溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的能量輸出研究

張丁山，周 濤，張玉磊

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溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的能量輸出研究

張丁山，周 濤，張玉磊

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

為了研究溫壓炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出，建立了溫壓炸藥起爆過程的化學反應方程組，結合溫壓炸藥起爆過程中的能量輸出特性，對溫壓炸藥在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下分別起爆后的能量輸出情況，以及在相同裝藥量下，溫壓炸藥、TNT炸藥和梯黑鋁炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出情況進行了計算分析，并應用26m3的爆炸罐分別測量了2kg 3種炸藥在無氧環(huán)境下爆炸后的沖擊波超壓。經(jīng)對比得出溫壓炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出約為有氧環(huán)境能量輸出的66%，但輸出的能量仍為TNT炸藥的1.4倍和梯黑鋁炸藥的1.02倍。

溫壓炸藥；爆轟；無氧環(huán)境；毀傷

近年來迅速發(fā)展的溫壓戰(zhàn)斗部裝填的溫壓炸藥與常規(guī)炸藥不同，其配方中含有較高比例的高能含能材料和大量的高活性金屬粉末，爆炸時，既產(chǎn)生與常規(guī)炸藥相似的高峰值短脈沖沖擊波，同時將大量高活性金屬粉末拋撒到空氣中，與空氣中的氧氣產(chǎn)生強烈的后燃燒反應，使溫壓戰(zhàn)斗部起爆后對密閉、半密閉空間目標產(chǎn)生顯著的較長時間高沖量沖擊波、熱膨脹、缺氧“窒息”等多種毀傷模式，具有常規(guī)彈藥和燃料空氣彈藥的融合優(yōu)勢。

為進一步提高常規(guī)戰(zhàn)斗部對軍事目標的高效毀傷威力，溫壓彈藥的研制及應用受到了各國的高度重視，我國也開展了大量的研究工作，主要對溫壓炸藥的配方[1]、起爆特性（沖擊波[2]、后燃燒火球溫度及半徑[3]、拋撒過程[4]、缺氧效應[5]、威力對比[6]等）、溫壓戰(zhàn)斗部的設計[7]、對典型目標（坑道[8]、建筑物、艦船、車輛等）的毀傷威力驗證等開展了研究工作，并取得了顯著成果，但對于溫壓戰(zhàn)斗部在缺氧或無氧環(huán)境下的毀傷研究則相對較少。而使用方對于溫壓戰(zhàn)斗部在相近環(huán)境下的毀傷輸出特性十分關注，同時為了進一步準確掌握溫壓戰(zhàn)斗部的應用范圍，需開展該方面的研究工作。因此，本文通過對溫壓炸藥起爆過程中的化學反應進行分析，同時開展爆炸罐內(nèi)靜爆試驗，對溫壓炸藥在缺氧或無氧環(huán)境下的毀傷模式和毀傷威力進行研究，并與常規(guī)炸藥在相同環(huán)境下的毀傷威力進行對比，為溫壓戰(zhàn)斗部的研制及推廣提供參考。

1 模型建立

溫壓炸藥起爆過程及能量釋放描述：試驗用溫壓炸藥的組分為65%的奧克托今、30%的高活性鋁粉和5%的粘結劑，其中65%的奧克托今與15%的鋁粉構成了含鋁炸藥，剩余15%的鋁粉將與空氣形成體積爆轟。因此，溫壓炸藥起爆反應過程的能量輸出主要由兩部分組成：一部分是凝聚相含鋁炸藥爆轟釋放，一部分是鋁粉與空氣中的氧氣發(fā)生體積爆轟釋放。

1.1 基本假設

依據(jù)溫壓炸藥起爆過程及能量釋放特性，建立計算溫壓戰(zhàn)斗部在無氧環(huán)境下的起爆過程中毀傷能量輸出模型時，做出以下基本假設[9]：（1）炸藥爆炸時生成的微量產(chǎn)物忽略不計；（2）炸藥中的氮全部生成氮氣；（3）炸藥中的氧首先將可燃金屬元素氧化成金屬氧化物；（4）剩余的氧將H氧化成H2O；（5）繼續(xù)剩余的氧將C氧化成CO；（6）參與反應的Al粉全部被氧化成Al2O3；（7）爆炸反應過程中包含的化學反應平衡，按照反應物含量的50%進行計算，其余量保持平衡；（8）所有需要外界氧氣參加的反應均未進行。

1.2 反應方程

依據(jù)溫壓炸藥起爆過程、能量釋放特性和做出的（1）～（7）基本假設，建立了溫壓炸藥在氧氣充足環(huán)境下的起爆反應方程組：

0.28(CH2N-NO2)4+0.7Al

→0.35Al2O3+1.12H2O+0.07CO+1.05C+1.12N2（1）

2Al+3H2O→Al2O3+3H2（2）

2H2+O2→2H2O （3）

2C+O2→2CO （4）

4Al+3O2→2Al2O3（5）

依據(jù)基本假設（8），溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的起爆反應將沒有方程式（3）、（4）、（5）、（6）的化學反應過程，即溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的起爆反應方程組為：

0.28(CH2N-NO2)4+0.7Al→0.35Al2O3+1.12H2O

+0.07CO+1.05C+1.12N2

2Al+3H2O→Al2O3+3H2

通過溫壓炸藥在氧氣充足環(huán)境下和無氧環(huán)境下的起爆反應方程組對比可得，溫壓炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出來源于溫壓炸藥組分中65%的奧克托今與15%的鋁粉組成的含鋁炸藥起爆，剩余15%的鋁粉未發(fā)生反應，沒有能量輸出，即1kg溫壓炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出來源于0.65kg的奧克托今和0.15kg的鋁粉組成的0.8kg含鋁炸藥起爆，剩余0.15kg的鋁粉和0.05g粘結劑未發(fā)生反應，沒有能量輸出。

2 試驗研究

應用26m3爆炸罐開展靜爆試驗，如圖1所示，分別測量2kg溫壓炸藥在有氧環(huán)境（正常空氣）和無氧環(huán)境（抽真空充氮氣1atm）下爆炸后的沖擊波超壓，以及相同質(zhì)量（2kg）TNT炸藥和梯黑鋁在無氧環(huán)境下爆炸后的沖擊波超壓。通過對比沖擊波超壓峰值得出不同炸藥爆轟后的能量輸出特性。

圖1 試驗裝置

試驗時，各炸藥以圓柱型藥柱的形式放置于爆炸罐的幾何中心處，壓力傳感器布設于正對藥柱的爆炸罐側壁上，傳感器距爆心的距離為1.17m。

3 結果及分析

3.1 能量輸出計算結果

計算過程中，對溫壓炸藥分別在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出進行了計算，對比分析了有氧環(huán)境和無氧環(huán)境對溫壓炸藥起爆后能量輸出的影響，另外分別計算了溫壓炸藥、TNT炸藥和梯黑鋁炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出，并進行了對比分析。

3.1.1 在無氧環(huán)境和有氧環(huán)境下起爆的能量輸出對比

依據(jù)化學反應方程式（1）、（2）、（7）、（8）計算得出，0.8kg含鋁炸藥在無氧環(huán)境下起爆后輸出的能量為5.9MJ。依據(jù)化學反應方程式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）、（7）、（8）計算得出，0.8kg含鋁炸藥在氧氣充足環(huán)境下起爆后輸出的能量為 6.3MJ。

考慮剩余0.15kg鋁粉的活性及參與體積爆轟的鋁粉百分含量，并依據(jù)化學反應方程式（5）計算得出，1kg溫壓炸藥在氧氣充足環(huán)境下起爆后由鋁粉與空氣發(fā)生體積爆轟輸出的能量為2.6MJ。表1列出了1kg溫壓炸藥在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出，以及兩者的比值，通過對比得出，溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的能量輸出約為有氧環(huán)境下能量輸出的66%。

表1 1kg溫壓炸藥在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下起爆的能量對比

Tab.1 The energy of 1kg thermobaric power explosion in aerobic or anaerobic environment

3.1.2 溫壓炸藥和幾種常規(guī)炸藥在無氧環(huán)境下起爆的能量輸出對比

表2列出了1kg溫壓炸藥、TNT炸藥和梯黑鋁炸藥分別在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出，通過對比得出，相同藥量下，溫壓炸藥在無氧環(huán)境下的能量輸出為TNT炸藥的1.4倍，為梯黑鋁炸藥的1.02倍，能量輸出基本相當。

表2 1kg炸藥在無氧環(huán)境下起爆的能量輸出對比

Tab.2 The energy of 1kg powder explosion in anaerobic environment

3.2 沖擊波超壓計算結果

沖擊波超壓計算公式：

式（9）中：△為沖擊波超壓，MPa；為考慮藥柱在爆炸罐內(nèi)靜爆時由于沖擊波反射、疊加等引起的超壓增強系數(shù)；為距爆心的距離，m；為炸藥的TNT當量，kg。

應用沖擊波超壓計算公式，可以得出：（1）2kg溫壓炸藥在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下分別起爆后，距爆心1.17m處（測試點）的沖擊波超壓峰值比約為1.25，即溫壓炸藥在有氧環(huán)境下起爆后測試點處的沖擊波超壓峰值約為無氧環(huán)境下的1.25倍。（2）2kg溫壓炸藥、TNT炸藥和梯黑鋁炸藥分別在無氧環(huán)境下起爆后，溫壓炸藥距爆心1.17m處（測試點）的沖擊波超壓峰值分別為TNT炸藥的1.22倍、梯黑鋁炸藥的1.02倍。

3.3 試驗結果

溫壓炸藥在無氧環(huán)境和有氧環(huán)境下起爆的沖擊波超壓測試結果見圖2。通過圖2可得，2kg溫壓炸藥在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下分別起爆后，測試點處的沖擊波超壓峰值分別為12.84MPa和10.78MPa，比值為1.19。

圖2 溫壓炸藥沖擊波超壓測試曲線

3種炸藥在無氧環(huán)境下起爆的沖擊波超壓測試結果見圖3。通過圖3可得，2kg溫壓炸藥、TNT炸藥和梯黑鋁炸藥分別在無氧環(huán)境下起爆后，測試點處的沖擊波超壓峰值分別為10.78MPa、8.5MPa和10.2MPa，溫壓炸藥與TNT炸藥和梯黑鋁炸藥的沖擊波超壓峰值比分別為1.27和1.06。通過沖擊波超壓理論計算結果與試驗測試結果對比，可知理論計算結果與試驗測試結果相近，表明能量輸出計算模型較為準確，可以用于工程設計計算。

圖3 3種炸藥在無氧環(huán)境下的沖擊波超壓測試曲線

4 結論

經(jīng)對比得出，溫壓戰(zhàn)斗部裝填的溫壓炸藥在無氧環(huán)境下起爆后的能量輸出約為有氧環(huán)境能量輸出的66%，但輸出的能量仍然高于TNT、梯黑鋁等常規(guī)炸藥，即在相同條件下，溫壓戰(zhàn)斗部在無氧環(huán)境下起爆后的毀傷威力仍然大于裝填TNT炸藥和梯黑鋁炸藥的戰(zhàn)斗部。

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The Research on Energy Output of Thermobaric Power in the Condition without Oxygen

ZHANG Ding-shan，ZHOU Tao，ZHANG Yu-lei

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

In order to study the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen, the chemistry reaction equation of thermobaric power was set up, the energy output of thermobaric power in the condition without oxygen or with oxygen was calculated, and the energy output of thermobaric power, TNT and THL power were calculated and analyzed in the same condition without oxygen, as well as the shock wave of three kinds of powder explosion in anaerobic environment by 26m3explosion pot were tested. It is concluded that the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen is 66% of that in the condition with oxygen, and the energy output of thermobaric warhead in the condition without oxygen is 1.4 times of that of the TNT power, or 1.02 times of that of the THL power.

Thermobaric power；Detonation；Without oxygen condition；Destroy

1003-1480（2018）06-0034-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.009

2018-06-06

張丁山（1984 -），男，副研究員，主要從事戰(zhàn)斗部結構設計及性能研究。