TNT爆炸温度场热作用规律实验研究

郑勇杰,苏健军,姬建荣,严家佳

(西安近代化学研究所, 西安 710065)

0 引言

热是常规战斗部的毁伤元之一,其主要作用形式为高温火球及高温高速流场。在早期实际使用中,由于战斗部打击精度不足,弹目交会时往往超出热效应作用范围,难以起到毁伤效果,因此研究人员对爆炸温度场的热毁伤效果研究较少。随着武器精确打击能力的大幅提升,战斗部与目标的距离已处于爆炸温度场的作用范围,热对目标的毁伤作用已成为了研究者们关注的热点,但对热的毁伤效果和毁伤模式的研究较少,因此研究爆炸温度场热效应对于炸药威力评价和毁伤评估有着重要意义。

针对高温火球热效应的研究,前人做了许多的工作。郭学永等[1]运用红外热成像仪获取不同质量的炸药爆炸火球的表面温度,分析了温度场的分布情况,确定了TNT产生不同程度热毁伤的半径;李秀丽等[2]采用同样方法获得炸药表面爆炸温度,分析了一定质量下TNT的高温持续时间以及高温云团膨胀体积;仲倩等[3]根据爆炸火球动态模型表征参量数据,对爆炸火球变化规律进行了定量描述,分析了TNT装药爆炸火球热毁伤效应,确定了TNT装药火球辐射量;张玉磊等[4]则通过测量TNT炸药爆炸后的火球表面温度场,得到了爆炸火球表面最高温度、持续时间、火球尺寸和火球温度变化速率等参数,并分析了火球温度变化速率的变化原因。姬建荣、王代华等[5-6]开展了基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法研究,提供了高温流场接触式测量方法,对于热毁伤效果评估有重大的价值;张玉磊等[7]采用WRe 5/26热电偶获取了长直坑道内不同爆心距和不同质量TNT装药的响应温度-时间曲线,得到了温度峰值和传播速度随距离变化的规律,分析了装药质量对温度峰值和热作用持续时间的影响;金朋刚等[8]在密闭爆炸仓内,测量了TNT 炸药在不同气体环境中爆炸场温度,发现实际使用中TNT爆炸反应完全性较低,大量能量未释放,密闭条件可以提高TNT爆炸能量释放率。综上所述,当前对火球热效应的研究主要集中在自由场火球表面温度热效应以及密闭空间内爆炸温度场热作用规律及热毁伤效果评估研究,针对自由场火球内温度场热作用规律研究还有许多可供完善的空间[9-11]。

为研究TNT在自由场的爆炸温度场热作用规律,开展了不同装药质量TNT空中爆炸实验,采用WRe5/26钨铼热电偶温度传感器获取了不同爆心距温度—时间曲线,分析了不同装药量下爆炸温度场热毁伤威力场特征及火球内温度场分布规律,以期为爆炸场热毁伤威力场构建和毁伤评估分析提供参考。

1 TNT爆炸温度场热作用规律实验

1.1 实验样品

炸药样品为质量1、5和10 kg的TNT炸药,样品均为长径比约1∶1的压制柱形裸药,药柱密度约1.56 g/cm3。药柱均以压装JH-14炸药为传爆药,传爆药柱质量为被试样品的1%,采用8号电雷管在药柱上端面中心起爆。

1.2 测试设备及实验布局

实验采用木质门型吊药架将TNT样品爆心布置在垂直地面高1.5 m处,热电偶温度测点共5个,安装高度与装药炸高(1.5m)相同。根据实验装药质量的不同,各测点爆心距离不同,如表1所示。

表1 不同装药量各测点爆心距Table 1 Measuring point detonation distance with different dosage

爆炸场温度测试采用丝型的WRe5/26钨铼热电偶温度传感器,安装结构如图1所示。偶丝的直径为0.2 mm,测温 0～2 300 ℃,详细参数见表2,其中t表示实际温度。同时为了测量精度爆炸火球内温度,每个相同爆心距的温度测点都水平放置,电偶丝正对爆心,且每个测点都布置了多个热电偶,最终测量结果为其测量值取平均。

图1 热电偶结构示意图Fig.1 Thermocouple structure diagram

表2 钨铼热电偶参数Table 2 Duration of different temperature intervals

现场布设时为避免距离较近处测试装置阻挡爆炸产物流动进而影响后方测试结果,不同距离处测点左右错开30 cm,实验布局如图2所示。

图2 场地布设示意图Fig.2 Schematic diagram of site layout

2 结果与分析

2.1 响应温度-时间关系分析

爆炸场热流介质温度分布与演化是一个极其复杂的过程,热介质温度瞬间变化时间量级可达10-4s级,而热电偶本身又存在热惯性,导致其测量结果会往往滞后于流体温度的变化,所以热电偶测得的响应温度并不直接反映热流质的温度,而是热流介质作用于偶丝结构后的温升值,响应温度反映了该区域高速热流对偶丝结构的热作用强度,因而常用于衡量爆炸场不同位置的热作用强度,其主要由热流介质温度及其与被加热热电偶间的表面传热系数两方面因素决定。

热电偶传感器测得的1、5和10 kg的TNT响应温度—时间变化曲线如图3所示。由图3可以看出,① 温度-时间曲线呈单峰形,曲线刚开始陡峭上升,之后上升速率逐渐变小直至为零,曲线到达峰值开始下降,下降速率先增大后减小。而随着爆心距的增加,曲线上升及下降速率逐渐减小,时程曲线变得相对平缓。这反应了升温速率与降温速率的变化,升温速率初始极高,可达12 000 ℃/s,之后逐渐降低,降温速率则是先增大后减小,随着爆心距增大,升温速率和降温速率总体呈现减小趋势。② 炸药起爆后爆炸产物会和未反应物质的混合物迅速膨胀,同时混合物与空气中的氧继续反应,加快膨胀速度,温度极快升高,这时升温速率高,即曲线斜率大。随着升温速率与爆炸产物和热电偶结温度差成正比,热电偶结被加热的过程中温差逐渐减小,升温速率随之减小,曲线斜率减小。③ 图3(a)和(b)中,1 kg与5 kg TNT分别在1.5 m和2 m的曲线下降部分出现了温度的波动。出现这种波形的原因是随着与空气接触面积增大,TNT装药爆轰产物中的未反应还原性物质与空器中的氧发生的二次燃烧反应加剧,并持续释放出大量热量,使火球极限尺寸持续较长时间。

图3 响应温度-时间曲线Fig.3 Response temperature time curve

2.2 温度作用效果

按Baker等人推导的火球最大直径计算公式[12-13]:

(1)

式中:D为火球最大直径;M为装药质量;T为爆温。可得1、5和10 kg TNT的火球最大半径分别为1.99、3.43和4.15 m。排除误差,1 kg在2.5 m以外的测点应位于火球外,其他测点可视为都位于火球内部。因此1 kg TNT在爆心距2.5 m之外的测点基本只受到高温气流影响,温度峰值很低,已经接近常温,不考虑其作用效果。

图3(b)中5 kg装药爆炸后1.5 m处响应温度持续时间3.28 s,2.5 m处约为2.51 s,3.5 m处约为1.78 s;图3(c)中10 kg装药爆炸后2.5 m处响应温度持续时间2.08 s,3.5 m处约为1.41 s。经过对比发现1.5 m处1 kg与5 kg装药的响应温度持续时间可达3.5 m处的1.8倍和3.2倍,这是因为爆轰产物中还原性物质在膨胀过程中与空气发生湍流混合和燃烧反应,随着距离增大,爆轰产物中的还原性物质逐渐被消耗,浓度越来越低;同时随着爆炸产物的膨胀,爆炸产物内的压力、温度迅速减小,当产物温度下降到一定程度,来不及发生燃烧反应的剩余可燃物质温度会低于着火点从而熄火,因此离爆心越近,波形响应时间越长,越往外响应时间的差距越来越小。

进一步分析火球内的响应温度作用时间,根据前面分析,不计1 kg TNT的测点,表3给出了5 kg和10 kg TNT在爆心距2 m和3 m处测点不同温度区间的持续时间。

表3 不同温度区间的持续时间Table 3 Duration of different temperature intervals

由表3可知,5 kg和10 kg两种质量装药在2、2.5 、3、3.5 m处大于50 ℃区间的持续时间都比较接近,最大差距为4.8%,在大于100 ℃区间持续时间相差最大为7.9%,从大于200 ℃区间持续时间相差开始扩大,最大差值可达16.0%,之后大于300 ℃和大于400 ℃的差值变大,达到了43.8%和59.1%,而且在2 m和2.5 m两处响应温度在各个区间的持续时间基本相同,最大偏差不超过10%。而爆心距从2 m到3.5 m,5 kg各个温度区间的变化率为75.4%、72.8%、75.1%、86.3%、100.0%、10 kg各个温度区间变化率为74.3%、70.9%、73.6%、80.3%、100.0%,温度持续时间的变化率都达到了70%以上,持续时间都有很大的衰减。

由图4可以发现,当爆心距R为2 m时,5 kg和10 kg TNT的温度持续时间基本相同,当爆心距R为3.5 m时,5 kg的TNT的持续时间明显低于10 kg TNT装药的持续时间,因此,质量对于响应时间的影响随爆心距的增加而增大,而质量相同时,离爆心越远,温度衰减速度越快,响应温度持续时间越短,离爆心越近,温度衰减速度越慢,响应温度持续时间越长。

图4 响应温度区间-持续时间关系曲线Fig.4 Response temperature interval-duration curve

综上所述,离爆心越远,爆炸火球内响应温度作用持续时间越短,且能发现温度区间取得越大,时间变化率越接近,而装药质量的变化主要是影响温度梯度的分布,对于温度持续时间的影响较小,且爆心距越小,不受质量变化影响的温度区间越大,装药质量变化的影响越小。

2.3 温度峰值的影响因素分析

不同爆心距测点处的温度峰值Tp如表4所示。

表4 不同爆心距的温度峰值Table 4 Temperature peaks at different detonation distances

由表4可知,5 kg和10 kg的TNT装药爆炸在2 m处的温度峰值由214.34 ℃和698.75 ℃分别下降到3.5 m处的33.63 ℃和396.66 ℃,降幅分别为84.31%和43.23%。

炸药爆炸后,火球阵面向外急速膨胀,与外界冷空气的交接面越来越大,火球内高温气流与外界冷空气的热交换速率提高,温度降低速度加快,而装药质量相对更大的炸药的火球移动速度更快,火球外表面与空气的接触时间相对较短,热交换损失的热量更小,温度降低速度相对较低。随着爆心距的增加,爆炸热温度峰值总体呈下降趋势。在相同爆心距下,装药质量越大,各测点的温度峰值越高。在相同的爆心距变化下,装药质量更大的火球在移动相同距离情况温度峰值的降低的更少,如图5所示。

图5 响应温度峰值-爆心距关系曲线Fig.5 Response temperature peak-detonation center distance relationship curve

3 结论

为研究TNT爆炸温度场在自由场的热作用规律,开展了不同质量TNT装药的空中爆炸实验,获取了不同爆心距下热电偶的响应温度—时间曲线,得到结论如下:

1) TNT空中爆炸后,热电偶响应温度—时间曲线呈单峰状,曲线升温速率逐渐降低,降温速率先增后减,下降部分由于未反应颗粒的二次反应燃烧会使得波形出现波动,延长响应温度持续时间。1.5 m处5 kg装药的响应温度持续时间可达3.5 m处的3.2倍。随着爆心距的增大,曲线的升温速率和降温速率都会逐渐降低。

2) TNT在自由场中爆炸时,爆心距会对温度的持续时间会有很大的影响,随着爆心距的增加,持续时间会逐渐降低。1.5 m处1 kg与5 kg装药的响应温度持续时间可达3.5 m处的1.8倍和3.2倍,而质量的变化后,不同温度区间的持续时间作用几乎没有发生变化,2种质量TNT的不同温度区间的持续时间最大差距不超过10%。

3) 空爆时TNT的质量和爆心距对温度峰值都有很大的影响。装药质量与温度峰值成正比,爆心距与温度峰值成反比;相同传播距离下,装药质量越大,峰值下降的幅度越小,5 kg和10 kg的TNT装药爆炸场温度由2 m到3.5 m下降幅度分别为84.31%和43.23%。