饶国宁,周 莉,宋述忠,解立峰,李 斌,彭金华

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京 100040)

云爆药剂(FAE)具有爆轰体积大、正压作用时间长、冲量大等特点，相比于传统高能炸药，其爆炸毁伤面积大。就其爆炸超压场而言，云爆药剂在云雾区内爆炸冲击波能量分布均匀，而云雾区外爆炸冲击波在空气中传播时，冲击波的超压值衰减相对较慢[1]。

目前，在炸药爆炸冲击波超压测试时，为避免装药弹体爆炸产生的破片击中并损坏传感器，通常采用壁面式压力传感器采集超压数据，此类型的压力传感器与地面平齐，测试得到的超压数据是沿地面运动的马赫波超压[2]，但这种测试方法所造成的真实误差在以往的爆炸物当量评估中常被忽略。陈昊等[3]分析了爆炸场中马赫反射对冲击波超压测试的影响，给出了马赫反射对测试结果的作用以及爆炸高度对测试结果的影响。刘庆明等[4]通过分析气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点，发现在云雾区内，多相爆轰波压力波形具有多峰结构，爆炸波峰值超压及冲量为恒定值，爆轰区外，爆轰波转变成爆炸冲击波，峰值压力和比冲量迅速衰减，并得到了冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。由于云爆药剂与常规高能药剂的爆炸场存在着较大的差异，所以为了对FAE的爆炸威力进行有效评估，就需要针对其爆炸场特点进行深入研究。

本文中，在相同的无约束实验条件下对自行研制的一次、二次云爆药剂及标准梯恩梯(TNT)药剂进行了爆炸超压测试。通过自由场式与壁面式两种压力测试系统，分别获得空中及地面的爆炸冲击波参数，运用TNT现场爆炸标定法计算出云爆药剂的TNT当量，有效评估了一次、二次云爆药剂的爆炸威力；两种超压测试系统结合起来进行多次实验，通过分析实测超压值的不确定度发现，实验中采用的自由场式的测试系统测得的超压值的不确定度略低于壁面式测试系统测得超压值的不确定度，说明自由场式超压测试系统应用于普通高能炸药的超压测试中是一种有效的测试手段。而在FAE爆炸实验中，其实测超压值的不确定度的分布就表现得较为随机。我们认为联合运用两种超压测试系统，可有效减小云爆药剂爆炸冲击波流场的复杂性对测试结果准确性的影响，为云爆药剂的爆炸场参数研究和威力评估提供参考。

1 实验方法

1.1 样品及测试系统

测试炸药为TNT以及两种云爆药剂SEFAE和DEFAE，弹体中的装药量均为2 kg。TNT为熔铸药柱，长径比1∶1，密度1.60 g/cm3。SEFAE主要成分是高能炸药、金属粉和液体氧化剂，采取一次起爆方式，其中心起爆药为梯黑药柱，质量80 g；DEFAE主要成分是高能液体燃料，采取传统的两次起爆方式，其中心起爆药是梯黑药柱，质量80 g，二次起爆药柱是质量为200 g的梯黑药柱。

测试装置采用高频响应自动化数字测量系统。超压测试系统所用的仪器有211B型压电式石英传感器、402A型数据调理仪和JV5201数据采集仪。

1.2 场地布置

测试条件、测试手段和数据处理，都按GJB 5412-2005《燃料空气炸药(FAE)类弹种爆炸参数测试及爆炸威力评价方法》进行。

实验中，装有云爆药剂的弹体放置于固定高度的支架中心，以弹体的几何中心位置为爆心，确定所有实验中的炸高为1.5 m。在压力测试中，采用两路压力平行测试的形式，压力传感器布置图如图1所示。一路布置在地面，作为壁面式压力测试系统，由于冲击波因入射角度不同会产生正规斜反射和非正规斜反射(马赫反射)两种现象[5-7]，为取得实验结果的一致性，本文中根据药量选择了合适的炸高和传感器布置位置，将地面测试点全部布置于马赫反射区内，测量到的也就是地面马赫波的超压。压力传感器的布置依据参照文献[8]。

另外，SEFAE、DEFAE具有不同于高能炸药的云雾爆轰区：在云雾区内，爆轰波压力波形具有多峰结构，爆炸波峰值超压为一恒定值；爆轰区外，爆轰波转变成爆炸冲击波，峰值压力迅速衰减。由云雾爆轰区半径公式[9]的计算得到云爆药剂的云雾爆轰区半径为1.9 m，因此本实验中传感器的布设位置均超出云爆药剂的爆轰区，所研究的是云雾爆轰区外的冲击波超压变化规律。

2 实验结果和分析

2.1 超压数据分析

在实验中，采用壁面式与自由场式两种超压测试系统进行药剂的爆炸超压测试，实验环境条件一致。为减小由于实验测试仪器问题带来的试验误差，采用平行实验的方式，对每种药剂进行3次实验，结果进行均一化处理。3种药剂的典型超压曲线如图2所示。

图2中，橙色为TNT超压曲线，绿色为SEFAE超压曲线，蓝色为DEFAE超压曲线。从图中可以看出，DEFAE有明显的双峰特征，对应两次起爆的效果，第1个峰为中心药剂抛撒燃料时产生的超压，第2个峰为二次药柱起爆后燃料二次爆轰产生的超压。

从图中可以明显看出，相同的测试条件下，在3 m处TNT的超压上升沿时刻要早于SEFAE和DEFAE，这是因为TNT为凝聚态炸药，其能量释放速率相比其他两种药剂要快得多。同时，正因为如此，TNT的爆炸超压在空气中衰减迅速，所以在相同测量位置，其超压峰值要比两种云爆药剂略小，且正压作用时间略短。对于DEFAE，从曲线中能看到明显的双峰，这正是二次型云爆药剂的典型超压特征，由于燃料和空气充分混合后发生二次爆轰，其释放的能量要比SEFAE更大且正压持续时间更长。

经过处理地面壁面式、空中自由场式的超压系统的测试值后，分别计算3种药剂在不同距离的测试超压的平均值及相应的实测超压的不确定度，具体数据见表1。

由表1可以看出：壁面式测试系统测得的炸药爆炸超压峰值均高于自由场式测试系统的炸药爆炸超压峰值，这是由于爆炸冲击波与地面发生非规则反射，除了入射波和反射波外，还存在一个垂直地面的过度压缩的冲击波即马赫波，马赫波的超压值相对较高[10-11]；3种药剂爆炸冲击波的实验测试值，不管是壁面式还是自由场式测试系统的实测超压值，在距爆心相同位置上TNT的超压值最小、SEFAE其次、DEFAE最高。

从表1和图3可以看出，等质量的3种药剂的爆炸冲击波超压峰值在相同位置上的关系为DEFAE最大、SEFAE次之、TNT最小，且爆炸冲击波在空气中传播的衰减率为DEFAE最小、SEFAE次之、TNT最大。产生这种现象的主要原因为：TNT是典型的点源爆炸，爆炸后球面冲击波迅速衰减；SEFAE中心起爆时其起爆药柱首先反应，在爆轰后，灼热的爆炸云团在向四周抛撒的同时，爆炸云团各组分之间以及爆炸云团同环境空气之间，还会继续进行剧烈的快速燃烧反应，SEFAE这种边抛撒边反应的过程使得它具有明显的体积爆轰特点，但由于反应的高速性，燃料不能与空气充分混合，包含在炸药中的能量不能完全释放，因此，在相同位置处测到的超压均低于DEFAE；DEFAE则是先通过中心药柱爆炸抛撒主装药，形成一个具有一定几何尺寸的气溶胶云雾团，同时将云爆管散布于云团中，经预定时间云爆管二次引爆云雾团，形成气溶胶爆轰，也就是说，DEFAE是整个具有一定体积可燃云团的爆轰[9]。

对图3进行进一步分析还可以得到：当距离为3 m以下时，云爆药剂的爆炸压力下降较快，这可能是由于在近场中燃料与空气介质的反应没有达到平衡。在距离为3m以上时，云爆药剂超压的变化则较为平缓，这是由于云爆燃料与空气反应所释放的能量支持了冲击波传播，从而延缓了冲击波的衰减。

从表1和图4中可以看出：在TNT的爆炸过程中，超压测量的不确定度小于FAE超压测量的不确定度，这是因为TNT是单质炸药，其组分均一，作用过程明确，受外部环境条件和实验操作条件的影响较小，所以爆炸后产生的冲击波流场较为对称，一致性较高；此外，通过TNT药剂的实验测试结果同样发现，离爆心距离越远，其不确定度值越小，可知实验测试装置对爆炸近场的爆炸超压峰值测量结果影响更大，导致测量数据的震荡范围较大。同时，对自由场测试和地面测试方法进行对比发现，自由场式测试系统测得的超压值的不确定度略低于地面壁面式测试系统测得超压值的不确定度，说明自由场式超压测试系统应用于普通高能炸药的超压测试是一种有效的测试手段[10-11]。

而在云爆药剂的爆炸实验中，不论是一次云爆药剂还是二次云爆药剂，爆炸超压峰值的测量结果随机性较大，这是由于云爆药剂的组分复杂，同时其爆炸威力受环境条件影响较大，和TNT的爆炸测试结果类似，云爆药剂近场超压峰值测试结果的不确定度相比远场要大，进一步说明远场超压测试的结果更为可靠。

表1 3种药剂实测的超压数据Table 1 Overpressure data of three explosives

2.2 云爆药剂超压的TNT当量分析

(1)

根据实验所得数据(见表1)，利用最小二乘法可分别拟合出地面和空中的超压公式。

TNT爆炸地面超压公式为：

(2)

TNT爆炸空中超压公式为：

(3)

式中：Δp、m、r的单位分别为kPa、kg、m。

由表2可以看出：对于SEFAE，壁面式超压测试系统得到的TNT当量比为2.37，自由场式超压系统测到的TNT当量比为2.10。对于DEFAE，壁面式超压测试系统得到的TNT当量比为3.81，自由场式超压系统测到的TNT当量比为3.55。

表2 两种云爆药剂各测点对应的TNT当量Table 2 Measuring points of FAE corresping to TNT equivalent

分析两种测试方法计算的TNT当量结果，可以看出根据壁面式测试系统所测超压计算得到的云爆药剂的TNT当量高于自由场式测试。云爆药剂属于体积爆轰，爆轰时燃料边抛撒边和空气反应，形成持续的后燃反应，单质炸药则属于点源爆轰；因此，在单质炸药爆轰形成的冲击波传播发生马赫反射的测点处，云爆药剂不一定发生相同类型的冲击波反射，所以单纯地采用地面反射的方法对云爆药剂进行TNT当量计算可能不够准确。相对而言，虽然自由场式超压测试系统有一定的局限性，如实验场中自由场式传感器的布置方式对流场有一定影响，但实际上可以认为自由场式超压测试系统能直接测得云爆药剂的静压，可以获得较为准确的TNT当量。云爆药剂威力评估的主要参数为超压和正压作用时间，其正压作用时间比普通高能炸药长，发生马赫反射时入射波和反射波的交点被抬升而离开地面，三波点处的各个区域间相互作用复杂，马赫杆是强间断面而不是爆轰波阵面本身，因此采用壁面式超压测试系统实测的波形中的超压与正压作用时间并不能真实地反映爆炸冲击波本身波形。

由表1可以看出：由于地面存在马赫反射，所以测试获得的超压值相对较高。在GJB 5412-2005《燃料空气炸药(FAE)类弹种爆炸参数测试及爆炸威力评价方法》中，针对云爆药剂爆炸冲击波流场复杂性的考虑，均利用壁面式超压测试系统得到马赫波的超压值，但是壁面式和自由场式超压测试系统都有各自特点。我们希望通过以后的实验研究，将壁面式和自由场式超压测试系统结合起来运用，设计相对合理的实验场及测试系统，用以减小FAE爆炸冲击波流场的复杂性给测试带来的影响，为云爆药剂的爆炸场参数研究和威力评估提供有效的参考。

3 结 论

(1)从壁面式与自由场式两种超压测试系统得到的结果可以看出，SEFAE和DEFAE的超压值均高于TNT，具有典型的云雾爆炸场特征，表明SEFAE和DEFAE是优于普通高能炸药的药剂。

(2)采用TNT现场爆炸标定法计算SEFAE、DEFAE的TNT当量：SEFAE壁面式超压测试法所得的TNT当量比为2.37，其自由场式超压测试得到的TNT当量比为2.10；DEFAE壁面式超压测试法所得的TNT当量比为3.81，其自由场式超压测试得到的TNT当量比为3.55。

(3)在测试TNT爆炸实验中，自由场式测试系统测得超压值的不确定度略低于壁面式测试系统测得超压值的不确定度，说明自由场式超压测试系统应用于普通高能炸药的超压测试中是一种有效的测试手段。而在FAE爆炸实验中，测量超压值的不确定度分布就表现得较为随机，其原因在于云爆药剂的爆炸冲击波流场的复杂性，云爆药剂爆炸冲击波流场不是理想柱对称的。相对于近场测试超压值的不确定度，远场则相对较小，说明远场的超压测试值的还是具有较高的可信度。

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