初始壓力對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

（西安近代化學研究所， 陜西 西安，710065）

初始壓力對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

（西安近代化學研究所， 陜西 西安，710065）

為研究密閉空間內初始壓力對TNT炸藥爆炸溫度的影響，采用真空爆炸罐測試系統(tǒng)，開展了不同初始壓力條件下0.5kg和1kg藥量TNT內爆炸溫度試驗研究，對測試所得的溫度峰值、峰值到達時間、溫度變化趨勢進行了分析。結果表明：初始壓力相同條件下，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、峰值到達時間及溫度上升速率隨初始壓力的下降而增加，峰值后的溫度下降速率隨初始壓力下降而減??；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，當初始壓力不同時，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；內爆炸；初始壓力；爆炸溫度；真空爆炸罐

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時間內熱效應難以積累，熱毀傷難以實現(xiàn)，因此研究人員對炸藥爆炸作用研究重點集中于沖擊傷效應[1-2]。而在密閉空間內，由于固壁的屏障作用，熱效應得以累計，熱毀傷不可忽略。隨著研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)對特定目標的熱毀傷具有沖擊波毀傷不具有的優(yōu)勢。經統(tǒng)計，由于爆炸產生的灼熱空氣流體對人員造成的吸入性損傷甚至超過了沖擊波損傷[3]。熱毀傷威力主要取決于爆炸產物的最高溫度、溫度持續(xù)時間、溫度上升速率等參數(shù)。根據(jù)氣體狀態(tài)方程，氣體介質的溫度與其壓力密切相關[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，周圍氣體介質溫度在極短的時間內升高到幾千攝氏度，由于爆炸場環(huán)境具有高壓、高沖擊等特點，因而對測試設備的穩(wěn)定性要求極高[5]。目前，溫度測量主要有非接觸式測溫（光譜法和輻射法等），以及接觸式測溫（熱電偶等）。對于密閉爆炸罐內爆炸測溫，接觸式測量是一種可行方法，即在罐內壁安裝快速響應熱電偶記錄爆炸溫度，它具有結構簡單、響應快、測溫范圍寬等特點[6-7]。

本研究以大型爆炸罐為典型密閉空間試驗裝置，通過控制密閉爆炸罐內壓力，采用W-Re5/26熱電偶測量得到了TNT炸藥在不同罐內初始壓力下的爆炸溫度，并分析了罐內初始壓力和溫度的關系。在本實驗條件下，爆炸反應所釋放的化學能絕大部分用來使反應后的氣體從初始溫升到爆炸溫度，極少部分傳遞給周圍的環(huán)境，又由于爆炸是在瞬間完成，爆炸時產生的能量通過器壁傳給外界的量極少，接近絕熱，因此內爆炸過程可以認為是絕熱恒容過程[8]。

1 實驗設備與環(huán)境條件

本實驗樣品為壓制TNT藥柱，長徑比1:1，密度1.57g/cm3，質量為0.5kg和1kg。采用端面中心起爆，起爆藥為JH-14，質量10g，用8#銅殼電雷管起爆。試驗裝置為真空爆炸罐，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Fig.2 Digital vacuum gauge

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

試驗時，藥柱懸掛于爆炸罐內頂固定環(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的法蘭盤上，熱電偶敏感端指向爆心，實驗布局如圖3所示。罐內初始壓力分別為常壓、50kPa、20kPa、10kPa和5kPa。

圖3 內爆試驗裝置及測點布置示意圖Fig.3 Test equipment of inner explosion and monitoring point arrangement

2 實驗結果與分析

2.1 溫度峰值及其到達時間

圖4～5給出了0.5kg和1kgTNT藥柱在不同初始壓力下測得的溫度變化曲線。

圖4 不同初始壓力下0.5kgTNT爆炸溫度曲線Fig. 4 The curves of 0.5kg TNT’s explosion temperature under different initial pressure

圖5 不同初始壓力下1kgTNT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，藥柱引爆后，爆炸罐內溫度經過短暫延遲時間后迅速上升到最高值，此后相對緩慢下降，1s后溫度仍大于200℃。溫度峰值Tmax和溫度峰值的到達時間t見表1。

表1 不同工況下響應溫度峰值及到達時間Tab.1 The peaks of response temperature and its arrival times under different working conditions

由表1可知，在實驗條件下，隨著罐內初始壓力的下降，TNT的爆炸溫度峰值呈上升趨勢。隨著壓力降低，氣體介質密度降低，爆炸后罐內被加熱的空氣質量也隨之減少，因此達到的溫度峰值隨著初始壓力的下降而上升。當初始壓力由常壓下降到5kPa，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℃。在相同初始壓力條件下，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果。

由表1還可以看出，溫度峰值到達時間有一定離散性。剔除0.5kg、10kPa試驗工況的試驗結果，仍可發(fā)現(xiàn)隨著罐內初始壓力的下降，溫度峰值的到達時間呈上升趨勢。這表明，初始壓力降低，罐內氣體的溫升時間更長、峰值更高、熱效應更為顯著。

對峰值結果進行線性和二項式擬合，如圖6所示，并得到0.5kg和1kg內爆炸的經驗公式，如表2所示。

圖6 溫度峰值——初始壓力曲線圖Fig. 6 Curves of peak temperature vs initial pressures

表2 試驗值公式擬合結果Tab.2 Trial values and fitting formulas

從擬合結果來看，二項式擬合精度已達到0.99。圖中直線和虛線的兩交點對應的罐內初始壓力約為20kPa和100kPa，當壓力位于此區(qū)間時，實線位于虛線下方，當壓力小于20kPa時，實線位于虛線上方。這表明，壓力剛開始降低時，溫度峰值升高較為緩慢，當壓力下降到20kPa及更低時，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中初始壓力高的溫升曲線位于壓力低的溫升曲線的下方（除0.5kg、20kPa試驗條件外），表明初始壓力越小溫度升高越快，即在相同的上升時間內，爆炸溫度值隨著初始壓力的下降而升高。常壓下1kgTNT爆炸后達到最高溫度965℃的時間為0.108s，該時刻對應的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壓力越小溫度值越高。這主要是由于低壓環(huán)境空氣介質密度低，熱阻抗明顯減小，從而溫度升高快。

在溫度下降階段，初始壓力為5kPa、10kPa、20kPa時，爆炸溫度近似呈線性下降；而50kPa和常壓時呈指數(shù)下降，溫度峰值后短時間內溫度下降極為迅速，之后趨于平緩。究其原因，可能是與低壓環(huán)境相比，常壓空氣介質密度高、質量大，維持所需熱量更大，一旦放熱結束，溫度下降極為迅速[9]。當時間位于0.3～0.4s時，罐內初始壓力為50kPa和常壓時的爆炸——溫度迅速下降階段結束，進入緩慢下降區(qū)，而初始壓力小于20kPa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，熱效應維持時間較常壓環(huán)境長，對目標的熱作用更持久。

2.3 不同初始壓力下藥量對溫度峰值的影響

從實驗結果可以看出，不同初始壓力條件下，藥量對爆炸溫度峰值的影響程度有所差異。計算表2中1kgTNT和0.5kgTNT爆炸在不同初始壓力下的爆炸溫峰值的比值，得到如圖7所示曲線。

圖7 不同初始壓力條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時減小為1.26?？梢?，初始壓力越小，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時達到了1 033℃，提高了1.85倍；1kgTNT藥柱在常壓下溫度為965℃，5kPa時為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時的溫度峰值分別高于1kgTNT常壓下的溫度峰值。

3 結論

（1）相同初始壓力條件下，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時間隨初始壓力的減小而增加。

（2）在溫度上升階段，溫度上升速率隨初始壓力的減小而增加；在溫度下降階段，總體趨勢為溫度下降速率隨初始壓力的減小而減小，其中初始壓力為5kPa、10kPa、20kPa時，爆炸溫度近似呈線性下降；而50kPa和常壓時呈指數(shù)下降。

（3）隨著初始壓力的減小，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小；在不同初始壓力條件下，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。

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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試與評估技術研究。