典型复合温压炸药爆炸特性试验研究

陈皓，李文彬，宋平，张玉磊

（1.南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；3.防化研究院，北京 100191）

温压炸药（thermobaric explosive，TBX）是一种利用其爆轰产物的后燃效应提升能量释放水平并加强爆炸冲击效应的炸药［1-2］。同时，温压炸药在释能过程中还伴随着显著的热效应［3-4］。总体而言，温压炸药分为液固相温压炸药和全固相温压炸药，前者一般由高能液体燃料与可燃金属粉末混合而成，其优点是爆炸能量大、工艺简单，但存在装填密度低、安定性差以及存储寿命短等问题。全固相温压炸药一般由高能炸药、高热值金属以及含能聚合物材料按照一定密度混合而成。相比于液固相炸药，全固相温压炸药具有装填密度高、安定性好等优点。按照装药工艺的不同，全固相温压炸药又可分为压装温压炸药和浇注温压炸药2 类［5］。随着反恐战争和城市局部战争的频发，以全固相温压炸药为主装药的温压弹药已逐渐成为世界武器领域关注的焦点之一。

世界各国对于温压炸药的研究主要集中在炸药配方研制、温压炸药爆轰特性及释能机理等方面［6-8］。受炸药组成的影响，温压炸药的能量释放过程主要分为以下3个阶段［9］：1）高能炸药的快速分解和无氧爆轰反应；2）爆轰产物中的氧化物与金属颗粒进行剧烈反应；3）爆轰产物中的可燃成分与环境中空气发生燃烧反应。铝粉含量、颗粒度以及铝粉活性对温压炸药能量输出特性具有重要的影响［10-14］。Hahma 等［14］通过试验研究对比了不同金属粉末对温压炸药冲击波超压的影响规律。韩勇等［15］对黑索金（RDX）/高氯酸铵（AP）/铝粉混合而成的温压炸药进行了研究，结果表明，当其他成分比例固定，铝粉含量的增加会导致前期爆压的减小。陈坤等［16］对铝粉粒径对HMX 基温压炸药在密闭空间爆炸参数的影响进行研究，发现铝粉粒径的增加，反射波超压和冲量呈先增加后减少的趋势。

综上，炸药组份及配比对温压炸药的爆轰特性和释能过程有着重要的影响。本文制备了压装和浇注2 种不同装药类型的全固相温压炸药，并通过静爆试验，研究了一定比例距离下2 种炸药的爆炸特性，并对空气和地面冲击波超压、火球温度以及直径等爆轰参数与TNT炸药进行了对比。

1 温压炸药爆炸特性试验设计

1.1 试验样品

为对比不同配比、不同装药工艺温压炸药装药的自由场爆炸特性参数，本文制备了HMX 基（H-1）和RDX 基（R-1）2种温压炸药的裸药柱，其中H-1为压装工艺，R-1 为浇注工艺。同时，为对比2 种复合温压炸药装药爆炸特性参数较TNT 单质炸药装药的威力提升，本文制备了相同质量的TNT 压制裸药柱，密度1.59 g/cm3。3种炸药的详细参数见表1。

表1 H-1、R-1和TNT炸药的相关参数Table 1 Parameters of H-1,R-1 and TNT

1.2 试验方法

本文共制备了相同质量的H-1、R-1和TNT药柱各一发，并通过静爆试验对比3种炸药装药的爆轰特性参数。试验中，使用8#电雷管起爆传爆药柱。传爆药柱为JH-14 炸药，质量为10 g，约为被试炸药质量的0.5%，长径比为1.5，能够完全起爆3种炸药，且对爆炸输出效应的增益可以忽略。试验场地总体布局如图1。试验时，将被试样品竖直放置于木制弹架上，药柱中心距地面1.0 m。在距爆心一定距离处布设2条压力传感器测线，分别用于测试地面冲击波和空中冲击波参量，测点距爆心2.52、3.78、5.04、6.3、8.82、12.6 m处布设压力传感器，每个测试距离布放2个传感器，总计12路，采用2个测点的平均值作为实验结果。其中，用于空中冲击波测量的传感器与爆心处于同一水平高度，为避免后置测点测量的冲击波压力受前置测点传感器支架的影响，采用径向错开排布的方式布置空中冲击波压力测点。同时，沿着药柱中心同一水平面内相互正交的2方向布设高速动态分析仪和红外测温仪，用于记录爆炸火球增长过程及表面温度参数。图2（a）和图2（b）分别为试验中使用的超压传感器、高速及红外测温系统。

图1 试验布局Fig.1 Test layout

图2 测试设备Fig.2 Test equipment

2 温压炸药爆炸特性试验结果分析

2.1 地面超压分布

图3 分别给出了TNT、H-1 和R-1 等3 种炸药装药起爆后，距爆心不同位置处的地面冲击波超压随时间的变化历程。

图3 3种炸药装药的地面超压时程曲线Fig.3 Ground overpressure time history curves of three explosives

由图3 可知，试验中得到的超压波形清晰、稳定，具有明显的压力上升和下降过程。总体而言，随着冲击波传播距离的增大，其波阵面压力峰值迅速衰减。将3种炸药装药在不同距离处的冲击波压力峰值进行对比，如图4所示。

图4 地面超压随距离的衰减Fig.4 Attenuation of ground overpressure with distance

图4 位置在距离爆炸中心2.52 m 处，TNT、H-1和R-1 等3 种炸药装药的冲击波峰值压力分别为：0.377、0.473、0.494 MPa，2 种温压炸药装药的冲击波压力峰值较TNT 装药分别提高了25.5% 和31.0%。随着冲击波传播距离的增大，在距离爆心2.52～8.2 m 内2 种温压炸药装药的压力峰值迅速衰减，但仍高于TNT 炸药装药的压力峰值，在距离爆心8.2 m 以外，3 种炸药装药的压力峰值已经趋于一致。由此可知，相比与普通高爆炸药装药而言，温压炸药装药能够大幅提升近场的冲击波力。

根据超压试验数据，对TNT 的冲击波峰值方程中的系数进行拟合，并在此基础上参考GJB 5412-2005 中的计算方法，对2 种温压炸药装药在不同爆心距处的冲击波超压TNT当量进行计算：

式中：a、b、c为常系数，分别为0.76、2.55、6.5；m为炸药的冲击波威力TNT 当量；R为距爆心距离（1 m ≤R≤15 m）；Δp为冲击波超压。具体计算结果如表2。

表2 2种炸药的地面冲击波超压的TNT当量Table 2 TNT equivalent of ground shock wave overpres‐sure for two types of explosives

由表2 中数据可知，在2.52 m 处，H-1 和R-1 的冲击波超压TNT 当量分别为1.3 和1.37，但随着距离的增加，R-1的冲击波超压TNT当量迅速降低，在爆心12.6 m 处，H-1 和R-1 的冲击波超压TNT 当量分别为1.25和1.025。

对图3 中3 种炸药装药的冲击波历程曲线进行积分，能够得到3 种炸药装药在不同距离处的地面冲击波冲量。如图5所示，3种炸药装药在不同距离处的冲击波冲量变化趋势与超压相同。相比之下，以HMX 为基的H-1 炸药装药在相同位置处的冲量更高，在距离起爆中心较远的位置（5 m以上），R-1与TNT炸药装药的冲量基本一致，而H-1炸药装药在相同位置的冲击波冲量仍然保持着10%左右的增幅。

图5 地面冲量随距离的衰减Fig.5 Attenuation of ground impulse with distance

2.2 空中超压分布

以上分别对TNT、H-1 和R-1 等3 种炸药装药的地面冲击波超压进行了对比分析。实际上，布置在地面上的压力传感器测的压力并不是冲击波阵面的入射压力，而是经过地面反射、叠加后的压力值，其在数值上要偏大。本文利用布置于空中的压力传感器对3种炸药装药起爆后冲击波的自由场（空中）超压进行了测量，超压波形如图6 所示。受地面反射作用的影响，空中传感器测的超压曲线具有明显的“双波峰”。其中第1 个波峰为冲击波的入射波峰，第2个波峰为地面反射后的反射波峰。因此，第1个波峰的峰值便是冲击波在自由场中的压力峰值。

图6 3种炸药装药的空中超压时程曲线Fig.6 Time history curve of overpressure in air of three explosives

与地面冲击波超压的计算方法相同，根据图6中的数据对TNT、H-1 和R-1 等3 种炸药装药在空气中的超压衰减规律以及TNT 当量分别进行计算。如图7 所示，在距离爆心2.52 m 处，3 种炸药装药的冲击波超压分别为0.202、0.29、0.194 MPa。H-1 的空中冲击波超压要明显高于TNT 和R-1 炸药装药。结合表3可知，就空中冲击波压力而言，在一定比例距离下，R-1 炸药装药的TNT 当量平均值为1.09，在不同位置处的超压值与TNT 相差不大。而以HMX为基的H-1炸药装药在不同位置处的超压均明显高于TNT和R-1炸药装药，其平均TNT当量为1.4。

图7 空中超压随距离的衰减Fig.7 Attenuation of air overpressure with distance

表3 空中冲击波超压的TNT当量Table 3 TNT equivalent of air shock wave overpressure

2.3 爆炸火球直径

图8（a）～（c）分别为高速运动分析仪记录的TNT、H-1 和R-1 等3 种装药起爆后，爆炸火球的动态演变过程。由图8可知，受稀疏波影响，TNT炸药装药起爆后的火球呈现出明显的蘑菇云形态，且火球边缘伴随着黑色的爆轰产物。而在相同时刻下，2种温压炸药装药起爆后形成的火球更加明亮，火球形态近似呈球形。这表明2种温压炸药装药起爆后释放的能量更大，释能时间更长。

图8 爆炸火球演变过程分幅照片Fig.8 Picture of the evolution of explosive fireball

为了对3 种炸药装药起爆后火球直径作进一步的对比分析，对图5中的图像照片进行分析和处理，获得不同时刻下火球的最大直径。图9 为3 种炸药装药起爆后火球最大直径随时间的变化关系。由图中数据可知，2 种温压炸药装药起爆后火球演变规律较TNT 有较大的区别。从数值上看，以HMX 高能炸药装药为基的H-1温压炸药装药起爆后形成的火球直径最大值为4.42 m，以RDX 为基的R-1 温压炸药装药起爆后形成的火球直径最大值为4.31 m，而TNT装药起爆后形成的最大火球直径仅为2.93 m，该数值约为H-1 炸药装药的66.3%，R-1 炸药装药的68%。从火球直径变化规律上看，对于温压炸药而言，随着炸药释能的发展以及铝粉与空气、氧化物等在炸药释能后期的相互作用，其火球直径在增长至最大值后并没有迅速衰减，H-1 炸药装药的最大火球持续了约14 ms，R-1 炸药装药的最大火球持续了约16 ms，而TNT 炸药装药的火球在增长至最大后，受稀疏效应影响，其直径会出现迅速的降低。

图9 爆炸火球直径随时间的变化Fig.9 Change of fireball diameter with time

从图9 中还可以看出，H-1 炸药装药和R-1 炸药装药起爆后，爆炸火球直径先变小然后又变大，而TNT炸药装药没有这一现象。这是因为H-1炸药和R-1 炸药配方中加入了大量的铝粉，炸药爆轰后，爆轰产物快速膨胀，爆轰产物与空气混合后，气体温度迅速下降，使得火球直径变小。铝粉在向外抛撒的过程中与空气中的氧气充分混合，在爆轰产物的高温高压作用下，铝粉和未氧化完全的爆轰产物与空气中的氧气发生爆燃和燃烧反应，使得火球直径再次变大。TNT 炸药装药中未添加铝粉，因此TNT 炸药装药爆炸火球直径没有这一现象。

2.4 爆炸火球温度

对温压炸药而言，爆炸火球的温度以及高温持续时间也是评判其性能的重要指标。图10 为红外测温仪记录的TNT、H-1 和R-1 等3 种装药起爆后，火球表面温度随时间的变化规律。

图10 爆炸火球表面温度变化Fig.10 Surface temperature change of fireball

由图10 可知，3 种炸药装药在起爆后形成的火球表面温度随时间的发展呈降低的趋势。相比之下，铝粉含量最高的R-1 炸药装药在起爆后火球表面温度最高，其最大值达到2 873℃；TNT 炸药装药起爆后形成的火球表面温度最大值为2 131℃；而H-1炸药装药起爆后火球温度的最大值（2 574℃）虽高于TNT炸药装药，但随着时间的发展，2种炸药装药形成的火球表面温度趋于一致。因为H-1炸药装药中没有AP 提供氧化剂，铝粉只能先与主炸药中的氧成分发生反应、剩余的铝粉再与空气中的氧气反应，而R-1炸药装药中AP 可以为铝粉反应提供氧化剂，铝粉燃烧反应更为充分、快速，对外释能的热也较多。同时，从2种炸药装药配方中也可以看出，R-1 炸药装药配方中的Al 粉含量比H-1 炸药装药中铝粉的含量高5%，铝粉的增加也在一定程度上使得R-1 炸药装药起爆后火球表面温度比H-1 炸药装药高。

根据图10 中的数据，对3 种炸药装药起爆后形成的火球表面最高温度以及高温持续时间进行统计和分析，具体数据见表4。由表40 中数据可知，R-1炸药装药形成的火球具有最高的表面温度和高温持续时间，其火球表面温度高于1 000℃的时间长达233.3 ms；而H-1 炸药装药和TNT 炸药装药在对应工况的持续时间仅为120 ms，较R-1 炸药装药缩短了近1倍。这表明，以R-1为主装药的温压弹药能够对目标造成更长时间的、持续的杀伤效果。

表4 3种炸药装药火球温度参数对比Table 4 Comparison of fireball temperature parameters of three explosives

3 结论

1)在相同装药质量下（2 kg），H-1 温压炸药装药（HMX/Al/粘结剂）的冲击波超压要高于R-1（RDX/AP/Al/粘结剂），在距爆心5 m 范围内，H-1炸药空中冲击波超压的平均TNT 当量为1.28；同时，在距爆心12 m 范围内，地面冲击波超压的平均TNT 当量为1.4。

2)与TNT 炸药装药相比，H-1 和R-1 这2 种温压炸药装药起爆后形成的火球直径更大。在本试验条件下，H-1 和R-1 这2 种温压炸药的火球最大直径约为TNT 的1.5 倍；同时，TNT 炸药装药的火球在达到最大直径后会迅速衰减，而2 种温压炸药装药的最大火球直径能够分别持续14 ms和16 ms。

3)在相同装药质量下（2 kg），R-1 炸药装药爆炸后形成的火球具有更高的表面温度。红外数据显示，R-1 炸药装药形成的火球表面最高温度为2 873℃，其温度高于1 000℃的时间长达233.3 ms。