關鍵詞：燃料空氣炸藥；環(huán)氧丙烷；金屬粉；固-液混合燃料；毀傷性能；比色測溫

燃料空氣炸藥（又稱云爆彈，fuelairexplosive，F(xiàn)AE）裝填的是云爆劑，可在大空間范圍內形成可燃云霧，產生大體積爆轟，伴隨沖擊波、熱輻射和窒息等效應，其爆炸產生的沖擊波和高熱無孔不入，具有大面積破壞軍事目標的作用，特別適用于殺傷洞穴、地下工事、建筑物等封閉空間內的目標，近年來在軍事應用領域得到了廣泛的關注[1-3]。云爆燃料是低沸點、高熱值的液態(tài)燃料，如環(huán)氧丙烷、丙二烯、環(huán)氧乙烷、乙醚等碳氫類化合物，常用于制備云爆武器[4-5]，其中，環(huán)氧丙烷具有揮發(fā)性強、點火能低和可燃范圍廣等特點[6]，在云爆劑組分中應用最廣泛。Bai等[7]利用20L球形爆炸容器研究了液體燃料在低初始環(huán)境壓力和溫度下的爆炸特性，發(fā)現(xiàn)初始壓力和溫度對環(huán)氧丙烷/空氣混合燃料的影響最大。Zhang等[8]在5L圓柱形容器中研究了不同濃度環(huán)氧丙烷的燃爆特性，發(fā)現(xiàn)隨環(huán)氧丙烷濃度的增加，其與空氣混合物的爆炸壓力和壓力上升速率均呈先增大后減小的趨勢。然而，液體燃料體積密度相對較低，為了提高其燃爆性能及燃料能量釋放，向液體碳氫燃料中加入固體高能添加劑形成固-液混合燃料是目前研究的熱點。譚汝媚等[9]研究了鋁粉/環(huán)氧丙烷/空氣混合燃料的爆炸下限濃度，研究結果可用于評估其爆炸危險性。徐敏瀟等[10]將硼粉添加到燃料空氣炸藥中，發(fā)現(xiàn)隨著硼含量的增加，其燃爆特性參數(shù)值均先增大后減小。Wang等[11]為了提高FAE的能量，在乙醚/硝酸異丙酯混合液體燃料中加入鋁粉，發(fā)現(xiàn)該固-液混合燃料的沖擊波超壓得到顯著提高，說明高能金屬粉末可以有效地提高FAE的爆炸性能。

除沖擊波參數(shù)外，燃爆溫度和火焰結構特征同樣是衡量云爆武器毀傷性能的重要指標。在爆炸溫度場溫度分布測試方面，主要包含接觸式測溫和非接觸式測溫兩類[12]。在接觸式測溫方面，范彩玲[13]采用鎢錸熱電偶進行了“同心圓”排布定點測溫實驗，得到了溫壓彈爆炸火焰溫度場信息。Liu等[14]利用接觸式溫度傳感器測量了JP-10/空氣混合物的爆炸溫度，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加，爆炸溫度呈先升高后降低的趨勢。然而，接觸式測溫在測量溫度時傳感器需要與被測物體接觸，這不僅影響溫度場的分布，而且其響應速度不能滿足瞬態(tài)高溫測量要求[15]。與接觸式測溫相比，非接觸式測溫能夠檢測火焰的表面溫度，測溫范圍寬、響應速度快，適合云爆武器彈藥等爆炸瞬態(tài)高溫測量[3]。Wang等[11]采用紅外熱成像儀捕捉并計算了燃料在擴散過程中的火球表面溫度，發(fā)現(xiàn)添加鋁粉和硼粉能夠顯著提高其燃爆溫度。然而，采用紅外熱成像儀等非接觸式測溫方式，其響應速度和測溫精度容易受被測物發(fā)射率和環(huán)境輻射等因素的影響[16]。近年來，本課題組利用比色測溫方法，在炸藥、氣體和粉塵爆炸溫度測試方面開展了大量的研究工作[17-21]，該方法響應速度快、測量精度高、抗干擾能力強，具有傳統(tǒng)非接觸式測溫方法無可比擬的優(yōu)勢，為云爆武器熱毀傷效能評估提供了技術保障。

本文中通過20L球形液體爆炸罐的分散系統(tǒng)模擬燃料云霧，結合PCB傳感器、高速相機、自編Python程序，測試添加高能金屬（Al、Ti、Mg）粉末固-液混合燃料的沖擊波效應和熱毀傷性能，并與基體燃料環(huán)氧丙烷進行對比，研究結果可為FAE的配方設計和毀傷性能鑒定提供技術和理論指導。

1實驗裝置及方法

1.1實驗材料

環(huán)氧丙烷（epoxypropane，PO）純度為99.99%；商業(yè)級鋁粉、鈦粉和鎂粉的中位粒徑D50分別為28.055、30.476和27.651μm，其粒度分布和微觀結構表征如圖1所示；空氣（20.98%O2+79.02%N2）的純度為99.99%。

1.2實驗裝置

實驗所用的20L球形液體爆炸測試系統(tǒng)主要由球形液體爆炸罐、燃料分散系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中，液體爆炸罐罐體體積為20L，帶有2個直徑為14cm的透明玻璃觀察窗，用于高速相機捕捉燃料云霧燃爆火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)；燃料分散系統(tǒng)由高壓氣瓶、2個1.5L儲氣罐及2個壓力表、2個電磁閥、2個70mL燃料儲罐（A、B罐）和2個半球形分散傘組成，可將燃料均勻分散在罐體內部；點火系統(tǒng)由一個電火花發(fā)生器（點火能量60J/s）和2個鎢電極針（電極間距為1.5mm）組成，用于燃料云霧的點火；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速相機、示波器和傳感器組成，通過高速相機捕捉燃料燃爆火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)，拍攝幀率為2000s?1，傳感器用于采集燃料爆炸壓力并通過示波器記錄壓力信號，采樣頻率為1×105s?1；另外，該系統(tǒng)包含一個可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller，PLC），用于控制燃料分散時間、點火延遲時間以及點火時間。實驗開始前，先將云爆燃料放置在2個燃料儲罐中，并在2個儲氣罐中充入0.8MPa的空氣，用于噴灑燃料，電磁閥開啟時間設置為50ms（即燃料噴灑時間為50ms），保證能夠將燃料充分噴灑入罐體內部；在爆炸罐中心設置點火電極，采用高壓脈沖點火方式，點火延遲時間設置為130ms（即燃料噴灑后，在罐體內部靜置的時間為130ms），保證燃料在罐體內部達到穩(wěn)定均勻分散，電極針點火時間設置為1.5s（即點火能量為90J）[22]。實驗在室溫（25℃）環(huán)境下進行，20L液體爆炸罐內初始壓力為101.5kPa，同一工況至少重復3次實驗。

1.3比色測溫系統(tǒng)標定

FAE的燃爆火焰溫度是研究其熱毀傷效應的重要指標，能夠反映其熱毀傷性能和能量釋放規(guī)律[20]。因此，采用基于黑體輻射理論的比色測溫方法對燃爆火焰進行溫度場重構。首先，需要對比色測溫程序進行溫度標定，標定系統(tǒng)如圖3（a）所示，該系統(tǒng)由20L液體爆炸罐、可調節(jié)電流的電源、鎢絲燈、電流表、電壓表、高速相機和Python標定程序代碼組成。實驗選用鎢絲燈在1000～3000K范圍內對該測溫系統(tǒng)的測試精度進行標定，這主要是由于鎢的熔點高達3695K[23]，實驗時改變電源的電流，記錄電流表及電壓表的相關數(shù)值，計算其電阻，并通過高速相機拍攝此時鎢絲燈的圖片，采用Python程序將高速相機捕捉到的8bit灰度圖像通過插值算法處理，計算得到每個像素點對應的R/G值。最后將鎢絲燈的實際溫度值T與計算得出的R/G值進行擬合（圖3（b）），從圖中可以看出，該系統(tǒng)擬合效果極佳，相關系數(shù)R2=0.99698，具體映射函數(shù)關系式為[20]：

式中：T為溫度，K；R、G分別為像素點紅色和綠色的分量值。

2結果與討論

2.1純環(huán)氧丙烷液體燃料的燃爆特性

首先采用20L球形液體爆炸測試系統(tǒng)，對不同濃度的純環(huán)氧丙烷進行燃爆性能測試實驗，其質量濃度分別為116、282、448、614、780、946和1112g/m3（考慮避免損耗），對應的最大爆炸超壓及壓力上升速率如表1和圖4所示。

從圖4可以看出，隨著環(huán)氧丙烷質量濃度的增大，其最大燃爆超壓和最大壓力上升速率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并都在質量濃度為780g/m3時達到最大，最大值分別為Δpmax=0.799MPa，（dp/dt）max=52.438MPa/s。當環(huán)氧丙烷質量濃度低于780g/m3時，液體爆炸容器內氧氣含量相對充足，環(huán)氧丙烷液體燃料能夠反應完全，其燃爆反應釋放的熱量隨著質量濃度的增大而增大，從而使得最大燃爆超壓逐漸上升；同時，由于質量濃度增大導致燃料液滴間的傳熱距離減小，液滴分子之間的燃燒速率增大，使得最大壓力上升速率也隨之升高。然而，當環(huán)氧丙烷質量濃度高于780g/m3時，罐體內部燃料液滴過多，液滴之間的距離縮短導致相互間的碰撞概率增加，由于液滴的表面張力作用以及液滴與液滴之間的聚集效應，極易匯聚成大液滴，導致部分燃料液滴無法參與燃燒反應或燃燒不充分，且未燃液滴會吸收爆炸容器內燃料燃燒時釋放出來的熱量，造成最大燃爆超壓和最大壓力上升速率均減小。

2.2典型金屬粉末對環(huán)氧丙烷沖擊波效應的影響

為了研究典型金屬粉末對環(huán)氧丙烷沖擊波效應的影響，采用20L球形液體爆炸測試系統(tǒng)，研究了添加不同種類及質量比金屬粉末的環(huán)氧丙烷燃爆過程。由2.1節(jié)可以看出，純環(huán)氧丙烷在質量濃度為780g/m3時達到最大燃爆壓力Δpmax=0.799MPa，因此，實驗選用該質量濃度下的環(huán)氧丙烷作為基體燃料，并將不同質量比（I）的金屬（Al、Ti、Mg）粉末與其混合均勻，然后測量該固-液混合燃料的沖擊波特性。I的計算公式如下：

式中：mmp為典型金屬粉末的質量，mPO為環(huán)氧丙烷的質量。

實驗用固-液混合燃料的配方如表2所示。量取2份等量的環(huán)氧丙烷（10mL）分別注入2個燒杯中，并稱取2份等量金屬粉末與其混合均勻，隨后將2個燒杯中的固-液混合燃料分別倒入20L球形液體爆炸測試系統(tǒng)的2個儲液罐（A和B）中。

密閉空間中可燃云霧的爆炸特性可以用相關的壓力和時間參數(shù)來解釋[20]。圖5為混合燃料燃爆壓力及壓力上升速率時程曲線，從圖中可以看出，在壓力上升最初階段有一個“波動”，對應的時間段與電磁閥開啟的時間段吻合，說明該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是由于固-液燃料噴灑過程中高壓氣體作用導致的；隨后，燃爆壓力開始上升前壓力曲線有一平臺區(qū)，該平臺對應的時間段與本實驗的點火延遲時間一致，因此，將壓力開始上升的時刻確定為點火時刻（t=t0）。根據(jù)固-液混合燃料燃爆反應過程中的熱力學、動力學等相關性質，可以將其燃爆反應分為3個階段：燃爆壓力上升區(qū)、峰值區(qū)和衰減區(qū)[24]。計算過程中，最大燃爆超壓（Δpmax）值取曲線峰值壓力與點火時刻壓力的差值，壓升時間（Δt）取最大燃爆壓力對應的時刻ti與t0的時間間隔[25-26]。

圖6為添加3種不同金屬粉末固-液混合燃料的燃爆壓力曲線、最大燃爆超壓及最大壓力上升速率，可以看出，3種固-液混合燃料（Al/PO、Ti/PO、Mg/PO）的最大燃爆超壓和最大壓力上升速率均隨金屬粉末質量比的增加而增大，并且均高于純環(huán)氧丙烷燃料的最大爆炸超壓及最大壓力上升速率（圖4），這是由于金屬粉末加入液體燃料后增大了燃料的體積密度，這不僅提高了固-液混合燃料分子間的碰撞概率，而且還提高了固-液混合燃料系統(tǒng)的內能，使得其燃爆超壓上升。同時，結合圖7（a）中3種典型金屬粉末添加劑的固-液混合燃料的燃爆超壓柱狀圖可以看出，添加不同金屬粉末的固-液混合燃料燃爆壓力從大到小依次為：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，這是因為，金屬粉末的質量熱從大到小依次為Al、Mg、Ti（分別為31.3、24.8和20.0MJ/kg）[27]，金屬粉末的加入會提高固-液混合燃料的爆熱，受限空間內系統(tǒng)的爆熱越高，氣體往外膨脹做功趨勢越大，從而在燃爆壓力值上表現(xiàn)得越明顯[25]。

圖7（b）～（c）分別為添加3種典型金屬粉末的固-液混合燃料的燃爆壓力上升速率和壓升時間變化柱狀圖。從圖中可以看出，隨著Al粉、Ti粉和Mg粉質量比的增大，固-液混合燃料的壓力上升速率呈現(xiàn)增大的趨勢，壓升時間的變化趨勢與之相反。不同質量比的固-液混合燃料會呈現(xiàn)出4種主要形態(tài)，如圖8所示，當金屬粉末的質量比I=10%時，固-液混合燃料處于過飽和流體狀態(tài)，金屬粉末完全包裹在液體燃料中并隨著過飽和懸浮液流動，該質量比下，包裹在金屬粉末外部的液體燃料先發(fā)生燃爆反應。當I=10%時，3種固-液混合燃料的（dp/dt）max值近似相等，說明此質量比下金屬粉對（dp/dt）max的影響較?。ㄒ妶D7（b））。當I=20%時，液體燃料與固體顆粒緊密結合，但固-液混合燃料仍保持流體形態(tài)，3種固-液混合燃料的燃爆壓力上升速率較I=10%時增加，且不同金屬粉對（dp/dt）max的影響開始表現(xiàn)出差異（見圖7（b））。當I=30%時，固-液混合燃料的狀態(tài)不再是流體，顆粒與顆粒之間直接伴隨有液體燃料的液橋力作用，使得金屬顆粒凝聚在一起，形成包裹液體燃料的絮狀團簇，不同金屬粉對（dp/dt）max的影響差異開始加大（見圖7（b））。隨著固-液混合燃料中金屬粉質量比增大到I=40%，部分金屬粉末無法被潤濕且聚集現(xiàn)象加劇[22]，直接影響固-液混合燃料的分散特性和燃爆特性[25]，不同金屬粉對（dp/dt）max的影響差異減?。ㄒ妶D7（b）），此時Al/PO、Ti/PO、Mg/PO固-液混合燃料的（dp/dt）max值相較于純環(huán)氧丙烷分別增大了41.91%、39.60%和45.29%。當I≥20%時，與爆炸超壓變化規(guī)律不同，3種固-液混合燃料的壓力上升速率從大到小依次為：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO，這主要是由于金屬粉燃點的從大到小依次為：Ti粉、Al粉、Mg粉，燃點越低，金屬粉越容易被點燃[28]；此外，Al粉、Ti粉和Mg粉的密度分別為2.70、4.51和1.74g/cm3，在相同的質量比下，金屬粉的密度越小，顆粒數(shù)越多，從而使系統(tǒng)中金屬顆粒間的間隙越小、傳熱速率加快[25]，使得最大壓力上升速率出現(xiàn)上述變化規(guī)律。

2.3典型金屬粉末對環(huán)氧丙烷熱毀傷性能的影響

實驗將電極開始點火時刻記為零時刻，高速相機拍攝幀率為2000s?1，相鄰圖像的時間間隔為0.5ms。圖9為質量比I=20%的Al/PO固-液混合燃料燃爆火焰?zhèn)鞑ミ^程圖像，從圖中可以看出，t=0～15ms時，混合燃料被點火電極引燃后，以點火電極為中心，燃燒火焰以近似球形緩慢向四周逐步擴散，直至鋪滿整個燃燒罐。t=15～32ms時，混合燃料燃爆火焰由黃色轉變?yōu)辄S綠色，同時伴隨著火焰向罐體中心傳播，這是由于在0～15ms時間段內，環(huán)氧丙烷被蒸發(fā)燃燒。15～32ms時，金屬粉末表面包裹著的環(huán)氧丙烷液體燃料燃燒反應完全，使得鋁粉顆粒完全暴露在球形罐體內部，此時燃燒釋放的熱量以熱傳導和火焰熱輻射的方式傳遞給未燃燒的懸浮鋁顆粒，傳播到外部的火焰迅速向內部收縮。t=32ms時金屬粉末完全燃燒形成亮白色爆轟火焰。t=32ms之后，隨著燃燒反應的進行，火焰亮度逐漸變暗，并且由于固-液混合燃料沉降的原因，可以清楚地觀察到罐體下部伴有零星狀火焰直至熄滅。因此，固-液混合燃料的燃爆過程大致可以分為3個階段：環(huán)氧丙烷蒸汽燃燒階段、固-液燃料混合燃燒階段和燃燼階段。

圖10選取了4種不同質量比的固-液混合燃料在t=15ms時的火焰圖像，隨著金屬粉質量比I的增大，固-液混合燃料的燃燒機制從液體燃料燃燒反應主導依次向固-液燃料燃燒反應主導和固體燃料燃燒反應主導轉變[22]。從圖10中Al/PO混合燃料火焰可以看出，隨著Al粉質量比I的增大，其火焰顏色也依次從暗黃色轉變?yōu)榱咙S色和黃綠色，其他兩種固-液混合燃料火焰顏色也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。此外，從圖10中還可以看出，添加不同金屬粉的固-液混合燃料燃燒機制轉變速率從大到小依次為：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO，導致該現(xiàn)象的原因與2.2節(jié)中壓力上升速率變化規(guī)律的影響因素一致，均是由于金屬粉顆粒的體積密度（質量比I相同時，低密度金屬粉顆粒數(shù)量多）和燃點（低燃點金屬粉塵更容易點火）不同導致的。

實驗采用基于黑體輻射理論的比色測溫方法，結合Python程序處理高速相機拍攝得到的火焰?zhèn)鞑D像，研究了3種固-液混合燃料在不同質量比I和不同時刻的溫度分布特征。圖11和圖12分別是Al/PO固-液混合燃料在質量比I=20%時的燃爆火焰溫度場分布圖和不同質量比I時的燃爆火焰平均溫度時程曲線。從圖中可以看出，在t=0～15ms時，混合燃料燃爆火焰溫度分布圖中含有部分噪點，這主要是因為該階段受到點火電極的影響以及燃燒火焰亮度不夠（圖10），使得比色測溫方法捕捉像素點時存在一定誤差；在t=15～32ms時，火焰溫度驟升，并在該時間段內燃料燃燒火焰最亮，溫度達到最高，此時固-液混合燃料燃燒機制由固-液混合燃料燃燒反應主導，燃燒反應最充分，釋放的熱量最大；t=32ms之后，由于熱量的損失高于燃料燃燒釋放的熱量，火焰溫度逐漸下降，然而，由于固體顆粒的沉降作用，使得其燃燒火焰在下部呈現(xiàn)零星狀，導致罐體下部燃燒火焰溫度偏高，因而平均溫度在燃燒后期出現(xiàn)微小的上下波動情況。

圖13為3種固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均溫度變化曲線，從圖中可以看出，3種固-液混合燃料的燃爆平均溫度均隨著質量比I的增大而升高。這主要是由于金屬粉末作為固體高能添加劑釋放了大量的熱量，從而促進了環(huán)氧丙烷云霧的燃爆[29]，使得固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均溫度升高。I=10%時，Al/PO和Ti/PO混合燃料燃爆火焰的最大平均溫度為1920和1918K，Mg/PO混合燃料燃爆火焰的最大平均溫度為1930K，均低于純環(huán)氧丙烷燃燒火焰的最大平均溫度（純環(huán)氧丙烷在質量濃度為780g/m3時，燃爆最大平均溫度為1937K），這是因為，該質量比時，液體燃料基本完全覆蓋住金屬粉末，燃爆過程需要將表面的環(huán)氧丙燃燒完全后，火焰才能傳遞到金屬粉表面，而包覆在液體燃料內的金屬粉（無氧環(huán)境）在燃燒前還會吸收熱量，從而導致I=10%時的固-液混合燃料溫度低于純環(huán)氧丙烷。當質量比I≥20%時，液體燃料無法完全包覆金屬粉末，且金屬粉末與空氣燃燒反應釋放出來的熱量大大高于純環(huán)氧丙烷，此時固-液混合燃料的燃爆火焰最大平均溫度與金屬粉的燃燒熱密切相關，如圖13所示，相同金屬粉質量比I下，固-液混合燃料燃爆火焰的最大平均溫度從大到小依次為：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，與固-液混合燃料爆炸超壓的變化趨勢一致。

3結論

（1）純環(huán)氧丙烷的最佳質量濃度為780g/m3，此時最大燃爆超壓和最大壓力上升速率分別為Δpmax=0.799MPa，（dp/dt）max=52.438MPa/s。添加相同質量比金屬粉末（Al、Ti、Mg）的固-液混合燃料的最大燃爆超壓從大到小依次為：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，最大壓力上升速率從大到小依次為：Mg/PO、Al/PO、Ti/PO。

（2）當質量比I=40%時，添加金屬粉末（Al、Ti、Mg）固-液混合燃料的Δpmax值相較于純環(huán)氧丙烷分別增加了12.00%、8.41%和11.54%，（dp/dt）max值分別增加了41.91%、39.60%和45.29%，金屬粉末的種類對固-液混合燃料的最大燃爆超壓和最大壓力上升速率影響效果不同。

（3）Al/PO、Ti/PO、Mg/PO固-液混合燃料的燃爆火焰最大平均溫度均隨金屬粉質量比（I）的增大呈不斷升高的趨勢，當金屬粉質量比I≥20%時，固-液混合燃料在相同I下的燃爆火焰最大平均溫度從大到小依次為：Al/PO、Mg/PO、Ti/PO，與固-液混合燃料燃爆超壓的變化趨勢一致。