李芝絨，王勝強(qiáng)，殷俊蘭

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

溫壓炸藥是由高能炸藥、金屬或非金屬超細(xì)燃料粉、黏結(jié)劑、塑性劑按一定比例混合制成［1］，也是一種負(fù)氧平衡炸藥，爆轟過程不向金屬或非金屬燃料粉提供充分的氧氣，燃料微粒與周圍空氣中的氧氣混合，產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，釋放出大量的熱量。相對于高能炸藥，溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓峰值不具有明顯的優(yōu)勢，然而后燃燒過程產(chǎn)生的持續(xù)高溫和壓力效應(yīng)，對密閉／半密閉空間的軟目標(biāo)和有生力量產(chǎn)生大的毀傷作用，因此，溫壓炸藥爆轟和后燃燒過程能量釋放規(guī)律，成為溫壓炸藥配方研究和裝藥工藝研究的重要內(nèi)容。

研究溫壓炸藥能量釋放規(guī)律的試驗方法有密閉／半密閉環(huán)境試驗方法和自由場環(huán)境試驗方法［3］。密閉／半密閉環(huán)境試驗主要模擬地堡、洞穴、船艙等爆炸工況，觀察炸藥爆炸后壓力、燃燒演化和產(chǎn)物擴(kuò)散流動情況。陳昊等［6］在幾個聯(lián)通的密閉空間研究了溫壓炸藥沖擊波超壓傳播規(guī)律；胡宏偉［7］等在爆炸塔中研究PBX 炸藥的沖擊波特性。自由場環(huán)境試驗主要研究溫壓炸藥爆炸沖擊波傳播特性和爆炸火球擴(kuò)散演化特性。相對于密閉／半密閉環(huán)境試驗，自由場環(huán)境試驗方法是次要的實驗方法。

本研究采用密閉爆炸罐裝置，在大氣和充氮?dú)猸h(huán)境中測量了溫壓炸藥和TNT 爆炸的壓力曲線和熱電偶響應(yīng)溫度曲線，研究溫壓炸藥在不同氣體環(huán)境中爆轟和后燃燒特性。

1 實 驗

1.1 樣品制備及實驗裝置

溫壓炸藥由西安近代化學(xué)研究所研制，配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：HMX 64.4%、Al 30%、其他5.6%，密度為1.84g／cm3。TNT（湖北東方化工廠）的密度為1.62g／cm3。將TNT和溫壓炸藥制成1kg的球形，用20gTHL藥柱起爆。球形藥柱由兩個半圓球形藥柱對扣形成，半圓球形藥柱由半圓球形模具壓制而成。在半圓球形藥柱的中心有放置起爆藥柱的凹槽。

實驗爆炸罐內(nèi)徑Φ2.6m，體積26m3，罐體中部壁面上設(shè)有4 個傳感器測試點(diǎn)，實驗環(huán)境為空氣和氮?dú)猸h(huán)境?？諝猸h(huán)境實驗?zāi)M炸藥在大氣環(huán)境下的爆炸工況，充氮環(huán)境實驗?zāi)M炸藥在絕氧環(huán)境下的爆炸工況。充氮試驗前，先由真空泵對罐體抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求時開始充氮?dú)?。?dāng)罐體內(nèi)壓力等于環(huán)境大氣壓力時停止充氮。

試驗時，細(xì)棉線穿過爆炸罐頂部的固定環(huán)，將炸藥懸掛到罐體的幾何中心。試驗測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 試驗測點(diǎn)布置Fig.1 Arrangement of the experimental measuring points

1.2 爆炸效應(yīng)的測量

為了準(zhǔn)確測量爆炸罐內(nèi)壓力-時間信號，本實驗采取分段測量，第一階段急劇變化的沖擊波超壓信號用PCB公司的ICP 型高頻響應(yīng)壓力傳感器測量，量程為6.9MPa。第二階段緩慢變化的低壓信號用昆山傳感器廠的CYG508 壓阻型壓力傳感器測量，量程為1MPa。

瞬態(tài)響應(yīng)熱電偶傳感器［4］測量溫壓炸藥后燃燒過程釋放的熱量，熱電偶偶絲材料為WRe5／26，偶絲直徑為0.2mm，熱響應(yīng)時間小于2ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 密閉空間溫壓炸藥的壓力變化規(guī)律

圖1是溫壓炸藥和TNT 在空氣和氮?dú)猸h(huán)境中的沖擊波超壓及準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量曲線。為便于觀察，分別將TNT 的沖擊波超壓曲線和罐體內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線沿時間軸正方向向右移動一段時間。

圖2 溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中的壓力曲線Fig.2 Overpressure curves of thermobaric explosive and TNT under different gas environments

由圖2可知，溫壓炸藥起爆后在爆炸罐內(nèi)的壓力-時間歷程可分為兩個階段：沖擊波壓力在21μs內(nèi)上升到壓力峰值并快速衰減，沖擊波超壓峰值高，正壓持續(xù)時間短；沖擊波在罐體壁面間來回多次反射，罐體內(nèi)壓力緩慢升高，在100ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定并保持準(zhǔn)靜態(tài)壓力不變。準(zhǔn)靜態(tài)壓力持續(xù)時間長，壓力峰值低，約為沖擊波超壓峰值的三十分之一。

2.2 氧氣對溫壓炸藥爆轟反應(yīng)的影響

溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中爆炸沖擊超壓峰值、沖量、準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量結(jié)果見表1。

表1 兩種炸藥的p、I和p1 值Table 1 The values of p、Iand p1for two explosives

從表1可以看出，空氣環(huán)境溫壓炸藥的沖擊波超壓峰值比氮?dú)猸h(huán)境增加20%，說明氧氣參與了溫壓炸藥的爆轟反應(yīng)，提高了溫壓炸藥的爆轟能量。分析認(rèn)為，在炸藥爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的瞬態(tài)超高壓和熱的作用下，鋁粉中超細(xì)粉末的活性增加［5］，與氧氣產(chǎn)生了燃燒反應(yīng)，釋放的熱量使爆轟波的能量增加，沖擊波超壓峰值增大。

由圖2（a）可知，空氣環(huán)境溫壓炸藥的沖擊波超壓曲線比氮?dú)猸h(huán)境衰減緩慢，正壓持續(xù)時間長，沖量大。說明在沖擊波擴(kuò)展過程中，沖擊波波陣面后的鋁粉與氧氣生二次燃燒反應(yīng)［2］，釋放的熱量使爆轟產(chǎn)物的溫度升高，使沖擊波壓力維持較長的時間不衰減，從而延長了正壓持續(xù)時間，增大了沖量。

2.3 氧氣對溫壓炸藥后燃燒效應(yīng)的影響

表2是溫壓炸藥和TNT 在不同氣體環(huán)境中爆炸熱響應(yīng)溫度和升溫時間測量結(jié)果。

表2 兩種炸藥爆炸熱響應(yīng)溫度測試結(jié)果Table 2 Test results of the response peak temperature of two explosive

從表2和圖2（b）可知，溫壓炸藥在空氣環(huán)境的熱響應(yīng)溫度峰值是氮?dú)猸h(huán)境的4.9倍，準(zhǔn)靜態(tài)壓力是氮?dú)猸h(huán)境的1.8倍，升溫速率比氮?dú)猸h(huán)境快，說明氧氣與鋁粉產(chǎn)生急劇的燃燒反應(yīng)，釋放大量的熱量，使罐體內(nèi)的溫度升高、壓力增大。炸藥爆轟反應(yīng)后，沖擊波在罐體壁面之間來回多次反射，促進(jìn)了鋁粉與空氣的混合。鋁粉與氧氣產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，釋放大量的燃燒熱。按照理想氣體的絕熱方程，燃燒熱使爆轟產(chǎn)物氣體的溫度升高，壓力增大。隨著燃燒反應(yīng)釋放的能量增多，罐體內(nèi)溫度、壓力緩慢升高。當(dāng)燃燒反應(yīng)完成后，罐體內(nèi)的溫度、壓力達(dá)到了最大值并保持穩(wěn)定不變。實驗結(jié)果表明，在26m3的爆炸罐內(nèi)，1kg溫壓炸藥在100ms時間內(nèi)，燃燒反應(yīng)基本完成。

2.4 TNT 溫壓效應(yīng)分析

TNT 是一種典型的負(fù)氧平衡炸藥，氧平衡值為-0.74g／g，氧的不足使爆炸產(chǎn)物中存在還沒有釋放的潛在化學(xué)能。從表1和表2可以看出，空氣環(huán)境TNT 的沖擊波超壓峰值比氮?dú)猸h(huán)境大，準(zhǔn)靜態(tài)壓力、熱響應(yīng)溫度峰值也比氮?dú)猸h(huán)境高，說明TNT的爆轟產(chǎn)物與介質(zhì)中的氧氣發(fā)生了劇烈的氧化反應(yīng)，釋放了大量的燃燒熱。與溫壓炸藥在空氣環(huán)境的爆炸參量相比，同樣產(chǎn)生了沖擊波壓力效應(yīng)和熱效應(yīng)，只是由于TNT 后燃燒反應(yīng)釋放的熱量比溫壓炸藥少，形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力和熱響應(yīng)溫度低，溫壓效應(yīng)相對弱。因此，可以認(rèn)為TNT 是一種溫壓效應(yīng)不顯著的溫壓炸藥。

3 結(jié) 論

（1）溫壓炸藥在爆轟過程中，氧氣與超細(xì)鋁粉產(chǎn)生氧化反應(yīng)，使空氣環(huán)境中的沖擊波超壓峰值、沖量比氮?dú)猸h(huán)境略高；在后燃燒階段，氧氣與鋁粉產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，釋放大量的燃燒熱，使爆炸罐內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力和熱響應(yīng)溫度峰值比氮?dú)猸h(huán)境顯著增大。

（2）TNT 的爆轟產(chǎn)物與氧氣產(chǎn)生劇烈的后燃燒反應(yīng)，釋放大量的燃燒熱，產(chǎn)生溫壓效應(yīng)。認(rèn)為TNT 是一種溫壓效應(yīng)不顯著的溫壓炸藥。

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