胡宏偉 宋 浦 鄧國(guó)強(qiáng) 肖 川

1 西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065

2 軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院, 北京 100036

3 中國(guó)兵器科學(xué)研究院, 北京 100089

1 引 言

傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部主要通過(guò)爆炸沖擊波、金屬破片和射流等毀傷元素殺傷目標(biāo), 對(duì)隱蔽在地道、洞穴、堅(jiān)固建筑物等復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)內(nèi)部人員, 設(shè)備的殺傷效果并不理想. 為了克服這項(xiàng)短板, 俄羅斯、美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)相繼研發(fā)了溫壓炸藥和溫壓彈 (Wildegger-Gaissmaier 2003, McFadden 2003, 郭美芳2003). 溫壓彈作為一種高效能武器, 從20 世紀(jì)80 年代的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)到2019 年的敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng), 均發(fā)揮了巨大作用, 取得了良好的作戰(zhàn)效果.

溫壓武器是指裝填溫壓炸藥的武器裝備, 通常被劃分入體積爆轟武器類別 (李林2005,Trzciński et al. 2015) . 溫壓炸藥是從其殺傷元素 (熱、壓力) 來(lái)命名的, “thermobaric”是一個(gè)合成詞語(yǔ), 來(lái)自于希臘語(yǔ)“therme”和“baros”, 兩個(gè)單詞的意思分別為“熱”和“壓力”, 意味著溫壓炸藥主要利用高強(qiáng)度熱和壓力毀傷目標(biāo) (Trzciński et al. 2015, Lemi TüRKER 2016) . 溫壓炸藥基于燃燒和爆炸兩種釋能方式產(chǎn)生高強(qiáng)度的熱和長(zhǎng)時(shí)間的壓力, 爆炸形成的高溫火球和爆炸波可以沿廊道傳播并繞過(guò)角落進(jìn)入到破片不能到達(dá)的地方, 在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地下坑道和設(shè)施中具有獨(dú)特的殺傷機(jī)制和優(yōu)勢(shì), 是傳統(tǒng)彈藥(以破片或金屬射流作為主要?dú)侄?難以比擬的.

俄羅斯是第一個(gè)開發(fā)溫壓武器的國(guó)家, 在阿富汗、車臣戰(zhàn)爭(zhēng)和克里米亞和2019 年的敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng)中均大量使用了該類武器. 1984 年裝備的RPO-A Schmel 步兵用火箭彈, 被公認(rèn)為是世界上第一款溫壓武器, 阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中, 對(duì)洞穴和隧道系統(tǒng)中目標(biāo)造成了嚴(yán)重破壞 (Schaefer & Nicolich 2015) . 但直到2003 年3 月5 日, 美軍轟炸阿富汗東部的加德茲山脈之后, CNN 對(duì)全球進(jìn)行了播報(bào), “溫壓武器” 、 “溫壓彈”和“溫壓炸藥”才被全世界廣泛知道, 這種新型武器在世界范圍內(nèi)受到了極大關(guān)注. 2019 年的敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng)中, 俄羅斯在敘利亞的哈馬省和伊德利卜投擲了五枚制ODAB-500PM 型溫壓彈 (圖1) , 直接造成上千名的恐怖分子及多名美軍軍事顧問(wèn)喪生(圖2) . 俄羅斯還為每個(gè)團(tuán)級(jí)作戰(zhàn)部隊(duì)都配置了日炙 (TOS-1/TOS-2) 溫壓火箭彈.

圖 1 (a)俄制ODAB-500PM 型溫壓彈,(b)俄軍使用溫壓彈打擊敘利亞恐怖分子(2019 年敘利亞戰(zhàn)爭(zhēng))

圖 2 溫壓炸藥有限空間內(nèi)部爆炸的三個(gè)階段(Arnold &Rottenkolber 2007,2008)

但國(guó)內(nèi)對(duì)于溫壓炸藥的概念與內(nèi)涵、爆炸機(jī)理、殺傷機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)、深入的研究, 本文總結(jié)與分析了國(guó)內(nèi)外溫壓炸藥的研究進(jìn)展, 以期更深入理解溫壓炸藥的爆炸物理本質(zhì), 為高威力溫壓炸藥的設(shè)計(jì)、溫壓彈的研制及毀傷效應(yīng)評(píng)估提供指導(dǎo).

2 溫壓爆炸的基本原理

溫壓炸藥一般由高爆炸藥、高熱值金屬粉和粘結(jié)劑/鈍化劑/增塑劑等組分組成, 溫壓爆炸的原理與粉塵和氣體爆炸類似. 其中高爆炸藥和燃料是預(yù)先混合好的, 燃料擴(kuò)散是通過(guò)爆轟實(shí)現(xiàn)的 (鋁粉等燃料在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)很少或基本不反應(yīng)) , 燃料、未反應(yīng)完全的爆轟產(chǎn)物和空氣混合發(fā)生爆燃和燃燒反應(yīng). 溫壓炸藥的爆炸過(guò)程一般分為三個(gè)階段.

(1) 爆轟反應(yīng): 爆轟波在裝藥中的傳播過(guò)程, 持續(xù)時(shí)間為微秒或少于微秒, 燃料粒子向周圍拋灑, 但幾乎未反應(yīng);

(2) 厭氧燃燒反應(yīng): 絕熱膨脹過(guò)程, 燃料粒子 (Al 粉等) 與其他爆轟產(chǎn)物 (NO、CO、H2O 等)反應(yīng), 空氣未參與反應(yīng), 持續(xù)時(shí)間為數(shù)百微秒;

(3) 后燃燒反應(yīng): 燃料粒子 (Al 粉等) 與空氣中的氧混合燃燒, 燃料和未氧化完全的爆轟產(chǎn)物與空氣中的氧進(jìn)一步燃燒反應(yīng), 持續(xù)時(shí)間為毫秒到秒.

溫壓炸藥有限空間內(nèi)部爆炸的三個(gè)階段如圖2 所示.

圖 3 HE,TBX 和EBX 的爆炸波壓力歷程(Trzciński et al.2015)

溫壓炸藥的一個(gè)重要特征是具有爆炸增強(qiáng)效應(yīng), 其主要控制因素如下: (1)應(yīng)用環(huán)境為受限空間, 開放環(huán)境中, 燃料粒子和爆轟產(chǎn)物的快速擴(kuò)散降低了反應(yīng)效率, 后燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不能做有效機(jī)械功; (2)大部分燃料粒子 (Al, Mg, B, Ti 和Zr 等) 在爆轟過(guò)程中未反應(yīng), 為后燃燒反應(yīng)提供大量高熱值燃料; (3)具有合適的點(diǎn)火刺激源并有足夠的氧用于維持燃燒反應(yīng)的持續(xù)性;(4)燃料粒子與空氣的混合程度決定了燃料的反應(yīng)釋能效率. 與粉塵爆炸的必要條件相比, 溫壓炸藥多了控制因素.

可見(jiàn), 溫壓爆炸是點(diǎn)爆轟和云霧爆轟的結(jié)合體, 爆炸初期 (爆轟反應(yīng)和厭氧燃燒反應(yīng)) 為凝聚態(tài)炸藥的點(diǎn)爆轟, 后燃燒反應(yīng)則與云霧爆轟類似, 燃料與空氣混合反應(yīng)釋放能量.

3 溫壓炸藥的概念和內(nèi)涵

理解溫壓炸藥的本質(zhì)是設(shè)計(jì)和使用溫壓炸藥的基礎(chǔ), 目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫壓炸藥的概念和范疇還不明確. Mohamed 等 (2016) 認(rèn)為溫壓炸藥的組成、作用過(guò)程和爆炸功效都明顯區(qū)別于一般的含鋁炸藥. 楊志劍等 (2017) 指出“一般含鋁炸藥的鋁含量不超過(guò)20%, 這是因?yàn)槠渲械匿X主要與炸藥爆炸的氣體產(chǎn)物反應(yīng), 需要與炸藥之間保持一定的氧平衡. 而溫壓炸藥中的鋁含量通常更高, 鋁主要與周圍空氣中的氧氣反應(yīng), 有高溫產(chǎn)物進(jìn)行二次點(diǎn)火, 溫度效果更高”. 其實(shí), 無(wú)論基于鋁含量還是后燃燒反應(yīng)來(lái)區(qū)分溫壓炸藥與含鋁炸藥, 界面都是模糊不清的, 因?yàn)槲淦餮b備中使用的溫壓炸藥都含有鋁粉等金屬燃料, 具有溫壓效應(yīng), 例如, 美軍的BLU-121/B 溫壓侵徹彈(Jane’s Air-Launched Weapons, 26-May-2020)和炸彈之母 (MOAB) (Barbara 2003)裝填均是Tritonal 炸藥, 該炸藥由80% TNT 和20%鋁粉組成. 但為了獲得較大的溫壓效應(yīng), 溫壓炸藥的鋁含量一般在20% ~ 30%范圍. 因此, 精細(xì)化控制爆炸能量輸出結(jié)構(gòu), 獲得較優(yōu)的溫壓效應(yīng)是設(shè)計(jì)溫壓炸藥的關(guān)鍵 (王曉峰 2016) .

歐洲導(dǎo)彈系統(tǒng)公司德國(guó)戰(zhàn)斗部子公司(MBDA-TDW)的Arnold 和 Rottenkolber (2007)在“溫壓裝藥: 模型和測(cè)試”一文中指出: “溫壓炸藥是一種富燃料炸藥 (或負(fù)氧炸藥) , 它的爆轟產(chǎn)物中含有大量未完全氧化的爆轟產(chǎn)物和未反應(yīng)燃料顆粒, 炸藥爆轟后, 這些未完全氧化的爆轟產(chǎn)物和未反應(yīng)燃料顆粒與空氣中的氧發(fā)生燃燒反應(yīng), 可獲得附加能量, 這種爆轟后的反應(yīng)釋能現(xiàn)象稱為溫壓效應(yīng). 下面以近似零氧平衡的泰安 (PETN) 、嚴(yán)重負(fù)氧平衡的梯恩梯 (TNT) 和含鋁炸藥(Tritonal) 為例對(duì)溫壓效應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明.

(1) 近零氧平衡的炸藥 (PETN)

燃料和氧化劑的化學(xué)計(jì)量比可以使爆轟產(chǎn)物完全氧化, 無(wú)需額外的氧化劑, 炸藥本身承載了所有可利用能量.

例如季戊四醇四硝酸酯 (PETN) :

爆轟反應(yīng)

燃燒反應(yīng)

由上式可知, PETN 爆轟反應(yīng)后, 僅有2 mol 燃料 (CO) 具有與空氣中氧反應(yīng)的潛力, 后燃燒熱1.79 kJ/g, 僅為PETN 爆熱的30.9% (PETN 的爆熱為5.80 kJ/g) , 溫壓效應(yīng)較小.

(2) 嚴(yán)重負(fù)氧平衡的炸藥 (TNT)

嚴(yán)重負(fù)氧平衡, 爆轟產(chǎn)物中含有許多未氧化的物質(zhì), 可與空氣中氧進(jìn)行反應(yīng).

爆轟反應(yīng)

燃燒反應(yīng)

TNT 爆轟反應(yīng)后, 2mol CO, 0.5mol H2和4mol C 可與空氣中的氧反應(yīng)釋放能量, 若2 mol CO, 0.5 mol H2和4 mol C 完全反應(yīng), 燃燒熱為10.05 kJ/g, 但實(shí)際上TNT 爆轟后存在較多的黑煙, 說(shuō)明爆轟產(chǎn)物中大量C 并未完全燃燒反應(yīng). Arnold 和 Rottenkolber (2007) 計(jì)算得到TNT 爆轟后的后燃燒熱為8.1 kJ/g, 為TNT 爆熱 (4.52kJ/g) 的179.2%, 溫壓效應(yīng)較大.

(3) 含鋁炸藥 (Tritonal)

該炸藥由80%的TNT 和20%的鋁粉組成, 計(jì)算得到1.0 kg 混合炸藥的化學(xué)分子式為C24.67H17.62O21.15N21.15Al7.41, 按爆轟產(chǎn)物為CO2計(jì)算, 其氧平衡為-0.77, 采用B-W 方法確定反應(yīng)方程式.

爆轟反應(yīng) (假設(shè)鋁粉不參與爆轟反應(yīng))

燃燒反應(yīng)

Tritonal 炸藥爆轟后, 12.34 mol CO, 12.33 mol C 和7.41 mol Al 可與空氣中的氧反應(yīng)釋放14442 kJ 能量, 每單位質(zhì)量炸藥燃燒釋放的能量為14.44 kJ/g, 為Tritonal 爆熱 (7.41 kJ/g) 的194.9%, 接近2 倍, 溫壓效應(yīng)非常大.準(zhǔn)值, 才可稱為溫壓炸藥. Gerber 等(2010)提出將后燃燒能與爆轟能的比值ΔHAB/ΔHD≥2作為溫壓炸藥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 這里建議將ΔHAB/ΔHD≥2作為判定溫壓效應(yīng)的基準(zhǔn).

依據(jù)上述分析, 可明確溫壓效應(yīng)為: 炸藥爆轟后, 爆轟產(chǎn)物、燃料與空氣中氧發(fā)生快速燃燒反應(yīng)釋放能量的現(xiàn)象. 因此, 可基于溫壓效應(yīng)來(lái)區(qū)分溫壓炸藥和非溫壓炸藥, 然而富燃料 (或負(fù)氧平衡) 的炸藥均具有溫壓效應(yīng), 需設(shè)定一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn), 即溫壓效應(yīng) (或后燃燒能量) 高于某個(gè)標(biāo)

4 溫壓炸藥的特征

4.1 溫壓炸藥的種類及釋能特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)溫壓炸藥還沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法, 主要的分類依據(jù)有炸藥組成、能量釋放特點(diǎn)和起爆方式等. 目前, 國(guó)內(nèi)外溫壓炸藥主要包括TBX 和EBX, 其主要特征如下.

(1) 溫壓炸藥 (Thermobaric explosioves, TBX)

包括液固和全固兩類, 液固型主要由硝基甲烷(NM)、硝酸異丙酯(IPN)和Mg 粉組成, 開發(fā)和使用者主要是俄羅斯, IPN 的閃電點(diǎn)火溫度22 ℃, 很容易氣化和點(diǎn)火, 其燃燒產(chǎn)生的炙熱氣體能夠支持金屬的燃燒, 可能達(dá)到100%的燃燒效率, 但在安全性、儲(chǔ)存等方面存在問(wèn)題. 固態(tài)溫壓炸藥, 一般由高爆炸藥 (RDX, HMX 等) 、金屬燃料 (B, Al, Si, Ti 和Zr 等) 和端羥粘結(jié)劑等組成,其優(yōu)勢(shì)是安全性好, 劣勢(shì)是金屬燃料不完全燃燒. 因此, 燃料組分一般不超過(guò)35%, 大多數(shù)保持在20% ~ 30%范圍.

TBX 主要是為了增加爆炸的溫度和壓力, 這類炸藥具有爆轟-爆燃-后燃燒三階段釋能結(jié)構(gòu),起爆方式為一次起爆. 燃燒反應(yīng)主要由燃料和空氣中氧氣反應(yīng)主導(dǎo), 增強(qiáng)后燃燒能量.

(2) 增強(qiáng)爆炸炸藥 (enhanced blast explosives, EBX)

EBX 的組分與固態(tài)TBX 類似, 但EBX 主要是增加沖擊波 (可達(dá)秒級(jí)) , 兩類炸藥可以依據(jù)后燃燒能量和反應(yīng)尺度進(jìn)行劃分. EBX 這類材料, 主要進(jìn)行厭氧燃燒反應(yīng) (空氣中氧并沒(méi)有參與) , 即爆轟波掠過(guò)后, 大多數(shù)燃料與爆轟產(chǎn)物反應(yīng) (數(shù)百微妙) , 用于增強(qiáng)沖擊波. 這類炸藥具有爆轟-爆燃二階段釋能結(jié)構(gòu), 起爆方式為一次起爆.

除了上述兩類溫壓炸藥, 科學(xué)家們還試圖利用裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)提升溫壓效應(yīng), Trzcin′ski 和 Barcz(2012, 2014) 開發(fā)了一種沖擊分散裝藥 (shock dispersed charge, SFE) , 這類裝藥兼具燃料空氣炸藥和溫壓炸藥的特點(diǎn). 裝藥結(jié)構(gòu)與燃料空氣炸藥類似, 由中心藥柱 (稱為芯, 通常為高爆炸藥) 和外部燃料組成, 高爆炸藥與燃料是分開的, 外層燃料是固態(tài)的; 爆炸反應(yīng)與溫壓炸藥類似, 爆炸反應(yīng)包含兩個(gè)行為階段: (1) 中心高能炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)驅(qū)動(dòng)燃料分散; (2) 外層燃料與周圍空氣混合, 消耗空氣中的氧進(jìn)行有氧反應(yīng).

高爆炸藥、溫壓炸藥和爆破增強(qiáng)炸藥的沖擊波壓力-時(shí)間歷程對(duì)比如圖3 所示.

表1 為不同類型溫壓炸藥/裝藥的反應(yīng)特征及應(yīng)用環(huán)境對(duì)比.

表 1 不同類型溫壓炸藥/裝藥的反應(yīng)特征及應(yīng)用環(huán)境對(duì)比

4.2 溫壓炸藥的能量構(gòu)成

溫壓炸藥爆炸釋放的能量由爆轟能量 (或爆熱) 和燃燒能量構(gòu)成, 爆轟能量是爆轟機(jī)械能和熱能之和. 但只有機(jī)械能是爆炸波的驅(qū)動(dòng)源, 熱能對(duì)爆炸波沒(méi)有貢獻(xiàn)(Arnold & Rottenkolber 2007). 燃燒能是燃燒機(jī)械能和熱能之和.P-V圖中爆轟和燃燒的熱動(dòng)力學(xué)路徑如圖4 和圖5所示.

圖 4 爆轟過(guò)程的熱力學(xué)路徑(P-V 圖)(1 atm = 101.325 kPa)(Arnold &Rottenkolber 2007)

圖 5 燃燒過(guò)程的熱力學(xué)路徑(P-V 圖)(Arnold &Rottenkolber 2007)

圖 6 空中和有限空間內(nèi)爆炸的壓力?時(shí)間波形圖.(a)自由空氣中(胡宏偉和宋浦 2013),(b)結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸(Richard et al.2006)

Arnold 和 Rottenkolber (2007) 計(jì)算得到的TNT 爆轟能和空氣中的燃燒熱見(jiàn)表2 和表3.

由表2 和表3 可知, 爆轟能量絕大多數(shù)用來(lái)做機(jī)械功, 值得注意的是燃燒后有大量的剩余熱能 (8.1 kJ/g) , 這些熱能不能用于做機(jī)械功 (毀傷) , 但在受限空間內(nèi)可加熱爆炸后的氣體介質(zhì)增大準(zhǔn)靜態(tài)壓力.

表 2 TNT 爆轟能的計(jì)算值

表 3 空氣中燃燒熱的計(jì)算值

溫壓炸藥 (負(fù)氧平衡或富燃料炸藥) 的總能量計(jì)算公式 (Donahue et al. 2004, Richard et al.2006) 為

式中,Etot為炸藥的總能量, kJ;Ed為爆轟能或初始沖擊波能, kJ;Eab為后燃燒能, kJ;t為時(shí)間, s.

自由空間和有限空間內(nèi)爆炸的壓力-時(shí)間波如圖6 所示.

Kim 等 (2004)測(cè)量了三種PBX 炸藥在隧道內(nèi)爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力, 用于評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸性能, 并比較了空氣中爆炸威力和結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸威力的差異, 結(jié)果見(jiàn)表4.

由表4 可知, DXD-10 的空中爆炸性能最好, 內(nèi)爆炸性能最差; DXD-18 的內(nèi)爆炸性能最好,空中爆炸性能較差, 能量構(gòu)成的差異導(dǎo)致自由空氣中爆炸性能好的炸藥在內(nèi)爆環(huán)境下爆炸性能截然不同.

表 4 典型炸藥在自由空氣中和密閉空間內(nèi)爆炸威力

4.3 溫壓炸藥的爆炸反應(yīng)機(jī)制

與理想炸藥和燃料空氣炸藥不同, 溫壓炸藥具有爆轟、厭氧燃燒、后燃燒三階段的爆炸能量釋放結(jié)構(gòu), 并不需要爆炸物全部轉(zhuǎn)換成爆轟. 同時(shí), 約束環(huán)境也是溫壓炸藥爆炸過(guò)程中高效釋能的重要影響因素. 溫壓炸藥爆炸反應(yīng)的獨(dú)特性在于:

(1) 點(diǎn)火時(shí)機(jī)的完美控制. 掌控爆炸混合物的點(diǎn)火時(shí)間, 如果固態(tài)燃料過(guò)早點(diǎn)火, 導(dǎo)致完全爆轟并不能滿足增強(qiáng)爆炸的需求. 同時(shí)爆炸過(guò)程燃料必須以合適的速度分散, 既不能太快也不能太慢. 如果這個(gè)過(guò)程太快, 燃料分散太廣, 產(chǎn)生的熱密度太小則不能引發(fā)隨后的燃料顆粒氧化, 燃燒過(guò)程可能中斷; 若分散速度太慢, 則可能產(chǎn)生爆轟, 或燃料與空氣混合程度較低, 導(dǎo)致反應(yīng)不完全.

(2) 寬尺度的能量釋放時(shí)間. 溫壓炸藥三階段能量釋放結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是反應(yīng)速率和反應(yīng)尺度的控制, 需要考慮燃料的分散與混合、粒度的大小和形狀、粒度級(jí)配等因素的耦合匹配, 才能實(shí)現(xiàn)爆炸能量的可控、有效釋放.

溫壓炸藥在密閉空間內(nèi)部爆轟后, 低載荷密度的燃料與空氣混合后, 氧化劑 (即空氣中的氧)是充足的, 爆炸后的溫度通常在2500 ~ 4000 K 范圍, 能維持較長(zhǎng)的高溫時(shí)間, 使爆炸產(chǎn)物、燃料和空氣形成可持續(xù)反應(yīng)的高溫環(huán)境. 含鋁炸藥的爆熱明顯低于理論預(yù)估值, 說(shuō)明燃料粒子并未完全燃燒. Trzcinski 和 Cudzilo (2008)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)200 g RDX 基含鋁炸藥在0.15 m3爆炸罐內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論計(jì)算值, 但填充空氣時(shí)爆炸罐內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力卻高于填充氮?dú)夂蜌鍤獾臏?zhǔn)靜態(tài)壓力, 證明了爆炸罐內(nèi)空氣中的氧與RDX 的分解產(chǎn)物和鋁粒子發(fā)生了氧化反應(yīng), 爆轟產(chǎn)物分析得到, 空氣環(huán)境中爆炸產(chǎn)物全部為Al2O3, 說(shuō)明爆轟產(chǎn)物在膨脹和后燃燒反應(yīng)中完全氧化. 而開放空間中, 爆轟產(chǎn)物的快速膨脹導(dǎo)致其快速冷卻, 爆轟產(chǎn)物與空氣混合后, 氣體溫度迅速下降導(dǎo)致鋁粉等燃料不完全燃燒. 模擬計(jì)算和爆炸塔實(shí)驗(yàn)表明, 有限空間內(nèi)部的后燃燒反應(yīng)僅由空氣、燃料和未氧化完全爆轟產(chǎn)物的混合程度決定, 并不是由顆粒的燃燒控制 (Arnold &Rottenkolber 2008) . 對(duì)于半開放空間, 可以認(rèn)為燃料粒子與空氣、氧化劑混合之前墻壁已破開,爆炸反應(yīng)效率取決于空氣中氧的利用程度. 因?yàn)? 結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度和壓力較外部高, 外部空氣被卷入的可能性較小, 同時(shí)燃料、空氣的反應(yīng)尺度在毫秒到秒量級(jí), 外部空氣進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要較長(zhǎng)時(shí)間 (泄壓完畢) , 未反應(yīng)完全燃料可能已經(jīng)冷卻, 達(dá)不到點(diǎn)火溫度.

量化厭氧和有氧階段鋁粉的反應(yīng)效率和反應(yīng)尺度是溫壓炸藥反應(yīng)控制的基礎(chǔ). Peuker 等(2013) 發(fā)現(xiàn)鋁的早期反應(yīng)行為增強(qiáng)了初始爆炸波, 反應(yīng)過(guò)程中有氧反應(yīng)和厭氧反應(yīng)約各占二分之一, 對(duì)于3 ~ 40 μm 的鋁粒子, 粒子尺寸的影響是可以忽略的. 實(shí)驗(yàn)得到的準(zhǔn)靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)表明20% O2環(huán)境中, 鋁粉全部氧化, N2環(huán)境中, 鋁的氧化量?jī)H為理論值的一半, 表明厭氧環(huán)境中鋁與氮?dú)馔瑯涌梢苑磻?yīng)釋能. Nicolich 等 (2012) 爆轟產(chǎn)物膨脹到2 倍體積時(shí)鋁粉大量的參加反應(yīng), 爆轟產(chǎn)物膨脹到7 倍體積時(shí)鋁粉完全反應(yīng). 曹威等 (2012, 2014) 通過(guò)在雙層試驗(yàn)裝置充填不同壓力的空氣或氧氣分析了后燃燒反應(yīng)的能量輸出, TNT 炸藥的后燃燒反應(yīng)能量隨著氧含量的增加而增大, 在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)后燃燒反應(yīng)能量最大值為4.90 kJ/g.

燃料粒子粒度的大小、形狀和分布后燃燒反應(yīng)高效釋能的關(guān)鍵. Lin 等 (2010) 實(shí)驗(yàn)得出, 粒子尺寸35 nm, 75 nm 和100 nm 的鋁粉, 最大爆炸壓力和壓力上升速率主要依靠粉塵濃度, 粉塵濃度小于1000 g/m3, 隨著粉塵濃度的增大, 最大爆炸壓力逐漸增大, 然而, 當(dāng)粉塵濃度增大到1250 g/m3, 最大爆炸壓力開始下降, 最大爆炸壓力的上升速度隨粉塵濃度增大的趨勢(shì)一致. 得到主要結(jié)論如下: (1) 粉塵濃度相同時(shí), 納米鋁粉的最大爆炸壓力比普通鋁粉高約0.2 MPa, 納米鋁粉的最大壓力上升速率比普通鋁粉高2.0 ~ 6.5 倍; (2) 粒子尺寸35 nm, 75 nm 和100 nm 的納米鋁粉的爆炸濃度下線分別為5, 10 和10 g/m3, 遠(yuǎn)低于普通鋁粉的爆炸濃度下線 (50 g/m3) . 鄭朝民等(2014)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫壓炸藥的彌散濃度在0.84 g/L 時(shí)爆炸耗氧量最大, 能量釋放率最高.

4.4 溫壓炸藥有限空間內(nèi)部的爆炸效應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理

相對(duì)比開放空間, 溫壓炸藥有限空間內(nèi)部爆炸時(shí), 結(jié)構(gòu)的約束作用導(dǎo)致爆炸效應(yīng)顯著增強(qiáng),主要表現(xiàn)為:

(1) 爆轟產(chǎn)物受到周圍壁面的抑制形成準(zhǔn)靜態(tài)壓力, 并保持較長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境, 改善了燃料粒子的點(diǎn)火和燃燒性能, 能夠縮短它們的點(diǎn)火延遲時(shí)間、提高燃燒效率;

(2) 壁面反射沖擊波是促使粒子燃料、爆轟產(chǎn)物和空氣混合的主因(圖7), 而燃料粒子、爆轟產(chǎn)物和空氣的混合程度是后燃燒反應(yīng)的控制條件;

圖 7 有限空間內(nèi)反射沖擊波對(duì)金屬粒子和混合的影響(Michael et al.2005)

(3) 壁面反射沖擊波使未反應(yīng)的鋁粉等燃料粒子變形或破碎, 破壞顆粒表面的氧化層或破碎成更小的顆粒;

(4) 燃料、爆轟產(chǎn)物與壓縮空氣中的氧反應(yīng), 大的密度梯度增加了R-T (瑞利-泰勒) 不穩(wěn)定湍流, 增強(qiáng)了混合和燃燒(David et al. 2017);

(5) 空氣中沖擊波與高速火球的交互作用, 湍流升高了火球的邊界溫度, 并使金屬和爆轟產(chǎn)物混合物重新點(diǎn)火(Wolan′ski et al. 2000, Hilbert et al. 2004);

(6) 燃燒火球高速撞擊障礙物和墻壁, 爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能, 殘留的金屬粉被點(diǎn)火開始形成新的燃燒區(qū)域(Gogulya et al. 2010).

由以上分析可知, 內(nèi)爆炸已不局限于炸藥配方內(nèi)部分子間的反應(yīng)熱力學(xué)的范疇, 更多的是從動(dòng)力學(xué)的角度, 通過(guò)炸藥貧氧化或環(huán)境約束作用, 充分利用周圍空氣介質(zhì)中的氧參與爆炸反應(yīng),使單位質(zhì)量炸藥載荷的能量提高, 并通過(guò)控制反應(yīng)速率調(diào)節(jié)能量釋放的時(shí)間/空間分布, 增強(qiáng)炸藥的毀傷效能(胡宏偉和宋浦2013, 胡宏偉和肖川2013).

可見(jiàn), 溫壓炸藥之所以具有爆炸增強(qiáng)效應(yīng), 空間約束作用非常重要: 一是約束結(jié)構(gòu)與爆炸效應(yīng)的耦合作用提高了燃料 (Al、Mg、B 等) 的反應(yīng)完全性, 能量釋放效率更高; 二是空氣中的氧(炸藥體系外的能量) 作為氧化劑增強(qiáng)了爆炸總能量.

4.5 溫壓爆炸的殺傷機(jī)制

溫壓炸藥能量釋放過(guò)程、能量構(gòu)成和使用環(huán)境導(dǎo)致其殺傷機(jī)制與傳統(tǒng)彈藥差異顯著. 傳統(tǒng)彈藥在開放空間爆炸時(shí), 按作用距離由近到遠(yuǎn), 毀傷元素依次是爆轟產(chǎn)物/熱效應(yīng)、沖擊波、破片 (見(jiàn)圖8) , 主要?dú)貫闆_擊波和破片, 但爆轟產(chǎn)物、中近場(chǎng)的強(qiáng)沖擊波和破片都無(wú)法對(duì)隱蔽在復(fù)雜地道、洞穴、堅(jiān)固建筑物中目標(biāo)造成致命的殺傷.

溫壓彈在封閉空間內(nèi)使用時(shí)則具有獨(dú)特的殺傷機(jī)制, 爆轟-爆燃-燃燒三階段的能量釋放結(jié)構(gòu)確定了溫壓炸藥的殺傷性能, 最初的無(wú)氧爆炸反應(yīng)確定了其高壓性能以及對(duì)裝甲的侵徹能力,厭氧燃燒反應(yīng)確定了其中壓性能以及對(duì)墻壁/工事的破壞能力, 有氧燃燒反應(yīng)確定了準(zhǔn)靜態(tài)壓力、負(fù)壓效應(yīng)以及對(duì)人員和裝備的損傷能力. 通過(guò)調(diào)整上述三個(gè)反應(yīng)階段, 可使溫壓彈針對(duì)不同的目標(biāo)滿足特定的性能要求.

密閉/半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi), 溫壓炸藥的爆炸效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)顯著, 導(dǎo)致毀傷機(jī)理遠(yuǎn)比開放空間復(fù)雜, 一般認(rèn)為溫壓爆炸的毀傷元素主要為爆炸波和高強(qiáng)度熱, 次級(jí)毀傷元素為高速破片和有毒氣體. 當(dāng)炸藥在密閉空間中使用時(shí), 墻、沙包和個(gè)人防護(hù)都可以阻擋破片和強(qiáng)沖擊波, 但火球在爆炸波推動(dòng)下能夠沿著廊道等狹長(zhǎng)約束環(huán)境邊燃燒邊傳播 (相當(dāng)于能量運(yùn)動(dòng)通道) , 繞過(guò)角落進(jìn)入破片不能達(dá)到的區(qū)域, 爆炸波被墻壁和另一些表面反射后還會(huì)被加強(qiáng), 密閉空間內(nèi)部人員將承受壓力和沖量要高于自由空間爆炸的壓力和沖量. 坑道內(nèi)的殺傷機(jī)制如圖9 所示.

圖 8 開放空間的殺傷機(jī)制(Wildegger-Gaissmaier 2003)

圖 9 坑道內(nèi)爆炸的殺傷機(jī)理示意圖(Wildegger-Gaissmaier 2003)

溫壓爆炸的壓力毀傷效應(yīng)體現(xiàn)在: (1) 多峰沖擊波毀傷, 彈藥結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸時(shí), 沖擊波遇到壁面、地面產(chǎn)生多次反射沖擊波, 產(chǎn)生一個(gè)具有明顯壓力上升、時(shí)間周期較長(zhǎng)的壓力波, 能夠明顯地增加沖擊波沖量, 時(shí)間量級(jí)上建筑物內(nèi) (幾個(gè)毫秒) 和坑道 (接近1 秒) , 對(duì)目標(biāo)形成多次協(xié)同或累積毀傷; (2) 準(zhǔn)靜態(tài)壓力毀傷, 準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用時(shí)間很長(zhǎng)、沖量大, 是空間較小的單室密閉結(jié)構(gòu)整體破壞的主要?dú)刂? 泄壓后作用失效. 開放空間和約束空間內(nèi)部爆炸的沖擊波擴(kuò)展過(guò)程和波形 (數(shù)值計(jì)算) 如圖10 和圖11 所示; (3) 負(fù)壓損傷, 后燃燒過(guò)程中燃料和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng), 可以造成局部缺氧或真空狀態(tài), 并將附近結(jié)構(gòu)中的空氣吸附過(guò)來(lái), 與未反應(yīng)燃料、CO等繼續(xù)反應(yīng), 在更多空間形成負(fù)壓和窒息, 是復(fù)雜多室結(jié)構(gòu)的主要?dú)Ｊ? 但它的致死效應(yīng)不是簡(jiǎn)單的歸結(jié)為缺氧, 而是因?yàn)榫o隨在爆炸正壓后的負(fù)壓導(dǎo)致的肺部的氣壓創(chuàng)傷, 這種負(fù)壓效應(yīng)對(duì)人員目標(biāo)的毀傷是不可忽視的.

圖 10 球型裝藥開放空間爆炸的沖擊波擴(kuò)展過(guò)程和壓力?時(shí)間波形.(a)沖擊波擴(kuò)展過(guò)程,(b)沖擊波壓力-時(shí)間曲線(Wildegger-Gaissmaier 2003)

圖 11 球型裝藥密閉空間的沖擊波擴(kuò)展過(guò)程和波形.(a)沖擊波擴(kuò)展過(guò)程,(b)沖擊波壓力?時(shí)間曲線(Wildegger-Gaissmaier 2003)

圖 12 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)布局示意圖.(a)傳感器和裝藥布局示意圖,(b)試驗(yàn)裝置

關(guān)于熱毀傷的作用并非十分明確, 因?yàn)楸úê徒饘倨破臍霃揭笥诨鹧娴娜紵霃? 美軍對(duì)溫壓彈熱效應(yīng)的描述為: 打擊用來(lái)研究生化武器的地下設(shè)施, 在其釋放到環(huán)境中之前,利用熱效應(yīng)破壞生化藥劑 (Jane’s Air-Launched Weapons 29-Apr-2015.) . 金屬粒子燃料長(zhǎng)時(shí)間的燃燒, 也會(huì)對(duì)人員造成嚴(yán)重?zé)齻? 熱效應(yīng)的另一個(gè)作用是為不同階段能量釋放提供“熱源”, 維持火球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中金屬燃料、空氣的燃燒自持反應(yīng), 如液固態(tài)溫壓炸藥, 初期的火焰將硝酸異丙酯氣化并和金屬粉點(diǎn)火燃燒, 燃燒釋放的熱量維持未反應(yīng)的硝酸異丙酯和金屬粉繼續(xù)氣化和燃燒,不斷釋放能量.

5 溫壓炸藥的爆炸威力評(píng)價(jià)方法

有限空間內(nèi)部的沖擊波反射以及結(jié)構(gòu)對(duì)爆轟產(chǎn)物的抑制作用使其與自由場(chǎng)爆炸具有不同的能量組成結(jié)構(gòu), 自由空氣中爆炸威力高的炸藥在密閉結(jié)構(gòu)中的爆炸威力不一定好, 采用傳統(tǒng)的空中爆炸參數(shù)來(lái)評(píng)估炸藥的內(nèi)爆炸威力并不全面, 因此需要針對(duì)溫壓炸藥的爆炸能量構(gòu)成和使用環(huán)境建立有效、科學(xué)的評(píng)價(jià)方法, 支持溫壓炸藥設(shè)計(jì)與研發(fā).

目前, 國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫壓炸藥有限空間內(nèi)部爆炸的威力評(píng)估方法主要由沖擊波壓力-沖量法、屋頂舉起實(shí)驗(yàn)法、沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力法等 (胡宏偉和肖川2013) .

5.1 沖擊波壓力?沖量準(zhǔn)則

為了評(píng)估M72 LAW 肩射武器的候選溫壓炸藥, 美國(guó)海軍水面武器中心印第安納分部(NSWC IHD) 和Talley 防御系統(tǒng)公司 (TDS) 提出沖擊波壓力-沖量準(zhǔn)則(Johnson et al. 2004), 依據(jù)初始沖擊波和2、3 次反射波以及0 ~ 50 ms 時(shí)間內(nèi)的沖量對(duì)候選炸藥進(jìn)行排序和篩選. 試驗(yàn)裝置為3.66 m × 4.57 m × 2.13 m 的鋼筋混凝土雙室建筑, 實(shí)驗(yàn)裝置和布局如圖12 所示.

共進(jìn)行了三輪的篩選試驗(yàn), 第一、二輪試驗(yàn)制定了不同的篩選標(biāo)準(zhǔn) (包含壓力和沖量?jī)蓚€(gè)因素) . 在系列試驗(yàn)中, PBXIH-135 為參比標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)PBXIH-18 和PBXIH-135EB 都具有較高的爆炸威力. 另外, 還考慮了成本、有效性、感度、可制造性、儲(chǔ)存性和力學(xué)性能等因素,PBXIH-135EB 炸藥中含有穩(wěn)定劑, PBXIH-18 則沒(méi)有, 同時(shí)PBXIH-18 的力學(xué)性能比PBXIH-135EB 更接近于目前LAW 系統(tǒng)的裝填物 (鋁化A3 炸藥) , 最終選取了PBXIH-18 炸藥.

Chabin 等 (2009)采用沖擊波超壓-沖量的方法研究了不同種類裝藥在密閉空間內(nèi)的爆炸能量輸出特性, 用于篩選中、小口徑武器用炸藥. 試驗(yàn)結(jié)果表明, B2258 和ORA86B/C2 都具有較高的沖擊波超壓和沖量, B2258 炸藥的沖擊波超壓最高, ORA86B/C2 裝藥的沖量最高, 這兩種炸藥裝藥均達(dá)到了戰(zhàn)斗部的需求.

沖擊波超壓和沖量主要表征了炸藥爆轟釋放的沖擊波動(dòng)能及其與結(jié)構(gòu)的耦合作用 (反射匯集) , 沒(méi)有反映混合、燃燒反應(yīng)釋放的能量, 不能全面評(píng)估溫壓炸藥在有限空間的爆炸威力. 對(duì)于較復(fù)雜結(jié)構(gòu), 沖擊波在側(cè)壁、地面和頂部都發(fā)生多次反射和匯集, 再加上熱效應(yīng)的影響, 壓力-時(shí)間曲線波形非常雜亂, 很難精確確定其三次峰值以后的壓力, 用壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得到的沖量值可靠性也不高.

5.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力

高能炸藥在結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸時(shí), 爆轟產(chǎn)物氣體會(huì)在密閉空間內(nèi)分布均勻, 產(chǎn)生一個(gè)壓力幅值比沖擊波載荷峰值小得多但作用時(shí)間很長(zhǎng)的壓力, 即準(zhǔn)靜態(tài)壓力. 由于總能量 (即爆轟能量加后燃燒能量) 是終態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的函數(shù)(Richard et al. 2006), 準(zhǔn)靜態(tài)壓力表征了總能量的集聚. 準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用時(shí)間很長(zhǎng), 產(chǎn)生的沖量很大, 是破壞內(nèi)部目標(biāo)的一個(gè)重要?dú)? 因此, 準(zhǔn)靜態(tài)壓力評(píng)估炸藥的內(nèi)爆性能得到了重視和發(fā)展.

為了評(píng)價(jià)密閉腔體內(nèi)的爆炸威力, 美國(guó)海軍在白橡樹試驗(yàn)基地對(duì)9 種備選炸藥進(jìn)行了內(nèi)爆炸試驗(yàn), 測(cè)量了每一種炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力以確定威力, 實(shí)驗(yàn)證明, PBXN-109 和Tritonal 的內(nèi)爆威力最好(David Tassia 1996).

研究發(fā)現(xiàn), 最大準(zhǔn)靜態(tài)壓力是裝藥量與容器容積之比 (m/V) 的函數(shù), 并擬合了準(zhǔn)靜態(tài)壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式, 具有代表性的計(jì)算公式是(Carlson 1945, Moir 1979)

式中:Pqs為準(zhǔn)靜態(tài)壓力, MPa;m為炸藥的質(zhì)量 (TNT 當(dāng)量) , kg;V為密閉空間的體積, m3.

另外, 在內(nèi)爆炸條件下, 爆炸總能量和總?cè)紵裏峄蛲瑫r(shí)自氧化燃燒熱具有線性關(guān)系

式中, ΔHc為炸藥的總?cè)紵裏? kJ.

不同大小、形狀、強(qiáng)度的密閉結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部目標(biāo), 需要不同的毀傷能量, 只考慮準(zhǔn)靜態(tài)壓力(或總能量) 又忽視了彈藥的應(yīng)用問(wèn)題, 例如沖擊波主要對(duì)小型密閉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體破壞并毀傷其內(nèi)部目標(biāo), 對(duì)于多室結(jié)構(gòu), 當(dāng)沖擊波的繞射作用有限時(shí), 準(zhǔn)靜態(tài)壓力可以起到更好的作用; 對(duì)于內(nèi)部空間較大的目標(biāo), 由于空間分布作用 (m/V變小) , 準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用減弱, 沖擊波多次反射匯集的作用加強(qiáng). 因此, 溫壓炸藥既要保持相對(duì)較高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力, 還應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臎_擊波沖量, 并權(quán)衡分配兩個(gè)特征參量之間分配比例, 就像水下炸藥的沖擊波能和氣泡能一樣.

5.3 沖量?準(zhǔn)靜態(tài)壓力法

美國(guó)海軍水面武器中心提出了一種利用壓力-時(shí)間歷程來(lái)評(píng)估爆轟和后燃燒能量釋放的方法(Richard et al. 2006), 該方法假設(shè)反應(yīng)時(shí)間被分為兩部分, 一部分發(fā)生在微秒時(shí)間尺度, 一部分發(fā)生在毫秒時(shí)間尺度, 基于壓力即可定量測(cè)量初期反應(yīng)和后燃燒反應(yīng)的相對(duì)數(shù)量.

假設(shè)一維球?qū)ΨQ空間r始于炸藥中心, 炸藥能量首先通過(guò)爆轟/爆燃過(guò)程釋放, 然后通過(guò)后燃燒過(guò)程釋放, 爆炸總能量的釋放速率為

進(jìn)一步假設(shè)密閉空間內(nèi)部的壓力測(cè)量分為高頻、依賴于空間的沖擊波部分(r,t,Etot)和低頻、空間無(wú)變化的準(zhǔn)靜態(tài)Pqs(t,Etot) , 例如對(duì)于任何時(shí)間

如果能很快測(cè)量到爆轟后的沖擊波壓力, 則

即初期的沖擊波壓力僅是爆轟釋放能量的函數(shù), 事實(shí)上由于后燃燒能量釋放時(shí)間尺度比爆轟能量釋放時(shí)間長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí), 對(duì)初期的沖擊波壓力并沒(méi)有貢獻(xiàn), 密閉空間內(nèi)爆炸的情況可表述為

式中,t是時(shí)間, s;Etot是爆炸釋放的總能量, kJ;Ed爆轟釋放的能量, kJ;Eab后燃燒釋放的能量, kJ;p(r,t,Etot)是總靜態(tài)壓力, MPa;為密閉空間的體積, m3;γ為氣體的比熱率, J/(kg·°C).

為了優(yōu)化初始空爆性能和內(nèi)爆炸性能的權(quán)重分配, Richard 等 (2010) 在爆炸室中利用初始空中沖擊波 (早期反應(yīng)) 和準(zhǔn)靜態(tài)超壓 (后期的能量釋放) 評(píng)估了6 種壓裝含鋁炸藥的爆炸性能.

5.4 屋頂舉起實(shí)驗(yàn)

在上述評(píng)估方法的基礎(chǔ)上, Talley 防御系統(tǒng)公司(Scott et al. 2005, Andrew et al. 2008) (TDS)建立了一種新型實(shí)驗(yàn)設(shè)施-屋頂舉起裝置 (尺寸3.7 m×3.0 m×2.4 m, 炸藥設(shè)計(jì)質(zhì)量500 ~ 800 g) ,通過(guò)在密閉結(jié)構(gòu)上部加蓋一定質(zhì)量的鋼制頂蓋 (4989.52 kg) , 測(cè)量炸藥爆炸后屋頂?shù)纳仙叨葋?lái)計(jì)算比沖量, 用于評(píng)估溫壓炸藥的性能.

該方法使用屋頂舉起高度來(lái)計(jì)算溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的比沖量, 假設(shè)每次試驗(yàn)時(shí)屋頂?shù)馁|(zhì)量是恒定的, 屋頂加速到最大速度的時(shí)間可忽略. 利用屋頂舉起高度計(jì)算封閉空間平均沖量的公式為

其中,p為 壓強(qiáng), MPa;F為壓力, N;A為面積, m2;m為質(zhì)量, kg;a為 加速度 (a=g) , m/s2;t為時(shí)間,ms;x為屋頂舉起位移, m;EAEI為屋頂舉起的平均沖量, Pa·s.

幾種炸藥的內(nèi)爆炸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表 5 幾種炸藥的內(nèi)爆炸試驗(yàn)結(jié)果

由表5 可知, 屋頂舉起測(cè)量的沖量比壓力傳感器測(cè)量的沖量高27% ~ 70%, 從作功能力的結(jié)果來(lái)看, 沖擊波峰值壓力和沖量小的炸藥, 其作功能力不一定小, 這可能是準(zhǔn)靜壓力的作用.

Lee 等 (2005) 研究發(fā)現(xiàn), 約束空間內(nèi)爆炸的舉起高度與炸藥非同步自身氧化的燃燒熱ΔHas(與后燃能有關(guān)) 具有線性關(guān)系, 二者的數(shù)學(xué)模型方程為

式中:Heave(Tritonal%)為相對(duì)于Tritonal炸藥的舉起高度, %; ΔHas非同步自身氧化的燃燒熱,kJ/g.

胡宏偉等(2016)等采用自建的頂蓋舉起試驗(yàn)裝置對(duì)四種典型的炸藥進(jìn)行了內(nèi)爆炸試驗(yàn). 起爆前和起爆后的頂蓋位置見(jiàn)圖13.

測(cè)量的某炸藥的位移-時(shí)間曲線見(jiàn)圖14.

圖 13 屋頂舉起實(shí)驗(yàn)裝置.(a)起爆之前頂蓋位置,(b)起爆后頂蓋位置.(胡宏偉等2016)

利用頂蓋的舉起位移和沖量評(píng)估了它們的威力, 試驗(yàn)結(jié)果表明, 沖擊波超壓高的炸藥, 內(nèi)爆炸性能不一定好, 炸藥的空中爆炸性能與內(nèi)爆炸性能具有較大的差異.

頂蓋舉起位移 (或沖量) 與炸藥的非同步自氧化燃燒熱有較好的線性關(guān)系, 與Lee 等(2005)的研究結(jié)論一致. 頂蓋舉起位移與非同步氧化反應(yīng)熱關(guān)系如下

屋頂舉起位移計(jì)算的沖量和作功能力是一種模糊的綜合評(píng)估方法, 從另一個(gè)角度給出了溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的平均沖量值, 作功能力體現(xiàn)了初始爆轟能量、爆轟氣體與空氣混合反應(yīng)釋放的能量以及沖擊波與結(jié)構(gòu)的耦合作用, 但無(wú)法給出初始沖擊波、爆轟產(chǎn)物氣體和反射波的能量分配比例.

沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個(gè)表征空爆性能和內(nèi)爆性能的特征參量之間的權(quán)衡 (例如初始沖擊波沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力各占一半) , 可以較為完整表征炸藥的內(nèi)爆性能. 因此, 沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力權(quán)衡的方法評(píng)估溫壓炸藥的威力性能更加合理.

(1) 沖擊波超壓-沖量法適用于評(píng)估小口徑武器在較大空間環(huán)境的爆炸, 因?yàn)檫@種情況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力較小, 主要作用的是沖擊波.

(2) 有限空間內(nèi)爆炸的能量由爆轟和后燃燒能量?jī)刹糠纸M成, 爆轟加后燃燒的能量 (即總能量) 是終態(tài)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的函數(shù), 因此準(zhǔn)靜態(tài)壓力適用于衡量炸藥的總能量水平.

(3) 屋頂舉起位移值計(jì)算的沖量從另一個(gè)角度給出了炸藥爆炸產(chǎn)生的平均沖量值, 雖然無(wú)法給出初始沖擊波、爆轟產(chǎn)物氣體和反射波的能量分配比例, 但體現(xiàn)了初始爆轟能量、爆轟氣體與空氣混合反應(yīng)釋放的能量以及沖擊波與結(jié)構(gòu)的耦合作用.

(4) 從溫壓炸藥的能量釋放結(jié)構(gòu)考慮, 基于沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個(gè)特征參量的綜合評(píng)估溫壓炸藥的威力更為合理.

6 溫壓炸藥的開發(fā)與研制

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái), 世界范圍內(nèi), 溫壓炸藥研制工作發(fā)展迅速, 且以固態(tài)溫壓炸藥為主, 相關(guān)研究主要集中在新型高能金屬添加劑的設(shè)計(jì)及應(yīng)用、溫壓炸藥的配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化等方面.

6.1 高能金屬添加劑的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

溫壓炸藥主要通過(guò)鋁或另一些活性金屬粉產(chǎn)生附加能量, 增強(qiáng)爆炸效應(yīng)(Vadhe et al. 2008,Kim et al. 2008), 因此, 高能量密度、高燃燒熱值的金屬受到了極大的關(guān)注, 用于增強(qiáng)后燃燒反應(yīng)能量和燃燒效率, 達(dá)到維持超壓和附加熱量的目的.

由于鋁粉燃燒熱高、經(jīng)濟(jì)和來(lái)源廣泛等特點(diǎn), 從20 世紀(jì)初以來(lái), 一直是使用最廣泛、最成熟的金屬燃料添加劑, 科研人員對(duì)含鋁溫壓炸藥的性能開展了大量研究(Muravyev et al. 2010,Weiser et al. 2011, Danica et al. 2018, 裴明敬等2013, 王明燁等2018, 樸忠杰等2019). 但鋁的潛力并沒(méi)有達(dá)到所期望的效果, 主要原因?yàn)辄c(diǎn)火溫度較高 (2200 K) , 燃燒效率較低, 因此, 人們企圖通過(guò)材料處理 (納米化、機(jī)械活化、表面活化等) 、尋找新材料 (B, Al-Mg, B-Mg, Al-B 和Ti-B 合金等) 和設(shè)計(jì)新型金屬結(jié)構(gòu) (包覆、膠囊金屬、籠狀結(jié)構(gòu)、金屬聚合物等) 來(lái)克服上述缺點(diǎn).

與鋁和其他金屬相比, 硼具有較高的質(zhì)量熱值和體積熱值, 分別為鋁的1.9 倍和1.66 倍, 是已知能量密度最高的材料, 將硼添加到溫壓炸藥中具有大幅提升其爆炸威力的潛力. 但高點(diǎn)火溫度和液態(tài)氧化物在硼顆粒表面的堆積是硼應(yīng)用存在的主要問(wèn)題, 硼的燃燒火焰溫度是2067 ℃, 沸點(diǎn)是3865 ℃, 顆粒表面的硼燃燒, 隨后轉(zhuǎn)變成B2O3覆蓋在表面, 阻礙了燃料和氧化劑的混合, 導(dǎo)致燃燒效率低. 相對(duì)來(lái)說(shuō), Mg 更容易點(diǎn)火, B 可以使用Mg 等活性金屬作為包覆材料降低點(diǎn)火溫度, 提高燃燒效率. Mg 的燃燒可以加熱硼粒子, 剝落了B 表面的氧化物B2O3. 爆熱彈實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于HMX 基炸藥, 相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硼粉代替鋁粉后, 爆熱有一定提高, 但硼粉含量高于20%時(shí)爆熱開始下降 (Makhov 2004). Schaefer 和 Nicolich (2005) 研究了半密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)鑄裝HMX 基含硼炸藥的爆炸性能, 硼替代部分的Mg-Al 合金后, 沖量降低了一半, 可能的原因?yàn)榕鸬狞c(diǎn)火延遲時(shí)間較長(zhǎng), 在炸藥內(nèi)部產(chǎn)生了熱稀釋作用. 因此, 除非大幅降低點(diǎn)火溫度, 否則不能完全發(fā)揮硼的潛力.

另外, Ti, Mg, Al-Mg, B-Mg, Al-B 和Ti-B 合金等都具備作為溫壓炸藥燃料的潛力(Chan &Meyers 2005, 楊志劍等2017.), 納米鋁可增加金屬粉的活性, Ti-B 合金能夠提高熱量輸出, Mg-Al合金可降低點(diǎn)火溫度. Lee 等 (2005) 對(duì)含B/Al 混合物的炸藥配方 (45RDX/10Al/20B/25HTPB)進(jìn)行了爆炸罐試驗(yàn), 結(jié)果表明含B/Al 混合物的配方的準(zhǔn)靜態(tài)壓力比含鋁炸藥配方 (45RDX/38Al/17HTPB) 提高了30%. Dreizin 等 (2005) 基于定容燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Al-Mg (質(zhì)量比1∶1) 和BTi (質(zhì)量比1∶3) 是最好的機(jī)械合金, Mg, Zi, Ni 或聚合物 (特氟龍、氟橡膠、NC) 包覆Al 可以降低點(diǎn)火溫度; 鋁熱劑試驗(yàn)表明, Al/MoO3是最有潛力的物質(zhì), 它有最高的質(zhì)量熱值, 最低的活化能和點(diǎn)火溫度, 但是, 面臨的最大問(wèn)題是獲得球型或類球型的活性金屬粉, 以提高炸藥的裝藥密度.

選擇不同的金屬/非金屬粒子相互包覆形成熱活化復(fù)合金屬或合金可優(yōu)化放熱反應(yīng), 如雙組分形成的核/殼結(jié)構(gòu)或膠囊結(jié)構(gòu). 核芯可以選用鋁、鎂、硼、硅、鉿和碳, 外殼可以是鎳、鋯、硼、鈦、硫磺、硒和釩等. Kellett 等 (2009) 研究了核/殼結(jié)構(gòu)的雙金屬化合物粒子, 核金屬為Al,B, Si, Hf (鉿), Mg 或碳, 外殼金屬為Ni, B, Ti, 硫磺、硒或釩, 研究表明Hf 和Zr 具有很好的燃燒性能, 已被應(yīng)用于活性破片, 但電荷感度 (ESD) 較高限制了它們?cè)诤懿牧现械膽?yīng)用. Baker(2010)設(shè)計(jì)了一種鋁包鎂結(jié)構(gòu), 爆轟時(shí), 硝銨炸藥驅(qū)動(dòng)燃料粒子向外分散 (外層的鋁厚度應(yīng)適當(dāng)),即厭氧燃燒爆炸環(huán)境中, 鋁消耗氧的化學(xué)計(jì)量要少于空氣中可以利用的氧, 粒子一旦破裂, 中心的鎂即可燃燒增加沖量.

近年來(lái), 含能納米材料的開發(fā)和研究得到了越來(lái)越多的關(guān)注(Dreizin et al. 2005, van der Heijden et al. 2010, Danica et al. 2018), 除了含能納米材料的合成, 含能(納米)材料的包覆也引起了科學(xué)家們的興趣, 目的是改良材料的性能或增加新的功能, 例如增強(qiáng)爆炸波、低沖擊波感度、長(zhǎng)儲(chǔ)性和環(huán)境友好型.

6.2 溫壓炸藥的配方設(shè)計(jì)及優(yōu)化

溫壓炸藥的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是炸藥設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的核心問(wèn)題, 也是溫壓武器發(fā)揮最大效能的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論.

為了得到最有效的增強(qiáng)爆炸炸藥配方 (RDX/Al/HTPB) , Gerber 等(2010)計(jì)算了RDX/Al/HTPB 體系炸藥的燃燒熱、爆熱和后燃燒熱. 使用后燃燒熱、爆轟熱和爆熱作為有效因子確定有潛力的配方, 在燃燒罐中進(jìn)行了系列試驗(yàn), 分析了惰性粘結(jié)劑 (HTPB) 和含能粘結(jié)劑 (GAP)對(duì)沖擊波壓力和爆炸溫度的影響, 并將所有配方與TNT, PBXN-109 進(jìn)行了對(duì)比. 他們推薦采用ΔHAB/ΔHDΔHAB/ΔHD大于2 且爆熱大于4 kJ/g 作為溫壓炸藥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn). 圖15 為RDX/Al/HTPB 體系炸藥的ΔHAB/ΔHD, 圖16 為優(yōu)選的RDX/Al/HTPB 體系炸藥組分比例范圍.

圖 15 RDX/Al/HTPB 體系炸藥的ΔHAB/ΔHD(Gerber et al.2010)

圖 16 RDX/Al/HTPB 體系炸藥的爆熱(Gerber et al.2010)

美軍開發(fā)的溫壓炸藥的典型代表為PBXIH-135 和PBXIH-18. 兩種炸藥均有美國(guó)海軍水面武器中心印第安納分部 (NSWC IHD) 研制, 這些炸藥可應(yīng)用在便攜式肩扛M72 LAW 的侵徹或反洞穴的戰(zhàn)斗部, 也可應(yīng)用于的超音速導(dǎo)彈和通用目的不敏感彈藥(Johnson et al. 2004). 他們開發(fā)的候選炸藥配方見(jiàn)表6, 其中PBXIH-135 作為基準(zhǔn)配方.

表 6 候選炸藥配方

這些配方中, PBXIH-135EB 是所有種類中在溫壓戰(zhàn)斗部中使用最好的樣品, 可以有效地打擊掩體、地道和洞穴.

為了開發(fā)一些新型溫壓炸藥作為傳統(tǒng)IPN 和鎂粉混合物的替代物. Schaefer 和Nicolich (2005)指出由高能炸藥、金屬燃料和粘結(jié)劑組成的澆注固化炸藥具有良好的性能, 固化粘結(jié)劑能夠很好的分散并產(chǎn)生較易燃燒的爆轟產(chǎn)物. 研究發(fā)現(xiàn)Mg-Al 合金的低溫點(diǎn)火能力較好, 配方的做功性能優(yōu)于包含硼或鈦的配方, 而且觀察到片狀鋁粉的性能優(yōu)于球型鋁粉, 金屬硼、鈦和鋁熱劑對(duì)提高性能幾乎沒(méi)有幫助; CL-20 和TNAZ 的性能并優(yōu)于HMX 或RDX.

Simic 等 (2013) 研制了幾種新型的澆注復(fù)合溫壓炸藥, 炸藥組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: 31% ~30%HMX, 15% ~ 20%HTPB 粘結(jié)劑、21% ~ 30%Al、0 ~ 9%Mg、0 ~ 20%AP, 制備了14 種溫壓炸藥配方, 基于400g 的模型試驗(yàn), 研究了炸藥組分及配方比例對(duì)爆轟產(chǎn)物和空氣沖擊波參數(shù)的影響, 與標(biāo)準(zhǔn)裝藥 (HMX/Al/HTPB = 50/30/20)進(jìn)行了對(duì)比. 試驗(yàn)結(jié)果表明, 所有的測(cè)點(diǎn), TBE-3(45HMX/10AP/21Al/9Mg/15HTPB)的沖擊波超壓最高, TBX-1(50HMX/30Al/20HTPB)沖擊波超壓最低. 爆炸遠(yuǎn)場(chǎng), 沖擊波超壓只有很小的差異, 炸藥組分對(duì)沖擊波超壓峰值的影響主要在近場(chǎng). 相比于標(biāo)準(zhǔn)炸藥, 含Mg 配方的沖擊波超壓均較高, 14 種配方的沖量都高于標(biāo)準(zhǔn)炸藥. 所有配方中, TBE-3, TBE-7, TBE-12 和TBE-1b 的性能最優(yōu), 這些配方都具有較高的主裝藥、鋁含量和Mg 含量. 所有炸藥中, TBE-3 的溫壓炸藥性能最好, 具有高爆速、高沖擊波超壓和沖量的特點(diǎn).

Hahma 等 (2002) 對(duì)含Mg, Mg-Al 合金、鋁和活性鋁金屬燃料的溫壓炸藥進(jìn)行了試驗(yàn), 采用不同固態(tài)和液態(tài)有機(jī)燃料作為點(diǎn)火燃料, 鈍化泰安為拋灑裝藥, 燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%. 試驗(yàn)表明,膠質(zhì)金屬增強(qiáng)炸藥 (金屬含量約60%) 的空中爆炸性能明顯高于相同能量密度的丙烯-氧化劑燃料空氣炸藥, TNT 當(dāng)量達(dá)到了500%. Hall 和Knowlton (2004) 研究了粘結(jié)劑對(duì)溫壓炸藥的配方的影響, 設(shè)計(jì)了粘結(jié)劑為蠟, HTPB 和GAP 的溫壓炸藥配方, 發(fā)現(xiàn)GAP 基的配方具有最高的沖量和平均峰值壓力, Ti/HTPB 基配方的沖擊波超壓高于對(duì)應(yīng)的鋁基配方. NM 基配方表現(xiàn)出了較高沖量, NM/Al/HMX30/30/40 配方最優(yōu), 平均沖擊波壓力0.5 MPa, 平均沖量802 kPa·ms.

為了打擊硬目標(biāo), 溫壓炸藥不僅需要好的爆炸威力性能, 侵徹過(guò)程中也要有合適的阻抗抗高沖擊. Lips 等(2010)開發(fā)了沖擊不敏感爆炸增強(qiáng)炸藥 (SIEBX) 配方, 具備反建筑物結(jié)構(gòu)的能力,用于單兵便攜式武器系統(tǒng).

此外, 還發(fā)展了一些新型溫壓裝藥設(shè)計(jì), Sheridan 等 (2011) 專利中描述的溫壓炸藥為復(fù)合炸藥材料, 包括高能炸藥組分和可爆轟的含能材料 (由高能炸藥驅(qū)散) . 可爆轟的含能材料為薄膜形式, 薄膜一層為金屬還原劑, 一層為金屬氧化劑, 可以通過(guò)調(diào)整復(fù)合炸藥材料組分去調(diào)整壓力時(shí)間脈沖.

綜上所述, 國(guó)外發(fā)展的溫壓炸藥以固態(tài)為主, 同時(shí)由于溫壓炸藥主要用于打擊洞穴、隧道等地下、半地下目標(biāo), 需要一定抗過(guò)載能力, 而HTPB 和Hytemp 等橡膠類粘結(jié)劑可以改善PBX炸藥的化學(xué)和熱安定性, 提高炸藥的低易損性能. 因此, 大多數(shù)溫壓炸藥采用的為澆鑄工藝, 主炸藥成分為HMX 或RDX, 金屬燃料為片狀鋁粉、Mg-Al 合金或混合物 (含量一般在30%左右) ,粘結(jié)劑為HTPB 和Hytemp 等.

7 結(jié)束語(yǔ)

為了提升溫壓炸藥的設(shè)計(jì)水平, 促進(jìn)溫壓武器的創(chuàng)新發(fā)展, 作者認(rèn)為應(yīng)從以下方面加強(qiáng)溫壓炸藥的研究.

(1) 系統(tǒng)、深入研究溫壓炸藥的爆炸效應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理, 揭示其有限空間內(nèi)部的殺傷機(jī)制. 溫壓炸藥的爆炸涉及到起爆、爆轟、沖擊波的傳播與反射、多類燃料粒子的燃燒、多相湍流和多?；瘜W(xué)反應(yīng)等, 是一個(gè)復(fù)雜的熱-力-化耦合過(guò)程, 需深化溫壓炸藥高效釋能的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論, 以指導(dǎo)高威力溫壓炸藥的設(shè)計(jì)和使用. 同時(shí), 溫壓炸藥有限空間內(nèi)部爆炸時(shí), 除了多峰沖擊波、熱效應(yīng)外, 應(yīng)考慮耗氧產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)和準(zhǔn)靜態(tài)壓力對(duì)人員和結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng), 而相關(guān)毀傷機(jī)理仍不清楚.

(2) 建立溫壓炸藥配方的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則, 指導(dǎo)溫壓炸藥的設(shè)計(jì). 推薦采用Gerber 發(fā)展的ΔHAB/ΔHDΔHAB/ΔHD大于2 且爆熱大于4 kJ/g 作為溫壓炸藥設(shè)計(jì)依據(jù). 為了進(jìn)一步提升溫壓炸藥的爆炸威力, 需開展核/殼結(jié)構(gòu)或膠囊結(jié)構(gòu)以及納米鋁、Al-Mg, B-Mg, Al-B 和Ti-B 等金屬添加劑在溫壓炸藥應(yīng)用研究, 分析爆轟/爆炸這種極端力學(xué)環(huán)境下的材料或結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)特性及其對(duì)爆炸反應(yīng)機(jī)理的影響.

(3) 建立科學(xué)、合理的有限空間內(nèi)部爆炸威力評(píng)估方法. 溫壓炸藥的使用環(huán)境主要坑道、碉堡和地下建筑物等受限空間結(jié)構(gòu), 相對(duì)于自由空間, 爆炸參量不僅種類較多, 而且與結(jié)構(gòu)的耦合作用顯著, 反應(yīng)時(shí)間尺度跨度大, 是一個(gè)多物理場(chǎng)、多因素、多尺度的能量釋放過(guò)程, 同時(shí)還應(yīng)需考慮武器自身的需求、作戰(zhàn)目標(biāo)特性等方面.