金朋刚，郭 炜，王建灵，任松涛，高 赞，严家佳

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

随着现代战场中作战需求的变化，发展有效打击密闭条件下军事目标的弹药成为现代武器发展的重要方向和主要趋势。如何合理设计炸药以适合这类环境，达到高效毁伤的目的，成为武器发展的重要内容之一［1-3］。在密闭环境中，由于周围条件的限制，炸药在爆轰反应完成后，爆炸产物将继续进行后续燃烧并释放大量能量，这导致密闭空间中压力变化过程更加复杂。国外关于密闭空间中炸药爆炸后的后续燃烧过程已有大量的研究。美国海军水面武器中心为了支持“战斧”和APET 计划，进行了内爆试验，将准静态压力作为9种炸药配方筛选的主要依据［4］。韩国Ki-Bong Lee［5］等进行了两个配方的内爆试验，得到了准静态压力和总燃烧热之间的关系式。美国海军水面武器中心Ames G 等人通过测量二次燃烧的过程，定量区分了封闭空间中的爆轰和二次燃烧的能量累积［6］，通过试验得到准静态压力及冲击波压力-时间曲线。国内关于内爆的研究也较多，李媛媛在密闭容器中研究了不同铝粉含量炸药内爆温度场特性［7］。辛春亮等研究了含铝炸药在水中的能量输出及二次燃烧的特性［8］。

本研究通过自行设计的试验装置，测量了TNT在密闭空间下不同气氛中爆炸后二次燃烧产生的准静态压力。

1 实 验

1.1 试样及仪器

TNT，西安近代化学研究所，将100g TNT 炸药粉压制成直径为40mm、密度为1.58g／cm3的药柱。

压电式不锈钢压力传感器，PCB公司，量程为0～0.345MPa；VXI数据采集器，成都南汇科技有限公司，频率为1M／s。

1.2 实验装置

为了模拟密闭环境，设计了一个能够密封的罐体，由圆柱体和一个球冠体焊接而成，圆柱体直径900mm，高800mm。在距离圆柱形罐体顶端400mm 处设有两个测压窗口，如图1所示。每个测压窗口安装一个压力传感器，两个传感器及试样在同一个平面。

图1 密闭爆炸装置结构示意图Fig.1 Sketch of air tight obturator

1.3 实验方法

将TNT 悬挂于容器的中心位置（见图1），用8号铜壳雷管引爆。用压力传感器记录爆炸压力-时间曲线。为了比较TNT 爆炸后对环境中氧气的利用情况，除在一个大气压空气条件下实验外，还将密闭装置中的气氛改变为纯度为99%的氮气和氧气。在3种不同气氛中各进行两次平行实验。

2 结果与讨论

2.1 密闭空间TNT 的爆炸压力特性

实验得到密闭空间TNT 的爆炸压力-时间曲线，如图2所示。从图2可以看出，TNT 爆炸产生的冲击波压力会发生多次反射，且冲击波压力下降过程与初始设想的（如无限空间中，随着时间的推进而回到基线）不同，而是随着时间的推移在压力下降过程中再次出现上升的趋势，并在一定压力附近发生震荡，形成明显的两种不同类型波叠加的效果。TNT 炸药在密闭空间爆轰后能量的释放主要分为两个过程：爆轰和后燃烧过程，爆轰形成了冲击波压力，如图2的黑色曲线所示。后燃烧形成了密闭空间中的准静态压力，高频冲击波压力波与低频准静态压力波叠加，导致传感器在冲击波压力降低时无法回到零线，而是在准静态压力附近发生震荡。这与美国海军水面武器研究中心及Richard的研究结果一致［4，6］。

图2 密闭空间内TNT 的爆炸压力随时间的变化曲线Fig.2 The change curve of explosion pressure with time of TNT in obturator

在比较密闭空间中炸药的威力时，不采用冲击波峰值压力的原因有两个：一是压力传感器可与墙体或罐体共振，导致超压无法准确测量［6］；二是密闭空间中富燃料在未燃烧前被抛掷至密闭空间边界，与边界发生碰撞后部分动能转化为热后产生二次燃烧，因为压力传感器敏感面就安装在密闭空间壁面上，被撞击会产生额外的压力响应。因此，美国海军水面武器中心在比较密闭空间中炸药威力时仅采用准静态压力作为威力判断参数。冲击波超压测试结果如表1所示。从表1可以看出，试验数据的离散性较大，标准偏差为15.4%。

表1 冲击波超压测量结果Table 1 Test results of shock wave overpressure

2.2 准静态压力的测量可靠性

国外研究者认为准静态压力计算方法是对一定时间内冲击波压力曲线取平均值［6］，如式（1）所示。本研究将冲击波压力时间曲线中0～20ms的压力平均值作为准静态压力，计算的准静态压力试验结果如表2所示。

表2 准静态压力测量结果Table 2 Test results of quasi-static pressure

从表2可以看出，相对标准偏差较小，最大值为3.4%，最小值为2.3%。美国海军水面武器中心在进行战斧导弹换装时测量了多种炸药的准静态压力，其测量结果的最大标准偏差值为5.73%，最小值为2.44%［4］。因此，本研究所建立的准静态压力测量方法的可靠性较高。

对TNT 在0～20ms内准静态压力的变化过程进行拟合，发现在此时间段内其准静态压力的变化过程符合式（1）。

式中：A1、A2、p、X01、X02、h1、h2均为常数，与炸药配方和环境参数有关。

2.3 环境气氛对准静态压力的影响

为了证明TNT 炸药在密闭空间中爆炸后能够与环境中的氧气发生二次反应，设计了氮气、空气和氧气3种不同的环境气氛，将不同气氛中氧气的含量与TNT 在密闭空间中产生的准静态压力做图，结果见表3。从表3可以看出，随着环境中氧气含量的增加，TNT 二次反应产生的准静态压力增高，说明在高浓度的氧环境中，TNT 二次反应释放的能量更高，反应更完全，能够在密闭空间中产生更高的准静态压力。

表3 不同氧含量下的准静态压力实验结果Table 3 Test results of quasi-static pressure with different oxygen content

3 结 论

（1）本试验设计的爆炸罐体可用于研究炸药在密闭空间中爆炸的准静态压力特性。

（2）TNT 在密闭空间中爆轰后能量释放主要分为两个过程：爆轰和后燃烧过程，爆轰过程产生冲击波压力，后燃烧过程产生准静态压力。

（3）TNT 在密闭空间中爆轰后，二次燃烧反应的能量释放量与环境中的氧气浓度有关，氧气浓度越高，TNT 二次反应释放的能量就越多。

［1］Neil D，Nick L.Bradford non-lethal weapons research project［R］.Bradford：University of Bradford，2005.

［2］Smith K T.Pressable thermobaric explosives.aluminum containing compositions based HMX and RDX［C］∥Proc of 36th Int Annu Conf of ICT.Karlsruhe：ICT，2005.

［3］Ruth A S.Development and evaluation of new high blast explosives［C］∥Proc of the 36th Int Annual Conf of ICT.Karlsruhe：ICT，2005.

［4］David P E.Internal blast test to support the Tomahawk and APET programs“Munitions survivability in unified operations”［C］∥Insensitive Munitions Technology Symposium.Las Vegas［s.n.］：1996.

［5］Lee K B，Lee K D，Kim J K.Relationship between combustion heat and blast performance of aluminized explosives［C］∥Proc of 36th Int Annu Conf of ICT ＆32nd Inte Pyrot Semi.Karlsruhe：ICT，2005.

［6］Ames R G，Drotar J T，Silber J，et al.Quantitative distinction between detonation and after burn energy deposition using pressure-time histories in enclosed explosions［C］∥Proc of 39th Int Annu Conf of ICT.Karlsruhe：ICT，2008.

［7］李媛媛，南海.半密闭条件下爆炸场的温度与压力测量［J］.火炸药学报，2008，31（1）48-52.

LI Yuan-yuan，NAN Hai.Detonation field temperature and pressure test under semi-enclosed conditions［J］.Chinese Journal of Explosives and Ropellants，2008，31（1）：48-52.

［8］辛春亮，徐更光，等.含铝炸药与理想炸药能量输出结构的数值模拟［J］.火炸药学报，2007，30（4）：6-8.

XIN Chun-liang，XU Geng-guang，NumericaI simulation of energy output structure for aluminized explosive and idealized explosive in underwater explosion［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（4）：6-8.