能。Manfred[8]分析了双元装药的爆轰特性，为装药设计提供了理论依据。Kato等[9]利用高密度炸药和高爆速炸药组成的复合装药结构，使复合装药爆速和压强明显提高。Trzciński等[10]和Maiz等[11]对内外层结构含铝装药爆炸特性的实验表明，两种装药结构中铝粉的反应机制不同，复合装药促进了铝粉的燃烧，增强了冲击波超压。Hong等[12]对复合装药的冲击波传播进行了数值模拟，发现复合装药的冲击波波形和压力分布有着明显改变，内外层同时起爆时超压分布面积最大。英国QinetiQ公司提出了一种多层环形复合装药结构[13]，在密闭爆炸室内对两种不同模式的复合装药结构的研究表明，不同起始阶段的能量输出存在差异。

国内对于复合装药的研究开展相对较晚，但成果丰富。张先锋等[14]研究发现复合装药中内层装药会形成明显的超压爆轰现象，实际爆轰压力远大于C-J爆轰压力，对于提高炸药装药的能量利用率具有很大的优势。牛余雷等[15-16]对复合装药空中爆炸和水中爆炸特性研究表明，复合装药空中爆炸冲击波峰值超压、炸药爆炸的火球直径和持续时间大幅增加，水中爆炸总能量也得到了提高。周涛等[17]开展了内层高爆速炸药和外层低爆速炸药的含铝装药的圆筒实验，研究表明复合炸药的爆速相比均一装药略微降低，但由于其爆轰波具有明显的内聚效应，提高了内层装药的能量释放率。李梅等[18]测试了几种典型高能炸药的均一装药和内外层装药的冲击波超压，提出内外层复合装药的冲量更大，更有利于提高战斗部的径向输出威力。

综上所述，尽管目前对复合装药的能量释放参数已有较多研究，但多集中在空中爆炸能量释放特性研究方面，缺乏对密闭空间环境这类重点毁伤目标的研究。此外，在复合装药的研究中多以冲击波超压进行评价，缺乏对其他参数尤其是瞬态温度的测试，而温度是密闭空间重要的毁伤元之一。因此本研究利用自研的密闭爆炸实验装置对HMX基复合装药密闭空间爆炸冲击波和瞬态温度进行了测试，并与相同化学组成的均一装药结构进行了对比，研究了复合装药密闭空间爆炸能量释放特性。

1 密闭爆炸实验

1.1 实验样品

实验样品的两种装药结构分别为双元同轴内外层复合装药结构及其混合均一装药结构。复合装药结构样品采用内层压装成型、外层浇注成型的工艺制备。均一装药结构样品则为浇注成型方式。两种装药样品配方(质量分数)为：HMX，66.7%；AP，4.3%；Al，20%；成型载体，9%。其中，复合装药内外层质量比为1∶2，两种样品实验药量均为200g。两种装药结构实验样品配方及参数如表1所示，实验样品如图1所示。为了保证样品充分起爆，每个实验样品配备40g JH-14药柱扩爆药，并采用11g钝化RDX药柱起爆。

表1 实验样品成分及参数

图1 实验样品

1.2 密闭爆炸实验装置

实验用密闭空间爆炸实验装置为自制立方体结构，能更好地模拟实际的房屋和舱室结构，其主体结构尺寸为1.3m×1.3m×1.3m，容积2200L，可以进行1kg当量TNT爆炸实验，具备准静态压力和瞬态温度测试能力，密闭空间爆炸实验装置如图2所示。实验时，样品从上端起爆系统垂直吊入装置中心，通过布置在管道中的压力传感器和安装在壁面的瞬态温度传感器采集爆炸产生的准静态压力和温度数据。实验前通过真空泵向装置内壁注气，对装置气密性进行检测。

实验用压力传感器为美国 PCB 公司113B26 压力传感器，传感器量程为3450MPa，灵敏度为1451mV/MPa，所有压力传感器均通过传感器基座安装在导管中。通过美国 PCB 公司482C系列4通道信号适调仪对传感器信号进行处理并使用德国HBM公司gen7t 28通道高速数据采集系统对压力数据进行收集，数据采集系统的采样频率100MB/s。瞬态温度的采集使用美国NANMAC E6型高耐压侵蚀型快速响应热电偶，该型热电偶响应时间可达50μs，最大耐压172MPa，测温范围0～2350℃，可采集密闭爆炸装置内瞬态温度变化。瞬态温度数据收集设备使用领邦众泰ESC型数据采集/信号调理系统。实验时温度和压力传感器布置如图2所示。

图2 传感器布置图

2 结果与讨论

2.1 典型压力时程曲线分析

图3为自研密闭空间爆炸实验装置中炸药爆炸典型压力时程曲线。对图3分析可知，在0～100ms压力数据采集时间内没有出现压力的快速下降，能够较好地维持准静态压力，满足实验测试要求。此外，由压力时程曲线可以看出含铝炸药密闭空间准静态压力的变化可大致分为典型的3个阶段：

图3 密闭爆炸实验典型压力—时程曲线

第一阶段为初始冲击波及其反射阶段。表现为冲击波在密闭爆炸装置内的不断反射，导致压力曲线大幅震荡，该阶段持续时间为20～30ms。

第二阶段为压力持续阶段。表现为压力的稳定和非线性下降[19]，该阶段持续时间很长，约70～80ms。

第三阶段为压力衰减阶段。表现为密闭体系降温导致压力的衰减过程[20]，其开始于第二阶段结束。

2.2 冲击波峰值压力分析

图4和表2分别为两种炸药在密闭空间内爆炸后由压力传感器采集到的压力—时程曲线和两组平行实验冲击波峰值压力数据处理结果。

图4 冲击波压力—时程曲线

表2 冲击波峰值压力实验结果

由表2可知，复合装药平均冲击波峰值压力为0.62MPa，而均一装药结构为0.55MPa，两组实验所获得的峰值压力误差均在5%以内，具有较好的一致性，通过复合装药结构可提高冲击波峰值压力。此外，在密闭空间内冲击波第二个峰值压力为0.92MPa，较初始冲击波峰值压力提高0.3MPa，表明密闭空间爆炸产生的冲击波经过反射和叠加后得到了增强，之后逐渐趋于稳定，图3中典型压力时程曲线可以明显观察到这一现象。

2.3 准静态压力分析

2.3.1 数据处理方法

准静态压力是由于爆炸产生的高温高压气体向外扩张膨胀受到密闭空间约束形成的相对稳定的压力。关于准静态压力数据的处理尚没有统一和标准的方法，目前国内外准静态压力处理方法中，一种是定义处理后的压力峰值为准静态压力[21-22]，另一种是取用一定时间段内的平均压力表示准静态压力[23-24]，且对于准静态压力时间范围的选取尚存争议。

如图3所示，由于冲击波在密闭空间内不断产生反射叠加效应，初始阶段的压力峰值呈增长趋势，但是随着时间的增加，压力幅值和波动减弱，压力在密闭空间内分布均匀，形成了一个压力幅值比反射冲击载荷峰值小很多的压力，通过选取一段时间内压力平均值作为准静态压力的方法，更具有参考意义。因此，基于上述分析和实验所获得的压力时程曲线数据，本研究选取5～20ms内的压力平均值作为最终的准静态压力，一方面更好地体现了准静态压力的作用结果，另一方面避免了前期压力震荡和后期压力衰减对准静态压力结果的影响。

利用相邻平均法对压力曲线进行滤波处理，图5为经过处理后的压力—时程曲线。由图5可以看出，经相邻平均法降噪处理后的曲线在不改变密闭空间内爆炸压力时程曲线特征的基础上，能够更加直观和精确地判断准静态压力的大小。

图5 压力—时程曲线处理结果及对比

2.3.2 准静态压力计算与分析

依据上节所述数据处理方法对两种样品的压力曲线进行处理，选取计算区间内压力数据并获得其平均值作为准静态压力。为了避免实验测试系统不确定度以及实验过程中的操作误差等因素对测试结果的影响，对每种装药结构进行了两次密闭空间爆炸实验，通过实验误差判断实验结果的可靠性，并取两次实验平均值作为准静态压力。准静态压力实验结果如表3所示。

由表3可以看出，不同样品两次实验的准静态压力误差分别2.56%和3.61%，实验结果具有较好的重复性，也证明了准静态压力处理方法的精确性。

表3 准静态压力实验结果

为了进一步讨论炸药装药结构对准静态压力的影响，对两种装药结构炸药密闭空间爆炸形成的准静态压力—时程曲线进行平滑处理，并对比其准静态压力大小，如图6所示。

图6 准静态压力—时程曲线及处理结果

由图6和表3可知，复合装药和均一装药样品密闭空间内爆炸形成的准静态压力分别为340.96MPa和315.63MPa，复合装药结构样品准静态压力提高了8%，具有更高的准静态压力。其原因是：内外层复合装药利用其内外层装药爆速的不同，使内层装药产生超压爆轰，外层装药爆轰后，部分爆轰产物侧向运动，产生了径向汇聚作用，增强了对内层装药的约束。在外层装药的约束下，高温高压爆轰环境持续时间提高，使得参加反应的铝粉增加，铝粉燃烧更充分，从而提高了复合装药的能量输出，使得其准静态压力增大。

2.4 密闭空间爆炸温度分析

本研究使用瞬态温度传感器对两种装药结构炸药密闭空间爆炸温度变化进行采集和分析，结果如图7所示。由图7可以看出，与均一装药结构的峰值温度745℃相比，复合装药的峰值温度为621℃，低于均一装药结构，但是复合装药结构能够维持在此之后的长时间600℃左右的高温环境，这是均一装药所无法达到的。导致这一现象的原因是：复合装药具有内外层结构，外层高爆速炸药首先爆轰，为内层高铝氧比炸药提供了高温环境，并抑制爆轰产物的膨胀，促进了铝粉吸热过程，使得峰值温度较低。但此后，由于外层装药的径向汇聚作用，使得铝粉与周围爆轰产物存在较好的反应，释放的热量使得爆炸场的温度升高，因此其温度能够维持较高的水平。

图7 密闭空间爆炸瞬态温度—时程曲线

根据铝粒子气化燃烧方程[25]如式(1)和式(2)对密闭空间爆炸温度变化趋势进一步分析：

(1)

(2)

根据公式(1)和(2)可知，当铝颗粒的密度和粒径不变时，铝粒子的燃烧率和燃烧速率取决于铝粒子的燃烧温度，复合装药结构由于外层高爆速炸药抑制了内层爆轰产物的膨胀，为铝粉与爆轰产物的燃烧提供了长时间的高温高压环境，使得铝粉燃烧速率提高，燃烧率增加，密闭空间内部温度得以维持较高的水平。

3 结 论

(1)在相同化学组成下，复合装药冲击波峰值压力为0.62MPa，比均一装药冲击波峰值压力0.55MPa提高了12.7%，表明通过复合装药结构可提高冲击波峰值压力。

(2)相同化学组成的复合装药和均一装药样品密闭空间内爆炸形成的准静态压力分别为340.96MPa和315.63MPa，不同样品两次实验的准静态压力误差分别2.56%和3.61%。复合装药结构样品准静态压力比均一装药结构样品提高了8%。采用外层高爆速炸药、内层高铝氧比炸药的内外层复合装药结构能够提高装药能量输出。

(3)与均一装药结构的峰值温度745℃相比，具有内外层复合装药结构的样品密闭空间爆炸峰值温度下降124℃，为621℃。在此之后，复合结构外层装药形成的径向汇聚作用促进了铝粉的燃烧，使得复合装药结构样品能够维持长时间600℃左右的高温环境。