坑道內(nèi)溫壓炸藥的爆炸熱效應(yīng)研究

閆瀟敏，蘇健軍，李芝絨，茍兵旺，張玉磊

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065)

坑道內(nèi)溫壓炸藥的爆炸熱效應(yīng)研究

閆瀟敏，蘇健軍，李芝絨，茍兵旺，張玉磊

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065)

為了研究溫壓炸藥在半密閉條件下的爆炸熱效應(yīng)，以WRe5/26熱電偶作為效應(yīng)物，對TNT、TBX-1及TBX-2 3種炸藥在坑道內(nèi)的爆炸進(jìn)行了熱響應(yīng)溫度測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：在坑道環(huán)境下，溫壓炸藥具有明顯的二次燃燒過程，可形成較長的溫度作用時間，表現(xiàn)出較大的溫度場效應(yīng)；與等質(zhì)量的TNT相比，溫壓炸藥爆炸后產(chǎn)生的溫度場范圍大、溫度高、后續(xù)持續(xù)時間長，對坑道內(nèi)的人員和設(shè)備能產(chǎn)生更大的破壞作用。

炸藥；坑道；熱電偶；熱效應(yīng)

溫壓炸藥(thermal-baric explosive，簡稱TBX)是利用熱效應(yīng)和壓力效應(yīng)造成毀傷的一類炸藥[1]，主要成分為高能炸藥顆粒、液態(tài)敏化劑、高熱值金屬粉及含能聚合物材料等。溫壓炸藥爆炸時在中心高爆裝藥作用下形成邊飛散、邊爆燃、邊釋能的過程，能利用周圍空氣中的氧參與釋能反應(yīng)，其爆炸熱效應(yīng)較常規(guī)高爆炸藥更顯著，熱量釋放過程更復(fù)雜。溫壓炸藥拋撒后可以產(chǎn)生更強(qiáng)的爆炸沖擊波和持續(xù)更長時間的高溫火球，利用爆炸產(chǎn)生的爆轟波和沖擊波的破壞作用可以對常規(guī)目標(biāo)進(jìn)行硬殺傷；利用持續(xù)的高溫和窒息作用能高效殺傷隱藏在建筑物或山洞等密閉掩體內(nèi)的有生力量；甚至在反恐戰(zhàn)爭中，可以利用溫壓戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的持續(xù)高溫來摧毀恐怖分子庫存的化學(xué)和生物戰(zhàn)劑，不至因生化戰(zhàn)劑泄漏造成更大的人為災(zāi)害[2-3]。

溫壓炸藥中一般添加鋁、硼、硅、鈦、鎂、鋯等物質(zhì)的粉末，這些粉末在加熱狀態(tài)下點(diǎn)燃并釋放大量能量，大大增強(qiáng)了溫壓炸藥的熱效應(yīng)和壓力效應(yīng)[4]。根據(jù)溫壓炸藥爆炸效能的固有特性，在空曠環(huán)境中爆炸時火球的持續(xù)時間較短，高溫?fù)p傷效應(yīng)不明顯，沖擊波成為主要的殺傷因素；在密閉、半密閉空間爆炸時，不僅其沖擊波壓力會大大提高，其能量釋放效率也有很大提高，同時爆炸火球的高溫持續(xù)時間也將大大增加。因此，在密閉、半密閉空間內(nèi)使用溫壓炸藥，可大大提高其綜合毀傷效應(yīng)。目前對于溫壓炸藥自由場條件下的爆炸已有不少報道[5-7]，而密閉、半密閉條件下的研究較少。本文通過對溫壓炸藥和TNT炸藥在坑道內(nèi)爆炸熱效應(yīng)的研究，從熱量釋放角度分析了溫壓炸藥在坑道環(huán)境下的爆炸釋熱特性，為半密閉空間內(nèi)溫壓炸藥的爆炸特性研究提供了參考。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為TNT、TBX-1（HMX/Al/AP/黏結(jié)劑～26/30/30/14）和TBX-2（HMX/Al/黏結(jié)劑～60/26/14）壓裝藥柱，質(zhì)量均為8kg，底面直徑為170mm，長徑比為(1.0～1.25):1，裝藥密度分別為1.59 g/cm3、1.82 g/cm3、1.94g/cm3。傳爆藥為JH-14C壓裝藥柱，尺寸為Φ50mm×50mm，密度為1.67g/cm3，將傳爆藥柱粘接在主裝藥上方的中心位置處。

1.2測試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)布局

試驗(yàn)坑道為直墻圓拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示，爆炸源距坑道口150m，炸高1.2m。溫度傳感器安裝在坑道中線上，與爆炸源同高，測點(diǎn)距爆炸源水平距離分別為3m、6m、9m、12m，傳感器安裝位置見圖2所示。

圖1　爆炸坑道截面圖Fig.1　Layout of blast tunnel

圖2　傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Installment location of the sensors

圖2中，溫度傳感器采用WRe5/26熱電偶絲制作，偶絲直徑為0.2mm，熱響應(yīng)時間小于2ms，測量端兩點(diǎn)對焊，冷端用隔熱材料封裝在金屬殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖3所示[8-9]，該傳感器的動態(tài)響應(yīng)誤差較小，具有足夠的抗爆強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中，熱電偶傳感器將爆炸產(chǎn)生的急劇變化的模擬溫度信號，由DEWETRON數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集并經(jīng)模、數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字電壓信號，然后根據(jù)WRe5/26熱電偶分度表得到對應(yīng)的溫度值。

圖3　熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic structure of thermocouple

2　結(jié)果與分析

2.1熱響應(yīng)溫度時間歷程

圖4給出了坑道內(nèi)3種炸藥爆炸距爆心4個不同距離處的熱響應(yīng)溫度時間曲線，其中，TBX-2炸藥爆炸試驗(yàn)時，3m測點(diǎn)處傳感器線炸斷未采集到數(shù)據(jù)。

圖4　不同炸藥爆炸的熱響應(yīng)溫度時間曲線Fig.4　The thermal response temperature vs time curves of different explosives

從圖4中可以看出，3種炸藥的熱響應(yīng)溫度都是先增大后減小，之后又增大，并且隨著時間推移會持續(xù)一段時間，然后逐步衰減，并且兩種溫壓炸藥在各個測點(diǎn)對應(yīng)的溫度隨時間的衰減速度明顯低于TNT炸藥。在試驗(yàn)坑道中溫壓炸藥爆炸二次燃燒現(xiàn)象比較明顯，這是由于坑道內(nèi)溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫和熱作用會使其中的高熱值金屬粉顆粒的活性增加，與坑道內(nèi)的氧氣充分燃燒，釋放出大量的熱，使得熱響應(yīng)溫度再次升高。TBX-1炸藥6m測點(diǎn)處和TBX-2炸藥9m測點(diǎn)處的爆炸熱響應(yīng)時間曲線最能反映出二次燃燒特征。圖4(b)中TBX-1藥柱6m測點(diǎn)處，在爆炸初始峰值溫度達(dá)到456℃之后溫度迅速回落，之后再次上升，二次燃燒溫度達(dá)到467℃后開始快速下降，到205℃時溫度下降變緩，穩(wěn)定溫度為175℃，二次燃燒溫度升高的峰值與初始峰值溫度相當(dāng)。圖4(c) 中TBX-2藥柱9m測點(diǎn)處，爆炸初始峰值溫度為91℃，經(jīng)小幅下降后迅速回升至185℃，之后再次小幅下降，二次回升到最高溫度峰值229℃，兩次回升后的峰值溫度都超過了初始峰值溫度，而且持續(xù)時間較長。

2.2溫度作用效果

表1列出了3種炸藥爆炸距爆心4個不同距離處的最高峰值溫度，表2給出了6m測點(diǎn)和12m測點(diǎn)不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間。

表1　不同測點(diǎn)處的溫度峰值Tab.1　The maximum temperature of different distance

表2　不同溫度區(qū)間的持續(xù)時間　　?。╩s）Tab.2　Durative time of different temperature range

從表1和表2可以看出，兩種溫壓炸藥不同距離處的最高峰值溫度和高溫持續(xù)時間都大于相同質(zhì)量的TNT。3m測點(diǎn)處，TBX-1炸藥的最高溫度為692℃，而TNT為570℃；9m測點(diǎn)處，TBX-1、TBX-2炸藥的最高溫度分別為132℃和229℃，而TNT僅為98℃。從高溫持續(xù)時間上看，TBX-1和TBX-2爆炸產(chǎn)生的高溫持續(xù)時間比TNT要長得多。6m處，溫度高于400℃的作用時間，TNT只持續(xù)了177 ms，而TBX-1持續(xù)了438 ms，TBX-2則持續(xù)長達(dá)2 922 ms；12m處溫壓炸藥最高峰值溫度雖都低于100℃，但TBX-1、TBX-2炸藥高溫持續(xù)時間長達(dá)1 763ms和4 194ms，是TNT的數(shù)十倍。與等質(zhì)量的TNT 相比，溫壓炸藥爆炸的高溫作用區(qū)域大、持續(xù)時間長。

2.3最高溫度隨距離變化

國內(nèi)外研究者在對溫壓炸藥爆炸效能的研究中得到：溫壓炸藥爆炸要經(jīng)歷爆轟階段、無氧擴(kuò)展和有氧燃燒3個階段[10-12]。在坑道爆炸中，環(huán)境能夠?yàn)檎ㄋ幪峁┏渥愕难鯕?，初始的無氧爆轟反應(yīng)把炸藥拋撒開形成一定的體積，爆轟產(chǎn)物不從空氣中吸取氧氣，此階段僅釋放一部分能量，形成初始溫度峰值，并產(chǎn)生大量富含燃料的產(chǎn)物，這些四處飛散的燃燒產(chǎn)物從坑道空氣中獲取氧氣，與空氣混合并以湍流的形式燃燒擴(kuò)散，同時釋放大量能量，產(chǎn)生二次燃燒，延長了高溫作用的持續(xù)時間。

圖5給出了3種炸藥爆炸的最高溫度隨距離的變化關(guān)系。由圖5可以看出，兩種溫壓炸藥爆炸火球的最高溫度均高于TNT，且爆炸火球的最高溫度順序依次為：TBX-2、TBX-1、TNT，6m處3種炸藥爆炸火球的最高溫度最為接近。TNT是高爆炸藥，其特征是點(diǎn)源爆炸，雖然一開始火球中心部位溫度較高，但是由于爆炸在瞬間結(jié)束，幾乎沒有產(chǎn)物的后續(xù)燃燒，爆炸產(chǎn)物與周圍空氣熱交換之后溫度迅速降低，所以不僅高溫區(qū)域小而且持續(xù)時間也短。而溫壓炸藥含有高熱劑鋁粉成分，具有一定的體積爆炸特征，中心藥爆炸后，藥劑會有一個邊飛散邊爆燃的過程，并最終形成一個高熱云團(tuán)，進(jìn)而形成較大的高溫區(qū)域；又由于四周空氣中的介質(zhì)接收到后續(xù)燃燒產(chǎn)生的熱量，一方面其爆炸溫度提高了，另一方面高溫持續(xù)時間得以增加。因此，同量級溫壓炸藥的爆炸威力要遠(yuǎn)大于TNT。

圖5　不同炸藥爆炸最高溫度隨距離的變化關(guān)系Fig.5　Curve of the maximum temperature vs distance of different explosives

由圖5還可以看出，3種炸藥爆炸產(chǎn)物的響應(yīng)溫度均隨爆心距的增加而降低，近距離處溫度隨距離變化梯度較大，遠(yuǎn)距離處溫度隨距離變化梯度較小。這是因?yàn)榻嚯x處爆炸產(chǎn)物集中，能量釋放強(qiáng)烈，在坑道中氣流的作用下，爆炸產(chǎn)物與效應(yīng)物的熱量交換劇烈，溫度由接近炸藥爆溫開始驟然下跌，遠(yuǎn)處由于溫壓炸藥的后燃燒效應(yīng)，使火球處于暫時穩(wěn)定期。同時，坑道壁面為水泥結(jié)構(gòu)，材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，爆炸所產(chǎn)生的熱量對外散熱較慢，由于坑道壁面的限制，空氣沖擊波在坑道壁面來回反射，增加了溫度效應(yīng)，造成短時間內(nèi)熱量積聚，溫度下降的趨勢減緩。與自由場溫壓炸藥爆炸相比，坑道環(huán)境中溫壓炸藥爆炸后產(chǎn)生的溫度場范圍大、溫度高、后續(xù)持續(xù)時間長，對坑道內(nèi)的人員和設(shè)備能產(chǎn)生更大的破壞作用。

3　結(jié)論

（1） TNT、TBX-1及TBX-2 3種炸藥在坑道中爆炸，都出現(xiàn)了二次燃燒現(xiàn)象，溫壓炸藥的二次燃燒現(xiàn)象比TNT炸藥明顯。

（2）溫壓炸藥具有較高的溫度效應(yīng)，其高溫區(qū)域范圍和溫度持續(xù)時間都大于TNT，體現(xiàn)了溫壓炸藥相對于傳統(tǒng)高能炸藥的溫度場優(yōu)勢。

（3）與等質(zhì)量TNT相比，溫壓炸藥的后燃燒效應(yīng)、坑道壁面反射效應(yīng)明顯，高溫區(qū)域大，高溫持續(xù)時間長。

（4）TBX-1和TBX-2在坑道中爆炸溫度的高低與離爆心的距離不呈線性關(guān)系，說明爆炸場中的溫度不是均勻分布的。

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Experimental Study on Explosive Thermal Effect of Thermal-baric Explosives in Tunnel

YAN Xiao-min, SU Jian-jun, LI Zhi-rong, GOU Bing-wang, ZHANG Yu-lei

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to study the thermal effect of thermal-baric explosive under semi-closed condition, three explosives (TNT、TBX-1 and TBX-2) were tested by using WRe5/26 thermocouple as the analogue in tunnel. The result shows that the secondary combustion process occurs obviously in tunnel condition. The duration time of temperature was long and the temperature field effect was large. Compared to TNT of the same weight, explosion of thermo-baric explosives experiences bigger field, higher temperature and longer durative time of after-burning. The destructive action was large to human and equipment in tunnel.

Explosives; Tunnel; Thermocouple; Thermal effect

TQ564

A

1003-1480（2015）01-0022-04

2014-10-29

閆瀟敏（1982-），女，工程師，從事毀傷效應(yīng)測試與評估技術(shù)研究。