关于炸药爆炸性能与战斗部威力相关性的思考

王新颖

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳 110168）

【摘　要】炸药是常规武器爆炸产生破坏与杀伤作用的能源，爆轰能力由其爆轰参数表征，而能量则通过爆轰形成爆轰产物所携带，继而对应各种不同战斗部形式转换为各种毁伤元能量毁伤目标。通过炸药驱动典型目标（金属、空气和水）的分析，建立起这些炸药性能参数和战斗部毁伤元威力参数的因果联系，为炸药研制、合理匹配以及针对性的应用和战斗部威力评定提供理论支撑。

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关键词 炸药；爆炸性能；毁伤元；战斗部威力

作者简介：王新颖（1980—），女，吉林人，讲师，研究方向为武器毁伤与评估。

０　引言

炸药是常规武器爆炸产生破坏与杀伤作用的能源，是武器装备实现高效毁伤的基础，也是决定武器系统威力的关键因素。从公元10世纪发明的黑火药和19世纪末沿用至今装填弹药的TNT炸药，到二次大战中受到各国普遍重视的RDX和HMX，再到1987年以来以CL-20为代表的高能量密度化合物，炸药技术的所有领域都产生了巨大的进步[1]。高能炸药爆炸后，快速发生化学反应，瞬间释放巨大能量，以高温高压的爆轰产物为载体，通过爆轰产物的膨胀转化为毁伤元能量，由毁伤元对目标进行毁伤。

目前，与炸药能量释放有关性能参数包括：TNT当量、爆热、爆速、爆压、爆容、爆温，迄今为止，尚不能真正建立起这些炸药性能参数和战斗部毁伤元威力参数的因果联系，其中的主要难点在于炸药所携带能量与毁伤元能量之间的转换细节认识不清，以及这种能量转化受环境和介质的影响较大等因素。但是，这个问题不能有所解决，直接影响到对高能量水平或高TNT当量炸药应用于战斗部后的效果评定，也极大地限制了炸药研制、合理匹配以及针对性的应用。

1　炸药能量转换

从准静态膨胀[2]的角度考虑，炸药爆炸释放出的能量以爆轰产物为载体，所携带的能量包括高温所对应的内能、高压所对应的位能以及高速所对应的动能三部分，在其膨胀过程中，其组成比例在不断变化，同时以热辐射或热传导、产物驱动做功等方式部分地传递给与其接触的环境和介质，由此导致的环境和介质的高强度、剧烈突变的力学效应，是炸药应用于武器并成为毁伤能源的物理基础。

炸药爆轰在微秒级时间内释放巨大能量，爆轰产物驱动周围介质产生破坏作用。长期大量的理论和试验研究表明，炸药的能量与利用是一个相当复杂的问题。炸药的爆炸产物所完成的有效爆炸功，不仅与炸药本身的爆轰参数有关，而且与炸药爆炸时的具体条件、周围介质的性质等等有关，决定于它们之间相互耦合的具体情况。以炸药为毁伤能源的常规毁伤效应，广义上讲是爆轰产物能量转换为毁伤元能量毁伤目标的过程；狭义上针对不同的目标介质，其炸药能量释放速率、输出结构等差异决定了炸药应用于战斗部后威力特征不同，针对驱动典型目标（金属、空气和水）有以下认识。

1.1　炸药驱动金属能量转换

常规战斗部通常由炸药和壳体组成，炸药爆轰形成爆轰产物驱动金属加速运动，主要用于破片杀伤战斗部和聚能战斗部（射流/EFP）。驱动金属壳体形成破片或射流，依靠其动能毁伤目标，通常情况将其表征为初速v0，它是衡量战斗部威力的主要指标之一，也是在常规武器中炸药驱动金属能力的重要指标，所以如何将炸药爆轰时释放出的能量最有效的转化为金属的动能，是武器设计者们一直关心的一个重要问题。

广泛适用性的计算破片初速的方法为Gurney[3]等人提出的格尼公式，假定爆轰前炸药装药的化学能直接转化为爆轰后的金属动能和爆轰产物的膨胀，这种能量称为格尼能E，虽然格尼能在某种程度上反应了炸药对物体的驱动能力，但从各经验公式上可以看出，格尼能均单一从炸药的爆轰参数考虑，并没有考虑膨胀过程中爆轰产物膨胀规律的影响，也没有考虑驱动的金属对膨胀过程的影响，不同的膨胀过程对金属做功的驱动能力是不同的。

炸药驱动金属能量的根本还是来自于本身的爆炸性能，其爆轰参数与战斗部威力有着直接的关系。爆轰驱动过程的本质是能量转换，理想炸药瞬时定容爆轰，释放出的化学能以爆轰产物为载体，通过爆轰产物的膨胀，不断转化为爆轰产物的能量和驱动金属的能量，用于驱动金属的能量只占炸药释放总能量的一部分，甚至是一小部分，故计算破片初速既和炸药的性质(爆轰参数)有关，又和爆轰产物膨胀过程(状态方程)有关，也与金属壳体性质(材料参数和结构参数)有关，如图1所示。

1.2　炸药驱动空气能量转换

炸药爆炸形成爆轰产物在空气中膨胀时，压缩空气形成冲击波，冲击波能、滞后流场动能以及近场的爆轰产物动能均可成为毁伤能量。炸药爆轰参数决定产物膨胀的初始值，产物状态方程与膨胀规律决定爆炸空气冲击波的结构，爆热决定冲击波的能流密度，从而影响到峰值超压的衰减规律；爆轰产物二次反应能量可提高初始冲击波压力，并增大正压区作用时间（脉宽）和比冲量。

冲击波是炸药在空气中爆炸时对周围物体破坏的主要形式，并且在很大范围内对建筑物和人员都有损伤作用[4]。从爆炸安全的角度考虑，科学的确定爆炸冲击波的毁伤准则，是制定爆炸安全距离和进行安全防护设计计算的重要依据。冲击波对人员、建筑物等目标的破坏作用是一个极其复杂的过程，不仅与作用在目标上的冲击波波阵面上的压力、冲量、作用时间有关，而且与目标的形状、自身的强度等因素密切相关。目前常见的冲击波破坏、伤害准则有超压准则、冲量准则、超压-冲量准则等[5]。目前常用的确定空中爆炸冲击波参数的方法多为经验公式或试验获取，在从炸药本身爆轰参数出发，从能量转换角度考虑问题较少，牛余雷等[6]根据爆炸相似理论，研究了炸药爆轰参数与空中爆炸冲击波超压之间的关系，给出炸药空中爆炸冲击波超压与爆热、爆容和爆速乘积TNT当量的1/3次方满足线性关系，表明炸药的爆热、爆速和爆容对空中爆炸冲击波超压的影响相同。这方面问题的研究关系到炸药在空气中爆炸的毁伤能力，基于能量守恒，探讨炸药的能量释放和空气冲击波能量转换效应问题是解决空气冲击波毁伤的基础。

1.3　炸药驱动水的能量转换

爆轰产物在水介质中膨胀，基本动力学过程体现为冲击波辐射和气泡脉动，冲击波能和气泡能便为爆炸能量转换的基本形式，也是对目标产生破坏效应的基本能量，后续压力波能、振荡冲击水流和水射流动能以及近场的爆轰产物动能也可成为毁伤能量[7]。美国NSWC收集了175次水中爆炸试验的数据，对于气泡能和冲击波能量的关系进行了详细研究，建立了冲击波能量和气泡能量的估算公式，研究了水中兵器战斗部壳体对水中爆炸冲击波和气泡的影响。通常情况下，在水中爆炸冲击波过后，炸药爆轰产物形成的气泡含有炸药爆炸总能量约47%的能量，在周围水介质的作用下膨胀和压缩，产生滞后流和脉动压力[8]。

从炸药本身出发，一些学者也做了一定的研究，俞统昌等[9]研究了水下爆炸冲击波性能和炸药的爆速、爆压的关系及几种炸药的冲击波超压峰值与药量及距离的关系，提供了几种炸药的水中冲击波能的测试结果。梁龙河，张阿漫等人[10-12]应用一维不可压缩流体的动力学理论，考虑到爆轰产物的等熵膨胀，建立了水中爆炸气泡脉动流场的基本方程，采用四阶龙格-库塔法计算了几种类型炸药的气泡脉动半径及周期，计算结果与实测数据相吻合。水中爆炸冲击波与炸药爆炸性能的相关性与爆炸空气冲击波类似；气泡脉动特性决定于爆轰产物状态方程与膨胀规律，非理想炸药和产物二次反应能量释放是发挥脉动气泡作用的关键，由此产生的二次压力波、水射流、振荡冲击水流等对毁伤目标极具意义，提高气泡能、控制脉动周期等方面研究具有十分重要的应用价值。

2　结论

综上，炸药的爆轰参数和爆轰产物状态方程决定炸药的爆炸性能，爆轰产物膨胀规律和战斗部设计分别构成炸药爆炸性能与战斗部威力性能的内因和外因。炸药需从提高绝对能量水平和调整产物膨胀规律（二次反应与状态方程）两方面入手；战斗部的关键在于设法提高能量转换效率以及针对目标毁伤和使用环境的设计，实现炸药与目标的最优化选择。

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参考文献

［１］王晓峰.军用混合炸药的发展趋势[J].火炸药学报,2011.34(4):1-4.

［２］孙锦山,朱建士.理论爆轰物理[M].北京:国防工业出版社,1995,07.

［３］R. W. Gurney. The Initial Velocities of Fragments from Bombs, Shells, and Grenades[Z] Army Ballistic Research Laboratory, Report BRL 405, 1943, Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA.

［４］张守中.爆炸与冲击动力学[M].北京:兵器工业出版社,1993.4.

［５］王芳,冯顺山,俞为民.“超压-冲量”毁伤准则及其等毁伤曲线研究[J].弹箭与制导学报,2003,23(2):126-130.

［６］牛余雷,冯晓军,李媛媛等.炸药爆轰参数与空中爆炸冲击波超压的关系[J].火炸药学报,2013,36(4):42-45.

［７］周霖,徐少辉,徐更光.炸药水下爆炸能量输出特性研究[J].兵工学报,2006,27(2):235-238.

［８］Cole R H. Underwater Explosions [M]. New Jersey: Princeton University Press, 1948.

［９］俞统昌,王晓峰,王建灵.炸药的水下爆炸冲击波性能[J].含能材料.2003,111(4):182-186.

［１０］梁龙河,曹菊珍,王元书.水中爆炸特性的一维球对称数值研究[J].高压物理学报,2002(3):199-203.

［１１］李玉民,倪芝芳.水中爆炸气泡脉动流场的数值计算[J].爆炸与冲击,1996,16(4):377-381.

［１２］张阿漫,姚熊亮.水下爆炸气泡与复杂弹塑性结构的相互作用研究[J].应用数学和力学,2008,29(1):81-92.

［责任编辑：邓丽丽］