TNT和温压炸药的爆炸火球表面温度对比试验研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１５. ０５. ００６ ＴＮＴ 和温压炸药的爆炸火球表面温度对比试验研究 ❋ 张玉磊 翟红波 李芝绒 蒋海燕 闫潇敏 西安近代化学研究所 陕西西安,７１００６５ [摘 要] 使用红外热成像仪记录了 ＴＮＴ 和温压炸药爆炸后的火球表面温度场,得到了 ２ 种炸药的爆炸火球表 面最高温度、持续时间、火球尺寸和火球温度变化速率等参数,并对温压炸药后燃烧对火球温度的影响进行了分 析。 结果表明,温压炸药爆炸火球的不同时刻最高温度和持续时间都大于 ＴＮＴ,温压炸药火球体积较大,且更为扁 平,温压炸药和 ＴＮＴ 爆炸火球的温度变化速率曲线分别呈“Ｖ”和“Ｌ”型,强烈的后燃烧使得温压炸药爆炸火球温度 衰减较慢,持续时间较长。 [关键词] 温压炸药；爆炸火球；红外热成像仪；温度变化速率；后燃烧 [分类号] ＴＱ５６４. ４ 引言 由于高能炸药爆炸冲击波的作用范围远大于热 作用的范围,且爆炸反应时间极短,热效应难以积 累,热毁伤难以实现,因此研究人员对炸药爆炸作用 研究重点集中于冲击伤效应。 随着温压炸药的逐步 使用,其热效应是不可忽略的[１￣２],这是因为温压炸 药的反应与普通高能炸药相比有着显著的特点。 温 压炸药是一种由高能炸药、超金属细粉、氧化剂、黏 接剂和塑性剂等按一定比例混合制成的新型炸药。 温压炸药爆炸反应能量释放分为 ３ 个阶段首先是 温压炸药组分中高能炸药的无氧爆轰反应释能；接 着是燃料颗粒和爆轰产物的无氧燃烧反应释能；这 两个阶段中周围环境中的氧气基本不参与化学反 应,反应输出陡峭上升然后又缓慢衰减的冲击波,时 间尺度为微秒量级；最后是有氧后燃烧反应阶段,由 于温压炸药是强负氧平衡炸药,炸药组分中的氧元 素不能满足燃料颗粒、爆轰产物的氧化反应,燃料颗 粒和爆轰产物在随冲击波向周围空间扩散的过程 中,与空气中的氧气湍流混合,产生燃烧反应,释放 大量的燃烧热能,这一阶段化学反应的时间尺度为 毫秒量级[３￣５]。 由于温压炸药反应时间和空间尺度都大于高能 炸药,在密闭、半密闭等特定环境下热毁伤甚至超过 了冲击波损伤[６],因此研究温压炸药爆炸火球的温 度特性意义重大。 本文在相同的试验条件下对比研 究了 ＴＮＴ 和温压炸药的爆炸火球温度的发展变化 规律,并分析了后燃反应对火球温度变化的影响。 １ 试验部分 １. １ 试验样品 试验样品为 ＴＮＴ 和温压炸药裸药柱,装药质量 均为 ２ ｋｇ,长径比均为 １。 ＴＮＴ 为熔铸药柱,密度 １. ５８ ｇ/ ｃｍ３；温压炸药ＷＹ为压制药柱,主要成分 为铝粉、高氯酸铵ＡＰ、ＲＤＸ 和塑性黏结剂,密度 １. ８１ ｇ/ ｃｍ３。 起爆药均为 ＪＨ￣１４ 药柱,２０ ｇ。 采用８＃ 电雷管上端面中心起爆。 １. ２ 仪器设备 本次试验所用红外测温仪器为Ｍｉｃｒｏｎｓｃａｎ７２００ 红 外热成像仪,如图１所示。Ｍｉｃｒｏｎｓｃａｎ７２００红外 热成像系统用３２０ ２４０微热辐射计ＵＦＰＡ探测器 接收红外线辐射能,将被测物体发射的红外辐射能 转变成电信号,红外辐射能的大小与物体的表面温 度相对应,电信号大小就间接反应了表面温度。该 仪器还配套有自动化程度高、功能强大的试验数据 处理软件,通过该软件可以分析每一帧温度场图像 图 １ 红外热成像仪 Ｆｉｇ. １ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ 􀅰３２􀅰２０１５ 年 １０ 月 ＴＮＴ 和温压炸药的爆炸火球表面温度对比试验研究 张玉磊,等 ❋ 收稿日期２０１５￣０２￣１１ 作者简介张玉磊１９８７ ,男,工程师,从事毁伤测试及评估技术研究。 Ｅ￣ｍａｉｌｋａｋａ￣ｚｙｌ＠１６３. ｃｏｍ 的最高温度、平均温度、直径等参数。 １. ３ 试验场布置 试验现场选择在比较开阔的旷野内,将被试温 压炸药药柱和 ＴＮＴ 药柱放置于木制弹架上,以药柱 几何中心为爆心,爆心距离地面 １. ５ ｍ,在距离爆心 水平距离约 ３０ ｍ 处布置红外热成像仪。 ２ 结果与分析 ２. １ 试验结果 读取红外热成像仪测试结果,得到 ＴＮＴ、温压炸 药爆炸火球表面最高温度随时间变化的曲线,如图 ２ 所示,不同炸药爆炸火球在某高温区间的持续时 间如表 １ 所示。 图 ２ 温压炸药和 ＴＮＴ 炸药爆炸 火球最高温度变化曲线 Ｆｉｇ. ２ Ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｂａｒｉｃ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ􀆳ｓ ａｎｄ ＴＮＴ􀆳ｓ ｆｉｒｅｂａｌｌｓ 表 １ ＴＮＴ 和温压炸药爆炸高温持续时间 Ｔａｂ. １ Ｄｕｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＴＮＴ􀆳ｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｂａｒｉｃ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ􀆳ｓ ｆｉｒｅｂａｌｌｓ ａｔ ｃｅｒｔａｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ 温度/ ℃≥１ ５００≥１ ２００≥１ ０００≥８００ ＴＮＴ/ ｍｓ６０１２０１８０ 温压炸药/ ｍｓ２１０２４０２７０３３０ 从图 ２ 可以看出,２ ｋｇ 温压炸药爆炸火球的表 面最高温度大于 ＴＮＴ,ＴＮＴ 爆炸火球的最高温度为 １ ４１８. ６ ℃,而温压炸药达到了 ２ ２８１. ５ ℃,是 ＴＮＴ 的 １. ６１ 倍。 温压炸药火球温度大于 １ ５００ ℃ 的时 间为 ２１０ ｍｓ,而 ＴＮＴ 为 ０,温度大于 １ ２００ ℃的持续 时间是 ＴＮＴ 的 ４ 倍,温度大于 １ ０００ ℃的持续时间 是 ＴＮＴ 的 ２. ２５ 倍,温度大于 ８００ ℃ 的持续时间是 ＴＮＴ 的 １. ８３ 倍。 究其原因,主要是温压炸药为体爆 轰炸药,抛撒在空气中的燃料颗粒与氧气充分混合, 能发生较为完全的燃爆反应,且温压炸药中加入了 铝粉等高热金属粉,显著增加了爆炸温度,而 ＴＮＴ 浇铸药柱的爆轰属于点源爆炸,且 ＴＮＴ 是典型的负 氧炸药,自带的氧不足够碳、氢等元素反应,爆炸温 度相对较低[７￣９]。 ２. ２ 典型温度场对比分析 炸药爆炸后,爆炸火球呈扁平状由爆心周围膨 胀,在反射冲击波和气流的作用下,火球形状从０. １ ｓ 开始上飘变形。 通过对红外温度场图像分析对 比,爆炸后 ６０ ｍｓ 时刻的火球大小和形状最具有代 表性,如图 ３ 所示。 通过对典型温度场温度分布进 行分析,可以对比研究 ＴＮＴ 和温压炸药爆炸火球温 度场特性,见图 ４。 ａＴＮＴ ｂ温压炸药 图 ３ ＴＮＴ 和温压炸药典型温度场图片 Ｆｉｇ. ３ Ｔｙｐｉｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ＴＮＴ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｂａｒｉｃ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ａＴＮＴ ｂ温压炸药 图 ４ 火球垂直方向和水平方向温度分布曲线 Ｆｉｇ. ４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅｂａｌｌｓ ｉｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 􀅰４２􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期 如图 ３ 所示,温压炸药火球形状较 ＴＮＴ 扁平, 且体积大于 ＴＮＴ 火球,ＴＮＴ 和温压炸药火球温度场 都呈现中心温度高、周围温度低的总体趋势,其中 ＴＮＴ 火球温度由中心向外单调衰减,爆心处温度最 高；而温压炸药火球高温区域面积占比大,内部分散 分布着多个较高温度区域。 这是由于 ＴＮＴ 为理想 炸药,可认为其爆轰反应仅在装药中发生,爆炸反应 瞬间能量全部释放由中心点向周围扩散；而温压炸 药为典型的非理想体炸药,先后经历无氧爆轰、无氧 燃烧和有氧燃烧 ３ 个阶段,其爆轰反应为体积爆 轰[１０],因此,温压炸药爆炸作用时间和空间尺度都 有所增长。 以爆心为交点,在火球范围内画出水平线段 １＃ 和垂直线段 ２＃,通过考察水平线段和垂直线段上的 温度分布,就可以分析出火球不同位置处的温度分 布规律。 水平线段 １＃以左端为起始,垂直线段 ２＃以 上端为起始,其不同位置处温度曲线如图 ４ 所示。 从图 ４ 看出,ＴＮＴ 火球的水平直径约为 ５. ９ ｍ, 而温压炸药火球的水平直径为 ８. ５ ｍ,是 ＴＮＴ 的 １. ４４倍,两种火球的垂直高度均约为 ３. ３ ｍ。 在水 平方向上,ＴＮＴ 火球温度范围约为 ６００ １ ４００ ℃, 在中心２. ９ ｍ 范围内温度都大于１ １００℃,占整个水 平直径的 ５０％ 左右；温压炸药火球温度约为 ７００ １ ６００ ℃,在中心 ５. ５ ｍ 范围内温度大于 １ ３００ ℃以 上,占整个水平直径的 ６５％ 左右。 在垂直方向上, ＴＮＴ 火球温度约为８５０ １ ４００ ℃,温压炸药火球温 度约为 １ ０００ １ ６００ ℃。 此外,温压炸药火球内部 线段 １＃和线段 ２＃上温度分布曲线呈平台型,而 ＴＮＴ 则呈抛物线形,尤其在水平方向上更为明显,温压炸 药火球爆炸温度在水平线段 １. ７ ７. ２ ｍ 范围内温 度都维持在 １ ３００℃以上。 这是由于温压炸药的反 应是体爆轰,在中心爆轰云雾区温度较高,而 ＴＮＴ 则不具有这样的特性。 ２. ３ 火球温度变化速率对比分析 温压炸药是典型的非理想炸药,与 ＴＮＴ 这类理 想炸药相比,最大的特点就是具有强烈的后燃效应, 爆炸热效应显著。 爆炸热效应差异不仅表现为温度 高低不同,还表现为温度变化速率不同。 温度变化 速率大表明放热迅速,能迅速达到造成目标热毁伤 的阈值温度。 将火球表面最高温度曲线对时间求 导,便得到爆炸火球最高温度变化速率曲线,如图 ５ 所示。 从图５看,温压炸药爆炸火球的温度变化速率 曲线大致呈“Ｖ”型,而ＴＮＴ爆炸火球温度变化速率 图 ５ 爆炸火球温度变化速率曲线 Ｆｉｇ. ５ Ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｉｒｅｂａｌｌ 曲线呈“Ｌ”型。 ＴＮＴ 和温压炸药爆炸后 １ ｓ 内的温 度变化速率曲线总体趋势一样,都是先迅速降低后 缓慢回升,最后趋于 ０。 ＴＮＴ 在爆炸反应后温度变 化速率随时间不断减小,初始值约为 ２２ ０００ ℃ / ｓ, 这段时间火球温度是持续上升的；在 ０. １ ｓ 左右时 降为 ０,此时火球温度开始降低；０. ２ ｓ 左右降到最 小,约 －４ ０００ ℃ / ｓ,对应火球温度下降最快；之后慢 慢增大趋于 ０,此时火球逐渐湮灭,温度逐渐与周围 环境相同。 温压炸药反应后爆炸火球瞬间的温度变 化速率约为 ２７ ５００ ℃ / ｓ,在 ０. １７ ｓ 左右时降为 ０, ０. ３ ｓ 左右降到最小约 －８ ０００ ℃ / ｓ,之后慢慢增大 趋于 ０。 由此可见,温压炸药的先期温度变化速率 大于 ＴＮＴ,且温度变化速率大于 ０ 的时间比 ＴＮＴ 长,这表明温压炸药爆炸后火球温度不仅上升速度 快,而且温度持续时间长。 温压炸药和 ＴＮＴ 爆炸的温度变化速率曲线在 降到最低点后都有回升趋势,这表明 ２ 种炸药前期 的反应产物与空气中的氧气都发生了后燃反应放 热,弥补高温火球与周围空气热交换的损失,减缓火 球温度的衰减,但是 ＴＮＴ 的这一过程很不明显,温 度变化速率回升较为缓慢。 温压炸药火球温度变化 速率曲线在最低点的回升则较为陡峭,文献[２]通 过高速录像也记录了温压炸药火球的直径具有由大 变小再变大的过程,这表明温压炸药特有的强烈后 燃反应再次释放大量的热,对爆炸火球高温起到了 重要的维持作用。 ３ 结论与建议 １温压炸药爆炸火球最高温度是 ＴＮＴ 的 １. ６１ 倍,其火球温度高于 １ ５００ 、１ ２００ 、１ ０００ ℃ 和 ８００ ℃的持续时间均为 ＴＮＴ 的 １. ８ 倍以上,爆炸热效应 显著优于 ＴＮＴ。 ２温压炸药爆炸火球垂直高度与 ＴＮＴ 相当,水 平直径为 ＴＮＴ 的 １. ４４ 倍,且温压炸药爆炸火球温 度场中高温区域面积比例更大。 􀅰５２􀅰２０１５ 年 １０ 月 ＴＮＴ 和温压炸药的爆炸火球表面温度对比试验研究 张玉磊,等 ３温压炸药和 ＴＮＴ 爆炸火球的温度变化速率 曲线分别呈“Ｖ”和“Ｌ”型,温压炸药强烈的后燃反 应能延缓火球温度的衰减,使得爆炸火球温度持续 时间更长。 参 考 文 献 [１] Ｄａｖｉｅｓ Ｐ Ａ. 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Ｓｔｒｏｎｇ ｐｏｓｔ ｂｕｒｎｉｎｇ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｆｉｒｅｂａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｂａｒｉｃ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｈａｓ ｓｌｏｗｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｍｐｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｎｇｅｒ ｄｕｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ＴＮＴ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｔｈｅｒｍｏｂａｒｉｃ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； ｂｌａｓｔ ｆｉｒｅｂａｌｌ； ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍａｇｅｒ； ｒａｔｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ； ａｆｔｅｒ ｂｕｒｎｉｎｇ 􀅰６２􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ５ 期