張玉磊，李芝絨，蔣海燕，翟紅波，袁建飛，仲 凱

（西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安，710065）

初始?jí)毫?duì)TNT密閉空間爆炸溫度的影響

張玉磊，李芝絨，蔣海燕，翟紅波，袁建飛，仲 凱

（西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安，710065）

為研究密閉空間內(nèi)初始?jí)毫?duì)TNT炸藥爆炸溫度的影響，采用真空爆炸罐測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了不同初始?jí)毫l件下0.5kg和1kg藥量TNT內(nèi)爆炸溫度試驗(yàn)研究，對(duì)測(cè)試所得的溫度峰值、峰值到達(dá)時(shí)間、溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：初始?jí)毫ο嗤瑮l件下，爆炸溫度峰值與藥量成正比；同等藥量條件下，爆炸溫度峰值、峰值到達(dá)時(shí)間及溫度上升速率隨初始?jí)毫Φ南陆刀黾樱逯岛蟮臏囟认陆邓俾孰S初始?jí)毫ο陆刀鴾p??；隨著壓力的降低，1kgTNT和0.5kgTNT爆炸溫度峰值的比值呈線性減小，當(dāng)初始?jí)毫Σ煌瑫r(shí)，小藥量TNT的爆炸溫度峰值可大于大藥量TNT的爆炸溫度峰值。

炸藥；內(nèi)爆炸；初始?jí)毫?；爆炸溫度；真空爆炸?/p>

在非密閉環(huán)境，由于炸藥爆炸沖擊波的作用范圍大于熱作用的范圍，且在極短的爆炸反應(yīng)時(shí)間內(nèi)熱效應(yīng)難以積累，熱毀傷難以實(shí)現(xiàn)，因此研究人員對(duì)炸藥爆炸作用研究重點(diǎn)集中于沖擊傷效應(yīng)[1-2]。而在密閉空間內(nèi)，由于固壁的屏障作用，熱效應(yīng)得以累計(jì)，熱毀傷不可忽略。隨著研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的熱毀傷具有沖擊波毀傷不具有的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，由于爆炸產(chǎn)生的灼熱空氣流體對(duì)人員造成的吸入性損傷甚至超過(guò)了沖擊波損傷[3]。熱毀傷威力主要取決于爆炸產(chǎn)物的最高溫度、溫度持續(xù)時(shí)間、溫度上升速率等參數(shù)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體介質(zhì)的溫度與其壓力密切相關(guān)[4]，研究在不同的壓力環(huán)境下炸藥爆炸溫度的變化規(guī)律具有重要的意義。

炸藥爆炸后，周?chē)鷼怏w介質(zhì)溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高到幾千攝氏度，由于爆炸場(chǎng)環(huán)境具有高壓、高沖擊等特點(diǎn)，因而對(duì)測(cè)試設(shè)備的穩(wěn)定性要求極高[5]。目前，溫度測(cè)量主要有非接觸式測(cè)溫（光譜法和輻射法等），以及接觸式測(cè)溫（熱電偶等）。對(duì)于密閉爆炸罐內(nèi)爆炸測(cè)溫，接觸式測(cè)量是一種可行方法，即在罐內(nèi)壁安裝快速響應(yīng)熱電偶記錄爆炸溫度，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)[6-7]。

本研究以大型爆炸罐為典型密閉空間試驗(yàn)裝置，通過(guò)控制密閉爆炸罐內(nèi)壓力，采用W-Re5/26熱電偶測(cè)量得到了TNT炸藥在不同罐內(nèi)初始?jí)毫ο碌谋囟龋⒎治隽斯迌?nèi)初始?jí)毫蜏囟鹊年P(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)條件下，爆炸反應(yīng)所釋放的化學(xué)能絕大部分用來(lái)使反應(yīng)后的氣體從初始溫升到爆炸溫度，極少部分傳遞給周?chē)沫h(huán)境，又由于爆炸是在瞬間完成，爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量通過(guò)器壁傳給外界的量極少，接近絕熱，因此內(nèi)爆炸過(guò)程可以認(rèn)為是絕熱恒容過(guò)程[8]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境條件

本實(shí)驗(yàn)樣品為壓制TNT藥柱，長(zhǎng)徑比1:1，密度1.57g/cm3，質(zhì)量為0.5kg和1kg。采用端面中心起爆，起爆藥為JH-14，質(zhì)量10g，用8#銅殼電雷管起爆。試驗(yàn)裝置為真空爆炸罐，如圖1所示。

圖1 真空爆炸罐裝置Fig. 1 Explosion vessel

圖2 數(shù)字真空計(jì)Fig.2 Digital vacuum gauge

爆炸罐為一膠囊形，直徑Φ2.6m，圓柱部長(zhǎng)3.2m，其主體由抗爆承壓層、隔音層和內(nèi)襯裝甲層構(gòu)成，0.5h內(nèi)可達(dá)到或小于1×103Pa。爆炸罐內(nèi)的真空度可由其配套的數(shù)字真空計(jì)讀出，如圖2所示。爆炸溫度測(cè)量傳感器為自制的W-Re5/26裸露型熱電偶，偶絲直徑0.2mm，響應(yīng)時(shí)間小于10ms，測(cè)量范圍0～2 500℃。

試驗(yàn)時(shí)，藥柱懸掛于爆炸罐內(nèi)頂固定環(huán)上，并使其位于爆炸罐幾何中心，熱電偶安裝于距離爆心1 140mm的法蘭盤(pán)上，熱電偶敏感端指向爆心，實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。罐內(nèi)初始?jí)毫Ψ謩e為常壓、50kPa、20kPa、10kPa和5kPa。

圖3 內(nèi)爆試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Test equipment of inner explosion and monitoring point arrangement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度峰值及其到達(dá)時(shí)間

圖4～5給出了0.5kg和1kgTNT藥柱在不同初始?jí)毫ο聹y(cè)得的溫度變化曲線。

圖4 不同初始?jí)毫ο?.5kgTNT爆炸溫度曲線Fig. 4 The curves of 0.5kg TNT’s explosion temperature under different initial pressure

圖5 不同初始?jí)毫ο?kgTNT爆炸溫度曲線Fig. 5 The curves of 1kg TNT’s explosion temperature under different initial pressures

從圖4和圖5可見(jiàn)，藥柱引爆后，爆炸罐內(nèi)溫度經(jīng)過(guò)短暫延遲時(shí)間后迅速上升到最高值，此后相對(duì)緩慢下降，1s后溫度仍大于200℃。溫度峰值Tmax和溫度峰值的到達(dá)時(shí)間t見(jiàn)表1。

表1 不同工況下響應(yīng)溫度峰值及到達(dá)時(shí)間Tab.1 The peaks of response temperature and its arrival times under different working conditions

由表1可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，隨著罐內(nèi)初始?jí)毫Φ南陆?，TNT的爆炸溫度峰值呈上升趨勢(shì)。隨著壓力降低，氣體介質(zhì)密度降低，爆炸后罐內(nèi)被加熱的空氣質(zhì)量也隨之減少，因此達(dá)到的溫度峰值隨著初始?jí)毫Φ南陆刀仙．?dāng)初始?jí)毫τ沙合陆档?kPa，1kgTNT爆炸溫度峰值由965℃上升到1 328℃，0.5kgTNT爆炸溫度峰值由557℃上升到1 033℃。在相同初始?jí)毫l件下，爆炸溫度峰值與裝藥量成正比，這是裝藥量越大熱能釋放越多的結(jié)果。

由表1還可以看出，溫度峰值到達(dá)時(shí)間有一定離散性。剔除0.5kg、10kPa試驗(yàn)工況的試驗(yàn)結(jié)果，仍可發(fā)現(xiàn)隨著罐內(nèi)初始?jí)毫Φ南陆?，溫度峰值的到達(dá)時(shí)間呈上升趨勢(shì)。這表明，初始?jí)毫档?，罐?nèi)氣體的溫升時(shí)間更長(zhǎng)、峰值更高、熱效應(yīng)更為顯著。

對(duì)峰值結(jié)果進(jìn)行線性和二項(xiàng)式擬合，如圖6所示，并得到0.5kg和1kg內(nèi)爆炸的經(jīng)驗(yàn)公式，如表2所示。

圖6 溫度峰值——初始?jí)毫η€圖Fig. 6 Curves of peak temperature vs initial pressures

表2 試驗(yàn)值公式擬合結(jié)果Tab.2 Trial values and fitting formulas

從擬合結(jié)果來(lái)看，二項(xiàng)式擬合精度已達(dá)到0.99。圖中直線和虛線的兩交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的罐內(nèi)初始?jí)毫s為20kPa和100kPa，當(dāng)壓力位于此區(qū)間時(shí)，實(shí)線位于虛線下方，當(dāng)壓力小于20kPa時(shí)，實(shí)線位于虛線上方。這表明，壓力剛開(kāi)始降低時(shí)，溫度峰值升高較為緩慢，當(dāng)壓力下降到20kPa及更低時(shí)，溫度峰值上升更為迅速，換言之，溫度峰值的增加隨著壓力的降低而加劇。

2.2 溫度變化速率分析

在溫度上升階段，圖4～5中初始?jí)毫Ω叩臏厣€位于壓力低的溫升曲線的下方（除0.5kg、20kPa試驗(yàn)條件外），表明初始?jí)毫υ叫囟壬咴娇?，即在相同的上升時(shí)間內(nèi)，爆炸溫度值隨著初始?jí)毫Φ南陆刀?。常壓?kgTNT爆炸后達(dá)到最高溫度965℃的時(shí)間為0.108s，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的50kPa、10kPa和5kPa條件下的溫度分別為1 002.6℃、1 163.6℃和1 236.7℃，均處于上升階段且初始?jí)毫υ叫囟戎翟礁摺＿@主要是由于低壓環(huán)境空氣介質(zhì)密度低，熱阻抗明顯減小，從而溫度升高快。

在溫度下降階段，初始?jí)毫?kPa、10kPa、20kPa時(shí)，爆炸溫度近似呈線性下降；而50kPa和常壓時(shí)呈指數(shù)下降，溫度峰值后短時(shí)間內(nèi)溫度下降極為迅速，之后趨于平緩。究其原因，可能是與低壓環(huán)境相比，常壓空氣介質(zhì)密度高、質(zhì)量大，維持所需熱量更大，一旦放熱結(jié)束，溫度下降極為迅速[9]。當(dāng)時(shí)間位于0.3～0.4s時(shí)，罐內(nèi)初始?jí)毫?0kPa和常壓時(shí)的爆炸——溫度迅速下降階段結(jié)束，進(jìn)入緩慢下降區(qū)，而初始?jí)毫π∮?0kPa的爆炸溫度仍保持近似直線下降，指數(shù)下降與線性下降造成溫度差值最大。這表明，在低壓環(huán)境下，熱效應(yīng)維持時(shí)間較常壓環(huán)境長(zhǎng)，對(duì)目標(biāo)的熱作用更持久。

2.3 不同初始?jí)毫ο滤幜繉?duì)溫度峰值的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同初始?jí)毫l件下，藥量對(duì)爆炸溫度峰值的影響程度有所差異。計(jì)算表2中1kgTNT和0.5kgTNT爆炸在不同初始?jí)毫ο碌谋胤逯档谋戎担玫饺鐖D7所示曲線。

圖7 不同初始?jí)毫l件下兩種藥量爆炸溫度峰值比值Fig.7 Ratio of two charge masses’ peak temperature under different pressures

由圖7可知，隨著壓力的降低，1kgTNT和0.5kg TNT爆炸溫度峰值比值呈線性減小，在常壓環(huán)境下，爆炸溫度峰值比值為1.73，壓力為5kPa時(shí)減小為1.26?？梢?jiàn)，初始?jí)毫υ叫?，藥量造成溫度峰值的差異越小。此外，隨著壓力的下降，0.5kgTNT爆炸溫度峰值增加量較1kgTNT大。0.5kgTNT藥柱在常壓下溫度為557℃，5kPa時(shí)達(dá)到了1 033℃，提高了1.85倍；1kgTNT藥柱在常壓下溫度為965℃，5kPa時(shí)為1 328℃，提高了1.38倍。在不同壓力條件下，小藥量TNT的爆炸溫度峰值可大于大藥量TNT的爆炸溫度峰值，如0.5kg TNT在10kPa和5kPa時(shí)的溫度峰值分別高于1kgTNT常壓下的溫度峰值。

3 結(jié)論

（1）相同初始?jí)毫l件下，TNT爆炸溫度峰值隨藥量的增加而增加；相同藥量條件下，TNT的爆炸溫度峰值及峰值到達(dá)時(shí)間隨初始?jí)毫Φ臏p小而增加。

（2）在溫度上升階段，溫度上升速率隨初始?jí)毫Φ臏p小而增加；在溫度下降階段，總體趨勢(shì)為溫度下降速率隨初始?jí)毫Φ臏p小而減小，其中初始?jí)毫?kPa、10kPa、20kPa時(shí)，爆炸溫度近似呈線性下降；而50kPa和常壓時(shí)呈指數(shù)下降。

（3）隨著初始?jí)毫Φ臏p小，1kgTNT和0.5kgTNT爆炸溫度峰值比值近似呈線性減小，由藥量造成溫度峰值的差異隨壓力降低而減??；在不同初始?jí)毫l件下，小藥量TNT的爆炸溫度峰值可大于大藥量TNT的爆炸溫度峰值。

[1]郭學(xué)永,李斌,解立峰.溫壓藥劑的熱毀傷研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008(31):16-19．

[2]Davies P A．A guide to the evaluation of condensed phase explosives[J]．Journal of Hazardous Materials,1993(33):1-33.

[3]Nabil M.Elsayed，James L.Atkins著.爆炸與沖擊相關(guān)損傷[M]. 蔡繼峰,譯.北京:人民衛(wèi)生出版社,2011．

[4]李潤(rùn)之,黃子超,司榮軍.環(huán)境溫度對(duì)瓦斯爆炸壓力及壓力上升速率的影響[J].爆炸與沖擊,2013,33(4):415-419．

[5]李媛媛,王建靈,徐洪濤.Al-HMX混合炸藥爆炸場(chǎng)溫度的試驗(yàn)研究[J].含能材料,2008,16(3):241-243．

[6]李秀麗,惠君明,解立峰.紅外熱成像技術(shù)在云團(tuán)爆炸測(cè)溫中的應(yīng)用[J].含能材料,2008,16(3):344-348．

[7]李媛媛,南海.半密閉條件下爆炸場(chǎng)的溫度與壓力測(cè)量[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008,31(1):48-52.

[8]王志榮,蔣軍成,李玲.容器內(nèi)可燃?xì)怏w燃爆溫度與壓力的計(jì)算方法[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26(1):9-12．

[9]虎剛,吳金濤.充氣條件下陀螺馬達(dá)的溫升特性研究[J]．宇航學(xué)報(bào),2007,28(5):1 167-1 170．

[10]於津,彭金華,張?zhí)?等.基于量綱分析的FAE爆炸場(chǎng)云霧膨脹半徑的計(jì)算[J].彈箭與指導(dǎo)學(xué)報(bào),2004,24(4):142-144．

Influence of Initial Pressure on the Explosion Temperature of TNT in Enclosed Space

ZHANG Yu-lei，LI Zhi-rong，JIANG Hai-yan，ZHAI Hong-bo，YUAN Jian-fei，ZHONG Kai
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065)

In order to research the influence of initial pressure on the explosion temperature of TNT in enclosed space, vacuum explosion vessel test system was adopted. Under different initial pressures, the explosion temperatures of 0.5kg TNT and 1kg TNT were studied through experiments respectively. The peak temperatures and the corresponding time as well as the variation trends of temperature were researched. The result shows that under the same initial pressure, the peak temperature is proportional to the charge mass. With the same charge mass, when the initial pressure declines, the peak temperature and the time to reach it, as well as the temperature’s climbing speed all increase, while the temperature’s lowering speed decreases after it gets the peak. With the decrease of pressure, the ratio of 1kg TNT’s and 0.5kg TNT’s peak temperatures decreases linearly. When the initial pressures are different, the peak temperature of smaller charge mass can be higher than that of the larger charge mass.

Explosive；Inner explosion；Initial pressure；Explosion temperature； Vacuum explosion vessel

TQ564.3

A

1003-1480（2016）06-0044-04

2016-07-21

張玉磊（1987-），男，工程師，主要從事爆炸毀傷測(cè)試與評(píng)估技術(shù)研究。