鄭勇杰,蘇健軍,姬建榮,嚴(yán)家佳

(西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065)

0 引言

熱是常規(guī)戰(zhàn)斗部的毀傷元之一,其主要作用形式為高溫火球及高溫高速流場(chǎng)。在早期實(shí)際使用中,由于戰(zhàn)斗部打擊精度不足,彈目交會(huì)時(shí)往往超出熱效應(yīng)作用范圍,難以起到毀傷效果,因此研究人員對(duì)爆炸溫度場(chǎng)的熱毀傷效果研究較少。隨著武器精確打擊能力的大幅提升,戰(zhàn)斗部與目標(biāo)的距離已處于爆炸溫度場(chǎng)的作用范圍,熱對(duì)目標(biāo)的毀傷作用已成為了研究者們關(guān)注的熱點(diǎn),但對(duì)熱的毀傷效果和毀傷模式的研究較少,因此研究爆炸溫度場(chǎng)熱效應(yīng)對(duì)于炸藥威力評(píng)價(jià)和毀傷評(píng)估有著重要意義。

針對(duì)高溫火球熱效應(yīng)的研究,前人做了許多的工作。郭學(xué)永等[1]運(yùn)用紅外熱成像儀獲取不同質(zhì)量的炸藥爆炸火球的表面溫度,分析了溫度場(chǎng)的分布情況,確定了TNT產(chǎn)生不同程度熱毀傷的半徑;李秀麗等[2]采用同樣方法獲得炸藥表面爆炸溫度,分析了一定質(zhì)量下TNT的高溫持續(xù)時(shí)間以及高溫云團(tuán)膨脹體積;仲倩等[3]根據(jù)爆炸火球動(dòng)態(tài)模型表征參量數(shù)據(jù),對(duì)爆炸火球變化規(guī)律進(jìn)行了定量描述,分析了TNT裝藥爆炸火球熱毀傷效應(yīng),確定了TNT裝藥火球輻射量;張玉磊等[4]則通過(guò)測(cè)量TNT炸藥爆炸后的火球表面溫度場(chǎng),得到了爆炸火球表面最高溫度、持續(xù)時(shí)間、火球尺寸和火球溫度變化速率等參數(shù),并分析了火球溫度變化速率的變化原因。姬建榮、王代華等[5-6]開展了基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測(cè)試方法研究,提供了高溫流場(chǎng)接觸式測(cè)量方法,對(duì)于熱毀傷效果評(píng)估有重大的價(jià)值;張玉磊等[7]采用WRe 5/26熱電偶獲取了長(zhǎng)直坑道內(nèi)不同爆心距和不同質(zhì)量TNT裝藥的響應(yīng)溫度-時(shí)間曲線,得到了溫度峰值和傳播速度隨距離變化的規(guī)律,分析了裝藥質(zhì)量對(duì)溫度峰值和熱作用持續(xù)時(shí)間的影響;金朋剛等[8]在密閉爆炸倉(cāng)內(nèi),測(cè)量了TNT 炸藥在不同氣體環(huán)境中爆炸場(chǎng)溫度,發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用中TNT爆炸反應(yīng)完全性較低,大量能量未釋放,密閉條件可以提高TNT爆炸能量釋放率。綜上所述,當(dāng)前對(duì)火球熱效應(yīng)的研究主要集中在自由場(chǎng)火球表面溫度熱效應(yīng)以及密閉空間內(nèi)爆炸溫度場(chǎng)熱作用規(guī)律及熱毀傷效果評(píng)估研究,針對(duì)自由場(chǎng)火球內(nèi)溫度場(chǎng)熱作用規(guī)律研究還有許多可供完善的空間[9-11]。

為研究TNT在自由場(chǎng)的爆炸溫度場(chǎng)熱作用規(guī)律,開展了不同裝藥質(zhì)量TNT空中爆炸實(shí)驗(yàn),采用WRe5/26鎢錸熱電偶溫度傳感器獲取了不同爆心距溫度—時(shí)間曲線,分析了不同裝藥量下爆炸溫度場(chǎng)熱毀傷威力場(chǎng)特征及火球內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律,以期為爆炸場(chǎng)熱毀傷威力場(chǎng)構(gòu)建和毀傷評(píng)估分析提供參考。

1 TNT爆炸溫度場(chǎng)熱作用規(guī)律實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

炸藥樣品為質(zhì)量1、5和10 kg的TNT炸藥,樣品均為長(zhǎng)徑比約1∶1的壓制柱形裸藥,藥柱密度約1.56 g/cm3。藥柱均以壓裝JH-14炸藥為傳爆藥,傳爆藥柱質(zhì)量為被試樣品的1%,采用8號(hào)電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.2 測(cè)試設(shè)備及實(shí)驗(yàn)布局

實(shí)驗(yàn)采用木質(zhì)門型吊藥架將TNT樣品爆心布置在垂直地面高1.5 m處,熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)共5個(gè),安裝高度與裝藥炸高(1.5m)相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝藥質(zhì)量的不同,各測(cè)點(diǎn)爆心距離不同,如表1所示。

表1 不同裝藥量各測(cè)點(diǎn)爆心距Table 1 Measuring point detonation distance with different dosage

爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試采用絲型的WRe5/26鎢錸熱電偶溫度傳感器,安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。偶絲的直徑為0.2 mm,測(cè)溫 0～2 300 ℃,詳細(xì)參數(shù)見表2,其中t表示實(shí)際溫度。同時(shí)為了測(cè)量精度爆炸火球內(nèi)溫度,每個(gè)相同爆心距的溫度測(cè)點(diǎn)都水平放置,電偶絲正對(duì)爆心,且每個(gè)測(cè)點(diǎn)都布置了多個(gè)熱電偶,最終測(cè)量結(jié)果為其測(cè)量值取平均。

圖1 熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Thermocouple structure diagram

表2 鎢錸熱電偶參數(shù)Table 2 Duration of different temperature intervals

現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)時(shí)為避免距離較近處測(cè)試裝置阻擋爆炸產(chǎn)物流動(dòng)進(jìn)而影響后方測(cè)試結(jié)果,不同距離處測(cè)點(diǎn)左右錯(cuò)開30 cm,實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。

圖2 場(chǎng)地布設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of site layout

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)溫度-時(shí)間關(guān)系分析

爆炸場(chǎng)熱流介質(zhì)溫度分布與演化是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,熱介質(zhì)溫度瞬間變化時(shí)間量級(jí)可達(dá)10-4s級(jí),而熱電偶本身又存在熱慣性,導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果會(huì)往往滯后于流體溫度的變化,所以熱電偶測(cè)得的響應(yīng)溫度并不直接反映熱流質(zhì)的溫度,而是熱流介質(zhì)作用于偶絲結(jié)構(gòu)后的溫升值,響應(yīng)溫度反映了該區(qū)域高速熱流對(duì)偶絲結(jié)構(gòu)的熱作用強(qiáng)度,因而常用于衡量爆炸場(chǎng)不同位置的熱作用強(qiáng)度,其主要由熱流介質(zhì)溫度及其與被加熱熱電偶間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)兩方面因素決定。

熱電偶傳感器測(cè)得的1、5和10 kg的TNT響應(yīng)溫度—時(shí)間變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出,① 溫度-時(shí)間曲線呈單峰形,曲線剛開始陡峭上升,之后上升速率逐漸變小直至為零,曲線到達(dá)峰值開始下降,下降速率先增大后減小。而隨著爆心距的增加,曲線上升及下降速率逐漸減小,時(shí)程曲線變得相對(duì)平緩。這反應(yīng)了升溫速率與降溫速率的變化,升溫速率初始極高,可達(dá)12 000 ℃/s,之后逐漸降低,降溫速率則是先增大后減小,隨著爆心距增大,升溫速率和降溫速率總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。② 炸藥起爆后爆炸產(chǎn)物會(huì)和未反應(yīng)物質(zhì)的混合物迅速膨脹,同時(shí)混合物與空氣中的氧繼續(xù)反應(yīng),加快膨脹速度,溫度極快升高,這時(shí)升溫速率高,即曲線斜率大。隨著升溫速率與爆炸產(chǎn)物和熱電偶結(jié)溫度差成正比,熱電偶結(jié)被加熱的過(guò)程中溫差逐漸減小,升溫速率隨之減小,曲線斜率減小。③ 圖3(a)和(b)中,1 kg與5 kg TNT分別在1.5 m和2 m的曲線下降部分出現(xiàn)了溫度的波動(dòng)。出現(xiàn)這種波形的原因是隨著與空氣接觸面積增大,TNT裝藥爆轟產(chǎn)物中的未反應(yīng)還原性物質(zhì)與空器中的氧發(fā)生的二次燃燒反應(yīng)加劇,并持續(xù)釋放出大量熱量,使火球極限尺寸持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

圖3 響應(yīng)溫度-時(shí)間曲線Fig.3 Response temperature time curve

2.2 溫度作用效果

按Baker等人推導(dǎo)的火球最大直徑計(jì)算公式[12-13]:

(1)

式中:D為火球最大直徑;M為裝藥質(zhì)量;T為爆溫?？傻?、5和10 kg TNT的火球最大半徑分別為1.99、3.43和4.15 m。排除誤差,1 kg在2.5 m以外的測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于火球外,其他測(cè)點(diǎn)可視為都位于火球內(nèi)部。因此1 kg TNT在爆心距2.5 m之外的測(cè)點(diǎn)基本只受到高溫氣流影響,溫度峰值很低,已經(jīng)接近常溫,不考慮其作用效果。

圖3(b)中5 kg裝藥爆炸后1.5 m處響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間3.28 s,2.5 m處約為2.51 s,3.5 m處約為1.78 s;圖3(c)中10 kg裝藥爆炸后2.5 m處響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間2.08 s,3.5 m處約為1.41 s。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)1.5 m處1 kg與5 kg裝藥的響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間可達(dá)3.5 m處的1.8倍和3.2倍,這是因?yàn)楸Z產(chǎn)物中還原性物質(zhì)在膨脹過(guò)程中與空氣發(fā)生湍流混合和燃燒反應(yīng),隨著距離增大,爆轟產(chǎn)物中的還原性物質(zhì)逐漸被消耗,濃度越來(lái)越低;同時(shí)隨著爆炸產(chǎn)物的膨脹,爆炸產(chǎn)物內(nèi)的壓力、溫度迅速減小,當(dāng)產(chǎn)物溫度下降到一定程度,來(lái)不及發(fā)生燃燒反應(yīng)的剩余可燃物質(zhì)溫度會(huì)低于著火點(diǎn)從而熄火,因此離爆心越近,波形響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),越往外響應(yīng)時(shí)間的差距越來(lái)越小。

進(jìn)一步分析火球內(nèi)的響應(yīng)溫度作用時(shí)間,根據(jù)前面分析,不計(jì)1 kg TNT的測(cè)點(diǎn),表3給出了5 kg和10 kg TNT在爆心距2 m和3 m處測(cè)點(diǎn)不同溫度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間。

表3 不同溫度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間Table 3 Duration of different temperature intervals

由表3可知,5 kg和10 kg兩種質(zhì)量裝藥在2、2.5 、3、3.5 m處大于50 ℃區(qū)間的持續(xù)時(shí)間都比較接近,最大差距為4.8%,在大于100 ℃區(qū)間持續(xù)時(shí)間相差最大為7.9%,從大于200 ℃區(qū)間持續(xù)時(shí)間相差開始擴(kuò)大,最大差值可達(dá)16.0%,之后大于300 ℃和大于400 ℃的差值變大,達(dá)到了43.8%和59.1%,而且在2 m和2.5 m兩處響應(yīng)溫度在各個(gè)區(qū)間的持續(xù)時(shí)間基本相同,最大偏差不超過(guò)10%。而爆心距從2 m到3.5 m,5 kg各個(gè)溫度區(qū)間的變化率為75.4%、72.8%、75.1%、86.3%、100.0%、10 kg各個(gè)溫度區(qū)間變化率為74.3%、70.9%、73.6%、80.3%、100.0%,溫度持續(xù)時(shí)間的變化率都達(dá)到了70%以上,持續(xù)時(shí)間都有很大的衰減。

由圖4可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)爆心距R為2 m時(shí),5 kg和10 kg TNT的溫度持續(xù)時(shí)間基本相同,當(dāng)爆心距R為3.5 m時(shí),5 kg的TNT的持續(xù)時(shí)間明顯低于10 kg TNT裝藥的持續(xù)時(shí)間,因此,質(zhì)量對(duì)于響應(yīng)時(shí)間的影響隨爆心距的增加而增大,而質(zhì)量相同時(shí),離爆心越遠(yuǎn),溫度衰減速度越快,響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間越短,離爆心越近,溫度衰減速度越慢,響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4 響應(yīng)溫度區(qū)間-持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Response temperature interval-duration curve

綜上所述,離爆心越遠(yuǎn),爆炸火球內(nèi)響應(yīng)溫度作用持續(xù)時(shí)間越短,且能發(fā)現(xiàn)溫度區(qū)間取得越大,時(shí)間變化率越接近,而裝藥質(zhì)量的變化主要是影響溫度梯度的分布,對(duì)于溫度持續(xù)時(shí)間的影響較小,且爆心距越小,不受質(zhì)量變化影響的溫度區(qū)間越大,裝藥質(zhì)量變化的影響越小。

2.3 溫度峰值的影響因素分析

不同爆心距測(cè)點(diǎn)處的溫度峰值Tp如表4所示。

表4 不同爆心距的溫度峰值Table 4 Temperature peaks at different detonation distances

由表4可知,5 kg和10 kg的TNT裝藥爆炸在2 m處的溫度峰值由214.34 ℃和698.75 ℃分別下降到3.5 m處的33.63 ℃和396.66 ℃,降幅分別為84.31%和43.23%。

炸藥爆炸后,火球陣面向外急速膨脹,與外界冷空氣的交接面越來(lái)越大,火球內(nèi)高溫氣流與外界冷空氣的熱交換速率提高,溫度降低速度加快,而裝藥質(zhì)量相對(duì)更大的炸藥的火球移動(dòng)速度更快,火球外表面與空氣的接觸時(shí)間相對(duì)較短,熱交換損失的熱量更小,溫度降低速度相對(duì)較低。隨著爆心距的增加,爆炸熱溫度峰值總體呈下降趨勢(shì)。在相同爆心距下,裝藥質(zhì)量越大,各測(cè)點(diǎn)的溫度峰值越高。在相同的爆心距變化下,裝藥質(zhì)量更大的火球在移動(dòng)相同距離情況溫度峰值的降低的更少,如圖5所示。

圖5 響應(yīng)溫度峰值-爆心距關(guān)系曲線Fig.5 Response temperature peak-detonation center distance relationship curve

3 結(jié)論

為研究TNT爆炸溫度場(chǎng)在自由場(chǎng)的熱作用規(guī)律,開展了不同質(zhì)量TNT裝藥的空中爆炸實(shí)驗(yàn),獲取了不同爆心距下熱電偶的響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線,得到結(jié)論如下:

1) TNT空中爆炸后,熱電偶響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線呈單峰狀,曲線升溫速率逐漸降低,降溫速率先增后減,下降部分由于未反應(yīng)顆粒的二次反應(yīng)燃燒會(huì)使得波形出現(xiàn)波動(dòng),延長(zhǎng)響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間。1.5 m處5 kg裝藥的響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間可達(dá)3.5 m處的3.2倍。隨著爆心距的增大,曲線的升溫速率和降溫速率都會(huì)逐漸降低。

2) TNT在自由場(chǎng)中爆炸時(shí),爆心距會(huì)對(duì)溫度的持續(xù)時(shí)間會(huì)有很大的影響,隨著爆心距的增加,持續(xù)時(shí)間會(huì)逐漸降低。1.5 m處1 kg與5 kg裝藥的響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間可達(dá)3.5 m處的1.8倍和3.2倍,而質(zhì)量的變化后,不同溫度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間作用幾乎沒有發(fā)生變化,2種質(zhì)量TNT的不同溫度區(qū)間的持續(xù)時(shí)間最大差距不超過(guò)10%。

3) 空爆時(shí)TNT的質(zhì)量和爆心距對(duì)溫度峰值都有很大的影響。裝藥質(zhì)量與溫度峰值成正比,爆心距與溫度峰值成反比;相同傳播距離下,裝藥質(zhì)量越大,峰值下降的幅度越小,5 kg和10 kg的TNT裝藥爆炸場(chǎng)溫度由2 m到3.5 m下降幅度分別為84.31%和43.23%。