溫壓彈爆炸效應(yīng)與防護技術(shù)研究現(xiàn)狀

苗朝陽，李秀地，楊　森，耿振剛

(1.后勤工程學院　a.巖土力學與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室；b.土木工程系，重慶　401311; 2. 92303部隊，山東 青島　266404)

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溫壓彈爆炸效應(yīng)與防護技術(shù)研究現(xiàn)狀

苗朝陽1a,1b，李秀地1a,1b，楊森2，耿振剛1b

(1.后勤工程學院a.巖土力學與地質(zhì)環(huán)境保護重慶市重點實驗室；b.土木工程系，重慶401311; 2. 92303部隊，山東 青島266404)

摘要：溫壓彈爆炸沖擊波具有沖量高、持續(xù)時間長的特點，直接威脅坑道內(nèi)防護門的安全，研究溫壓彈爆炸效應(yīng)與防護技術(shù)具有重要意義；回顧了溫壓彈爆炸沖擊波、溫壓彈爆炸沖擊波作用下防護門動力響應(yīng)及防護門抗爆炸沖擊波防護技術(shù)研究現(xiàn)狀，并分析了目前研究中存在的問題及解決方法，對下一步溫壓彈爆炸效應(yīng)與防護技術(shù)研究具有較大參考價值。

關(guān)鍵詞：溫壓彈，爆炸沖擊波；防護門；動力響應(yīng)；防護技術(shù)

1研究背景及意義

自從戰(zhàn)爭出現(xiàn)以來，進攻和防守這兩種戰(zhàn)斗形態(tài)就同時相伴而生。整個人類戰(zhàn)爭史，一直伴隨著攻者利其器、守者堅其盾的發(fā)展過程。防護工程可視為盾牌的擴展和延伸，是保障己方人員和裝備安全的盾牌。與地面工程相比，埋藏在山體中或地面下一定深度的防護工程，具有易于偽裝隱蔽、天然抗力強等特點，在抗敵方打擊方面具有不可替代的優(yōu)勢。然而，信息化條件下，隨著偵查監(jiān)視、精確打擊等技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代小型化大當量武器對防護工程這類固定目標的戰(zhàn)時生存構(gòu)成了嚴重威脅。

為有效打擊防護工程內(nèi)的目標，近年來以美國為首的西方國家對發(fā)展溫壓武器的興趣越來越濃厚。美國空軍和國防威脅降低局曾授權(quán)研制新型鉆地彈，并在2007年進行了首次靜爆試驗；美軍在內(nèi)華達測試中心對BLU-118B激光制導溫壓彈進行了全尺寸地下測試，在洞穴內(nèi)產(chǎn)生了顯著的超壓和高溫，成功地摧毀了地下目標。阿富汗戰(zhàn)爭中，美軍首次使用了BLU-82B溫壓彈打擊了躲藏在山洞里的塔利班和“基地”組織成員，溫壓彈表現(xiàn)出良好的武器性能和毀傷效應(yīng)。與傳統(tǒng)高爆炸藥彈藥相比，溫壓彈獨特的爆炸毀傷效應(yīng)體現(xiàn)在長持續(xù)時間高沖量沖擊波和熱殺傷上，以及因爆炸吸氧造成人員的窒息傷害，特別適合打擊防護工程等封閉空間內(nèi)的人員和設(shè)備。未來戰(zhàn)場上我軍大量坑道式防護工程面臨敵溫壓彈精確打擊的嚴重威脅。

為方便人員與設(shè)備的出入，給排水、通風排煙等需要，國防與人防工程構(gòu)筑少量和外部連通的孔口，爆炸沖擊波、生化戰(zhàn)劑等都可能從這些孔口進入防護工程內(nèi)部，對人員和設(shè)備造成殺傷與破壞。防護門作為防護工程口部最重要的防護設(shè)備，也是防護工程的薄弱環(huán)節(jié)，其能否抗得住敵方武器的精確打擊，對防護工程發(fā)揮其預(yù)定功能具有決定性的作用。通過合理布置，傳統(tǒng)上基于超壓設(shè)計的防護門可以有效抵抗沖擊波超壓峰值。但在溫壓彈爆長持續(xù)時間高沖量炸沖擊波的作用下，防護門可能將無法發(fā)揮預(yù)定的作用，其防護性能需要重新評估并提出可靠的防護措施。因此，為提高我軍防護工程的戰(zhàn)時生存能力，研究溫壓彈爆炸沖擊波作用下防護門的動力響應(yīng)及其破壞機理并提出有效的防護措施不僅必要，而且十分迫切。

2溫壓彈爆炸沖擊波研究現(xiàn)狀

2.1溫壓彈簡介

溫壓彈是指采用溫壓炸藥，利用爆炸后高溫和壓力效應(yīng)產(chǎn)生殺傷效果的彈藥。它是在燃料空氣彈的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，與燃料空氣彈原理相似，但是威力更強。溫壓彈兼有高爆炸藥和空氣燃料彈的特點，在高能炸藥中添加了鋁，硼、硅、鈦、鎂、鋯等金屬粉末，在高能炸藥爆炸后起燃，并釋放大量熱量，顯著增強了溫壓炸藥的熱效應(yīng)和壓力效應(yīng)。溫壓炸藥是典型的負氧平衡炸藥，爆炸過程分為3步：一是最初的無氧爆炸反應(yīng)，此階段確定其高壓性能；二是爆炸后的無氧燃燒反應(yīng)；三是爆炸后的有氧燃燒反應(yīng)，此階段釋放大量能量，極大增加沖擊波作用時間。

2.2傳統(tǒng)爆炸荷載確定方法

計算炸藥的爆炸沖擊波荷載，通常可以利用等效的方法。美軍《抗偶然爆炸結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》及《常規(guī)武器防護設(shè)計原理》等通過大量實驗數(shù)據(jù)，給出了不同比例距離下TNT爆炸的沖擊波超壓、沖量及正負壓作用時間等特征參數(shù)，被廣泛采用。趙永濤等[1]通過實驗實測溫壓彈平均TNT當量比為1.5～2.6，基于這些研究成果，將溫壓炸藥等效為TNT，通過查表及經(jīng)驗公式等方法可以近似確定溫壓彈的爆炸荷載。然而，由于溫壓炸藥爆炸機理不同，其爆炸產(chǎn)生的沖擊波特征也應(yīng)與TNT有顯著的不同。

2.3溫壓彈自由場及有限空間爆炸沖擊波研究

近年來，以南京理工大學、西安近代化學研究所等為代表的國內(nèi)一些單位持續(xù)開展了溫壓彈爆炸效應(yīng)的研究。陳昊等[2]通過現(xiàn)場實驗研究了溫壓彈爆炸沖擊波在開闊空間和有限空間內(nèi)的傳播規(guī)律，表明在有限空間內(nèi)由于波的疊加使溫壓彈的破壞威力大大增加。黃菊等[3]通過爆炸實驗研究了溫壓炸藥能量輸出結(jié)構(gòu)，提出了適用于溫壓炸藥的后燃效應(yīng)模型，表明溫壓炸藥后燃反應(yīng)釋放的能量約占總能量的1/3，后燃反應(yīng)增加了沖擊波超壓及正壓作用時間。大量的溫壓炸藥野外爆炸試驗實測結(jié)果表明，溫壓炸藥沖擊波在相同對比距離上的衰減比TNT慢，不同距離處溫壓炸藥的超壓、正壓作用時間和沖量均高于TNT，毀傷性能優(yōu)于TNT。李鴻賓等[4]通過空爆實驗研究了鋁粉比表面積與質(zhì)量分數(shù)對溫壓炸藥沖擊波超壓和沖量的影響，結(jié)果表明鋁含量在30%左右時，沖擊波超壓、沖量值達到最大。李秀麗[5]通過溫壓炸藥爆炸試驗研究，表明溫壓炸藥爆炸沖擊波曲線有兩個規(guī)則的正壓區(qū)，二次沖擊波波峰值不小于第一峰值的40%，二次沖量占總沖量的12.5%～43.7%。沈飛等[6]通過不同尺寸的圓筒試驗及水下滑移爆轟試驗，確定了含鋁溫壓炸藥的爆轟參數(shù)。

2.4溫壓彈坑道內(nèi)爆炸沖擊波研究

溫壓炸藥坑道內(nèi)爆炸沖擊波的研究相對較少。茍兵旺等[7]進行了TNT和溫壓炸藥坑道內(nèi)爆炸試驗，表明在坑道中溫壓炸藥的沖擊波超壓峰值及沖量、熱響應(yīng)溫度大于TNT，并且出現(xiàn)二次燃燒現(xiàn)象。孔霖等[8]對不同裝藥情況下坑道內(nèi)沖擊波的傳播規(guī)律進行了研究，表明不同裝藥類型對近爆場沖擊波影響較大，對足夠遠處影響較小，溫壓炸藥在不同距離上沖擊波持續(xù)時間均比TNT長。李世民等[9]運用AUTODYNA程序模擬了溫壓炸藥在坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播，表明在爆炸近區(qū)溫壓炸藥的超壓值低于TNT，而遠區(qū)超壓值高于TNT，沖擊波沖量溫壓炸藥始終高于TNT，約為TNT的1.4倍。

圍術(shù)期疼痛管理是麻醉學走向圍術(shù)期醫(yī)學的重要組成部分，其管理模式正在從以“聯(lián)合阿片類藥物與NSAIDs藥物為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥?lián)合區(qū)域神經(jīng)阻滯與NSAIDs藥物” 為主。麻醉科醫(yī)師須在現(xiàn)有研究證據(jù)的基礎(chǔ)上，進一步改進臨床行為，積極踐行更理想的多模式鎮(zhèn)痛理念，以大幅提升中國圍術(shù)期患者疼痛管理數(shù)量與質(zhì)量以及患者遠期預(yù)后。

3爆炸荷載下防護門的動力響應(yīng)及破壞機理研究現(xiàn)狀

3.1理論研究

爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)分析通常運用薄板理論進行研究，基本方法是基于拉格朗日方程、振形疊加法、等效單自由度等，國內(nèi)外學者利用這些經(jīng)典理論做了大量工作。

等效單自由度是將結(jié)構(gòu)簡化為彈性單自由度體系，一個集中質(zhì)量和一個無重量彈簧，承受簡化成三角形脈沖的爆炸荷載。在確定等效體系時，需基于撓度相等和能量守恒的原則，即確保等效體系集中質(zhì)量的撓度與真實結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(如梁跨中或板中心)的撓度相同，等效體系的外荷載所做的功、動能和應(yīng)變能與真實結(jié)構(gòu)相等。國內(nèi)很多學者運用等效單自由度體系的方法對爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進行研究，并建立P-I曲線對構(gòu)件的損傷進行研究[10]。Fischer等[11]運用兩種方法研究了利用單自由度模型分析爆炸荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)時，模型參數(shù)的優(yōu)化選擇，并且考慮了多種情況及失效準則。Krauthammer T[12]對爆炸沖擊作用下的鋼筋混凝土構(gòu)件的彎曲破壞進行了研究，提出簡化抗力模型，應(yīng)用等效單自由度的方法，對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進行分析，而對剪切破壞模式同樣運用彎曲破壞分析的等效單自由度方法。

除了等效單自由度體系的方法外，付躍升等[13]利用彈性理論及近似方法研究了四邊簡支彈性薄板在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)，依據(jù)爆炸荷載的特點和薄板運動微分方程，求解出薄板運動的各個力學參數(shù)，結(jié)合量綱分析方法，建立了工程計算模型。

3.2試驗研究

研究溫壓彈爆炸沖擊波作用下防護門的動力響應(yīng)，最直觀準確的方法是進行溫壓彈爆炸實驗。然而由于溫壓彈是各國研究熱門武器之一，出于保密等原因，公開的溫壓彈坑道內(nèi)爆炸及與防護門相互作用的試驗資料幾乎沒有。但是TNT爆炸作用下鋼筋混凝土構(gòu)件與鋼板的動力響應(yīng)已有較多的學者進行過試驗研究，具有重要借鑒意義。

孫文彬[14]對鋼筋混凝土板進行了爆炸試驗，研究了鋼筋混凝土板在彈性區(qū)域內(nèi)的動力響應(yīng)和塑性區(qū)域內(nèi)的破壞特征。汪維等[10]通過鋼筋混凝土板爆炸試驗，研究了不同尺寸構(gòu)件在不同爆炸情況下的破壞特征。李秀地等[15]通過模型坑道實驗，對防護門破壞和剩余沖擊波的傳播規(guī)律進行了研究，表明防護門的破壞會消耗掉沖擊波的大量能量。Thiagarajan等[16]通過實驗研究了高強混凝土與普通混凝土分別與高強鋼筋及普通鋼筋組合的四種鋼筋混凝土板在爆炸荷載下的動力響應(yīng)，表明使用高強度材料可以提高鋼筋混凝土板的抗爆能力。Wang等[17]通過實驗研究了鋼筋混凝土單向板在近爆作用下的動力響應(yīng)，基于實驗結(jié)果，提出了板的不同程度的破壞準則。試驗結(jié)果表明隨著裝藥量的增加，板的破壞逐漸有整體彎曲破壞變成局部剪切破壞。Kakogiannis等[18]通過實驗研究了爆炸與火的聯(lián)合作用下鋼筋混凝土空心板的動力響應(yīng)問題，表明爆炸作用時間非常快，通常為毫秒級，燃燒產(chǎn)生的高溫還不能立即起到作用。

3.3數(shù)值模擬研究

由于防護門爆炸實驗成本高，且只能得到初始及最終狀態(tài)。隨著計算機技術(shù)及有限元法、有限差分法等方法的發(fā)展，數(shù)值模擬在研究爆炸問題中發(fā)揮越來越重要的作用，目前研究爆炸沖擊等動力問題常用的軟件有ANSYS、LS-DYNA、AUTODYNA、ABAQUS等，大量學者利用這些軟件研究了爆炸沖擊波作用下鋼及鋼筋混凝土構(gòu)件的動力響應(yīng)。

郭東等[19]基于ABAQUS軟件研究了防護門在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)，分析了鋼管、混凝土強度、鋼管壁厚度、荷載作用時間等參數(shù)對防護門抗爆性能的影響規(guī)律。吳義田等[20]通過對不同沖擊波荷載下和不同尺寸抗爆門進行有限元計算，確定了爆炸沖擊荷載下抗爆門的易損構(gòu)件，為抗爆門的優(yōu)化提供了相關(guān)依據(jù)。閻石等[21]對鋼筋混凝土板在等沖量爆炸沖擊波作用下的破壞進行了分析，提出了鋼筋混凝土的破壞準則，研究表明隨著峰值壓力的減小和作用時間的增加，鋼筋混凝土板的破壞模式逐漸由剪切破壞變?yōu)閺澢茐?。龔順風等[22]通過對箱型內(nèi)爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)進行數(shù)值模擬，表明鋼筋對混凝土的開裂起主要的抑制作用，板的開裂和碎片形成主要受脈沖壓力荷載的影響。Borenstein等[23]通過建立近地爆炸的荷載模型與圓形板的響應(yīng)模型，分析了圓形板在不同荷載條件下的動力響應(yīng)，得出板的最大撓度受板厚影響最大。Zhao等[24]通過建立鋼筋混凝土分離式模型，運用任意拉格朗日歐拉方程及流固耦合的方法，研究了近爆作用下鋼筋混凝土單向板的動力響應(yīng)問題。表明沖擊波傳至板的背爆面將變?yōu)槔觳?，由于混凝土的低抗拉能力，出現(xiàn)拉裂及破片，同時加大裝藥量將使鋼筋混凝土板的破壞模式和機理發(fā)生變化。

4防護門抗爆炸沖擊波防護技術(shù)研究現(xiàn)狀

4.1坑道消波技術(shù)

改變坑道結(jié)構(gòu)及門前設(shè)置吸能材料可以有效減弱作用于防護門的沖擊波壓力。李秀地[25]研究了T型坑道中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，表明坑道轉(zhuǎn)彎可以使沖擊波壓力衰減60%。朱建等[26]利用ANSYS/LS-DYNA軟件對常規(guī)武器精確打擊進入坑道內(nèi)爆炸的情況進行了數(shù)值模擬，研究了采用擋板削減坑道內(nèi)沖擊波的可行性，分析了擋板數(shù)量、位置等對消波作用的影響。盧紅琴等[27]研究了坑道截面形狀對作用于防護門上沖擊波超壓的影響，表明相同條件下正方形截面防護門上的沖擊波超壓最高，圓形最低。劉穎芳等[28]對坑道口部防護門前設(shè)置泡沫鋁情況下爆炸沖擊波傳播進行了模擬，表明設(shè)置泡沫鋁材料可以有效的消波抗爆，泡沫鋁緩沖層可以降低沖擊波超壓峰值。

4.2高抗力防護門

改進門體結(jié)構(gòu)形式是提高防護門抗力的重要方法。劉學晨[29]研究利用焊接鋼板、焊接工字鋼和粘貼FRP材料等方法對防護門進行加固，減小防護門的變形，增加防護門的抗力。石少卿等[30]提出了鋼筋混凝土板中設(shè)置箱形鋼板新型防護門結(jié)構(gòu)，大大提高了結(jié)構(gòu)抗力。Chen等[31]研究了雙層多連拱結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)，分析了不同結(jié)構(gòu)形式、拱高、拱的數(shù)量、厚度及不同荷載對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，得出雙層多連拱結(jié)構(gòu)抗沖擊能力高于單層平板結(jié)構(gòu)。彭先澤等[32]通過對比雙層鋼板混凝土板與鋼筋混凝土板在爆炸荷載下的動力響應(yīng)，得出雙層鋼板混凝土板具有更好的抗爆性能，同時其還具有良好的抵御破片破壞能力。

使用高強度門體材料及填充緩沖吸能材料是提高防護門抗力的另一重要途徑。Tabatabaei等[33]通過對普通鋼筋混凝土板及添加長碳纖維鋼筋混凝土板實驗測試和數(shù)值模擬，表明添加長碳纖維可以提高鋼筋混凝土板的抗爆能力和減少裂縫寬度。周石磊等[34-35]提出一種在防護門中添加泡沫鋁耗能材料的新型防護門，研究了在爆炸荷載下門的響應(yīng)，表明泡沫鋁材料反射、耗能作用非常明顯，填充泡沫鋁材料可以有效的減少門的變形，提高抗力。

5目前存在的主要問題及解決方法

5.1荷載的確定

溫壓炸藥野外自由場爆炸沖擊波和傳統(tǒng)高爆炸藥TNT自由場及坑道內(nèi)爆炸沖擊波研究已取得一些成果，而溫壓炸藥坑道內(nèi)爆炸沖擊波超壓、正壓持續(xù)時間、沖量等傳播規(guī)律的研究較少。利用已有的研究成果，進一步研究溫壓炸藥坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，進而將溫壓彈爆炸沖擊波轉(zhuǎn)化為防護門上的荷載，是研究溫壓彈爆炸沖擊波作用下防護門動力響應(yīng)的基礎(chǔ)與前提。

5.2試驗資料缺乏

國內(nèi)外溫壓彈坑道內(nèi)爆炸試驗雖然取得了一些第一手研究資料，但出于保密等原因，可供利用的資料幾乎沒有。并且這些試驗大多集中于坑道內(nèi)沖擊波傳播的測試，用于溫壓彈作用下防護門毀傷研究的試驗?zāi)壳斑€未見公開報道。TNT爆炸沖擊波作用下鋼筋混凝土構(gòu)件的動力響應(yīng)研究已取得較多成果，基于已有試驗數(shù)據(jù)驗證，建立數(shù)值計算模型研究溫壓彈爆炸沖擊波作用下防護門的動力響應(yīng)將是解決這一問題較好的途徑。

5.3破壞準則不統(tǒng)一

溫壓彈高沖量爆炸沖擊波對目前基于沖擊波峰值壓力為設(shè)計依據(jù)的防護門構(gòu)成嚴重威脅，但針對溫壓彈高沖量沖擊波作用下防護門的動力響應(yīng)及其破壞機理的研究明顯不足。爆炸沖擊波作用下鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞模式研究大多集中于彎曲破壞、剪切破壞、彎剪破壞等特征，而且破壞準則不統(tǒng)一，研究防護門在溫壓彈爆炸沖擊波作用下的破壞模式可以參考鋼筋混凝土板的破壞，但需要進一步細化，確定并提出合適的破壞準則。

5.4防護措施的提出

防護門在溫壓彈爆炸沖擊波作用下的動力響應(yīng)影響參數(shù)較多，分析各個參數(shù)的影響規(guī)律，找出防護門在溫壓彈作用下最敏感的參數(shù)，在防護門抗溫壓彈優(yōu)化設(shè)計中進一步改進提高抗力。針對溫壓彈爆炸沖擊波作用時間長、沖量高的特點，通過綜合利用改進坑道形式及提高防護門抗力等方法達到抗溫壓彈打擊的目的。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：苗朝陽，李秀地，楊森，等.溫壓彈爆炸效應(yīng)與防護技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].兵器裝備工程學報，2016(4):155-159.

Citation format:MIAO Chao-yang, LI Xiu-di, YANG Sen, et al.Research Status of Explosion Effect and Protection Technology of Thermobaric Bomb[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):155-159.

Research Status of Explosion Effect and Protection Technology of Thermobaric Bomb

MIAO Chao-yang1a,1b, LI Xiu-di1a,1b, YANG Sen2, GENG Zhen-gang1b

(1.a.Chongqing Key Laboratory of Geomechanics & Geoenvironment Protection;b.Department of Architectural and Civil Engineering,Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China;2.The No. 92303rdTroop of PLA, Qingdao 266404, China)

Abstract:The explosion wave of thermobaric bomb has the characteristics of long duration and high impulse, which directly threaten the safety of blast door in tunnel, and it is of great importance to study the explosion effect and protection technology of thermobaric bomb. The explosion wave of thermobaric bomb and dynamic response of blast door under thermobaric bomb and protection technology of blast door to protect explosion wave were reviewed. The existing problems and solutions in the current research were analyzed. It is of great reference value to the next research.

Key words:thermobaric bomb; blast wave; blast door; dynamic response; protection technology

文章編號：1006-0707(2016)04-0155-05

中圖分類號：O383;TJ55

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.037

作者簡介：苗朝陽(1990—)，男，碩士研究生，主要從事防護工程研究。

基金項目：國家部委基金(CY213J009)

收稿日期：2015-09-23；修回日期：205-11-02

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】