位置:中爆网 > 基础理论 > 正文

不同组分温压炸药的爆炸冲击波特性研究

2017-04-14 15:26:03.0 责任编辑:段雅兰

谢全民1,曲广建2,梅比2,潘书才3,徐建国1,邵喜春1,钟明寿4,杨明5

(1.武汉军械士官学校弹药修理与销毁教研室,武汉 430075;2.广州中爆数字信息科技股份有限公司,广州 510530;3. 解放军91857部队,宁波 315040;4.解放军理工大学野战工程学院,南京 210007;5.浙江省第一水电建设集团股份有限公司,杭州 310051;)

摘  要:为进一步研究温压炸药毁伤效应提供理论支撑,采用相关实验手段对不同组分温压炸药的爆炸冲击波特性进行了研究,包括冲击波超压、正压作用时间及冲量等参数,并与TNT的爆炸冲击波特性进行了对比分析。研究表明,两种温压炸药W-1、W-2的爆炸性能均强于TNT炸药,且由于固液混合相温压炸药W-2中各组分混合得更为均匀使其爆炸性能强于固相温压炸药W-1。

关键词:温压炸药;爆炸冲击波;TNT;冲击波超压;正压作用时间;冲量

温压炸药作为一种高能复合炸药 ,通常由高能金属粉(A1、Mg等)、氧化剂和高能炸药等组成,能够兼顾高能炸药和燃料空气炸药的特点,其性能在常规炸药和燃料空气炸药之间,相比于燃料空气炸药,温压炸药具有可塑性高、结构简单、便于小型化、环境适应性强等优点。目前,在军事领域,温压炸药的应用非常普遍,世界各国都在积极研究和发展新型温压武器[1-2],因此,本文通过对两种不同组分温压炸药的爆炸冲击波特性进行研究,并与TNT炸药的相关参数进行对比分析。

实验

1.1  实验样品

实验共采用3种药剂样品,分别是TNT药柱和两种组分的温压药剂(W-1和W-2)。TNT药柱采用熔铸手段制成,长径比1:1,密度1.58 g/cm3,质量2 kg;温压炸药W-1为固体状,主要成分是高能单质炸药、氧化剂以及高能金属粉等;与W-1不同,温压炸药W-2为固液混合相,主要是由于采用了液态氧化剂,两种温压药剂样品质量均为2 kg,装在圆柱形的PVC铁壳中,中间各插入了100 g的梯黑药柱作为起爆药(见图1)。

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images70414151348.jpg

1  药剂样品

1.2  实验方法及仪器设置

1.2.1 超压测试

测试传感器设置的相对位置如图2所示,炸点距地面高为1.5 m,炸点前方45°的两个方向上分别设置5个压力传感器,一边设在空中,距地面高1.5 m,另一边设在地面上。各测点距炸点的距离如图2所示,现场布置如图3所示。实验中采用211B型压力传感器和jovian-5201型数据采集仪[3]

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u2.jpg

2 压力传感器相对位置示意图

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u3.jpg

3 压力传感器现场布置

1.2.2 冲量测试

采用圆柱跌落法测试冲量(见图4)。其原理是在距炸点别为2m和3m处分别设置一铁架,铁架与炸点同高,每个铁架上分别放置5根圆柱,两处圆柱的大小不同,其相关参数分别为:大圆柱直径10 cm、长20 cm、质量3.465 kg;小圆柱直径7 cm、长15 cm、质量1.962 kg。炸点爆炸后,受爆炸冲击波作用,圆柱将跌落,此时,冲量就是末动量与初动量之差,其中初动量为0。

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u4.jpg

4 圆柱跌落装置

结果与讨论

2.1  峰值超压测试结果与分析

实验时,在同等条件下,分别引爆2 kg的TNT、W-1及W-2炸药,利用上述超压测试系统进行测量,实验重复3次,取测量结果平均值以减少误差。距炸点4 m处地面和空中传感器测得的波形如图5~图7所示。

(1)与其它两种温压炸药相比,TNT炸药爆炸产生的超压波曲线杂峰明显较少。原因主要在于温压炸药中含有高热剂铝粉等,根据二次反应理论[4],铝粉是在C-J面之后与爆轰产物发生所谓的二次反应,该过程时间相对较长且伴随大量热量产生,从而导致超压曲线比较复杂的震荡衰减;此外,温压药柱的外壳在爆炸时也会带来影响。

(2)相同条件下,空中测点测试到的超压曲线杂峰明显比地面测点测试到的多,说明空中测点受爆炸冲击波的影响强于地面测点处。

(3)W-2炸药的超压曲线杂峰比W-1更多。主要是由于W-2炸药中液态氧化剂使其组成成分混合更加均匀,炸药爆炸后,爆轰产物与未反应的其它燃料组分快速反应,造成云雾膨胀现象,此过程中,组分混合越均匀,超压曲线突越性表现的越细密繁多。

 

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u5.jpg

5 TNT爆炸时距测点4m处测得的波形图

 

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u6.jpg

6 W-1炸药爆炸时距测点4 m处测得的波形图

 

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u7.jpg

7  W-2炸药爆炸时距测点4 m处测得的波形图

3次实验中各测点处测得的超压峰值及其平均值见表1。

(1)相同条件下,地面测点处的超压值均大于空中测点处的超压值,主要是由于地面测点处测得的超压为反射波超压,而空中测点测得的是入射波超压。

(2)在距炸点相同距离处,两种温压炸药的超压均大于TNT的超压,W-2的超压大于W-1。因此,单从冲击波峰值超压看,同等质量的条件下,3种炸药的爆炸威力大小顺序为:W-2>W-1>TNT。

结合3种炸药爆炸冲击波峰值超压平均值随炸点距离的变化关系(见图8)可知:

(1)3种炸药爆炸冲击波峰值超压均随爆心距的增大而减小,且在距炸点3 m范围内峰值超压下降迅速,随着距离的继续增大,峰值超压下降趋势逐渐变小,主要是因为在炸点近距离(小于3 m)内炸药还没有完全反应,即反应还未达到平衡;

(2)爆心距小于3 m时,空中测点处的超压下降速度大于地面测点处的超压下降速度。

2.2 正压作用时间测试结果与分析

正压作用时间是指,冲击波超压从周围环境压力上升至最大正峰值超压后再恢复至周围环境压力经历的时间[5],可以通过p(t)曲线来计算正压作用时间,即:E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14imagesshi11.jpg是初始压力时刻,E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14imagesshi2.jpg是压力上升后再恢复至初始压力的时刻。

将3种炸药爆炸后得到的正压作用时间分别取平均值,其结果见表2。

(1)同等条件下,TNT爆炸后的正压作用时间最短,这是由于3种炸药中,TNT的爆炸反应时间最短,能量在最短的时间内释放完毕。而温压炸药爆炸过程中存在两个过程,一是先期爆炸过程;二是后期快速燃烧过程,因此,其正压作用时间相对较长。

(2)同等条件下,W-2爆炸后各测点处的正压作用时间均比W-1的长,这与炸药中各组分的混合均匀性有关。据此可得出,炸药均匀性越好,越有助于增加正压作用时间。

(3)总体上看,相同距离情况下,空中测点处的正压作用时间大于地面测点处的正压作用时间,原因可能是爆炸冲击波在传播的过程中,地面的反射波速度较快,追上空中的前驱冲击波,从而形成了双峰,致使正压作用时间增大[6]

2.3 冲量测试结果与分析

冲量测试采用圆柱跌落法[7](见图9),炸药爆炸后,铁架上的圆柱在冲击波的作用下会跌落。

  

1 各测点处超压峰值及平均值

T

炸药种类

距炸点距离/m

2

3

4

6

8

TNT

地面超压峰值

/kPa

1

583.9

215.6

119.5

65.4

35.5

2

581.5

220.3

121.3

68.2

36.8

3

586.0

223.5

126.4

68.7

41.2

平均

583.8

219.8

122.4

67.4

37.8

空中超压峰值

/kPa

1

523.4

101.5

62.1

36.0

22.3

2

98.6

62.5

36.5

24.0

3

530.5

105.2

64.7

39.2

26.5

平均

526.9

101.8

63.1

37.2

24.3

W-1

地面超压峰值

/kPa

1

682.1

313.6

185.3

78.6

52.9

2

685.5

316.8

188.6

81.3

3

695.0

323.1

192.5

83.0

54.6

平均

687.5

317.8

188.8

81.0

53.8

空中超压峰值

/kPa

1

552.5

130.8

48.1

31.5

2

556.2

188.5

133.2

32.6

3

567.3

192.6

136.4

51.5

35.2

平均

558.7

190.6

133.5

49.8

33.1

W-2

地面超压峰值

/kPa

1

805.6

452.5

286.2

136.4

91.8

2

821.9

453.6

289.0

138.2

3

819.4

461.8

295.4

146.6

98.6

平均

815.6

456.0

290.2

140.4

95.2

空中超压峰值

/kPa

1

645.5

286.0

204.8

96.2

66.2

2

648.3

288.3

204.5

102.5

68.3

3

650.8

288.6

208.2

106.8

平均

648.2

287.6

205.8

101.8

67.3

注:表中“—”为异常数据或未测到有效数据。

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u8.jpg

 

8 峰值超压平均值随爆心距的变化关系

2各测点处的正压作用时间(平均值)

                                                                    ms

地面各测点/m

空中各测点/m

2

3

4

6

8

2

3

4

6

8

TNT

1.42

2.16

2.32

3.75

5.26

1.51

2.26

2.52

3.96

5.51

W-1

2.35

2.86

4.28

4.83

7.64

2.38

2.97

4.25

5.06

7.54

W-2

3.28

3.56

5.05

6.46

8.35

2.78

3.34

4.92

6.25

8.18

 

3 圆柱跌落的水平距离平均值

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14imagesiao1.jpg

4 3种炸药爆炸后在不同位置处产生的冲量大小

 

炸药种类

TNT

W-1

W-2

铁架位置/m

2

3

2

3

2

3

冲量/N·s

243.3

88.8

371.4

204.2

418.8

264.8

 

E:\u6bb5雅兰E盘\u6bb5雅兰7年月.14images	u9.jpg

9 圆柱跌落现场图

跌落过程中,竖直方向上的分量可看成自由落体运动,根据 可计算出运动时间;同时,假设水平分量是匀速运动,则通过测量圆柱跌落的水平距离计算得出水平初速度;最后,根据 得圆柱所受到爆炸冲击波作用的冲量。为了便于比较,还应算出圆柱单位面积上受到的冲量,即 ,其中,圆柱的单位面积S可近似为直径×长度。3种炸药爆炸后大小圆柱跌落的水平距离平均值如表3所示。

根据上述计算方法可分别计算出不同位置处大小圆柱所受单位面积的冲量,取其平均值便是炸药爆炸后在不同位置处产生的冲量,计算结果如表4所示。两种温压炸药爆炸后产生的冲量均大于TNT,相同距离处,W-2炸药爆炸后产生的冲量大于W-1,这点与上述测得正压作用时间大小顺序一致,说明炸药组分混合的均匀性也影响其爆炸产生的冲量大小。

3  结论与不足

(1)两种温压炸药爆炸产生的超压波曲线杂峰明显比TNT多,W-2炸药的超压曲线杂峰比W-1更多;同等条件下,3种炸药爆炸产生的冲击波峰值超压大小顺序为:W-2>W-1>TNT;3种炸药的的爆炸冲击波峰值超压均随爆心距的增大而减小。

(2)同等条件下,3种炸药爆炸后的正压作用时间大小顺序为:W-2>W-1>TNT。

(3)相同距离处,3种炸药爆炸后产生的冲量大小顺序为:W-2>W-1>TNT。

综上所述,在峰值超压、正压作用时间及冲量等参数方面,两种温压炸药均比TNT高,说明温压炸药的爆炸冲击波特性全面优于TNT炸药。

然而,虽然得到了一些结果,发现了一些规律,但笔者认为仍有以下几点不足还有待后续进一步研究。

(1)研究炸药爆炸冲击波特性的目的主要是为进一步研究其爆炸毁伤能力提供参考,对炸药爆炸冲击波的超压、正压作用时间及冲量等参数进行了实验,实际上,炸药爆炸后产生的热辐射大小也是反映其性能的重要参数,下一步在研究炸药爆炸性能时该参数应必不可少。

(2)总的来说,本文采用的实验方法比较单一,比如在进行冲量测试时还可以采用压力曲线积分法以及悬臂计量法[8]等,而后将采用不同的实验方法得出的结果再进行对比分析,发现规律或取平均值,这样得出的结论将更有说服力,在以后的研究中能得到完善和补充。

参考文献(References):

[1] 张敬峰,刘忠元.反恐新“利器”—温压弹[J]. 国防技术基础,2002(4):45-46.

 [2] 李林.温压弹的原理与实践[J].现代军事,2005(3):55-57.

 [3] 王连炬.温压炸药综合毁伤效应分析与评价[D].南京:南京理工大学,2007.

 [4] COOK M A,FILLER A S,KEYES R T,et a1. Aluminized explosives[J]. The Journal of Physical Chemistry,1957,61(2):189-196.

[5] 叶序双.爆炸作用基础[M].南京:解放军理工大学,2003:38-40.

 [6] 张玉磊.三类炸药的爆炸参数与毁伤特性研究[D].南京:南京理工大学,2011.

 [7] 王建灵,郭炜,冯晓军. TNT、PBX和Hexel空中爆炸冲击波参数的实验研究[J]. 火炸药学报,2008,31(6):42-45.

 [8] 周莉.温压炸药的爆炸参数测试与威力评估[D].南京:南京理工大学,2013.


 

 


返回顶部

返回顶部