宋先钊1，江军1，安高军2，王永旭3，崔赛楠2，李斌1，解立峰1
（1.南京理工大学化工学院安全工程系，江苏南京210094；2.军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所，北京102300；3.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103）摘
要：为探索毁伤威力较优的新型云爆药剂液相组分，以聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚、正丁醇和仲丁醇为研究对象，以
传统典型燃料环氧丙烷为对照，采用压力测试系统、高速录像和红外热成像仪记录相关实验数据，研究了上述5种燃料在以18g （RDX ）为中心分散药及160g 梯恩梯（TNT ）为二次柱时的云爆特性。试验结果表明，聚甲氧基二甲醚的临界起爆能高于其他3种燃料。热辐射损伤半径大小关系为：环氧丙烷（18.9m ）＞仲丁醇（16.6m ）＞正丁醇（16.0m ）＞聚甲氧基二丁基醚（15.6m ）＞聚甲氧基二甲醚（12.0m ）。运用PROBIT 方程评估该5种燃料对人和建筑物的毁伤效果，结果表明，丁醇类燃料（正丁醇、仲丁醇）对人和建筑物的毁伤效果优于聚甲氧基醚类燃料（聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚），而环氧丙烷的毁伤效果最优。关键词：燃料空气；液态燃料；毁伤评估中图分类号：TJ55；O383 文献标志码：A
DOI ：10.11943/CJEM2020223
1引言
燃料空气［1］（fuel air explosive ，FAE ）是通过
爆炸抛撒的方式，将燃料分散到空气中，与空气形成爆炸性混合物，在一定条件下使得可燃云雾发生爆轰达到毁伤的目的。其具有爆轰体积大、正压作用时间长等特点，对隐蔽目标和软目标毁伤效果好，能够在较大范围内对人员造成伤害［2］ 。FAE 一般分为二次引爆型（DEFAE ）和一次引爆型（SEFAE ）两种类型［3］。
在过去的几十年里，国内外研究者通过实验和数值仿真的手段对其进行了广泛的研究。贵大勇等［4］研究了几种典型的云爆剂的威力，得到如下典型液态燃料综合威力性能排序：正己烷>1⁃戊烯>乙醚>甲基叔丁基醚>环氧丁烷>乙醇>环氧丙烷>丙酮>甲醇>2⁃硝
基丙烷>硝酸异丙酯>硝基甲烷。Apparao ［5］根据碳钢壳体破裂后的形态和环氧丙烷燃料液体分散时的形态，得出55g 的硝基胍为分散4.3kg 的环氧丙烷燃料的最佳中心装药质量。饶国宁等［6］对液固云爆药剂爆炸场参数和威力评价进行了实验研究，结果表明二次云爆药剂比一次云爆药剂具有更大的超压作用效果。此外，部分学者通过数值仿真的手段研究了燃料云雾爆炸抛撒特点。比如，贾承志
［7］通过数值模拟的方法对云爆燃料在爆炸抛撒过程中的窜火机理进行了研究，结果表明，对2kg 云爆装置来说，窜火一般发生于装置顶部0.01~0.25m 附近，窜火时间集中在燃料开始分散后1~5ms 。Bang ［8］等人通过实验和数值计算研究了黏性液体在爆炸力驱动下的Rayleigh⁃Taylor 不稳定性和液体环初始膨胀半径。陈婷婷［9］研究了固液混合态云爆剂的物理稳定性，结果表明，铝粉含量越低，混合药剂振动试验和数值仿真结果之间的误差越小。畅博［10］对二次引爆型云爆武器爆炸抛撒过程和毁伤作用进行了详细综述，提出还需增强对燃料的爆炸抛撒过程以及云雾爆轰能量与目标耦合的研究。综上所述，之前的研究主要集中在云爆燃料的爆炸抛撒成雾、爆炸场参数的测量以及液固云爆药剂，对于云爆药剂液相组分来说，仍然以环氧丙烷、硝酸异丙酯、石
文章编号：1006⁃9941（2021）05⁃0434⁃10
引用本文：宋先钊，江军，安高军，等.新型云爆剂液相组分配方设计及毁伤威力[J].含能材料,2021,29(5):434-443.
SONG Xian‑zhao,JIANG Jun,AN Gao‑jun,et al.Design of New Liquid Component of Fuel Air Explosive and Its Damage Power[J].Chinese Journal of Energetic Materials （Hanneng Cailiao ）,2021,29(5):434-443.
收稿日期：2020⁃08⁃17；修回日期：2020⁃10⁃14
基金项目：国家自然科学基金资助（11802136）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目资助（KYCX20_0250）；国家级大学生创新创业训练计划（202010288033Z ）
作者简介：宋先钊（1995-），男，博士研究生，主要从事多相爆轰方向的研究。e⁃mail ：**********************
通信联系人：李斌（1984-），男，副研究员，主要从事安全技术和多相爆轰方向的研究。e⁃mail ：***************
油醚等传统典型液态燃料为主，对于新型云爆药剂液相组分的研究较少。此外，传统典型液态燃料具有易燃性和强挥发性等特点，在生产、贮存、运输和使用过程中存在较大的危险性，若能到较稳定的新型液态燃料，将会效降低这种风险。
聚甲氧基二丁基醚［11］、聚甲氧基二甲醚［12］、正丁醇［13］和仲丁醇［14］通常作为汽油或柴油的添加剂，或者作为其替代燃料，此类燃料热值较高、清洁环保，并且能提高热效率和改善内燃机的燃烧性能等特点。然而，目前还没有将其运用于云爆武器的报道。为此，本研究以此类燃料为研究对象，以传统典型燃料环氧丙烷为对照，通过外场无约束云爆实验，得到压力场及温度场实验数据，并运用PROBIT方程评价此类燃料的
毁伤效果，最后从中挑选出毁伤效果较优的燃料。实验结果为新型云爆药剂液相组分的筛选提供参考。
2实验部分
2.1试验样品
试验选用由军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所提供的聚甲氧基二丁基醚（BTPOM n）、聚甲氧基二甲醚（DMM2）、正丁醇（1⁃butanol）和仲丁醇（2⁃butyl alcohol）四种燃料作为样品，与传统典型液态燃料环氧丙烷（PO）比较，其基本理化性质见表1［11］。表1数据表明，此类燃料热值介于29~36.07MJ∙kg-1，传统典型液态燃料环氧丙烷的热值为32.47MJ∙kg-1，而石油醚的热值为47MJ∙kg-1，该4种燃料热值较高。
2.2试验方法和装置
图1展示了容积为1L的圆柱形壳体的结构示意图。壳体和中心装药管内径分别为84mm和25mm，高度分别为200mm和134mm，均采用壁厚为3mm 的聚氯乙烯（PVC）材料。
图2所示为试验布置图。试验样品体积均为1L。中心分散药为18g RDX，二次柱为160g ，均由8#电引爆，点火延迟时间为40ms。云爆弹弹体与二次柱均距离地面1.25m， 且两者之间的水平距离为1.5m。定义弹体投影于地面的几何中心为爆心，6个地面超压传感器距离爆心的距离分别为1，2，3，4，5m和6m。压力数据采集系统、高速录像机（Fastcam Mini UX100，2000帧/s）和红外热成像仪（FOTRIC A615，30帧/s）用来记录实验过程并采集相应数据。
3结果与讨论
3.1燃料分散过程及云雾半径变化规律
高速录像记录的各燃料云雾分散最终状态及点爆实验过程如图3所示，燃料云雾形态较规整，为圆饼状，其中聚甲氧基二甲醚燃料云雾厚度最大。图4为
表1试验样品理化性质［11］
Table1Physical and chemical characteristics of the test samples［11］
fuel
PO BTPOM n DMM2
1⁃butanol
2⁃butyl alcohol density（20℃）/g∙cm-3
0.83
0.85
0.96
0.81
0.81
boiling point/℃
34.2
171-253
105
磁悬浮支架图片117
打棉机
99.5
flash point/℃
-37
67
30
35
24
calorific value/MJ∙kg-1
32.47
33.25
29
36.07
35.99
mass/g
800.0
836.4
964.4
784.7
787.2 a.
sketch b.photograph
图1云爆弹壳体示意图
Fig.1Diagram of the shell of fuel air explosive（FAE
）
图2试验布置图
Fig.2Schematic diagram of experimental setup
相同时刻下，各燃料云雾直径随时间变化曲线图，得到二次药柱起爆前云雾直径大小关系为：环氧丙
烷＞正丁醇＞仲丁醇＞聚甲氧基二甲醚＞聚甲氧基二丁基醚，且所有燃料的最终云雾直径在4m 左右，意味着压力测试点S1、S2位于云雾区内，S3、S4、S5、S6位于云雾区外。此外，由于云雾爆轰属于体积爆轰，故对于同种燃料来说，其云雾覆盖面积越大，对目标的毁伤作用越强。二次药柱起爆后，火焰迅速向前传播，引燃燃料液滴和空气组成的爆炸性混合物。从图3可以看出，除了聚甲氧基二甲醚燃料有较多燃料未被引燃外，其余燃料均形成较大火球，且在100~130ms 时，火球直径出现最大值。较其他三种燃料而言，由于燃烧波未
能在聚甲氧基二甲醚燃料云雾中稳定传播，说明聚甲
氧基二甲醚的临界起爆能高于其他燃料。
图4几种燃料云雾直径⁃时间变化关系
Fig.4Curves of diameter⁃time of the cloud with different
fuels
a.
PO
b.BTPOM
n
c.
DMM
2
d.
1⁃butanol
e.
2⁃butyl alcohol
图3几种燃料云雾分散及爆轰过程
Fig.3
Dispersion and detonation process of the cloud with different fuels
3.2超压及冲量变化规律
聚甲氧基二甲醚的典型压力⁃时间曲线如图5所
示。从图5可以看出，爆轰波具有多峰结构，且云雾区内较云雾区外该特点更为明显，这是由于云雾爆轰为非稳态爆轰过程，存在爆轰波的相互碰撞，加之在爆炸抛撒过程中，云雾的浓度分布并不完全均匀，常常表现为内部低、外部高，从而导致各燃料组分的反应速率不同。此外，爆轰产物的后燃反应会导致局部压缩波的形成［15］，这亦是形成多波峰结构的原因。云雾区外，爆轰波衰减为冲击波，压力波形显示波后压力单调衰减［16］。
5种燃料的峰值压力⁃距离散点图及冲量⁃距离散点图如图6所示。图6a 表明，爆轰波峰值压力在云雾区衰减缓慢，在云雾区边缘迅速衰减。5种燃料平均峰值压力大小关系为：环氧丙烷（91.8kPa ）＞聚甲氧基二甲醚（74.0kPa ）＞聚甲氧基二丁基醚（65.9kPa ）＞正丁醇（65.4kPa ）＞仲丁醇（62.8kPa ）。图6b 表明，5种燃料平均比冲量大小关系为：环氧丙烷（75.6kPa ∙s ）＞聚甲氧基二甲醚（52.9k
Pa ∙s ）＞聚甲氧基二丁基醚（42.4kPa ∙s ）＞仲丁醇（41.3kPa ∙s ）＞正丁醇（38.7kPa ∙s ）。
冲击波超压通常作为评价云雾爆轰对于人员的毁伤能力的重要指标，故本研究以r
ˉ=r /m 3
为横坐标，
峰值超压为纵坐标，
r 为测点与爆心的距离，m 为燃料质量，对5种燃料峰值超压数据用最小二乘法进行拟合，得到峰值超压随传播对比距离的变化规律：∆p (PO)=-6.7
+1317.8
2
-1157.5
3
（1）
∆p (BTPOM n )=-215.2
+1336.0
2
-
1006.4
3
（2）
∆p (DMM 2)=-232.0
+1523.8
2
-1162.6
3
（3）
∆p (1-butanol)=-244.2
+
1463.72
-1128.1
3
（4）
∆p (2-butyl alcohol)=
10.3
+
797.62
-704.6
3
（
5）
比冲量为压力在时间轴上的积分，反映了冲击波对目标的做功能力，是评价云雾爆轰毁伤能力的重要
图5聚甲氧基二甲醚的典型压力⁃时间曲线
Fig.5
Typical overpressure⁃time curves of DMM 2
a.
peak overpressure with different distances
b.
impulse with different distances
图6
5种燃料的峰值压力⁃距离散点图和冲量⁃距离散点图Fig.6
Plot of peak overpressure with different distances and
impulse with different distances
参数之一。同理，得到5种燃料比冲量随传播距离的变化规律如下：
i
+
(PO )=
366.7
-548.7
2
+343.4
3
（6）i +
(BTPOM n )=17.7
+352.2
2数字模型
-313.6
3
（7）i +
(DMM 2)=-0.7
+494.1
2
-404.2
3
（8）
i +(1-butanol)=29.2
+266.2
2
-241.8
3
（9）i +
(2-butyl alcohol)=180.9
-173.0
2
+63.8
3
（10）
稀土氧化物3.3燃爆速度
通过冲击波到达地面压力传感器的时间差和已知
的地面传感器距离二次起爆位置之间的距离，可以计算出冲击波的速度。图7为燃烧波传播示意图和各燃料的燃爆速度随地面传感器与二次起爆位置之间的距离变化曲线。显然，所测得冲击波传播速度显著低于
CJ 爆轰理论值（p CJ ≈2MPa ，D CJ ≈1.9km·s -1）［17］
，这是由
于圆饼状的云雾区未完全贴合地面，冲击波在空气中
由于发散作用而迅速衰减。结果表明，随着距离的增加，燃爆速度逐渐减小，在5~6m 时，环氧丙烷、聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚、正丁醇和仲丁醇的燃爆速度分别衰减了28.6%、21.6%、16.5%、19.6%和20.1%。环氧丙烷的云雾区燃爆速度最快，为518.0m·s -1；聚甲氧基二丁基醚次之，为498.7m·s -1；正丁醇传播速度最慢，为471.7m·s -1。而平均燃爆速度大小关系为：环氧丙烷（430.0m·s -1）＞聚甲氧基二甲醚（428.0m·s -1）＞聚甲氧基二丁基醚（423.6m·s -1）＞仲丁醇（411.7m·s -1）＞正丁醇（409.7m·s -1）。3.4
热辐射威力
tc轴承
图8为各燃料的典型红外热像图。图9为各燃料不同时刻下最大火球表面温度。表2为各燃料火球表面最高温度及高温持续时间，环氧丙烷的火球表面最高温度仅略高于聚甲氧基二甲醚，然而其500℃以上的高温持续时间显著大于另外4种燃料。正丁醇、仲丁醇的火球表面最高温度高于聚甲氧基二丁基醚、聚甲氧基二甲醚，这与燃料本身的净热值大小规律保持一致。环氧丙烷和聚甲氧基二甲醚的1000℃以上的高温持续时间为40ms ，另外3种燃料均为80ms 。正丁醇500℃以上的高温持续时间最长，达到711ms ，而聚甲氧基二甲醚500℃以上的高温持续时间最短，仅为113ms 。综合分析认为，正丁醇燃料的持续热毁伤效应最佳，而聚甲氧基二甲醚的持续热毁伤效应最差。聚甲氧基二甲醚的高温持续时间较短是由于燃烧波未能稳定传播，发生淬灭，该结果与前述云雾分散及爆轰过程的高速图像分析一致。
热通量准则、热剂量准则、热通量⁃热剂量准则、热通量⁃时间准则和热剂量⁃时间准则作为常见的热辐射破坏准则［18］。而热剂量准则更为常用，故本研究选用热剂量准则（Q 准则），根据Baker 等［19］提出的公式，热剂量（Q ，J·m -2）与爆心到测量点的距离（R ，m ）的关系如（11）式所示：
Q BGM 13θ2
3
=
D 2/R 2F +D 2
/R
2
（11）
其中，BG 为常数，其值为20400；M 为燃料质量，kg ；
θ为火焰温度，K ；D 为火球直径，m ；F 为常数，161.7。
Q 准则的伤害阈值如表3所示［20］。图10为各燃
料热剂量随距离分布图，其值由公式（9）计算。结合表3伤害阈值，可以发现，除了聚甲氧基二甲醚，
对于
abustion wave
propagation在线管理系统
b.
deflagration velocity vs.distance
图7燃烧波传播示意图与各燃料燃爆速度⁃距离变化曲线Fig.7
Schematic diagram of combustion wave propagation
and the curves of deflagration velocity vs.distance of five fuels
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