何 超 杜海文 王世英 周 涛 韩天一

西安近代化学研究所（陕西西安，710065）

0 引言

云爆弹又称燃料空气炸弹，是一种毁伤威力大、作用范围广、能量利用率高的面杀伤性武器[1]。 不同于现阶段的常规战斗部，云爆战斗部是内部装填不含氧或者含少量氧的纯液态或者液固混合态燃料的一种新型战斗部[2]。 云爆战斗部的作用过程分为两个阶段:第一阶段，通过抛撒药爆炸抛撒燃料，与空气混合形成燃料空气炸药云团；第二阶段，通过高能炸药对燃料空气炸药云团进行二次起爆，形成云雾爆轰[3]。 因此，燃料的抛撒是云雾爆轰的前提条件。 燃料抛撒及云雾形成规律一直是国内外学者研究的热点[4-6]。 在燃料抛撒形成云雾的过程中，提前发生点火燃烧的现象称为窜火。 窜火的发生极大地降低了云爆战斗部的作用威力。 因此，解决窜火问题是云爆战斗部研究的一个重要方面[7]。

针对云爆战斗部燃料抛撒及窜火的问题，国内前期开展了大量研究工作。 张奇等[8]认为，抛撒过程中窜火现象的发生与中心抛撒药量有关，中心抛撒药量越大，越容易窜火。 杜海文等[9]通过数值仿真及实验研究，得出比药量（中心抛撒药与燃料装药的质量比）是影响燃料初始阶段抛撒窜火的主要因素；针对实验用液固型云爆剂，比药量在0.95%～1.70%范围内，不会导致窜火。 为了解决燃料在抛撒过程中的窜火问题，史远通等[10]通过数值计算模型，对中心抛撒装药的爆炸空腔及腔内温度的变化规律进行了研究并得出，与耦合中心抛撒装药相比，采用不耦合中心抛撒装药的爆炸空腔内的温度衰减较快，安全性更好。 肖绍清[11]研究了T 型抛撒装药结构，采用直径不同的抛撒药柱进行间隔装填，并在剩余的空间内填充多孔惰性材料，得出T 型抛撒装药结构对抑制窜火有利。 赵志国等[12]采用T 型抛撒装药结构代替柱形装药，并用调低敏感组分含量的液体燃料代替原液固型燃料，解决了300 kg 级云爆战斗部静爆实验窜火问题。

以往研究大多集中于中心抛撒药量的调整或抛撒装药结构的优化，少量涉及燃料配方的优化。 但这些方法仍不能完全抑制爆炸抛撒过程中的窜火问题。 为此，王永旭等[13]将阻燃介质填充于中心抛撒药周围，用以抑制中心抛撒药爆炸产生的高温和火焰，并进行了1 kg 装药的燃料抛撒实验，一定程度上验证了该装药的有效性，但由于装药量太小，放大之后的有效性还有待进一步验证。

在前人研究的基础上，不改变中心抛撒装药及燃料配方，采取在中心抛撒药与燃料间增加阻燃隔层的方法解决窜火问题。 通过60 kg 级装药燃料抛撒实验对阻燃隔层的防窜火性能进行验证。 并研究了不同隔层厚度对燃料抛撒的影响，得出最佳设计参数，以期为云爆战斗部的优化设计提供参考。

1 实验装置

云爆战斗部尺寸为ϕ320 mm×700 mm，主要由雷管座、中心抛撒药、阻燃隔层、中心管、燃料和壳体组成，结构如图1 所示。

其中，壳体为圆柱形薄璧筒体结构，材料为Q235 钢，侧壁厚度为4 mm，侧壁外壁预制轴向V 形应力槽；燃料为液固型，主要由高密度液态燃料和铝粉组成，装填密度1.26 g/cm3，装填质量60～61 kg；中心抛撒药为高能炸药，抛撒药直径为50 mm，抛撒药质量为2.1 kg，比药量为3.5%。

阻燃隔层装填于中心抛撒药与中心管之间。 阻燃材料为ABC 干粉灭火剂。 阻燃材料采用分次振动装填方式，单次装填（100 ±5） g 后，振动60 s，再进行下一次装填，装填形态为粉末状，要求装填密度达（0.65 ±0.02） g/cm3。 为研究阻燃隔层厚度对抛撒的影响，在保持中心抛撒药状态一致的前提下，共设计了厚度为0（1＃）、5（2＃）、10（3＃）、15（4＃） mm 和20（5＃）mm 5 种实验状态。 每种状态实验装置为2发，分别对应编号为1＃-1、1＃-2、2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2。

2 实验及测试方法

爆心选择在平坦、开阔的地面上。 将实验装置竖直放置于高1.5 m 的木制弹架上，通过8＃工业雷管起爆。 为获取云团随时间的变化规律，采用高速相机记录燃料爆炸抛撒的整个过程。 高速相机布设于钢制掩体后方，距离爆心100 m。 高速相机型号为Fastcam Mini UX100，拍摄速度为2 000 帧/s。

3 实验结果及分析

3.1 燃料抛撒过程及现象

通过高速相机分别记录了5 种状态共10 发实验装置的作用过程，如图2～图6 所示。

图2 为1＃实验（无阻燃隔层）中燃料的抛撒过程。 1 ms 时刻，产生明亮的火光，火光将实验装置完全覆盖；10 ms 时刻，燃料已大部分发生燃烧，并且火势进一步扩大；30 ms 时刻，燃料已完全燃烧。结果表明，在无阻燃隔层的情况下，实验装置1＃-1和1＃-2 在抛撒初期即发生剧烈的窜火现象。

图3 为2＃实验中燃料的抛撒过程。 由图3 可见:1 ms 时刻，产生明亮的火光，火光基本将实验装置覆盖；10 ms 时刻，部分云团发生燃烧，并且火势进一步扩大；30 ms 时刻，云团已大部分燃烧；50 ms时刻，云团已完全燃烧。 结果表明，在阻燃隔层厚度5 mm 的情况下，实验装置在抛撒时仍发生窜火现象，但剧烈程度低于无阻燃隔层状态。

图4 ～图6 分别为3＃、4＃、5＃实验中燃料的抛撒过程。 以上实验装置均实现燃料的正常抛撒，未发生窜火现象，至80 ms 时刻，云团正常形成。 结果表明，在阻燃隔层厚度为10～20 mm 的情况下，燃料均可正常抛撒，未发生窜火现象。

图4 3＃实验的抛撒过程Fig.4 Spreading process in Experiment 3＃

图5 4＃实验的抛撒过程Fig.5 Spreading process in Experiment 4＃

图6 5＃实验的抛撒过程Fig.6 Spreading process in Experiment 5＃

3.2 云雾运动特性

为获取云雾运动特性，对高速相机记录的燃料抛撒过程进行处理和分析，可以得到云雾尺寸、扩展速度随时间的变化规律。

3.2.1 云雾径向扩散特性

1＃-1、1＃-2 装置在燃料抛撒初期即发生窜火，无法观测云雾的扩散过程；2＃-1、2＃-2 装置在20 ms 以后窜火导致剧烈燃烧，因此只能观测到20 ms 以内的云雾扩散过程；3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1、5＃-2 装置燃料均正常抛撒，可观测到云雾扩散全过程。

图7 为云雾直径D随时间t的变化曲线。 由图7 可知，云雾直径随时间的延长而递增。 0～20 ms 范围内，相同时刻的云雾直径由大到小排序为:2＃、3＃、4＃、5＃；20～80 ms 范围内，相同时刻的云雾直径由大到小排序为:3＃、4＃、5＃；80～100 ms 范围内，云雾直径不再增加，3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 实验装置所形成的最终云雾直径分别为18.3、18.5、17.4、17.1、16.2 m 和15.9 m。

图7 云雾直径随时间的变化曲线Fig.7 Curves of cloud diameter changing with time

对图7 求导，得到云雾径向运动速度v随时间t的变化关系，如图8 所示。 由图8 可见，燃料径向扩散速度随时间的增加而递减，2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 实验装置径向抛撒初速分别为580、592、548、532、488、492、438 m/s 和425 m/s，径向抛撒初速由大到小排序为:2＃、3＃、4＃、5＃。

图8 云雾径向扩散速度随时间的变化曲线Fig.8 Curves of radial diffusion velocity of cloud changing with time

3.2.2 云雾轴向扩散特性

图9 为云雾厚度H随时间t的变化曲线。 由图9 可见:0～40 ms 范围内，云雾厚度随时间递增；40～100 ms 范围内，云雾厚度无变化，相同时刻不同状态实验装置云雾厚度相当，最终H ＝3.3～3.4 m。

图9 云雾厚度随时间的变化曲线Fig.9 Curves of cloud thickness changing with time

对图9 进行求导，可以得到云雾轴向运动速度v随时间t的变化关系，如图10 所示。 由图10 可见:0～40 ms 范围内，燃料轴向扩散速度随时间的增加而递减，不同状态实验装置轴向抛撒初速为158～170 m/s，无明显差异；40～100 ms 范围内，燃料轴向扩散速度降低，至趋近于0。

图10 云雾轴向扩散速度随时间的变化曲线Fig.10 Curves of axial diffusion velocity of cloud changing with time

3.3 阻燃隔层对抛撒过程的影响分析

3.3.1 阻燃隔层对窜火的影响

1＃-1、1＃-2 实验装置无阻燃隔层，在抛撒初期即发生剧烈窜火；因此，无燃料抛撒过程。 2＃-1、2＃-2实验装置阻燃隔层厚度为5 mm，抛撒过程中发生窜火，30 ms 时大部分云雾发生燃烧。 3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 实验装置阻燃隔层厚度为10～20 mm，抛撒过程未发生窜火，云雾正常形成，表明随着阻燃隔层厚度的增加，窜火问题得到改善。

针对60 kg 级装药实验装置，当阻燃隔层厚度不小于10 mm 时，能有效抑制窜火。

3.3.2 阻燃隔层对云雾半径的影响

图11 为不同径向扩散参数与阻燃隔层厚度δ的对应关系。 随着阻燃隔层厚度的增加，径向抛撒初速以及云雾直径均减小，阻燃隔层厚度由10 mm增加至20 mm，燃料径向抛撒初速及云雾直径分别减小了20%和13%。

图11 不同径向扩散参数与阻燃隔层厚度的对应关系Fig.11 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

依据实验数据，拟合出云雾直径D与阻燃隔层厚度δ的关系式:D ＝20.75 -220δ。

3.3.3 阻燃隔层对云雾厚度的影响

图12 为不同轴向扩散参数与阻燃隔层厚度的对应关系。 不同阻燃隔层厚度下，轴向抛撒初速以及云雾厚度均无明显变化。

图12 不同轴向扩散参数与阻燃隔层厚度的对应关系Fig.12 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

3.3.4 阻燃隔层对二次起爆的影响

依据实验得到的云雾尺寸，可计算出云雾的体积，进而得出云雾平均浓度（表1）。 由表1 可知，随着阻燃隔层厚度的增加，由于云雾直径减小，造成云雾体积减小、云雾平均浓度增加。 阻燃隔层厚度为10～20 mm 时，所形成云雾的云雾平均浓度为88 ～108 g/m3，浓度范围处于该燃料爆炸极限范围（45～205 g/m3）内，因此，不会降低二次起爆可靠性。

表1 不同实验装置云雾平均浓度计算结果Tab.1 Calculation results of average concentration of cloud for different experimental

对5＃-2 实验装置抛撒形成的云雾进行了二次起爆。 云雾可以正常起爆形成爆轰火球（图13）。

图13 5＃-2 实验装置云雾爆轰火球Fig.13 Detonation fireball of cloud in Experiment 5＃-2

3.4 机理分析

针对战斗部燃料抛撒窜火机理，贾承志等[14]对燃料分散过程进行数值模拟得出，中心抛撒药起爆后产生高温、高压环境，当温度高于燃料自燃点，且浓度位于燃料爆炸极限区间内时，即发生窜火。

ABC 干粉的灭火原理主要体现在两个方面:一是ABC 干粉中的磷酸二氢铵NH4H2PO4在燃烧火焰中吸热并分解出氨NH3和磷酸H3PO4，高温下磷酸进一步分解生成五氧化二磷P2O5，反应过程中吸收大量热，故有较好的降温作用；二是分解产生的游离氨能与火焰燃烧反应中产生的OH 自由基反应，减少并终止燃烧反应产生的自由基，降低了燃烧反应速率[15]。 因此，依靠ABC 干粉阻燃隔层降低中心抛撒药爆轰产物的温度，抑制燃烧火焰，可达到防窜火的目的。 阻燃隔层厚度越大，ABC 干粉的量就越多，反应吸收的热量也越多，防窜火性能更好。

燃料抛撒主要依靠中心抛撒药爆轰产物的膨胀压力来驱动。 凝聚相炸药爆轰产物状态方程为

式中:p为爆轰产物的压力；v为爆轰产物的比容；A、k分别为与炸药性质相关的常数。

ABC 干粉灭火剂颗粒度小、装填密度低、装填状态较为松散，相较于燃料，约束性更弱。 因此，当存在阻燃隔层时，中心抛撒药爆轰产物向外膨胀的速度更快。 由式（1）可知，比容v快速增加时，压力p迅速降低，阻燃隔层使得爆轰产物作用于燃料的压力降低，导致燃料抛撒初速降低、云雾直径减小，且阻燃隔层厚度越大，这种降低效果越明显。

开展了不同阻燃隔层厚度的抛撒仿真，读取了燃料抛撒初速曲线，如图14 所示。 由图14 可见，隔层厚度为0、10 mm 和20 mm 时，抛撒初速分别为641、568 m/s 和452 m/s，仿真结果与实验结果趋势一致，抛撒初速随隔层厚度的增加而减小。

图14 不同隔层厚度时抛撒初速的仿真结果Fig.14 Simulation results of initial velocity of dispersal with different layer thicknesses

4 结论

1） 一定厚度的阻燃隔层可抑制窜火发生。 针对60 kg 级装药云爆战斗部，当阻燃隔层厚度不小于10 mm 时，抛撒过程不再发生窜火。

2） 阻燃隔层的厚度对燃料抛撒产生一定影响。燃料径向抛撒初速及云雾直径随阻燃隔层厚度的增加而减小。 阻燃隔层厚度由10 mm 增加至20 mm，燃料径向抛撒初速及云雾直径分别减小了20%和13%；随着阻燃隔层厚度的增加，燃料轴向抛撒初速及云雾厚度无明显变化。