典型金属粉末对FAE冲击波效应和热毁伤性能的影响

关键词：燃料空气炸药；环氧丙烷；金属粉；固-液混合燃料；毁伤性能；比色测温

燃料空气炸药（又称云爆弹，fuelairexplosive，FAE）装填的是云爆剂，可在大空间范围内形成可燃云雾，产生大体积爆轰，伴随冲击波、热辐射和窒息等效应，其爆炸产生的冲击波和高热无孔不入，具有大面积破坏军事目标的作用，特别适用于杀伤洞穴、地下工事、建筑物等封闭空间内的目标，近年来在军事应用领域得到了广泛的关注[1-3]。云爆燃料是低沸点、高热值的液态燃料，如环氧丙烷、丙二烯、环氧乙烷、乙醚等碳氢类化合物，常用于制备云爆武器[4-5]，其中，环氧丙烷具有挥发性强、点火能低和可燃范围广等特点[6]，在云爆剂组分中应用最广泛。Bai等[7]利用20L球形爆炸容器研究了液体燃料在低初始环境压力和温度下的爆炸特性，发现初始压力和温度对环氧丙烷/空气混合燃料的影响最大。Zhang等[8]在5L圆柱形容器中研究了不同浓度环氧丙烷的燃爆特性，发现随环氧丙烷浓度的增加，其与空气混合物的爆炸压力和压力上升速率均呈先增大后减小的趋势。然而，液体燃料体积密度相对较低，为了提高其燃爆性能及燃料能量释放，向液体碳氢燃料中加入固体高能添加剂形成固-液混合燃料是目前研究的热点。谭汝媚等[9]研究了铝粉/环氧丙烷/空气混合燃料的爆炸下限浓度，研究结果可用于评估其爆炸危险性。徐敏潇等[10]将硼粉添加到燃料空气炸药中，发现随着硼含量的增加，其燃爆特性参数值均先增大后减小。Wang等[11]为了提高FAE的能量，在乙醚/硝酸异丙酯混合液体燃料中加入铝粉，发现该固-液混合燃料的冲击波超压得到显著提高，说明高能金属粉末可以有效地提高FAE的爆炸性能。

除冲击波参数外，燃爆温度和火焰结构特征同样是衡量云爆武器毁伤性能的重要指标。在爆炸温度场温度分布测试方面，主要包含接触式测温和非接触式测温两类[12]。在接触式测温方面，范彩玲[13]采用钨铼热电偶进行了“同心圆”排布定点测温实验，得到了温压弹爆炸火焰温度场信息。Liu等[14]利用接触式温度传感器测量了JP-10/空气混合物的爆炸温度，发现随着浓度的增加，爆炸温度呈先升高后降低的趋势。然而，接触式测温在测量温度时传感器需要与被测物体接触，这不仅影响温度场的分布，而且其响应速度不能满足瞬态高温测量要求[15]。与接触式测温相比，非接触式测温能够检测火焰的表面温度，测温范围宽、响应速度快，适合云爆武器弹药等爆炸瞬态高温测量[3]。Wang等[11]采用红外热成像仪捕捉并计算了燃料在扩散过程中的火球表面温度，发现添加铝粉和硼粉能够显著提高其燃爆温度。然而，采用红外热成像仪等非接触式测温方式，其响应速度和测温精度容易受被测物发射率和环境辐射等因素的影响[16]。近年来，本课题组利用比色测温方法，在炸药、气体和粉尘爆炸温度测试方面开展了大量的研究工作[17-21]，该方法响应速度快、测量精度高、抗干扰能力强，具有传统非接触式测温方法无可比拟的优势，为云爆武器热毁伤效能评估提供了技术保障。

本文中通过20L球形液体爆炸罐的分散系统模拟燃料云雾，结合PCB传感器、高速相机、自编Python程序，测试添加高能金属（Al、Ti、Mg）粉末固-液混合燃料的冲击波效应和热毁伤性能，并与基体燃料环氧丙烷进行对比，研究结果可为FAE的配方设计和毁伤性能鉴定提供技术和理论指导。

1实验装置及方法

1.1实验材料

环氧丙烷（epoxypropane，PO）纯度为99.99%；商业级铝粉、钛粉和镁粉的中位粒径D50分别为28.055、30.476和27.651μm，其粒度分布和微观结构表征如图1所示；空气（20.98%O2+79.02%N2）的纯度为99.99%。

1.2实验装置

实验所用的20L球形液体爆炸测试系统主要由球形液体爆炸罐、燃料分散系统、点火系统和数据采集系统组成，如图2所示。其中，液体爆炸罐罐体体积为20L，带有2个直径为14cm的透明玻璃观察窗，用于高速相机捕捉燃料云雾燃爆火焰传播形态；燃料分散系统由高压气瓶、2个1.5L储气罐及2个压力表、2个电磁阀、2个70mL燃料储罐（A、B罐）和2个半球形分散伞组成，可将燃料均匀分散在罐体内部；点火系统由一个电火花发生器（点火能量60J/s）和2个钨电极针（电极间距为1.5mm）组成，用于燃料云雾的点火；数据采集系统由高速相机、示波器和传感器组成，通过高速相机捕捉燃料燃爆火焰传播形态，拍摄帧率为2000s−1，传感器用于采集燃料爆炸压力并通过示波器记录压力信号，采样频率为1×105s−1；另外，该系统包含一个可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller，PLC），用于控制燃料分散时间、点火延迟时间以及点火时间。实验开始前，先将云爆燃料放置在2个燃料储罐中，并在2个储气罐中充入0.8MPa的空气，用于喷洒燃料，电磁阀开启时间设置为50ms（即燃料喷洒时间为50ms），保证能够将燃料充分喷洒入罐体内部；在爆炸罐中心设置点火电极，采用高压脉冲点火方式，点火延迟时间设置为130ms（即燃料喷洒后，在罐体内部静置的时间为130ms），保证燃料在罐体内部达到稳定均匀分散，电极针点火时间设置为1.5s（即点火能量为90J）[22]。实验在室温（25℃）环境下进行，20L液体爆炸罐内初始压力为101.5kPa，同一工况至少重复3次实验。

1.3比色测温系统标定

FAE的燃爆火焰温度是研究其热毁伤效应的重要指标，能够反映其热毁伤性能和能量释放规律[20]。因此，采用基于黑体辐射理论的比色测温方法对燃爆火焰进行温度场重构。首先，需要对比色测温程序进行温度标定，标定系统如图3（a）所示，该系统由20L液体爆炸罐、可调节电流的电源、钨丝灯、电流表、电压表、高速相机和Python标定程序代码组成。实验选用钨丝灯在1000～3000K范围内对该测温系统的测试精度进行标定，这主要是由于钨的熔点高达3695K[23]，实验时改变电源的电流，记录电流表及电压表的相关数值，计算其电阻，并通过高速相机拍摄此时钨丝灯的图片，采用Python程序将高速相机捕捉到的8bit灰度图像通过插值算法处理，计算得到每个像素点对应的R/G值。最后将钨丝灯的实际温度值T与计算得出的R/G值进行拟合（图3（b）），从图中可以看出，该系统拟合效果极佳，相关系数R2=0.99698，具体映射函数关系式为[20]：

式中：T为温度，K；R、G分别为像素点红色和绿色的分量值。

2结果与讨论

2.1纯环氧丙烷液体燃料的燃爆特性

首先采用20L球形液体爆炸测试系统，对不同浓度的纯环氧丙烷进行燃爆性能测试实验，其质量浓度分别为116、282、448、614、780、946和1112g/m3（考虑避免损耗），对应的最大爆炸超压及压力上升速率如表1和图4所示。

从图4可以看出，随着环氧丙烷质量浓度的增大，其最大燃爆超压和最大压力上升速率均呈现先增大后减小的趋势，并都在质量浓度为780g/m3时达到最大，最大值分别为Δpmax=0.799MPa，（dp/dt）max=52.438MPa/s。当环氧丙烷质量浓度低于780g/m3时，液体爆炸容器内氧气含量相对充足，环氧丙烷液体燃料能够反应完全，其燃爆反应释放的热量随着质量浓度的增大而增大，从而使得最大燃爆超压逐渐上升；同时，由于质量浓度增大导致燃料液滴间的传热距离减小，液滴分子之间的燃烧速率增大，使得最大压力上升速率也随之升高。然而，当环氧丙烷质量浓度高于780g/m3时，罐体内部燃料液滴过多，液滴之间的距离缩短导致相互间的碰撞概率增加，由于液滴的表面张力作用以及液滴与液滴之间的聚集效应，极易汇聚成大液滴，导致部分燃料液滴无法参与燃烧反应或燃烧不充分，且未燃液滴会吸收爆炸容器内燃料燃烧时释放出来的热量，造成最大燃爆超压和最大压力上升速率均减小。

2.2典型金属粉末对环氧丙烷冲击波效应的影响

为了研究典型金属粉末对环氧丙烷冲击波效应的影响，采用20L球形液体爆炸测试系统，研究了添加不同种类及质量比金属粉末的环氧丙烷燃爆过程。由2.1节可以看出，纯环氧丙烷在质量浓度为780g/m3时达到最大燃爆压力Δpmax=0.799MPa，因此，实验选用该质量浓度下的环氧丙烷作为基体燃料，并将不同质量比（I）的金属（Al、Ti、Mg）粉末与其混合均匀，然后测量该固-液混合燃料的冲击波特性。I的计算公式如下：

式中：mmp为典型金属粉末的质量，mPO为环氧丙烷的质量。

实验用固-液混合燃料的配方如表2所示。量取2份等量的环氧丙烷（10mL）分别注入2个烧杯中，并称取2份等量金属粉末与其混合均匀，随后将2个烧杯中的固-液混合燃料分别倒入20L球形液体爆炸测试系统的2个储液罐（A和B）中。

密闭空间中可燃云雾的爆炸特性可以用相关的压力和时间参数来解释[20]。图5为混合燃料燃爆压力及压力上升速率时程曲线，从图中可以看出，在压力上升最初阶段有一个“波动”，对应的时间段与电磁阀开启的时间段吻合，说明该现象出现的原因是由于固-液燃料喷洒过程中高压气体作用导致的；随后，燃爆压力开始上升前压力曲线有一平台区，该平台对应的时间段与本实验的点火延迟时间一致，因此，将压力开始上升的时刻确定为点火时刻（t=t0）。根据固-液混合燃料燃爆反应过程中的热力学、动力学等相关性质，可以将其燃爆反应分为3个阶段：燃爆压力上升区、峰值区和衰减区[24]。计算过程中，最大燃爆超压（Δpmax）值取曲线峰值压力与点火时刻压力的差值，压升时间（Δt）取最大燃爆压力对应的时刻ti与t0的时间间隔[25-26]。

图6为添加3种不同金属粉末固-液混合燃料的燃爆压力曲线、最大燃爆超压及最大压力上升速率，可以看出，3种固-液混合燃料（Al/PO、Ti/PO、Mg/PO）的最大燃爆超压和最大压力上升速率均随金属粉末质量比的增加而增大，并且均高于纯环氧丙烷燃料的最大爆炸超压及最大压力上升速率（图4），这是由于金属粉末加入液体燃料后增大了燃料的体积密度，这不仅提高了固-液混合燃料分子间的碰撞概率，而且还提高了固-液混合燃料系统的内能，使得其燃爆超压上升。同时，结合图7（a）中3种典型金属粉末添加剂的固-液混合燃料的燃爆超压柱状图可以看出，添加不同金属粉末的固-液混合燃料燃爆压力从大到小依次为：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，这是因为，金属粉末的质量热从大到小依次为Al、Mg、Ti（分别为31.3、24.8和20.0MJ/kg）[27]，金属粉末的加入会提高固-液混合燃料的爆热，受限空间内系统的爆热越高，气体往外膨胀做功趋势越大，从而在燃爆压力值上表现得越明显[25]。

图7（b）～（c）分别为添加3种典型金属粉末的固-液混合燃料的燃爆压力上升速率和压升时间变化柱状图。从图中可以看出，随着Al粉、Ti粉和Mg粉质量比的增大，固-液混合燃料的压力上升速率呈现增大的趋势，压升时间的变化趋势与之相反。不同质量比的固-液混合燃料会呈现出4种主要形态，如图8所示，当金属粉末的质量比I=10%时，固-液混合燃料处于过饱和流体状态，金属粉末完全包裹在液体燃料中并随着过饱和悬浮液流动，该质量比下，包裹在金属粉末外部的液体燃料先发生燃爆反应。当I=10%时，3种固-液混合燃料的（dp/dt）max值近似相等，说明此质量比下金属粉对（dp/dt）max的影响较小（见图7（b））。当I=20%时，液体燃料与固体颗粒紧密结合，但固-液混合燃料仍保持流体形态，3种固-液混合燃料的燃爆压力上升速率较I=10%时增加，且不同金属粉对（dp/dt）max的影响开始表现出差异（见图7（b））。当I=30%时，固-液混合燃料的状态不再是流体，颗粒与颗粒之间直接伴随有液体燃料的液桥力作用，使得金属颗粒凝聚在一起，形成包裹液体燃料的絮状团簇，不同金属粉对（dp/dt）max的影响差异开始加大（见图7（b））。随着固-液混合燃料中金属粉质量比增大到I=40%，部分金属粉末无法被润湿且聚集现象加剧[22]，直接影响固-液混合燃料的分散特性和燃爆特性[25]，不同金属粉对（dp/dt）max的影响差异减小（见图7（b）），此时Al/PO、Ti/PO、Mg/PO固-液混合燃料的（dp/dt）max值相较于纯环氧丙烷分别增大了41.91%、39.60%和45.29%。当I≥20%时，与爆炸超压变化规律不同，3种固-液混合燃料的压力上升速率从大到小依次为：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO，这主要是由于金属粉燃点的从大到小依次为：Ti粉、Al粉、Mg粉，燃点越低，金属粉越容易被点燃[28]；此外，Al粉、Ti粉和Mg粉的密度分别为2.70、4.51和1.74g/cm3，在相同的质量比下，金属粉的密度越小，颗粒数越多，从而使系统中金属颗粒间的间隙越小、传热速率加快[25]，使得最大压力上升速率出现上述变化规律。

2.3典型金属粉末对环氧丙烷热毁伤性能的影响

实验将电极开始点火时刻记为零时刻，高速相机拍摄帧率为2000s−1，相邻图像的时间间隔为0.5ms。图9为质量比I=20%的Al/PO固-液混合燃料燃爆火焰传播过程图像，从图中可以看出，t=0～15ms时，混合燃料被点火电极引燃后，以点火电极为中心，燃烧火焰以近似球形缓慢向四周逐步扩散，直至铺满整个燃烧罐。t=15～32ms时，混合燃料燃爆火焰由黄色转变为黄绿色，同时伴随着火焰向罐体中心传播，这是由于在0～15ms时间段内，环氧丙烷被蒸发燃烧。15～32ms时，金属粉末表面包裹着的环氧丙烷液体燃料燃烧反应完全，使得铝粉颗粒完全暴露在球形罐体内部，此时燃烧释放的热量以热传导和火焰热辐射的方式传递给未燃烧的悬浮铝颗粒，传播到外部的火焰迅速向内部收缩。t=32ms时金属粉末完全燃烧形成亮白色爆轰火焰。t=32ms之后，随着燃烧反应的进行，火焰亮度逐渐变暗，并且由于固-液混合燃料沉降的原因，可以清楚地观察到罐体下部伴有零星状火焰直至熄灭。因此，固-液混合燃料的燃爆过程大致可以分为3个阶段：环氧丙烷蒸汽燃烧阶段、固-液燃料混合燃烧阶段和燃烬阶段。

图10选取了4种不同质量比的固-液混合燃料在t=15ms时的火焰图像，随着金属粉质量比I的增大，固-液混合燃料的燃烧机制从液体燃料燃烧反应主导依次向固-液燃料燃烧反应主导和固体燃料燃烧反应主导转变[22]。从图10中Al/PO混合燃料火焰可以看出，随着Al粉质量比I的增大，其火焰颜色也依次从暗黄色转变为亮黄色和黄绿色，其他两种固-液混合燃料火焰颜色也呈现出相同的规律。此外，从图10中还可以看出，添加不同金属粉的固-液混合燃料燃烧机制转变速率从大到小依次为：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO，导致该现象的原因与2.2节中压力上升速率变化规律的影响因素一致，均是由于金属粉颗粒的体积密度（质量比I相同时，低密度金属粉颗粒数量多）和燃点（低燃点金属粉尘更容易点火）不同导致的。

实验采用基于黑体辐射理论的比色测温方法，结合Python程序处理高速相机拍摄得到的火焰传播图像，研究了3种固-液混合燃料在不同质量比I和不同时刻的温度分布特征。图11和图12分别是Al/PO固-液混合燃料在质量比I=20%时的燃爆火焰温度场分布图和不同质量比I时的燃爆火焰平均温度时程曲线。从图中可以看出，在t=0～15ms时，混合燃料燃爆火焰温度分布图中含有部分噪点，这主要是因为该阶段受到点火电极的影响以及燃烧火焰亮度不够（图10），使得比色测温方法捕捉像素点时存在一定误差；在t=15～32ms时，火焰温度骤升，并在该时间段内燃料燃烧火焰最亮，温度达到最高，此时固-液混合燃料燃烧机制由固-液混合燃料燃烧反应主导，燃烧反应最充分，释放的热量最大；t=32ms之后，由于热量的损失高于燃料燃烧释放的热量，火焰温度逐渐下降，然而，由于固体颗粒的沉降作用，使得其燃烧火焰在下部呈现零星状，导致罐体下部燃烧火焰温度偏高，因而平均温度在燃烧后期出现微小的上下波动情况。

图13为3种固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均温度变化曲线，从图中可以看出，3种固-液混合燃料的燃爆平均温度均随着质量比I的增大而升高。这主要是由于金属粉末作为固体高能添加剂释放了大量的热量，从而促进了环氧丙烷云雾的燃爆[29]，使得固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均温度升高。I=10%时，Al/PO和Ti/PO混合燃料燃爆火焰的最大平均温度为1920和1918K，Mg/PO混合燃料燃爆火焰的最大平均温度为1930K，均低于纯环氧丙烷燃烧火焰的最大平均温度（纯环氧丙烷在质量浓度为780g/m3时，燃爆最大平均温度为1937K），这是因为，该质量比时，液体燃料基本完全覆盖住金属粉末，燃爆过程需要将表面的环氧丙燃烧完全后，火焰才能传递到金属粉表面，而包覆在液体燃料内的金属粉（无氧环境）在燃烧前还会吸收热量，从而导致I=10%时的固-液混合燃料温度低于纯环氧丙烷。当质量比I≥20%时，液体燃料无法完全包覆金属粉末，且金属粉末与空气燃烧反应释放出来的热量大大高于纯环氧丙烷，此时固-液混合燃料的燃爆火焰最大平均温度与金属粉的燃烧热密切相关，如图13所示，相同金属粉质量比I下，固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均温度从大到小依次为：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，与固-液混合燃料爆炸超压的变化趋势一致。

3结论

（1）纯环氧丙烷的最佳质量浓度为780g/m3，此时最大燃爆超压和最大压力上升速率分别为Δpmax=0.799MPa，（dp/dt）max=52.438MPa/s。添加相同质量比金属粉末（Al、Ti、Mg）的固-液混合燃料的最大燃爆超压从大到小依次为：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，最大压力上升速率从大到小依次为：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO。

（2）当质量比I=40%时，添加金属粉末（Al、Ti、Mg）固-液混合燃料的Δpmax值相较于纯环氧丙烷分别增加了12.00%、8.41%和11.54%，（dp/dt）max值分别增加了41.91%、39.60%和45.29%，金属粉末的种类对固-液混合燃料的最大燃爆超压和最大压力上升速率影响效果不同。

（3）Al/PO、Ti/PO、Mg/PO固-液混合燃料的燃爆火焰最大平均温度均随金属粉质量比（I）的增大呈不断升高的趋势，当金属粉质量比I≥20%时，固-液混合燃料在相同I下的燃爆火焰最大平均温度从大到小依次为：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，与固-液混合燃料燃爆超压的变化趋势一致。