耗氧效應(yīng)對溫壓戰(zhàn)斗部及裝藥的毀傷評估

胡 嵐, 嚴 蕊, 熊賢鋒, 劉志偉, 王婧娜

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

溫壓彈藥是20世紀發(fā)展起來的一種新概念高效毀傷彈藥。爆轟后會產(chǎn)生較高的溫度、壓力和耗氧效應(yīng)。由于需要依賴環(huán)境中的氧氣,其能量釋放特性和爆炸毀傷效應(yīng)與常規(guī)彈藥有很大不同,耗氧效應(yīng)的強弱與彈藥及其裝藥的能量釋放和毀傷威力密切相關(guān)。

目前,美國陸軍研究實驗室(ARL)和彈道研究實驗室(BRL)兩大軍方實驗室針對目標毀傷評估,開展了大量研究[1]。俄羅斯自前蘇聯(lián)時代就非常重視毀傷效能評估工作,積累了大量目標易損性數(shù)據(jù)。國外進行彈藥毀傷研究的代表人物是美國加州大學的A.K.OPpenheim和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的A.L.Khul等[2-4],他們主要通過激波管試驗、自由場試驗,利用沖擊波、溫度以及生物效應(yīng)等進行研究; 國內(nèi)的研究手段主要以試驗?zāi)M理論推導(dǎo)和試驗測試為主。西安近代化學研究所的宋浦等[5]通過對C-J模型條件下多方狀態(tài)方程的修正,得到炸藥非理想爆轟過程的壓力-體積關(guān)系。南京理工大學的李向東[6-7]、中北大學王志軍[8-9]分別進行了AHEAD彈、破片聚焦戰(zhàn)斗部等對水面目標、戰(zhàn)斗機等重點毀傷效能評估。中國工程物理研究院的錢立新[10]等完成了“防空戰(zhàn)斗部威力評定方法研究”。這些工作主要以目標毀傷效應(yīng)為研究對象,解決了具體的工程需求問題。

但是,炸藥本身性質(zhì)對毀傷能量利用效率的影響,是毀傷效能評估研究不能回避的問題[11]。準確把握炸藥性質(zhì)對毀傷能量轉(zhuǎn)換效率的影響,對全面認識炸藥的威力性能以及合理使用炸藥,充分發(fā)揮炸藥的潛力具有實際意義。國內(nèi)外的科學家們利用試驗?zāi)M和理論計算相結(jié)合的方式,對炸藥的爆炸效應(yīng)和能量釋放規(guī)律進行了研究。重點集中在以沖擊波超壓、爆炸溫度、生物效應(yīng)以及爆速、爆壓、爆熱、溫度等常規(guī)參數(shù)為對象進行評估方面。對于溫壓炸藥的耗氧特性,國內(nèi)已有研究者關(guān)注并開展初步研究[12],但尚未用于彈藥毀傷評估。胡嵐等[13-15]采用電化學傳感器技術(shù)進行了爆轟氣體及火藥氣體的實時測試,建立了耗氧效應(yīng)的測試評估方法,為毀傷效能評估提供了技術(shù)支撐。目前,對溫壓彈藥的毀傷評估引起了軍方的高度重視。除去沖擊波超壓、溫度效應(yīng)、生物效應(yīng)等技術(shù),利用新技術(shù)開展“化學能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皻堋钡难芯?將炸藥裝藥能量評估納入彈藥毀傷評估體系已成為行業(yè)的共識。

本研究通過對溫壓戰(zhàn)斗部及裝藥在靜爆試驗中耗氧量及耗氧持續(xù)時間的測試,進行了耗氧效應(yīng)研究。利用耗氧效應(yīng),進一步評估了裝藥的能量釋放效率,以及彈藥的毀傷威力。

2 研究內(nèi)容

2.1 建筑物內(nèi)靜爆試驗

在設(shè)計的建筑物靶標內(nèi)進行相同藥量某溫壓戰(zhàn)斗部(thermo-baric warhead)和塑料粘結(jié)體系戰(zhàn)斗部(PBX warhead)的靜爆毀傷威力對比試驗。測試以爆心為圓點不同方位,不同半徑處建筑物內(nèi)環(huán)境氧氣濃度測試布點圖見圖1。

圖1溫壓、PBX戰(zhàn)斗部靜爆試驗耗氧測試布點圖

Fig.1Distribution map of oxygen consumption test by static explosive experiment for thermo-baric warhead and PBX warhead

2.2 自由場靜爆試驗

選擇地面平坦,視野開闊的專業(yè)靶場進行試驗。將試驗樣彈豎直放置于彈架上,用雷管起爆。試驗前,以樣彈為圓心,在半徑方向依次設(shè)置8 m,12 m,14 m三個氧氣含量測試傳感器,測量爆炸瞬間環(huán)境中氧氣含量的動態(tài)變化曲線。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在不同房間布設(shè)氧含量測試傳感器,測量爆炸過程中氧氣濃度隨時間變化曲線。測量范圍內(nèi)所獲得的曲線連續(xù)無中斷,則判定所獲取的數(shù)據(jù)有效。利用數(shù)據(jù)線傳輸信號,在距離爆心200 m以上的掩體內(nèi)放置數(shù)據(jù)采集終端,記錄實驗數(shù)據(jù)。

3 測試結(jié)果

溫壓戰(zhàn)斗部和PBX戰(zhàn)斗部測試結(jié)果列于表1和表2。各測試點處氧氣濃度隨時間的變化曲線列于圖2。

表1溫壓戰(zhàn)斗部測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

Table1Test data statistics of thermo-baric warhead

testpointCIOC/%CLLO/%tDOC/sd/m1-221.0420.15716.18320.6519.119544.504-520.4019.656549.61

Note:CIOCrepresents initial oxygen concentration;CLLOrepresents lower limits of oxygen concentration;tDOCrepresents duration of oxygen consumption;drepresents distance from test point to the explosion center.

PBX戰(zhàn)斗部2#(4.5 m)和4#(9.61 m)處的測試曲線如圖3所示。表1和表2中,初始氧濃度(CIOC),最低氧濃度(CLLO) ,耗氧持續(xù)時間(tDOC) 為原始測試值。其中,在實時測試曲線上可以明確判讀出爆炸時間。以此為時間起始點,連續(xù)計算到傳感器測試數(shù)據(jù)恢復(fù)到空氣中初始氧濃度的時間為耗氧持續(xù)時間。

表2PBX戰(zhàn)斗部測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

Table2Test data statistics of PBX warhead

testpointCIOC/%CLLO/%tDOC/sd/m120.4019.263007.21220.322.95*～2004.503-420.903.22*～2409.615-

Note: * represents concussion of explosive.

圖2溫壓與PBX戰(zhàn)斗部氧氣濃度-時間曲線

Fig.2O2concentration-time curve on thermo-baric and PBX warhead

圖3PBX戰(zhàn)斗部2#,4#測點氧氣濃度濃度-時間曲線

Fig.3O2concentration-time curve on 2#and 4#of PBX warhead

4 結(jié)果分析與討論

4.1 溫壓戰(zhàn)斗部裝藥爆炸能量釋放效率

1)配方理論耗氧量

根據(jù)裝藥組成及配方的氧平衡(Oxygen balance,OB),可計算得到裝藥的理論耗氧量(QTOC)。根據(jù)圖4流程對所選配方的單位質(zhì)量耗氧量、空氣消耗量進行計算,結(jié)果見表3。

圖4理論耗氧量計算流程

Fig.4Calculation process of the theoretical oxygen consumption(QTOC)

表3單位質(zhì)量理論耗氧量

Table3Theoretical oxygen consumption per weight for two kinds of warhead

warheadOB/g/kgQTOC/L·kg-1PBX-456.98319.89thermo-baric-623.35436.34

2)試驗絕對耗氧量(QEOC)

試驗絕對耗氧量是指溫壓戰(zhàn)斗部在爆炸過程中消耗氧氣的絕對量。從一個側(cè)面反映了爆炸能量釋放的完全程度。絕對耗氧量越高,溫壓炸藥爆炸的后燃效應(yīng)越強烈,爆炸能量釋放越完全。

絕對耗氧量為:

式中,V的計算利用球形假設(shè)。

假設(shè)裝藥的爆炸以爆心為球心呈對稱擴散,則氧氣的濃度在球體內(nèi)的分布是均勻的。布設(shè)點距爆心距離作為半徑。那么,以半徑為積分區(qū)間,求在不同半徑梯度上的氧氣測試濃度對球體半徑的積分,則是試驗絕對耗氧量。

式中,C代表環(huán)境中氧氣的濃度,%;r是測試點和爆心的距離,m;C(r)為氧氣濃度隨距離變化的函數(shù),可通過每次實驗的測試數(shù)據(jù)擬合出C-r曲線。在有效數(shù)據(jù)有限的情況下,對單點數(shù)據(jù)分段累積計算出絕對耗氧量(QEOC)。

3)不同配方能量釋放的對比

通過兩種不同配方裝藥單位質(zhì)量耗氧量之比,分析配方溫壓效應(yīng)的優(yōu)劣。同時將溫壓裝藥在實際爆轟情況下的耗氧量(QEOC)與理論耗氧量(QTOC)之比作為裝藥釋能評估參數(shù)-能量釋放效率(Energy release efficiency)(%),得到裝藥的性能評估。兩種裝藥的評估結(jié)果列于表4。

表4不同裝藥溫壓能量釋放效率

Table4Energy release efficiency evaluation of different warhead

warheadQTOC/L·kg-1QEOC/L·kg-1ratioofQEOCenergyreleaseefficiency/%ratio1)PBX319.89thermo-baric436.34192.25216.89311.10321.151.611.4860.167.873.671.364.072.51.13

Note: 1) represents ratio of the energy release efficiency between thermo-baric warhead and PBX warhead ;QEOCrepresents experimental oxygen consumption.

由表4數(shù)據(jù)可以看出,兩種裝藥戰(zhàn)斗部在建筑物內(nèi)爆炸時,溫壓戰(zhàn)斗部的耗氧效應(yīng)高于PBX戰(zhàn)斗部。通過球形假設(shè)計算,溫壓戰(zhàn)斗部的絕對耗氧量(QTOC)平均是PBX 戰(zhàn)斗部的1.55倍。同時,通過對能量釋放效率的比對也可以得出,在相同試驗條件下,溫壓戰(zhàn)斗部的釋能效率高于PBX戰(zhàn)斗部,它們的能量釋放效率分別平均為64.0%和72.5%,溫壓戰(zhàn)斗部能量釋放效率是PBX戰(zhàn)斗部的1.13倍。

4.2 溫壓裝藥戰(zhàn)斗部毀傷威力評估

對氧氣濃度隨時間的變化曲線,選擇測試點環(huán)境中氧氣濃度低于空白值所持續(xù)的時間(t1—t2)段進行積分,積分面積代表戰(zhàn)斗部耗氧效應(yīng)。從圖2、圖3中可以看出,氧濃度積分面積越大,耗氧效應(yīng)越強烈,戰(zhàn)斗部毀傷威力越大。將與氧氣濃度-時間曲線的積分定義為“耗氧效應(yīng)”,用公式表示為

式中,Q(t)為測點處環(huán)境氧氣濃度隨時間變化曲線;t為耗氧效應(yīng)持續(xù)的時間, s。

對測得的數(shù)據(jù)利用上述方法進行計算,結(jié)果列于表5。由表5數(shù)據(jù)可以看出,在相同測點處,溫壓戰(zhàn)斗部的毀傷威力大于PBX戰(zhàn)斗部,前者是后者的約1.09～1.31倍,略高于炸藥能量釋放效率(1.13倍)。這是因為戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,為毀傷增添了威力。

4.3 數(shù)據(jù)間斷的分析

表2數(shù)據(jù)中,PBX裝藥2#、4#測點原始曲線中出現(xiàn)了間斷現(xiàn)象,且這個間斷周期是不定長的。測試數(shù)據(jù)由空氣中氧氣原始值(20.9%)下降到較低氧含量3.22%),出現(xiàn)間斷,再基本回到氧氣20%以上。如此重復(fù)幾個周期。

表5不同裝藥戰(zhàn)斗部毀傷威力測試數(shù)據(jù)(建筑物內(nèi))

Table5Damage power data of different warhead in construction

warheadd/mCIOC/%CLLO/%tDOC/sS1)ratio2)thermo-baric4.50(3#)20.6519.11954403.621.316.18(2#)21.0420.157131.660.563)9.61(5#)20.4019.65654286.161.09PBX4.50(2#)20.322.95～200308.067.21(1#)20.4019.26 30056.1749.61(4#)20.903.22～240261.89

Note: 1)Srepresents integral area of oxygen concentration-time curve; 2)represents ratio of damage power between thermo-baric warhead and PBX warhead; 3) represents exception data, outliers.

2#、4#點布設(shè)在爆心不同的方位,同時同步出現(xiàn)了數(shù)據(jù)的間斷震蕩,排除了儀器自身故障,這是一個新的現(xiàn)象?？赡苁怯捎诒Z沖擊波在建筑物內(nèi)因墻壁阻擋產(chǎn)生反射疊加,造成壓力波的周期性震蕩。當外界壓力大于等于傳感器內(nèi)壓力時,測試數(shù)據(jù)正常; 當外界壓力小于大氣壓力,則傳感器無法接觸爆轟氣體,出現(xiàn)數(shù)據(jù)間斷。

4.4 自由場測試結(jié)果

本次試驗測得有效數(shù)據(jù)兩個，見表6,均在距爆心8 m處,而12 m處由于數(shù)據(jù)線被破片截斷,未能取得數(shù)據(jù),14 m處于爆炸火球半徑以外,未能測得氧氣濃度的變化。按照球形假設(shè)計算其絕對耗氧量為227.76 L·kg-1,為理論耗氧量的52.20%。這個數(shù)據(jù)低于建筑物內(nèi)評估值,是由于試驗時當?shù)仫L力過大,對開放空間氧氣濃度測量影響所致。

表6溫壓戰(zhàn)斗部測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

Table6Test data of thermo-baric warhead

testpointCIOC/%CLLO/%tDOC/sQEOC/L·kg-1Energyreleaseefficiency/%121.1919.56170220.4019.402803-420.29227.7652.20%

5 結(jié) 論

(1) 研究的溫壓戰(zhàn)斗部耗氧量是PBX戰(zhàn)斗部的1.55倍,毀傷威力是1.1～1.3倍,與利用沖擊波、溫度等參數(shù)評估結(jié)果相當。利用耗氧效應(yīng)進行彈藥及裝藥毀傷威力評估是可行的。

(2) 炸藥裝藥能量釋放效率的研究是毀傷威力評估的一部分,應(yīng)該納入毀傷評估的體系之中。

(3) 建議在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,進一步系統(tǒng)開展在不同試驗條件下、不同配方、不同藥量溫壓炸藥裝藥耗氧效應(yīng)的研究,建立標準的試驗方法,積累數(shù)據(jù),形成評價準則。

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