模擬高原環(huán)境條件下C5-C6燃料的爆轟特性研究*

尤祖明，祝逢春，王永旭，李 斌，解立峰

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.中國人民解放軍95856部隊(duì)，江蘇 南京 210028)

氣液兩相云霧爆轟過程涉及復(fù)雜的爆炸力學(xué)、流體力學(xué)和多相流等領(lǐng)域的相關(guān)知識，其應(yīng)用范圍涵蓋工業(yè)生產(chǎn)中的氣云爆炸防治和軍事應(yīng)用領(lǐng)域的云爆武器制備相關(guān)領(lǐng)域，具有重要的研究價(jià)值和實(shí)際意義。無論在工業(yè)生產(chǎn)過程還是云爆武器的配方研究中，碳?xì)淙剂隙甲鳛橹饕煞只騾⑴c對象廣泛存在。目前，對于碳?xì)淙剂先急匦缘难芯慷嗉杏谔細(xì)淙剂系娜紵蛉紵D(zhuǎn)爆轟過程，白春華等[1]，蔣麗等[2]首先將云霧爆轟與云爆武器運(yùn)用結(jié)合，奠定了云霧爆轟的軍事應(yīng)用價(jià)值基礎(chǔ)，陳嘉琛等[3]、史遠(yuǎn)通等[4]、L.J.Liu等[5]和劉慶明等[6]，針對特定的碳?xì)淙剂?，開展了爆炸罐內(nèi)或外場的燃料爆炸特性實(shí)驗(yàn)研究和仿真工作；鄭權(quán)等[7]針對爆轟發(fā)動機(jī)背景開展了液態(tài)燃料的相關(guān)研究，研究工作多集中在霧化效果以及爆轟威力的銜接方面；徐曉峰[8]、姚干兵[9]等使用與本文一樣的爆轟管裝置開展了一些碳?xì)淙剂系谋Z威力實(shí)驗(yàn)，但是沒有針對環(huán)境條件進(jìn)行深入研究；M.Pilch等[10]、G.M.Faeth等[11]、L.P.Hsiang等[12]、D.M.Johnson等[13]、S.I.Jackson[14]等更多地在燃料分散領(lǐng)域開展了大量的研究工作，對燃料爆轟及影響因素的研究不多。在工業(yè)應(yīng)用背景下，一些專家學(xué)者將研究重心放在可能影響碳?xì)淙剂先紵Ч虮ㄍΦ耐饨缫蛩貤l件中，例如在工業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境壓力、環(huán)境溫度、容器尺寸結(jié)構(gòu)等，獲得了大量的研究成果，但環(huán)境壓力溫度的影響研究多集中于高溫(高于200℃)或高壓(幾個(gè)大氣壓)條件，配合工業(yè)生產(chǎn)背景，涉及碳?xì)淙剂显诘蜏鼗虻蛪簵l件下爆轟的研究幾乎沒有。

環(huán)境適應(yīng)性是云爆燃料配方設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)重要問題。云爆武器以其面殺傷而聞名，且在平原地帶具有較好的應(yīng)用效果，但在高原地區(qū)，由于海拔較高、氣壓低，其燃料的使用及威力的局限性必須考慮。本文中基于此背景，通過實(shí)驗(yàn)手段探究在低溫低壓環(huán)境下碳?xì)淙剂系谋Z特性，借助已有的實(shí)驗(yàn)和測試手段，通過改變初始環(huán)境溫度和初始環(huán)境壓力，獲得燃料在不同條件下的爆轟狀態(tài)，為特定環(huán)境下的云爆燃料配方設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法和條件

1.1 實(shí)驗(yàn)條件確定

自然環(huán)境中，大氣壓會受到溫度、濕度、風(fēng)速和海拔等因素的影響，這些因素的改變都將導(dǎo)致大氣壓發(fā)生相應(yīng)的變化，其中以海拔高度的影響最為顯著，它與大氣壓是呈反比關(guān)系。一般來說，海拔每升高100 m，大氣壓下降0.67 kPa。海拔與大氣壓的關(guān)系如下式所示：

p=101.325exp(-H/7 924)

(1)

式中:p為大氣壓，kPa；H為對應(yīng)的海拔高度，m。

模擬實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，季節(jié)條件選擇為夏季，此時(shí)假設(shè)0 m海拔高度下的環(huán)境溫度為303 K，通過計(jì)算，根據(jù)公式(1)和溫度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出高原環(huán)境下不同海拔高度對應(yīng)的環(huán)境壓力及溫度(以海拔高度為0 m時(shí)大氣壓力為101.3 kPa，溫度為303 K進(jìn)行計(jì)算)，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)采用云爆燃料性能測試平臺中的立式爆轟管裝置進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖如圖2所示。

整套立式爆轟管裝置由爆轟管主體、燃料霧化系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)及抽真空系統(tǒng)等組成。爆轟管內(nèi)徑200 mm、壁厚20 mm、高5.4 m。燃料霧化系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、U形管儲液裝置、噴頭等組成。點(diǎn)火系統(tǒng)由延時(shí)點(diǎn)火器、起爆線、雷管基座等組成。抽真空系統(tǒng)由防爆真空泵及真空表等配件組成。

實(shí)驗(yàn)開始前，先檢查爆轟管裝置的氣密性。當(dāng)爆轟管裝置的氣密性符合要求后，向燃料霧化裝置中的U型管內(nèi)注入燃料，開啟空氣壓縮機(jī)，向儲氣罐內(nèi)注入一定量壓縮空氣。然后打開真空泵，將管體抽到指定的壓力值。最后開啟壓力采集系統(tǒng)，設(shè)置點(diǎn)火延時(shí)器。一切準(zhǔn)備就緒后，開啟電磁閥，壓縮空氣夾帶燃料液體由噴頭霧化后進(jìn)入爆轟管，通過點(diǎn)火延遲器控制點(diǎn)火時(shí)間，待燃料完全霧化且濃度合適后點(diǎn)火，通過壓力測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄壓力曲線并保存。

1.2.2 測試儀器

壓力測試系統(tǒng)由傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、微機(jī)等組成。采用PCB壓電式石英傳感器，如圖2所示。傳感器間距0.5 m，傳感器1距離起爆端1.4 m，具體傳感器布置位置及量程參數(shù)見表1。圖3為液體燃料爆轟過程的典型壓力時(shí)間曲線，通過對壓力時(shí)間曲線的數(shù)據(jù)處理，可以得到燃料的最大爆轟壓力和兩個(gè)傳感器響應(yīng)的時(shí)間間隔，加上傳感器距離的確定，可計(jì)算得出爆轟波的傳播速度。

表1 傳感器布置位置及量程參數(shù)Table 1 Positions of pressure sensors and its parameter ranges

1.2.3 實(shí)驗(yàn)樣品和條件

在本次實(shí)驗(yàn)中，燃料為碳?xì)淙剂螩5-C6，從南京某化工廠購置，該燃料曾經(jīng)為某型液體云爆藥劑的主要配方成分。根據(jù)燃料霧化效果，點(diǎn)火延時(shí)時(shí)間設(shè)置為160 mm。為使碳?xì)淙剂显陟F化形成云團(tuán)后能直接爆轟，點(diǎn)火具選取1發(fā)雷管加3 g塑性炸藥的形式，通過成分能量計(jì)算，起爆能量約為23.5 kJ。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

高原環(huán)境是環(huán)境溫度和環(huán)境壓力共同變化的環(huán)境狀態(tài)，為進(jìn)行更為系統(tǒng)和針對性的研究，首先分別針對初始環(huán)境溫度和初始環(huán)境壓力兩個(gè)單因素進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定影響燃料爆轟威力的主要環(huán)境因素后，針對高原環(huán)境的實(shí)際溫度和壓力條件進(jìn)行系統(tǒng)分析。實(shí)驗(yàn)中將壓力傳感器固定在不同位置，如圖2中管體結(jié)構(gòu)圖所示，不同位置處的壓力傳感器能測得當(dāng)前位置碳?xì)淙剂系谋ǚ逯党瑝?，即最大爆轟壓力。

2.1 不同初始環(huán)境溫度下燃料的爆轟威力

根據(jù)模擬的高原環(huán)境條件，實(shí)驗(yàn)時(shí)將爆轟管的初始溫度控制在273～303 K，以3 K為步長進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～5所示。

由圖4可以看出，對每個(gè)初始溫度測試條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來說，爆轟波壓力和速度隨傳播距離基本保持穩(wěn)定，可以認(rèn)為燃料達(dá)到了穩(wěn)定爆轟狀態(tài)；隨著初始環(huán)境溫度的升高，在相同測試位置處燃料爆轟壓力和爆轟速度都有所增加，且最大增幅(Δpmax和Δvmax)和最小增幅(Δpmin和Δvmin)分別為0.24 MPa、60 m/s和0.18 MPa、31 m/s。經(jīng)過3組平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理分析后，選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中6個(gè)位置的爆轟壓力的平均值作為爆轟壓力值，爆轟速度的平均值為爆轟速度值，如圖5所示，隨著環(huán)境初始溫度的升高，燃料的爆轟壓力和爆轟速度都緩慢增加，從273 K到303 K，爆轟壓力和爆轟速度分別增加了9.4%和2.0%；相比來看，在環(huán)境溫度超過283 K后，爆轟速度測量誤差較小，而爆轟壓力的測量具有較高的不穩(wěn)定性，且在環(huán)境溫度為293 K以下時(shí)尤為明顯。

從環(huán)境溫度對燃料爆轟威力的影響來看，在環(huán)境初始壓力不變的條件下，由于環(huán)境溫度的升高，燃料的揮發(fā)分濃度增加，相比與低溫狀態(tài)時(shí)，燃料云霧具有更多的氣相成分，有利于燃料的爆轟發(fā)展和持續(xù)，同時(shí)，經(jīng)霧化系統(tǒng)進(jìn)入爆轟管的燃料分子運(yùn)動速度加快，在溫度升高后，其與空氣反應(yīng)更為劇烈，有利于燃料爆轟威力的提高。

2.2 不同初始環(huán)境壓力下燃料的爆轟威力

在初始環(huán)境溫度為303 K時(shí)，開展初始環(huán)境壓力變化條件下燃料的爆轟威力研究，此時(shí)，為使燃料達(dá)到較好的爆轟效果，選擇當(dāng)量比為1.0左右時(shí)候的燃料量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖6～7所示。

從圖6可以看出，在真空條件下下，環(huán)境壓力值對碳?xì)淙剂系谋Z壓力和爆轟速度隨距離發(fā)展影響變化不大，這是由于所有實(shí)驗(yàn)都是在當(dāng)量比為1左右的條件下開展，燃料和空氣中的氧氣基本能夠完全反應(yīng)，燃料云霧最初的爆轟狀態(tài)基本能夠得到延續(xù)。從圖7可以明顯看出，在真空條件下，初始環(huán)境壓力對燃料的爆轟特性影響很大，隨著初始環(huán)境壓力的降低，燃料的爆轟壓力和速度都呈下降趨勢，且下降幅度越來越大。當(dāng)初始真空度下降近50%時(shí)，燃料的爆轟壓力下降至正常大氣壓力條件下燃料爆轟壓力的16.1%，爆轟速度下降為正常大氣壓力條件下燃料爆轟速度的37.5%。

當(dāng)初始環(huán)境溫度一定時(shí)，環(huán)境壓力的改變，尤其是向真空狀態(tài)發(fā)展時(shí)，由于爆轟管內(nèi)容積一定，單位體積內(nèi)燃料和氧氣的量減少，在相同能量作用下，燃料與氧氣反應(yīng)的自持性減弱；同時(shí)，因?yàn)檠鯕夥肿娱g隙增大，燃料在霧化入爆轟管后由于環(huán)境壓力減弱，其懸浮能力降低，沉降更快，在相同的二次起爆延時(shí)條件下，容易在管體內(nèi)自上而下形成濃度梯度，這些因素都可能造成起爆后燃料云霧的爆轟壓力降低甚至不能實(shí)現(xiàn)爆轟。

2.3 模擬高原環(huán)境條件下C5-C6燃料爆轟參數(shù)變化趨勢的綜合分析

為更貼合高原狀態(tài)下的實(shí)際環(huán)境條件，針對不同海拔高度實(shí)際環(huán)境條件下的碳?xì)淙剂媳Z特性進(jìn)行了深入研究，得到海拔高度與燃料爆轟特性的關(guān)系，如圖8所示。從圖8可以看出，隨著海拔高度的增加，碳?xì)淙剂系谋Z壓力和速度都呈快速遞減趨勢，結(jié)合之前分別針對環(huán)境溫度和環(huán)境壓力的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)因素結(jié)合起來時(shí)，碳?xì)淙剂系谋Z參數(shù)變化與環(huán)境壓力的變化趨勢更為接近。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在通常氣候條件下的環(huán)境低溫(273～303 K)對碳?xì)淙剂媳Z參數(shù)影響不明顯，相比爆轟速度，爆轟壓力隨環(huán)境溫度尚有一定的變化趨勢；而環(huán)境壓力對碳?xì)淙剂系谋Z參數(shù)影響顯著，為更好地對比研究，基于上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別針對燃料的爆轟壓力進(jìn)行環(huán)境溫度和環(huán)境壓力的分析，得到燃料爆轟壓力與環(huán)境溫度和壓力的擬合方程為：

pd=0.348+0.007 35T0

(2)

pd=0.045 2p0-1.87

(3)

式中：pd為燃料的爆轟壓力，MPa；T0為環(huán)境溫度，K；p0為環(huán)境壓力，MPa。

式(2)的相關(guān)系數(shù)為0.987，式(3)的相關(guān)系數(shù)為0.990。

由式(2)～(3)可以看出，燃料爆轟壓力受環(huán)境初始壓力的影響變化幅度約為受環(huán)境初始溫度影響變化幅度的6倍，說明在通常氣候條件下使用云爆武器時(shí)或在云爆燃料配方的篩選方面，針對某種燃料，要優(yōu)先考慮環(huán)境壓力對爆轟性能的影響，其次再考慮環(huán)境溫度的影響。在高原環(huán)境下使用云爆武器時(shí)，云爆燃料的爆轟特性更多由環(huán)境壓力的大小決定。

3 結(jié) 論

(1) 模擬高原環(huán)境溫度條件時(shí)，環(huán)境溫度的變化對燃料爆轟壓力和速度有影響但影響不大，從0 ℃到30 ℃的環(huán)境溫度變化過程中，燃料的爆轟壓力和速度分別增加了9.4%和2.0%，當(dāng)溫度較低時(shí)，燃料云霧的爆轟仍處于穩(wěn)定強(qiáng)爆轟狀態(tài)。

(2) 模擬高原環(huán)境壓力條件時(shí)，環(huán)境壓力的變化對燃料爆轟壓力和速度影響很大；當(dāng)環(huán)境壓力下降至常壓的50%時(shí)，燃料的燃爆壓力下降至常溫常壓狀態(tài)下的16.1%，燃爆速度下降至常溫常壓狀態(tài)下的37.5%，但燃料云霧仍然能夠發(fā)生自持反應(yīng)，處于穩(wěn)定弱爆燃狀態(tài)。

(3) 模擬高原環(huán)境條件時(shí)，云爆燃料的爆轟特性更多由環(huán)境壓力的大小決定。