某型防暴弹爆炸装药安全性研究.pdf

第 3 2卷第 4期 2 0 1 5年 1 2月 爆破 BLASTI NG V0 1 ． 3 2 No ． 4 De e ． 2 0l 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 3 1 某型防暴弹爆炸装药安全性研究 罗 雷 武警工程大学 装备工程学院， 西安 7 1 0 0 8 6 摘要 对防暴弹微量装药近距 离爆炸的安全性研究提供 了研究方法， 利用最小自由能法计算出某型防暴 弹装药爆炸产物的平衡组分， 利用盖斯定律计算出防暴弹装药的定容爆热， 利用冲击波超压经验公式计算出 爆炸装 药药量分别为 5 g 、 1 0 g 、 l 5 g 、 2 0 g时 ， 冲击波超压 随距爆 心距 离R的变化 曲线。根据人体 所能承受的 冲击波超压及弹体结构设计要求 ， 确定该防暴弹爆 炸装药药量为 1 6 g ， 计算距爆心 0 ． 1 m处的冲击波超 压为 9 ． 7 6 ， 不会对人体产 生超压伤 害。 关键词 爆 热 ； 冲击波超压 ；防暴 弹 中图分类号 T J 5 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 40 1 5 8 0 4 S a f e t y Re a s e a r c h o f Ce r t a i n An t i - r i o t Gr e n a d e Ex p l o s i v e Ch a r g e L U0 i C o l l e g e o f E q u i p me n t E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f C A P F ， X i a n 7 1 0 0 8 6 ， C h i n a Abs t r ac tT h e me t h o d s t o c a l c u l a t e t h e e q u i l i b r i u m c o mp o s i t i o n o f e x p l o s i o n p r o d u c t s f r o m c e r t a i n t y p e An t i r i o t g r e n a d e e x p l o s i v e c h a r g e wa s p u t f o r w a r d b a s e d o n t h e mi n i mu m f r e e e n e r g y me t h o d ， a n d t h e c o n s t a n t v o l u me e x p l o s i o n h e a t o f An t i r i o t g r e n a d e e x p l o s i v e c h a r g e w a s c a l c u l a t e d wi t h He s s l a w． T h e o v e r p r e s s u r e C H I V E S w i t h t h e d i s t a n c e R w e r e c a l c u l a t e d w i t h e mp i r i c al f o r mu l a o n t h e e a s e o f e x p l o s i v e c h a r g e 5 g． 1 0 g ． 1 5 g a n d 2 0 g ． Ac c o r d i n g t o t h e h u m a n b e i n g a b i l i t y t o w i t h s t a n d t h e o v e r p r e s s u r e o f b l a s t w a v e a n d t h e r e q u i r e m e n t s o f p r o j e c t i l e s t r u c t u r e ， t h e e x p l o s i v e c h a r g e w a s d e s i g n e d a s 1 6 g ． T h e s h o c k wa v e o v e r p r e s s u r e wa s 9． 7 6 k P a a t t h e s p o t 0 ． 1 me t e r f a r f r o m t h e e x p l o s i o n c e n t e r ， wh i c h w o n t ma k e d a ma g e t o t h e h u ma n b e i n g s ． Ke y wo r ds e x p l o s i o n h e a t ；o v e r p r e s s u r e o f b l a s t w a v e ；a n t i ri o t g r e n a d e 烟和雾是一种 以空气 为分散介质的气溶胶 ， 其 中分散相是 固体 的气溶胶 为烟 ， 分散相是液体的气 溶胶为雾。制造烟或雾的方法基本有三种 分散法 、 升华法 、 凝结法 。某型防暴弹采用的是分散法 ， 即把 发烟剂粉碎成 21 0 ～ ～81 0 e m 大小 的微粒 ， 通过爆炸 的方法将 其散布到空气 中 。爆炸式 防 暴弹具有反应时间短、 威慑力大等特点 ， 已成为常用 的非致命弹药。因为要保证防暴弹 的非致命特性 ， 所 以在设计时应确保 防暴 弹药剂 的安全性和可靠 性 ， 爆炸装药必须具有较低 的机械感度 ， 适 当的爆炸 收稿 日期 2 0 1 51 2 0 3 作者简 介 罗雷 1 9 8 1一 ， 男 ， 陕西西 安人 ， 讲 师 、 硕 士研究 生 ， 从 事非致命武器的教学与研究 ， E m a i l l l l d k c 1 6 3 ． c o n。 力和爆热， 在能够确保通过爆炸作用完成药剂抛撒之 外， 还要使其不具有更多的杀伤威力。对某型防暴弹 爆炸装药的爆热及冲击波超压进行理论计算 ， 为该弹 的安全 f生 研究及配方设计与改进提供理论依据。 1 理论依据 利用最小 自由能法计算出爆炸装药的爆炸产物 平衡组分和爆炸反应方程式 J ， 再根据盖斯定律计 算定容爆热。 1 ． 1 最小 自由能法 根据热力学原理 ， 在高温条件下 ， 烟火药的燃烧 气体产物可视为理想气体 ， 这时体系的 自由能就等 于组成该体系各组分的自由能之和 第 3 2卷第 4期 罗雷某型防暴弹爆炸装药安全性研究 1 5 9 G n y G i 。 设一个系统 由 f 种化学元素组成 ， 燃 烧后 该系 统生成 m种气态产物 和 nm 种凝聚态产物 ， 则 系统的自由能函数之和可表示为 G n ∑G f x f ∑ G ； ； 1 I 1 对于每一组分的自由能函数为 G g g c fl n 一l n 2 式 中 弘 c f R T I ln p G ； ； ； C 式 ； 测 n ∑ g ∑ c 则系统之总 自由能函数 3 4 G n ∑ R T p 卜 ； 5 式中 G n 为系统总吉布斯 自由能函数 ； C 为 第 i 种气态组分吉布斯 自由能函数 ； G ； 为第 i 种 凝聚态组分吉布斯 自由能函数 ； c o为物质的标准吉 布斯 自由能 ； 为第 i 种气体组分物质的量 ； 为第 i 种凝聚态组分物质的量 ； 为系统组分物质的量之 和 ； P为系统 的压力 ； T为系统的温度 ； R为摩 尔气 体常数。 对于复杂体系的元素原子守恒方程为 ∑。 ∑ 0 c ， 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， z 6 式中 为系统中 元素的原子物质的量 ； 0 为第 i 种 气体组分 中 元素原子物质的量 i ≤m ； 。 为第 i 种 凝聚态组分中 元素原子物质的量 m1 ≤ ≤n 。 系统 自由能函数方程式 5 和元素的原子质量 守恒方程式 6 是计算系统平衡各组分的基本方程。 1 ． 2 爆热的计算 根据盖斯定律 ， 系统沿第一条途径转变 时反应 热的代数和 ， 应当等于沿第 二条路径转变时 的反应 热 J ， 如图 1 。 Q 1 ． 2Q 2 ， 3Q 1 ．3 7 式中 Q。 ． 为爆炸装药的生成热 ； Q 。 ， 为爆炸产 物生 成热的总和； Q ．，为爆炸装药 的爆 热。即爆热 等于 爆炸产物的生成热减去爆炸装药本身的生成热 Q ， 3 Q 1 ． ]一Q ， 8 炸药 元素的稳定单质 a 爆炸产物 图 1 计算爆热的盖斯三角形 F i g ． 1 C a l c u l a t i o n o f e x p l o s i o n h e a t b y GA S t r i a n g l e 在确定 了爆炸反应方程式 以后 ， 根据盖斯定律 计算爆热 ， 由药剂原料 和爆炸产物各组分 的定容生 成热 ， 可计算药剂的定容爆热。 2 理论计算 2 ． 1 确定平衡产物组分 利用最小自由能法计算时， 先假设一组正值， 即 对 y f0 为 、 y 、 ⋯、 y 和 Y ；0 即 Y 为 y 、 y cm 、 ⋯、 Y 作为平衡组分 的近似值 ， 即 、 y 、 ⋯ 、 g 、 g 1 Y “ m 1 、 g 2 y 2、 ⋯ 、 g y ， 在这个基础上 ， 将式 5 展开为泰勒级数取 前三项作为在 Y处系统 自由能函数的近似值。 然后用拉格 朗 日变换式与原子物质的量守恒方程式 6 合并 ， 使系统 的自由能函数最小 ， 即求合并后方 程组 9 的解 ， 从 而得出一组 改善了的新 的近似平 衡组成 。以这组新求 出的近似平衡组成作为下一次 计算平衡组分的初值， 这样反复迭代， 直至两次计算 结果的误差符合精度要求为止。 某 型 防暴 弹 药 剂 配 比 中 ， 经 过 反 复 对 比筛 选 ， 采 用高 氯酸 钾 与铝粉 作 为爆 炸装 药 ， 计 算零 氧 平 衡 情 况 下 的 反 应 产 物 ， 其 公 斤 分 子 式 为 K4 ．7 48 2Cl 4．7 4 8 7 2A1 1 2．5 9 2 6O1 9 2 8 。爆炸后可能生成 的产 物成分较多_ 4 J ， 反应平衡组分的吉布斯函数值如表 1 。 将表 1中的值 代入式 9 迭代计算 ， 得到爆炸 产物及其质量分数 ， 依据质量守恒原则 ， 不考虑微量 产物 ， 装药爆炸反应总的方程式为 4． 7 48 2KC1 04 1 2． 5 92 6Al 2．1 2K2 C1 20． 2KC1 0． 1 K2 0 0． 0 7 K 0． 0 1 A1 CI0． 0 4 A1 C 1 20． 0 2 A1 C1 3 0．1 3A1 OC1 0．0 8A1 0 0．83 A1 02 5．73 A1 2 02 0 ． 0 1 A 1 ， 0 L 2 ． 7 6 0 ， 爆破 2 0 1 5年 l 2月 n ∑口 G y 凡 ∑0 G y i1 n ∑O il G ∑G g y Cm1 Cn 表 1 平衡 组分的吉布斯函数值 T a b l e 1 Gi b b s f u n c t i o n v a l u e o f t h e e q u i l i b r i u m c o mp o s i t i o n 9 2 ． 2 爆热的计算 在确定 了爆炸反应方程式以后 ， 根据盖斯定律 计算爆热。爆 炸装药 反应物 及产物生 成热 如表 2 。 根据表 2数据及爆炸反应方程式 ， 计算反应爆热为 Q 2 ．31 5 2 8 ． 3 4 k J ／ mo l 表 2 爆炸反应物 、 产 物生成 热 Ta b l e 2 Th e f o r ma t i o n h e a t o f e x p l o s i o n r e a c t a n t s a n d p r o d u c ts 一 般生成热均为定压热效应 ， 则按式 8 算 出 的爆热 Q ．，为定压爆 热 Q ， 而爆炸过程被近似认定 为等容过程 ， 在初温 2 5 ℃ 2 9 8 K 时， 对于凝 聚相爆 炸装药， 定容爆热 Q 可按下式进行计算 Q Q p2 ． 4 7 7 n 式 中， n为爆炸反应气相产物摩尔数 ， n1 2 ． 1 。 计算并进行单位换算得 Q 1 5 6 1 ． 7 9 k J ／ k g 2 ． 3 冲击波超压的计算 由于防暴弹所要求 的非致命特性 ， 投掷 目标 区 域后 ， 近距离爆炸不能具有杀伤性 ， 因此应对防暴弹 爆炸时产生的冲击波超压进行计算。根据我国国防 工程设计规 范中规定l 5 J ， 在无 限空气 中， 对弹丸在 地面爆炸的情况 ， 冲击波超压的计算公式为 式中 r ， R为距 离炸点 中心 的距离 ， m； R 为距离炸点中心 R处 冲击波超压 ， k P a ； W为装药 的 T N T当量， 。 m 式中 m 为 爆 炸装 药 的 质量 ； T N T的爆 热 Q T N T 4 1 8 4 k J ／ k g 。 爆 炸 装药 药量 分别 设 置 为 5 g 、 1 0 g 、 1 5 g 、 2 0 g时， 冲击波压力 P ， 依次对应 n 、 b 、 C 、 d四 条曲线 随距爆心距离 R的变化关系曲线， 如图 2 。 对照表 3 ， 某 型防暴 弹爆炸装 药药量小于 2 0 g 时 ， 产生的空气冲击波在距离爆炸中心 0 ． 1 m处均 小于 1 2 k P a ， 不会对人员造成伤害。根据装药实验 ， ； 0 0；O l 2 f “ “； “； 0 O 0 ～ ； m ～ ～ ～ ～ ；～ ； ； ； ； 第 3 2卷第4期 罗 雷某型防暴弹爆炸装药安全性研究 1 6 1 确定最终爆炸装药药量为 1 ,6 g ， 计算距离爆炸 中心 0 ． 1 m处的冲击波超压为 P 9 ． 7 6 k P a ， 既不会产 生超压伤害， 又满足了防暴弹药的非致命要求。 ， m 图 2 P ， 随 R的变化关系曲线 Fi g．2 P．一R Cu r v e s 表 3 爆炸冲击波对人员的损伤程度 T a b l e 3 P e r s o n a l i n j u r y d e g r e e b y o f b l a s t w a v e 冲击波超压／ MP a 损伤程度 0 ． 0 2～0 ． 0 3 轻微 轻微的挫伤 0 ． 0 3～0 ． 0 5 中等 听觉器官损伤、 中等挫伤、 骨折等 0 ． 0 5 0 ． 1 严重 内脏严重挫伤， 可引起死亡 0 ． 0 1 极严重 可能大部分人死亡 3 结论 利用最小 自由能法计算出爆炸装药的爆炸产物 平衡组分和爆炸反应方程式 ， 依据盖斯定律计算 出 爆炸装药的定容爆热 ， 并根据爆炸装药量算 出该 弹 的冲击波超压。 计算结果表明由于高氯酸钾分解反应吸热且产 生气体的特性 ， 有效降低药剂爆热 ， 并能够满足药剂 爆炸分散发烟 的要求 。通过冲击 波超压计算 ， 确定 爆炸装药药量为 1 6 g ， 具有较高的安全性 ， 在距爆炸 中心 0 ． 1 m处的冲击波不会对人员造成伤害， 符合 非致命 防暴弹药的设计要求。为爆炸式防暴弹药 的 装药设计及改进提供理论数据 ， 为微量爆炸装药近 距离爆炸的安全性设计提供研究方法。 参考文献 Re f e r e n c e s 吴腾芳． 爆破材料与起爆技术[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 8 ． 潘功配， 杨硕． 烟火学[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 1 9 9 7 ． 刘丽梅， 肖 国， 夏建才， 等． 改性铵油炸药的热化学 计算与分析[ J ] ． 煤矿爆破， 2 0 1 4 1 3 0 - 3 1 ． L I U L M， XI AO G， XI A J C， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n f o r t h e t h e r mo c h e mi s t r y o f mo d i fi e d AN FO E x p l o s i v e [ J ] ． C o a l Mi n e B l a s t i n g ， 2 0 1 4 1 3 0 3 1 ． i n C h i n e s e 叶大伦． 实用无机物热力学数据手册[ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 解放军总参兵种部． 国防工程设计规范[ z ] ． 北京 解 放军工程兵司令部， 1 9 7 6 ． 孔德森， 张伟伟． ，I ’N T当量法估算地铁恐怖爆炸中的炸 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