2024年5月26日发(作者：杨金枝)
第
41
卷增刊
2
2
0
2
0
年
6
月
兵
工
学
报
ACTA
ARMAMENTARII
Vol. 41
Suppl.
2
Jun.
2020
典型单组元液体推进剂爆炸特性
及爆炸冲击波传播规律
崔宁
▽
,
杜忠
3
,
刘英
1
,
李文海
1
,
徐森
4
,
刘彦
2
,
5
,
李聪
1
（1.
中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院
，
北京
100053
；
2.
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室
，
北京
100081
；
3.
西安航天神舟建筑设计院有限公司
，
陕西西安
710005
；
4.
南京理工大学化工学院
，
江苏南京
210094
；
5.
北京理工大学重庆创新中心
，
重庆
401120
）
摘要
：
为研究目前火箭发动机中广泛使用的两种典型单组元液体推进剂的爆炸危险性
，
开展
单推
-3
（
DT-3
）
及无水肼爆炸效应的实验研究和理论分析
。
实验在获取
DT-3
及无水肼冲击波感度
数据的基础上设计了样品的起爆方式
，
并在到爆心不同距离的点上测量了冲击波压力曲线
，
分别得
到
5
L
、
10
L
推进剂样品在不同位置处的峰值压力和衰减规律
。
结合单组元液体推进剂自身特点和
量纲分析法对其爆炸冲击波的传播规律进行初步探讨
，
并对
5
L
和
10
L
小药量的
DT-3
和无水肼开
展爆炸冲击波当量评估研究
。
结果表明
：
在二次拋洒爆炸条件下
，
单组元液体推进剂的爆炸冲击波
超压在传播过程中出现明显的双峰结构
；
以冲击波梯恩梯
（
TNT
）
当量作为爆炸效应威力的评估指
标时
，
随着距离的增大
，
两种液体推进剂样品的超压
TNT
当量单调减小
；
冲击波超压在近区并不严
格符合爆炸相似律
，
在评估其爆炸冲击波当量时需引入等效反应质量等概念进行修正
。
关键词
：
单组元液体推进剂
；
爆炸特性
；
爆炸冲击波
；
传播规律
；
冲击波
TNT
当量
中图分类号
：
O382
+
.
1
；
V511
+
.3
文献标志码
：
A
文章编号
：
1000-1093
（
2020
）
S2-0026-09
DOI
：
10.
3969/j.
issn.
1000-1093.
2020.
S2.
003
Explosion
Characteristics
and
Shock
Wave
Propagation
of
Typical
Liquid
Monopropellants
CUI
Ning
i
，
2
,
DU
Zhong
3
,
LIU
Ying
1
,
LI
Wenhai
1
,
XU
Sen
4
,
LIU
Yan
2
,
5
,
LI
Cong
1
（
1.
Research
Institute
of
Explosives
Engineering
and
Safety
Technology
,
NORINCO
Group
,
Beijing
100053,
China
；
2.
State
Key
Laboratory
of
Explosion
Science
and
Technology,
Beijing
Institute
of
Technology,
Beijing
100081
,
China
；
3.
Xi'an
Aerospace
Shenzhou
Architectural
Design
Institute
,
Xi'an
710005,
Shaanxi
,
China
；
4.
School
of
Chemical
Engineering
,
Nanjing
University
of
Science
and
Technology
,
Nanjing
210094,
Jiangsu
,
China
；
5.
Bijing
Institute
of
Technology
Chongqing
Innovation
Center,
Chongqing
401120,
China
）
Abstract
:
The
explosion
effects
of
DT-3
and
anhydrous
hydrazine
are
studied
experimentally
and
analyzed
theoretically
for
the
explosion
hazards
of
two
typical
liquid
monopropellants
used
in
liquid
rocket
engines
.
Based
on
shock
sensitivities
of
DT-3
and
anhydrous
hydrazine
propellant
3,
a
detonation
mode
was
designed,
and
the
shock
wave
pressures
at
different
distances
from
detonation
center
were
measured.
Peak
pressures
and
attenuation
laws
of
5
L
and
10
L
propellant
samples
at
different
locations
were
obtained
respectively.
Based
on
experimental
data
and
characteristics
of
liquid
monopropellant,
the
propagation
laws
and
TNT
equivalents
of
explosive
shock
waves
of
two
propellant
samples
were
studied.
收稿日期
：
2020-03-27
基金项目
：
国家部委重大项目
（
2019
年
）
作者简介
：
崔宁
（
1988
—
）
,
女
，
工程师
，
博士研究生
。
：
*******************
通信作者
：
刘彦
（
1975
—
）
,
男
，
教授
，
博士生导师主
：
**************.cn
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
27
The
results
show
that
the
explosive
shock
waves
of
two
kinds
of
propellants
present
prominently
double
peak
values
during
the
propagation
process
under
the
condition
of
secondary
spraying
explosion
,
and
their
TNT
equivalents
decrease
monotonously
with
the
increase
in
distance.
The
propagation
laws
of
explosion
shock
waves
of
these
two
classic
liquid
monopropellants
are
inconsistent
with
the
explosion
similarity
law
within
the
vicinity
of
the
detonation
center.
To
calculate
the
TNT
equivalents
more
precisely,
the
conception
of
equivalent
mass
is
recommended
to
amend
the
method.
Keywords
:
liquid
monopropellant
;
explosion
characteristic
;
explosive
shock
wave;
propagation
law;
shock
wave
TNT
equivalent
和
DT-3
（
密度约为
1.12
g/cm
3
）
。
理论上对于药品
0
引言
液体火箭发动机使用的推进剂多为高能燃料和
氧化剂
，
其中通过自身分解或燃烧提供工质和能量
的液态物质为单组元推进剂
，
常见的有肼类
、
单推
-3
（
以下简称
DT-3
）
等
。
由于肼
、
DT-3
等单组元推进
系统结构简单
、
使用方便
，
目前已广泛用于我国航
空
、
航天
、
船舶等领域
。
液体火箭发动机中推进剂容
量大
、
有的种类毒性很强
，
一旦在生产
、
存储和使用
过程中发生爆炸事故
，
可能会造成巨大的财产损失
和重大人员伤亡
［
1
］
。
因此对典型液体推进剂发生
意外爆炸后所产生的各类危险因素进行理论分析和
研究
，
为相关产品的生产
、
存储
、
实验场所的安全距
离设定以及防护结构设计提供必要的安全参数至关
重要
。
美国和前苏联等国在
20
世纪
70
年代左右对
液体推进剂爆炸危害性进行了大量理论和实验研究
工作
，
并制定了相关设计规范和安全评估手册
［
2
—
5
］
,
所研究的推进剂成分以液氢
、
液氧
、
煤油以及四氧化
二氮
（
NOJ/
混肼等为主
［
6
］
。
国内针对液体推进剂
爆炸危险性的研究起步较晚
，
陈新华等
［1
八
8
］
、
王振国等
［
9
］
对弘
。
/偏二甲肼双组元液体推进剂的
爆炸特性开展了大量理论和实验研究
，
并给出火球
直径
、
火球温度
、
火球辐射热流及冲击波超压值等参
数的经验公式
。
本文针对我国目前广泛使用的两种单组元推进
剂开展爆炸实验研究
，
考察
5
L
及
10
L
无水肼
、
DT-3
样品经中心抛洒形成燃料云雾后二次起爆的燃爆过
程
，
并分析液体推进剂在爆炸等外部作用下的燃爆
特点和冲击波超压传播规律与爆炸相似律的关系
,
以期为揭示此类推进剂的燃爆反应规律和安全评估
方法奠定基础
。
1
实验方法
1.1
实验样品及起爆方式
实验样品为无水肼
（
％比
，
密度约为
1.1
g/cm
3
）
的爆炸冲击波测试
，
应确保药剂尽量处于完全爆轰
状态
，
具体实验中应提供足够的冲击波强度
。
对于
单组元液体推进剂
，
根据联合国
《
关于危险货物运
输的建议书
试验和标准手册
》
，
分别对两种样品
开展了不同尺度的冲击波感度实验
，
其中联合国隔
板实验显示无水肼和
DT-3
样品均未发生爆轰
，
且钢
管和验证板破坏效应较弱
，
样品有大量残余
。
后续
极不敏感的爆炸性物质隔板实验中
,
实验钢管完全
破碎
，
验证板变形
，
实验结果为未反应
［
10
］
。
可见对
于无水肼和
DT-3,
使用雷管和传爆药柱进行强冲击
起爆难以直接引爆样品,但在实际生产
、
运输或使用
过程中
，
存在较大的液体推进剂泄漏风险
,
当液体推
进剂组分与空气混合后
,
遇热源等外部刺激时容易
发生二次燃爆事故
，
因此本文实验根据云雾爆轰实
验原理
，
采用中心抛洒装药实现样品的云雾抛洒与
混合
,
并通过外部药柱实现二次引爆
。
实验装置为底部密封的圆柱体聚氯乙烯
（
PVC
）
容器
,
分为外管和中心管
,
外管平均壁厚
3
mm,
用于
盛装推进剂样品
，
中心管平均壁厚
2
mm,
用于放置
中心起爆药柱
，
实验采用
8
号雷管和钝化黑索今
（
RDX
）
药柱作为中心爆源
,
400
g
和
600
g
的标准药
柱或钝化
RDX
药柱作为二次起爆药柱
,
容器及其装
药情况见图
1.
1.2
现场布置及传感器选取
实验在平整后的开阔场地上进行
，
实验装置
放在弹架上
，
以装置的中心位置为爆心
，
炸高为
1.
5
m,
两种容量样品的二次起爆距离和
药柱高度
如表
1
所示
。
以爆心到地面的垂直投影点为起点设置
3
条测
带
，
分别为测带
1
、
测带
2
和测带
3
。
其中
，
测带
2
与
二次起爆点与爆心投影点的连线处于一条直线上
,
测带
1
和测带
3
分居测带
2
的两侧
，
与其夹角均为
45
°,
如此可保证整个实验装置和测试系统相对测带
2
是对称的
，
尽量消除二次起爆序列水平位置对爆
28
兵工学报
雷管
第
41
卷
中心管
外管.
传爆药柱
被试样品
(a)
实验装置
(a)
Experimental
device
(b)
起爆序列设计
(b)
Design
of
explosive
train
图
1
实验装置及起爆条件示意图
Fig.
1
Schematic
diagram
of
experimental
device
and
initiation
conditions
表
1
液体推进剂爆炸实验起爆条件及布置情况
Tab.
1
Initiation
conditions
and
arrangement
of
liquid
monopropellant
实验装置容量/
L
5
10
中心药柱及药量
钝化
RDX,150
g
钝化
RDX,250
~300
g
二次起爆药柱及药量
二次起爆水平
中心药柱
二次起爆药柱
距离/
m
1.5
2.0~3.0
炸高/
m
1.5
1.5
炸高/
m
1.2
1.2
钝化
RDX
或聚黑
-14,400
g
钝化
RDX
或聚黑
-14,600
g
炸冲击波波阵面传播规律的方向性造成影响
。为获
取爆炸实验所产生的冲击波压力
，
实验在测带上不同
距离处布置
12
个壁面式压力传感器
，
压力传感器选
用美国
PCB
公司生产的
112
A
系列产品
，
最大量程
3.
45
MPa.
并在测带
1
所在直线附近到爆心水平距离
5
m
处两侧各安装
1
根标杆
，
用于测量抛洒云雾的尺
寸
,
在水平方向距爆心约
80
m
处布置实验所用高速
录像机和红外热成像仪
，
实验场地布置情况见图
2.
采用
8
号电雷管起爆实验装置
，
并采用同步时钟系
统控制压力测试系统的触发和实验装置的引爆保持
同步
。
在测冲击波超压的同时还利用红外热成像系
统测试爆炸场温度分布
、
高速录像机测试抛洒云团尺
寸变化
，
这两项测试结果在本文中暂不作讨论
。
实验所用传感器布置情况如表
2
所示
。
1.3
实验结果及数据处理
由于实验装置中心起爆后液体推进剂样品的抛
图
2
单组元液体推进剂爆炸实验场地布置
Fig.
2
Experimental
layout
of
liquid
monopropellant
explosion
二次传爆药柱所产生的爆炸冲击波对推进剂样品冲
击波测量结果的影响
，
分别利用
400
g
和
600
g
二次
传爆药柱进行两发空白对比实验
。
每发实验布置
36
个冲击波压力测点
,
每个测点可取得的数据包括
洒效果与二次起爆序列的相互作用存在较大随机
性
，
为保证实验样品在抛洒后所形成云团能够充分
参与爆炸反应
，
本文针对每种容量和种类的装置都
进行了至少
3
发爆炸实验
:
共完成
5
L
容量无水肼
峰值压力
、
压力上升时间
、
到达时间
、
正压作用时间
、
和
DT-3
二次抛洒爆炸实验各
3
发
；
10
L
容量无水肼
和
DT-3
二次抛洒爆炸实验各
4
发
。
另外为消除
冲量等
，
实际获得
5
L
数据
1
196
个
、
10
L
数据
1
608
个
,
总数据获得率
97.
36%
.
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
29
表
2
传感器布置情况
Tab.
2
Arrangements
of
pressure
sensors
推进剂
域,即各测点的入射角大于马赫反射的临界角
，
此时
m
入射压力
、
反射压力的换算关系如下
：
△
P
i
=
测点序号
1
4
容量/
L
5
2
5
3
4
5
9
11
6
11
—
,
1
+
cos
渍
0
(3)
6
7
7
9
式中:
S
为入射压力
；
驻为反射压力
。
1.3.2
不同测带方向的冲击波传播规律对比
10
5
6
13
推进剂
测点序号
7
13
15
8
15
为进一步消除起爆条件对实验数据的影响
，
保
11
30
容量/
L
5
9
20
25
10
25
12
35
40
证实验结果的可比性和一致性
，
本文将换算后的数
据剔除了空白实验中二次起爆药柱对抛洒的水介质
进行延迟起爆后的冲击波超压测试值
，
得到
5
L
和
10
203035
以爆炸冲击波超压峰值为例
，
为保证数据的可
靠性和一致性
，
消除由于测点相对爆心位置不同所
导致的实测冲击波超压入射角不同的问题
，
本文对
测得的数据做了入射压力换算
。
以盛装液体推进剂
样品的容器中心位置为爆心
，
炸高约为
1.5m,
二次
起爆位置距离地面约为
1.
1
~1.2m
，
其爆炸产生的
入射冲击波与不同测点位置的地面作用产生了反射
冲击波
,
并且处于不同位置处的测点其反射特性不
同
，
因此本文首先对测得的原始数据进行了入射压
及反射压力换算
。
1.3.
1
入射压力
、
反射压力换算
两种推进剂样品的密度
p
均为
1.
1
g/cm
3
,
则体
积为
5
L
及
10
L
的药剂质量分别为
5.
5
kg
及
11
kg,
为确定各测点所测得的反射压力属于正反射
、
正规
反射还是马赫反射
,
按试验理论炸高计算如下
：
5
L
时
:
J
=
J?
5
=1.471
kg
；
/m;
(1)
10
L
时
：
叮
=
^=
1.853
kg
九
⑵
式中
：
W
为被试药剂的装药质量
;
H
为实验的理论炸
高
。
定义
渍
。
为各测点位置爆炸冲击波经地面反射
时的入射角
，
其中马赫反射的临界角度
渍
°。
抑
40
。
，
各
测点的
渍
。
值如表
3
所示
。
表
3
各测点的
渍
。
值
Tab.
3
渍
0
at
each
measurement
position
测点距离/
m4
5
6
7
9
11
13
渍
0
/
（
。
）
69.
44
73.
30
79.
96
77.
91
80.
54
82.
23
83.
42
测点距离/
m
15
20
25
30
35
40
渍
0
/
（
。
）
84.
29
85.
71
86.
57
87.
14
87.
55
87.
85
由表
3
可见
，
所有测点位置均处于马赫反射区
10
L
容量的
DT-3
和无水肼在爆心不同距离处的冲
击波超压数据
。
图
3
和图
4
分别为
3
发
5
L
、
4
发
10
L
容量
DT-3
爆炸实验在
3
条测带上得到的冲击
波超压峰值对比曲线
。
由图
3
和图
4
可见
，
对于
5L
及
10
L
容量
DT-3
，
由
于推进剂样品抛洒效果存在一定的随机性
，
与二次
起爆序列作用后的反应充分程度也不同
，
因此不同
实验发数测得的冲击波超压峰值在
9m
以内的近区
相对误差较大
，
同时测带的布置方向对冲击波超压
测量数据没有显著影响
,
近区超压较大的数据可能
出现在不同方向上
,
并且随着到爆心距离的增大
，
各
方向的超压峰值趋于一致
。
同理
，
图
5
和图
6
为
5
L
及
10
L
无水肼在
3
个
方向测带上的冲击波超压峰值对比曲线
，
与
DT-3
的
超压变化趋势相近
，
此处不再赘述
。
2
燃爆冲击波超压传播规律分析
2.1
典型单组元液体推进剂冲击波波形
图
7
为第
3
发
10
L
容量无水肼爆炸实验中测
带
3
距爆心距离
15
m
处冲击波超压
-
时间曲线
，
其
余实验发数及测点得到的冲击波超压曲线与其相
似
，
均可以明显地观察到第
2
个正压区
。
测点距爆
心距离分别为
15
m
、
20
m
、
25
m
、
30
m
处
10
L
容量无
水肼典型冲击波超压变化曲线对比如图
8
所示
。
由
图
8
可见
，
随着测点位置到爆心距离的增大
，
两个正
压区也随之衰减
，
超压曲线呈现较好的规律性
。
为确认本实验结果中有规律地出现第
2
个正压
区的原因
，
排除环境
、
测试系统等因素对结果的干
扰
,
本文在同一实验场地进行了多次重复性实验
,
不
同容量的
DT-3
和无水肼均观察到类似的双波结构
,
而相同条件下测试得到的
TNT
和聚黑
-
14
药柱超压
曲线则没有发现类似的第
2
个正压区
，
因此推测
DT-3
和无水肼二次抛洒爆炸所产生冲击波的燃爆
过程类似于燃料空气炸药⑴一
13]
,
即这两种单组元液
30
兵工学报
第
41
卷
图
3
5
L
DT-3
在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
Fig.
3
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
5
L
DT-3
experiment
体推进剂受中心药柱爆炸的作用
，
在抛洒过程中部
分燃烧或爆炸
，
原组分与产物进而与空气混合形成
云团
，
并在二次起爆药柱作用下发生有氧环境下的
燃爆反应
,
这类燃爆反应所产生的冲击波相比
TNT
等固态高能炸药的传播速度要小
。
具体反应过程和
机理比较复杂
，
还需要结合不同容量
、
不同外部约束
条件的大量实验数据进行分析
。
2.2
两种液体推进剂当量随距离变化规律
本文利用传统军用爆炸品爆炸冲击波峰值压力
TNT
当量的测算方法对两种液体推进剂样品爆炸实
(a)
第
1
发
10
L
DT-3
(b)
10
L
DT-3
samples
of
Round
2
(c)
第
3
发
10
L
DT-3
(d)
10
L
DT-3
samples
of
Round
4
图
4
10
L
容量
DT-3
在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
Fig.
4
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
10
L
DT-3
experiment
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
31
图
5
5L
无水肼在不同测带方向上的
冲击波超压峰值对比
Fig.
5
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
5
L
anhydrous
hydrazine
experiment
验结果进行分析
，
并去除其中起爆
、
传爆药柱爆炸效
应对结果的影响
，
获得冲击波超压
TNT
当量随距离
变化的分布趋势
，
如图
9
所示
。
由图
9
可见
，
随着爆炸冲击波传播距离的不断
增大
，
两种液体推进剂样品的爆炸冲击波当量呈单
调减小的趋势
，
其中
DT-3
超压当量的相对衰减速率
相比无水肼更大
。
在偏危险实验条件假设下
，
该当
量测算结论适用于
5
L
和
10
L
容量的
DT-3
与无水
肼
（
或以其为主要成分的肼类
）
液体推进剂爆炸冲
0
55
0
50
0
4
5
0
4
0
0
3
5
0
3
0
0
2
5
0
2
0
0
1
5
0
1
0
0
0
5
O
(a)
第
1
发
10L
无水腓
(a)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
1
6
5
6
0
5
5
5
0
4
5
4
0
3
5
3
0
2
5
2
0
1
5
1
0
0
5
O
(b)
第
2
发
10
L
无水腓
(b)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
2
0
50
0
4
5
0
4
0
0
3
5
0
3
0
0
2
5
0
2
0
0
1
5
0
1
0
0
0
5
o
(c)
第
3
发
10
L
无水腓
(c)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
3
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
o
(d)
第
4
发
10
L
无水腓
(d)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
4
图
6
10
L
无水肼在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
i
6
Overpressures
along
different
directions
in
10
L
anhydrous
hydrazine
experiment
32
兵工学报
第
41
卷
5
o
4
o
3
o
2
o
1O
图
7
10
L
典型无水肼爆炸冲击波超压
-
时间
曲线
(
距爆心距离
15
m)
Fig.
7
Typical
overpressure
curve
of
10
L
anhydrous
hydrazine
(
distance
to
the
explosion
center
is
15
时间
/s
⑹测点距爆心
15
(a)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
15
m
e
50
g
30
出
时间
/s
(b)
测点距爆心
20
m
(b)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
20
m
(c)
测点距爆心
25 m
(c)
Distance
from
measuring
point
to
explosi
-
-
1
时间
/s
(d)
测点距爆心
30
(d)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
30
m
图
8
10
L
无水肼距爆心
15
~30
m
处冲击波
超压曲线对比
Fig.
8
Overpressure-time
curves
of
10
L
anhydrous
hydrazine
at
15
—
30
m
from
explosion
center
击波威力的估计
。
该结果能否推广到更大容量的推
进剂样品
，
还需要进行爆炸相似律符合性验证
。
3
爆炸相似律符合性分析
由于两种样品自身难以被冲击波直接引爆
，
也
*
>
出
©
0
」
<
1
」
01
*
>
出
®
益
長
戏
」
0-
（b
）
10
L
anhydrous
hydrazine
图
9
10
L
容量两种液体推进剂样品的
爆炸冲击波当量
Fig.
9
TNT
equivalents
of
the
liquid
monopropellant
samples
无法保证抛洒后二次起爆时所有组分均参与反应
,
本文进一步论证了两种单组元液体推进剂在二次抛
洒爆炸条件下的冲击波传播规律是否符合爆炸相似
律
。
根据相似理论和量纲分析法
，
忽略介质的黏性
和热传导
,
在近似球形装药的条件下
,
炸药爆炸后的
冲击波超压
［
斗
15
］
可表示为
驻
=
/
（
嗥
）
=
仆
J/
+
仏
（
丁
）
2
+
A
3
（
丁
）
3
,⑷
式中
：
心为冲击波超压
（
10
-5
Pa
）
；
R
为测点到爆心
的水平距离
（
m
）
凡
“
厲厲
为实验数据拟合出的
常系数
。
进一步利用实验数据得到不同容量的
DT-3
冲
击波超压拟合公式
,
其中
：
5
L
容量
DT-3
爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△
p
=0.
337
8
（
R
）
+
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
33
4.
500
2
-
6.
426
33
(5)
10
L
容量
DT-3
爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△卩
=0.
721
16
當
)
+
6.
420
01
(?)
2
+
7.015
13
(J
)
3
.
(6)
由此可知
,5
L
和
10
L
容量
DT
-
3
的入射超压拟合公
式与实验数据的相关系数分别为
99.
78
%
和
99.
21
%.
5
L
容量无水肼爆炸实验得到的入射超压拟合
公式为
△卩
=0.
664
28
锐
)
+
14.
783
01
()
2
15.
906
23
(
J
)
3
;
(7)
10
L
容量无水肼爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△卩
=0.
559
61
锐
)
+
13.
787
45
當
)
2
+
4.
379
12
(
J
)
3
.
(8)
由此可见
,5L
和
10
L
容量无水肼的入射超压拟合
公式与实验数据的相关系数分别为
99.02
%
和
99.
74
%
.
分别利用两种容量的
DT-3
和无水肼经验公式
计算相同比距离条件下的冲击波超压值
，
结果如
图
10
所示
。
由图
10
可见
，
由注入实验装置的液体
推进剂总质量代入拟合所得到的经验公式并不能很
好地符合爆炸相似律
,5
L
实验数据取得的经验公式
也难以推广到
10
L
及其他容量的超压计算工作中
,
这一点在受爆炸产物和热辐射等其他因素影响较为
明显的爆心近区尤其显著
。
4
结论
本文设计并开展了典型单组元液体推进剂爆炸
实验
，
并对其不同容量条件下冲击波传播规律进行
了详细研究
。
得到主要结论如下
：
1)
单组元液体推进剂的二次抛洒爆炸实验具
有类似于燃料空气炸药爆炸时的现象
，
其冲击波超
压
-
时间曲线存在两个有规律的正压区
,5
L
和
10
L
容量两种典型液体推进剂爆炸冲击波超压当量随着
传播距离的增大呈减小趋势
。
B
d
w
l
^
r
q
H
a
*
^
」
ch
(a)
10L
容量
DT-3
爆炸冲击波超压峰值计算值
(a)
Comparison
of
calculated
results
by
different
empirical
formulas
(10
L
DT-3)
B
d
z
l
r
舉
蛊
系
戏
*
>
」
0-
(b)
10
L
无水腓爆炸冲击波超压峰值计算值
(b)
Comparison
of
calculated
results
by
different
empirical
formulas
(10
L
anhydrous
hydrazine)
图
10
爆炸相似律验证
Fig.
10
Blast
similarity
law
of
liquid
monopropellant
2)
由于单组元推进剂在燃爆过程中难以保证
全部参加反应
，
导致以实验样品总质量为基础推导
出的超压经验公式在爆心近区不能严格符合爆炸相
似律
，
因此传统药量
、
距离以及超压的拟合公式并不
能描述单组元液体推进剂反应程度与总质量的函数
关系
，
也难以准确描述质量等爆源条件与冲击波超
压分布的函数关系
。
3)
下一步研究建议类比相关自燃推进剂的研
究方法
〔
6]
，
引入等效反应质量或等效
TNT
质量的概
念修正超压经验公式
，
并在实验装置设计和场地布
置过程中尽量消除反应条件的几何不对称对冲击波
超压的影响
。
参考文献
(
References
)
[1]
陈新华
，
聂万胜
.
液体推进剂爆炸危害性评估方法及应用
[M].
北京
：
国防工业出版社
,2005
：
91
-138.
34
兵工学报
CHEN
X
H
,
NIE
W
S.
Evaluation
method
and
application
of
第
41
卷
Journal
of
Propulsion
Technology,
1996
,
17
(6)
：
52
-
57.
(
in
Chinese)
liquid
propellant
explosion
harmfulness[
M]
.
Beijing:
National
De
fense
Industry
Press
,
2005
:
91
-
138.
(
in
Chinese)
[10]
徐森
,
刘大斌
，
徐飞扬
.
单推
-3
推进剂的危险特性评估报告
[2]
JENSEN
A
V.
Chemical
rocket
propellant
hazards.
Vol.
I
:
general
safety
engineering
design
criteria
[
M
]
.
US:
Joint
Army-Navy-
NASA-Air
Force
(
JANNAF)
Hazards
Working
Group
,1971.
[
3
]
DECKER
D
L.
Space
propulsion
hazards
analysis
manual
(SPHAM)[R].
Parkway
Houston
,
TX,
US
：
NASA,1989.
[4]
BAKER
W
E,
KUIESZ
J
J,
RICKER
R
E.
Workbook
for
predic
ting
pressure
wave
and
fragment
effects
of
exploding
propellant
tanks
and
gas
storage
vessels
:
CR-134906
[R].
Washington
,
DC
,
US
：
NASA,1975.
[5]
BAKER
W
E,
KUIESZ
J
J,
RICKER
R
E.
Workbook
for
estima
ting
effects
of
accidental
explosions
in
propellant
ground
hanging
and
transport
system
:
N79-10226
[
R]
.
Cleveland
,
OH
,
US
:
NASA
Lewis
Research
Center
,
1979.
[6]
IRMGARD
F,
ANTON
H,
THOMAS
M
K,
et
al.
Processes
dur
ing
the
hypergolic
ignition
between
monomethylhydrazine
(
MMH)
and
dinitrogen
tetroxide
(N2O4)
in
rocket
engines
[J].
Propel
lants
,
Explosives
,
Pyrotechnics
,
2005
,30(1)
：
44
-52.
[7]
陈新华
，
向四桂
，
佟连捷
，
等
.
液体火箭爆炸地面推进剂残余
量实验研究
[J].
推进技术
，
2001,
22(5)
：
151
-154.
CHEN
X
H,
XIANG
S
G,
TONG
L
J,et
al.
Experimental
study
of
remains
of
poisonous
propellant
on
the
ground
after
explosion
of
liquid
rocket
[
J].
Journal
of
Propulsion
Technology
,
2001
,
22(5)
：
151
-154.
(in
Chinese)
[8]
陈新华
，
张智
，
王振国
，
等
.
液体推进剂爆炸理论与试验研究
[J].
爆炸与冲击
,1996,16(1)
：
31
-40.
CHEN
X
H,
ZHANG
Z,
WANG
Z
G,
et
al.
Theoretical
and
ex
perimental
studies
for
liquid
rocket
propellant
explosion[
J]
.
Explo
sion
and
Shock
Waves
,
1996,16(1)
:
31
-40.
(
in
Chinese)
[9]
王振国
，
鄢小清
，
刘昆
，
等
.
液体推进剂运载火箭爆炸热过程
特性理论研究
[J].
推进技术
，
1996,17(6):52
-57.
WANG
Z
G,
YAN
X
Q
,
LIU
K,et
al.
Theoretical
study
on
ther
mal
processes
properties
in
liquid
propellant
rocket
explosion[
J]
.
[R].
南京
：
南京理工大学
，
2019.
XU
S
,
LIU
D
B
,
XU
F
Y
.
The
risk
characteristics
assessment
re
port
of
DT-3
liquid
rocket
propellant[
R]
.
Nanjing:
Nanjing
Uni
versity
of
Science
and
Technology
,
2019.
(
in
Chinese)
[11]
李秀丽
，
惠君明
，
王伯良
.
云爆剂爆炸冲击波参数研究
[J].
含能材料
，
2008,
16(4)
:
410
-414.
LI
X
L,
HUI
J
M
,
WANG
B
L.
Blast/shock
wave
parameters
of
single-event
FAE
[J].
Chinese
Journal
of
Energetic
Materials
,
2008,
16(4)
:
410
-414.
(in
Chinese)
[12]
王海洋
，
解立峰
，
饶国宁
，
等
.
气
-
液
-
固三相体系云雾爆轰
特性的实验研究
[J].
高压物理学报
，
2014,
28(6)
：
671
-
679.
WANG
H
Y
,
XIE
L
F
,
RAO
G
N,et
al.
Detonation
characteris
tics
of
RDX-liquid
fuel-air
three-phase
system[
J]
.
Chinese
Jour
nal
of
High
Pressure
Physics
,
2014
,
28(6)
：
671
一
679.
(
in
Chi
nese)
[13]
雷正
.
液体动力燃料燃爆特性研究
[D].
南京
：
南京理工大
学
，
2015.
LEI
Z.
Study
on
combustion
and
explosion
characteristics
of
liquid
fuel
for
vehicleengine
[
D]
.
Nanjing:
Nanjing
University
of
Science
and
Technology
,
2015.
(
in
Chinese)
[14]
北京工业学院八系爆炸及其作用编写组
.
爆炸及其作用
(
下
册
)[M].
北京
：
国防工业出版社
，
1979
：
247
-263.
Writing
Group
,
The
Eighth
Department
of
Beijing
Institute
of
Technology.
Explosion
and
its
effects
(
volume
two)
[
M]
.
Bei
jing
:
National
Defense
Industry
Press
,
1979
:
247
一
263.
(
in
Chinese)
[15]
张宝
钅
平
，
张庆明
，
黄风雷
.
爆轰物理学
[M].
北京
：
兵器工
业出版社
，
2009.
ZHANG
B
P,
ZHANG
Q
M,
HUANG
F
L.
Detonation
physics
[M].
Beijing
:
Publishing
House
of
Ordnance
Industry
,
2009.
(
in
Chinese)
2024年5月26日发(作者：杨金枝)
第
41
卷增刊
2
2
0
2
0
年
6
月
兵
工
学
报
ACTA
ARMAMENTARII
Vol. 41
Suppl.
2
Jun.
2020
典型单组元液体推进剂爆炸特性
及爆炸冲击波传播规律
崔宁
▽
,
杜忠
3
,
刘英
1
,
李文海
1
,
徐森
4
,
刘彦
2
,
5
,
李聪
1
（1.
中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院
，
北京
100053
；
2.
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室
，
北京
100081
；
3.
西安航天神舟建筑设计院有限公司
，
陕西西安
710005
；
4.
南京理工大学化工学院
，
江苏南京
210094
；
5.
北京理工大学重庆创新中心
，
重庆
401120
）
摘要
：
为研究目前火箭发动机中广泛使用的两种典型单组元液体推进剂的爆炸危险性
，
开展
单推
-3
（
DT-3
）
及无水肼爆炸效应的实验研究和理论分析
。
实验在获取
DT-3
及无水肼冲击波感度
数据的基础上设计了样品的起爆方式
，
并在到爆心不同距离的点上测量了冲击波压力曲线
，
分别得
到
5
L
、
10
L
推进剂样品在不同位置处的峰值压力和衰减规律
。
结合单组元液体推进剂自身特点和
量纲分析法对其爆炸冲击波的传播规律进行初步探讨
，
并对
5
L
和
10
L
小药量的
DT-3
和无水肼开
展爆炸冲击波当量评估研究
。
结果表明
：
在二次拋洒爆炸条件下
，
单组元液体推进剂的爆炸冲击波
超压在传播过程中出现明显的双峰结构
；
以冲击波梯恩梯
（
TNT
）
当量作为爆炸效应威力的评估指
标时
，
随着距离的增大
，
两种液体推进剂样品的超压
TNT
当量单调减小
；
冲击波超压在近区并不严
格符合爆炸相似律
，
在评估其爆炸冲击波当量时需引入等效反应质量等概念进行修正
。
关键词
：
单组元液体推进剂
；
爆炸特性
；
爆炸冲击波
；
传播规律
；
冲击波
TNT
当量
中图分类号
：
O382
+
.
1
；
V511
+
.3
文献标志码
：
A
文章编号
：
1000-1093
（
2020
）
S2-0026-09
DOI
：
10.
3969/j.
issn.
1000-1093.
2020.
S2.
003
Explosion
Characteristics
and
Shock
Wave
Propagation
of
Typical
Liquid
Monopropellants
CUI
Ning
i
，
2
,
DU
Zhong
3
,
LIU
Ying
1
,
LI
Wenhai
1
,
XU
Sen
4
,
LIU
Yan
2
,
5
,
LI
Cong
1
（
1.
Research
Institute
of
Explosives
Engineering
and
Safety
Technology
,
NORINCO
Group
,
Beijing
100053,
China
；
2.
State
Key
Laboratory
of
Explosion
Science
and
Technology,
Beijing
Institute
of
Technology,
Beijing
100081
,
China
；
3.
Xi'an
Aerospace
Shenzhou
Architectural
Design
Institute
,
Xi'an
710005,
Shaanxi
,
China
；
4.
School
of
Chemical
Engineering
,
Nanjing
University
of
Science
and
Technology
,
Nanjing
210094,
Jiangsu
,
China
；
5.
Bijing
Institute
of
Technology
Chongqing
Innovation
Center,
Chongqing
401120,
China
）
Abstract
:
The
explosion
effects
of
DT-3
and
anhydrous
hydrazine
are
studied
experimentally
and
analyzed
theoretically
for
the
explosion
hazards
of
two
typical
liquid
monopropellants
used
in
liquid
rocket
engines
.
Based
on
shock
sensitivities
of
DT-3
and
anhydrous
hydrazine
propellant
3,
a
detonation
mode
was
designed,
and
the
shock
wave
pressures
at
different
distances
from
detonation
center
were
measured.
Peak
pressures
and
attenuation
laws
of
5
L
and
10
L
propellant
samples
at
different
locations
were
obtained
respectively.
Based
on
experimental
data
and
characteristics
of
liquid
monopropellant,
the
propagation
laws
and
TNT
equivalents
of
explosive
shock
waves
of
two
propellant
samples
were
studied.
收稿日期
：
2020-03-27
基金项目
：
国家部委重大项目
（
2019
年
）
作者简介
：
崔宁
（
1988
—
）
,
女
，
工程师
，
博士研究生
。
：
*******************
通信作者
：
刘彦
（
1975
—
）
,
男
，
教授
，
博士生导师主
：
**************.cn
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
27
The
results
show
that
the
explosive
shock
waves
of
two
kinds
of
propellants
present
prominently
double
peak
values
during
the
propagation
process
under
the
condition
of
secondary
spraying
explosion
,
and
their
TNT
equivalents
decrease
monotonously
with
the
increase
in
distance.
The
propagation
laws
of
explosion
shock
waves
of
these
two
classic
liquid
monopropellants
are
inconsistent
with
the
explosion
similarity
law
within
the
vicinity
of
the
detonation
center.
To
calculate
the
TNT
equivalents
more
precisely,
the
conception
of
equivalent
mass
is
recommended
to
amend
the
method.
Keywords
:
liquid
monopropellant
;
explosion
characteristic
;
explosive
shock
wave;
propagation
law;
shock
wave
TNT
equivalent
和
DT-3
（
密度约为
1.12
g/cm
3
）
。
理论上对于药品
0
引言
液体火箭发动机使用的推进剂多为高能燃料和
氧化剂
，
其中通过自身分解或燃烧提供工质和能量
的液态物质为单组元推进剂
，
常见的有肼类
、
单推
-3
（
以下简称
DT-3
）
等
。
由于肼
、
DT-3
等单组元推进
系统结构简单
、
使用方便
，
目前已广泛用于我国航
空
、
航天
、
船舶等领域
。
液体火箭发动机中推进剂容
量大
、
有的种类毒性很强
，
一旦在生产
、
存储和使用
过程中发生爆炸事故
，
可能会造成巨大的财产损失
和重大人员伤亡
［
1
］
。
因此对典型液体推进剂发生
意外爆炸后所产生的各类危险因素进行理论分析和
研究
，
为相关产品的生产
、
存储
、
实验场所的安全距
离设定以及防护结构设计提供必要的安全参数至关
重要
。
美国和前苏联等国在
20
世纪
70
年代左右对
液体推进剂爆炸危害性进行了大量理论和实验研究
工作
，
并制定了相关设计规范和安全评估手册
［
2
—
5
］
,
所研究的推进剂成分以液氢
、
液氧
、
煤油以及四氧化
二氮
（
NOJ/
混肼等为主
［
6
］
。
国内针对液体推进剂
爆炸危险性的研究起步较晚
，
陈新华等
［1
八
8
］
、
王振国等
［
9
］
对弘
。
/偏二甲肼双组元液体推进剂的
爆炸特性开展了大量理论和实验研究
，
并给出火球
直径
、
火球温度
、
火球辐射热流及冲击波超压值等参
数的经验公式
。
本文针对我国目前广泛使用的两种单组元推进
剂开展爆炸实验研究
，
考察
5
L
及
10
L
无水肼
、
DT-3
样品经中心抛洒形成燃料云雾后二次起爆的燃爆过
程
，
并分析液体推进剂在爆炸等外部作用下的燃爆
特点和冲击波超压传播规律与爆炸相似律的关系
,
以期为揭示此类推进剂的燃爆反应规律和安全评估
方法奠定基础
。
1
实验方法
1.1
实验样品及起爆方式
实验样品为无水肼
（
％比
，
密度约为
1.1
g/cm
3
）
的爆炸冲击波测试
，
应确保药剂尽量处于完全爆轰
状态
，
具体实验中应提供足够的冲击波强度
。
对于
单组元液体推进剂
，
根据联合国
《
关于危险货物运
输的建议书
试验和标准手册
》
，
分别对两种样品
开展了不同尺度的冲击波感度实验
，
其中联合国隔
板实验显示无水肼和
DT-3
样品均未发生爆轰
，
且钢
管和验证板破坏效应较弱
，
样品有大量残余
。
后续
极不敏感的爆炸性物质隔板实验中
,
实验钢管完全
破碎
，
验证板变形
，
实验结果为未反应
［
10
］
。
可见对
于无水肼和
DT-3,
使用雷管和传爆药柱进行强冲击
起爆难以直接引爆样品,但在实际生产
、
运输或使用
过程中
，
存在较大的液体推进剂泄漏风险
,
当液体推
进剂组分与空气混合后
,
遇热源等外部刺激时容易
发生二次燃爆事故
，
因此本文实验根据云雾爆轰实
验原理
，
采用中心抛洒装药实现样品的云雾抛洒与
混合
,
并通过外部药柱实现二次引爆
。
实验装置为底部密封的圆柱体聚氯乙烯
（
PVC
）
容器
,
分为外管和中心管
,
外管平均壁厚
3
mm,
用于
盛装推进剂样品
，
中心管平均壁厚
2
mm,
用于放置
中心起爆药柱
，
实验采用
8
号雷管和钝化黑索今
（
RDX
）
药柱作为中心爆源
,
400
g
和
600
g
的标准药
柱或钝化
RDX
药柱作为二次起爆药柱
,
容器及其装
药情况见图
1.
1.2
现场布置及传感器选取
实验在平整后的开阔场地上进行
，
实验装置
放在弹架上
，
以装置的中心位置为爆心
，
炸高为
1.
5
m,
两种容量样品的二次起爆距离和
药柱高度
如表
1
所示
。
以爆心到地面的垂直投影点为起点设置
3
条测
带
，
分别为测带
1
、
测带
2
和测带
3
。
其中
，
测带
2
与
二次起爆点与爆心投影点的连线处于一条直线上
,
测带
1
和测带
3
分居测带
2
的两侧
，
与其夹角均为
45
°,
如此可保证整个实验装置和测试系统相对测带
2
是对称的
，
尽量消除二次起爆序列水平位置对爆
28
兵工学报
雷管
第
41
卷
中心管
外管.
传爆药柱
被试样品
(a)
实验装置
(a)
Experimental
device
(b)
起爆序列设计
(b)
Design
of
explosive
train
图
1
实验装置及起爆条件示意图
Fig.
1
Schematic
diagram
of
experimental
device
and
initiation
conditions
表
1
液体推进剂爆炸实验起爆条件及布置情况
Tab.
1
Initiation
conditions
and
arrangement
of
liquid
monopropellant
实验装置容量/
L
5
10
中心药柱及药量
钝化
RDX,150
g
钝化
RDX,250
~300
g
二次起爆药柱及药量
二次起爆水平
中心药柱
二次起爆药柱
距离/
m
1.5
2.0~3.0
炸高/
m
1.5
1.5
炸高/
m
1.2
1.2
钝化
RDX
或聚黑
-14,400
g
钝化
RDX
或聚黑
-14,600
g
炸冲击波波阵面传播规律的方向性造成影响
。为获
取爆炸实验所产生的冲击波压力
，
实验在测带上不同
距离处布置
12
个壁面式压力传感器
，
压力传感器选
用美国
PCB
公司生产的
112
A
系列产品
，
最大量程
3.
45
MPa.
并在测带
1
所在直线附近到爆心水平距离
5
m
处两侧各安装
1
根标杆
，
用于测量抛洒云雾的尺
寸
,
在水平方向距爆心约
80
m
处布置实验所用高速
录像机和红外热成像仪
，
实验场地布置情况见图
2.
采用
8
号电雷管起爆实验装置
，
并采用同步时钟系
统控制压力测试系统的触发和实验装置的引爆保持
同步
。
在测冲击波超压的同时还利用红外热成像系
统测试爆炸场温度分布
、
高速录像机测试抛洒云团尺
寸变化
，
这两项测试结果在本文中暂不作讨论
。
实验所用传感器布置情况如表
2
所示
。
1.3
实验结果及数据处理
由于实验装置中心起爆后液体推进剂样品的抛
图
2
单组元液体推进剂爆炸实验场地布置
Fig.
2
Experimental
layout
of
liquid
monopropellant
explosion
二次传爆药柱所产生的爆炸冲击波对推进剂样品冲
击波测量结果的影响
，
分别利用
400
g
和
600
g
二次
传爆药柱进行两发空白对比实验
。
每发实验布置
36
个冲击波压力测点
,
每个测点可取得的数据包括
洒效果与二次起爆序列的相互作用存在较大随机
性
，
为保证实验样品在抛洒后所形成云团能够充分
参与爆炸反应
，
本文针对每种容量和种类的装置都
进行了至少
3
发爆炸实验
:
共完成
5
L
容量无水肼
峰值压力
、
压力上升时间
、
到达时间
、
正压作用时间
、
和
DT-3
二次抛洒爆炸实验各
3
发
；
10
L
容量无水肼
和
DT-3
二次抛洒爆炸实验各
4
发
。
另外为消除
冲量等
，
实际获得
5
L
数据
1
196
个
、
10
L
数据
1
608
个
,
总数据获得率
97.
36%
.
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
29
表
2
传感器布置情况
Tab.
2
Arrangements
of
pressure
sensors
推进剂
域,即各测点的入射角大于马赫反射的临界角
，
此时
m
入射压力
、
反射压力的换算关系如下
：
△
P
i
=
测点序号
1
4
容量/
L
5
2
5
3
4
5
9
11
6
11
—
,
1
+
cos
渍
0
(3)
6
7
7
9
式中:
S
为入射压力
；
驻为反射压力
。
1.3.2
不同测带方向的冲击波传播规律对比
10
5
6
13
推进剂
测点序号
7
13
15
8
15
为进一步消除起爆条件对实验数据的影响
，
保
11
30
容量/
L
5
9
20
25
10
25
12
35
40
证实验结果的可比性和一致性
，
本文将换算后的数
据剔除了空白实验中二次起爆药柱对抛洒的水介质
进行延迟起爆后的冲击波超压测试值
，
得到
5
L
和
10
203035
以爆炸冲击波超压峰值为例
，
为保证数据的可
靠性和一致性
，
消除由于测点相对爆心位置不同所
导致的实测冲击波超压入射角不同的问题
，
本文对
测得的数据做了入射压力换算
。
以盛装液体推进剂
样品的容器中心位置为爆心
，
炸高约为
1.5m,
二次
起爆位置距离地面约为
1.
1
~1.2m
，
其爆炸产生的
入射冲击波与不同测点位置的地面作用产生了反射
冲击波
,
并且处于不同位置处的测点其反射特性不
同
，
因此本文首先对测得的原始数据进行了入射压
及反射压力换算
。
1.3.
1
入射压力
、
反射压力换算
两种推进剂样品的密度
p
均为
1.
1
g/cm
3
,
则体
积为
5
L
及
10
L
的药剂质量分别为
5.
5
kg
及
11
kg,
为确定各测点所测得的反射压力属于正反射
、
正规
反射还是马赫反射
,
按试验理论炸高计算如下
：
5
L
时
:
J
=
J?
5
=1.471
kg
；
/m;
(1)
10
L
时
：
叮
=
^=
1.853
kg
九
⑵
式中
：
W
为被试药剂的装药质量
;
H
为实验的理论炸
高
。
定义
渍
。
为各测点位置爆炸冲击波经地面反射
时的入射角
，
其中马赫反射的临界角度
渍
°。
抑
40
。
，
各
测点的
渍
。
值如表
3
所示
。
表
3
各测点的
渍
。
值
Tab.
3
渍
0
at
each
measurement
position
测点距离/
m4
5
6
7
9
11
13
渍
0
/
（
。
）
69.
44
73.
30
79.
96
77.
91
80.
54
82.
23
83.
42
测点距离/
m
15
20
25
30
35
40
渍
0
/
（
。
）
84.
29
85.
71
86.
57
87.
14
87.
55
87.
85
由表
3
可见
，
所有测点位置均处于马赫反射区
10
L
容量的
DT-3
和无水肼在爆心不同距离处的冲
击波超压数据
。
图
3
和图
4
分别为
3
发
5
L
、
4
发
10
L
容量
DT-3
爆炸实验在
3
条测带上得到的冲击
波超压峰值对比曲线
。
由图
3
和图
4
可见
，
对于
5L
及
10
L
容量
DT-3
，
由
于推进剂样品抛洒效果存在一定的随机性
，
与二次
起爆序列作用后的反应充分程度也不同
，
因此不同
实验发数测得的冲击波超压峰值在
9m
以内的近区
相对误差较大
，
同时测带的布置方向对冲击波超压
测量数据没有显著影响
,
近区超压较大的数据可能
出现在不同方向上
,
并且随着到爆心距离的增大
，
各
方向的超压峰值趋于一致
。
同理
，
图
5
和图
6
为
5
L
及
10
L
无水肼在
3
个
方向测带上的冲击波超压峰值对比曲线
，
与
DT-3
的
超压变化趋势相近
，
此处不再赘述
。
2
燃爆冲击波超压传播规律分析
2.1
典型单组元液体推进剂冲击波波形
图
7
为第
3
发
10
L
容量无水肼爆炸实验中测
带
3
距爆心距离
15
m
处冲击波超压
-
时间曲线
，
其
余实验发数及测点得到的冲击波超压曲线与其相
似
，
均可以明显地观察到第
2
个正压区
。
测点距爆
心距离分别为
15
m
、
20
m
、
25
m
、
30
m
处
10
L
容量无
水肼典型冲击波超压变化曲线对比如图
8
所示
。
由
图
8
可见
，
随着测点位置到爆心距离的增大
，
两个正
压区也随之衰减
，
超压曲线呈现较好的规律性
。
为确认本实验结果中有规律地出现第
2
个正压
区的原因
，
排除环境
、
测试系统等因素对结果的干
扰
,
本文在同一实验场地进行了多次重复性实验
,
不
同容量的
DT-3
和无水肼均观察到类似的双波结构
,
而相同条件下测试得到的
TNT
和聚黑
-
14
药柱超压
曲线则没有发现类似的第
2
个正压区
，
因此推测
DT-3
和无水肼二次抛洒爆炸所产生冲击波的燃爆
过程类似于燃料空气炸药⑴一
13]
,
即这两种单组元液
30
兵工学报
第
41
卷
图
3
5
L
DT-3
在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
Fig.
3
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
5
L
DT-3
experiment
体推进剂受中心药柱爆炸的作用
，
在抛洒过程中部
分燃烧或爆炸
，
原组分与产物进而与空气混合形成
云团
，
并在二次起爆药柱作用下发生有氧环境下的
燃爆反应
,
这类燃爆反应所产生的冲击波相比
TNT
等固态高能炸药的传播速度要小
。
具体反应过程和
机理比较复杂
，
还需要结合不同容量
、
不同外部约束
条件的大量实验数据进行分析
。
2.2
两种液体推进剂当量随距离变化规律
本文利用传统军用爆炸品爆炸冲击波峰值压力
TNT
当量的测算方法对两种液体推进剂样品爆炸实
(a)
第
1
发
10
L
DT-3
(b)
10
L
DT-3
samples
of
Round
2
(c)
第
3
发
10
L
DT-3
(d)
10
L
DT-3
samples
of
Round
4
图
4
10
L
容量
DT-3
在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
Fig.
4
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
10
L
DT-3
experiment
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
31
图
5
5L
无水肼在不同测带方向上的
冲击波超压峰值对比
Fig.
5
Peak
overpressures
of
shock
waves
along
different
directions
in
5
L
anhydrous
hydrazine
experiment
验结果进行分析
，
并去除其中起爆
、
传爆药柱爆炸效
应对结果的影响
，
获得冲击波超压
TNT
当量随距离
变化的分布趋势
，
如图
9
所示
。
由图
9
可见
，
随着爆炸冲击波传播距离的不断
增大
，
两种液体推进剂样品的爆炸冲击波当量呈单
调减小的趋势
，
其中
DT-3
超压当量的相对衰减速率
相比无水肼更大
。
在偏危险实验条件假设下
，
该当
量测算结论适用于
5
L
和
10
L
容量的
DT-3
与无水
肼
（
或以其为主要成分的肼类
）
液体推进剂爆炸冲
0
55
0
50
0
4
5
0
4
0
0
3
5
0
3
0
0
2
5
0
2
0
0
1
5
0
1
0
0
0
5
O
(a)
第
1
发
10L
无水腓
(a)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
1
6
5
6
0
5
5
5
0
4
5
4
0
3
5
3
0
2
5
2
0
1
5
1
0
0
5
O
(b)
第
2
发
10
L
无水腓
(b)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
2
0
50
0
4
5
0
4
0
0
3
5
0
3
0
0
2
5
0
2
0
0
1
5
0
1
0
0
0
5
o
(c)
第
3
发
10
L
无水腓
(c)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
3
0
7
0
6
0
5
0
4
0
3
0
2
0
1
o
(d)
第
4
发
10
L
无水腓
(d)
10
L
anhydrous
hydrazine
samples
of
Round
4
图
6
10
L
无水肼在不同测带方向上的冲击波
超压峰值对比
i
6
Overpressures
along
different
directions
in
10
L
anhydrous
hydrazine
experiment
32
兵工学报
第
41
卷
5
o
4
o
3
o
2
o
1O
图
7
10
L
典型无水肼爆炸冲击波超压
-
时间
曲线
(
距爆心距离
15
m)
Fig.
7
Typical
overpressure
curve
of
10
L
anhydrous
hydrazine
(
distance
to
the
explosion
center
is
15
时间
/s
⑹测点距爆心
15
(a)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
15
m
e
50
g
30
出
时间
/s
(b)
测点距爆心
20
m
(b)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
20
m
(c)
测点距爆心
25 m
(c)
Distance
from
measuring
point
to
explosi
-
-
1
时间
/s
(d)
测点距爆心
30
(d)
Distance
from
measuring
point
to
explosion
center
being
30
m
图
8
10
L
无水肼距爆心
15
~30
m
处冲击波
超压曲线对比
Fig.
8
Overpressure-time
curves
of
10
L
anhydrous
hydrazine
at
15
—
30
m
from
explosion
center
击波威力的估计
。
该结果能否推广到更大容量的推
进剂样品
，
还需要进行爆炸相似律符合性验证
。
3
爆炸相似律符合性分析
由于两种样品自身难以被冲击波直接引爆
，
也
*
>
出
©
0
」
<
1
」
01
*
>
出
®
益
長
戏
」
0-
（b
）
10
L
anhydrous
hydrazine
图
9
10
L
容量两种液体推进剂样品的
爆炸冲击波当量
Fig.
9
TNT
equivalents
of
the
liquid
monopropellant
samples
无法保证抛洒后二次起爆时所有组分均参与反应
,
本文进一步论证了两种单组元液体推进剂在二次抛
洒爆炸条件下的冲击波传播规律是否符合爆炸相似
律
。
根据相似理论和量纲分析法
，
忽略介质的黏性
和热传导
,
在近似球形装药的条件下
,
炸药爆炸后的
冲击波超压
［
斗
15
］
可表示为
驻
=
/
（
嗥
）
=
仆
J/
+
仏
（
丁
）
2
+
A
3
（
丁
）
3
,⑷
式中
：
心为冲击波超压
（
10
-5
Pa
）
；
R
为测点到爆心
的水平距离
（
m
）
凡
“
厲厲
为实验数据拟合出的
常系数
。
进一步利用实验数据得到不同容量的
DT-3
冲
击波超压拟合公式
,
其中
：
5
L
容量
DT-3
爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△
p
=0.
337
8
（
R
）
+
增刊
2
典型单组元液体推进剂爆炸特性及爆炸冲击波传播规律
33
4.
500
2
-
6.
426
33
(5)
10
L
容量
DT-3
爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△卩
=0.
721
16
當
)
+
6.
420
01
(?)
2
+
7.015
13
(J
)
3
.
(6)
由此可知
,5
L
和
10
L
容量
DT
-
3
的入射超压拟合公
式与实验数据的相关系数分别为
99.
78
%
和
99.
21
%.
5
L
容量无水肼爆炸实验得到的入射超压拟合
公式为
△卩
=0.
664
28
锐
)
+
14.
783
01
()
2
15.
906
23
(
J
)
3
;
(7)
10
L
容量无水肼爆炸实验得到的入射超压拟合公
式为
△卩
=0.
559
61
锐
)
+
13.
787
45
當
)
2
+
4.
379
12
(
J
)
3
.
(8)
由此可见
,5L
和
10
L
容量无水肼的入射超压拟合
公式与实验数据的相关系数分别为
99.02
%
和
99.
74
%
.
分别利用两种容量的
DT-3
和无水肼经验公式
计算相同比距离条件下的冲击波超压值
，
结果如
图
10
所示
。
由图
10
可见
，
由注入实验装置的液体
推进剂总质量代入拟合所得到的经验公式并不能很
好地符合爆炸相似律
,5
L
实验数据取得的经验公式
也难以推广到
10
L
及其他容量的超压计算工作中
,
这一点在受爆炸产物和热辐射等其他因素影响较为
明显的爆心近区尤其显著
。
4
结论
本文设计并开展了典型单组元液体推进剂爆炸
实验
，
并对其不同容量条件下冲击波传播规律进行
了详细研究
。
得到主要结论如下
：
1)
单组元液体推进剂的二次抛洒爆炸实验具
有类似于燃料空气炸药爆炸时的现象
，
其冲击波超
压
-
时间曲线存在两个有规律的正压区
,5
L
和
10
L
容量两种典型液体推进剂爆炸冲击波超压当量随着
传播距离的增大呈减小趋势
。
B
d
w
l
^
r
q
H
a
*
^
」
ch
(a)
10L
容量
DT-3
爆炸冲击波超压峰值计算值
(a)
Comparison
of
calculated
results
by
different
empirical
formulas
(10
L
DT-3)
B
d
z
l
r
舉
蛊
系
戏
*
>
」
0-
(b)
10
L
无水腓爆炸冲击波超压峰值计算值
(b)
Comparison
of
calculated
results
by
different
empirical
formulas
(10
L
anhydrous
hydrazine)
图
10
爆炸相似律验证
Fig.
10
Blast
similarity
law
of
liquid
monopropellant
2)
由于单组元推进剂在燃爆过程中难以保证
全部参加反应
，
导致以实验样品总质量为基础推导
出的超压经验公式在爆心近区不能严格符合爆炸相
似律
，
因此传统药量
、
距离以及超压的拟合公式并不
能描述单组元液体推进剂反应程度与总质量的函数
关系
，
也难以准确描述质量等爆源条件与冲击波超
压分布的函数关系
。
3)
下一步研究建议类比相关自燃推进剂的研
究方法
〔
6]
，
引入等效反应质量或等效
TNT
质量的概
念修正超压经验公式
，
并在实验装置设计和场地布
置过程中尽量消除反应条件的几何不对称对冲击波
超压的影响
。
参考文献
(
References
)
[1]
陈新华
，
聂万胜
.
液体推进剂爆炸危害性评估方法及应用
[M].
北京
：
国防工业出版社
,2005
：
91
-138.
34
兵工学报
CHEN
X
H
,
NIE
W
S.
Evaluation
method
and
application
of
第
41
卷
Journal
of
Propulsion
Technology,
1996
,
17
(6)
：
52
-
57.
(
in
Chinese)
liquid
propellant
explosion
harmfulness[
M]
.
Beijing:
National
De
fense
Industry
Press
,
2005
:
91
-
138.
(
in
Chinese)
[10]
徐森
,
刘大斌
，
徐飞扬
.
单推
-3
推进剂的危险特性评估报告
[2]
JENSEN
A
V.
Chemical
rocket
propellant
hazards.
Vol.
I
:
general
safety
engineering
design
criteria
[
M
]
.
US:
Joint
Army-Navy-
NASA-Air
Force
(
JANNAF)
Hazards
Working
Group
,1971.
[
3
]
DECKER
D
L.
Space
propulsion
hazards
analysis
manual
(SPHAM)[R].
Parkway
Houston
,
TX,
US
：
NASA,1989.
[4]
BAKER
W
E,
KUIESZ
J
J,
RICKER
R
E.
Workbook
for
predic
ting
pressure
wave
and
fragment
effects
of
exploding
propellant
tanks
and
gas
storage
vessels
:
CR-134906
[R].
Washington
,
DC
,
US
：
NASA,1975.
[5]
BAKER
W
E,
KUIESZ
J
J,
RICKER
R
E.
Workbook
for
estima
ting
effects
of
accidental
explosions
in
propellant
ground
hanging
and
transport
system
:
N79-10226
[
R]
.
Cleveland
,
OH
,
US
:
NASA
Lewis
Research
Center
,
1979.
[6]
IRMGARD
F,
ANTON
H,
THOMAS
M
K,
et
al.
Processes
dur
ing
the
hypergolic
ignition
between
monomethylhydrazine
(
MMH)
and
dinitrogen
tetroxide
(N2O4)
in
rocket
engines
[J].
Propel
lants
,
Explosives
,
Pyrotechnics
,
2005
,30(1)
：
44
-52.
[7]
陈新华
，
向四桂
，
佟连捷
，
等
.
液体火箭爆炸地面推进剂残余
量实验研究
[J].
推进技术
，
2001,
22(5)
：
151
-154.
CHEN
X
H,
XIANG
S
G,
TONG
L
J,et
al.
Experimental
study
of
remains
of
poisonous
propellant
on
the
ground
after
explosion
of
liquid
rocket
[
J].
Journal
of
Propulsion
Technology
,
2001
,
22(5)
：
151
-154.
(in
Chinese)
[8]
陈新华
，
张智
，
王振国
，
等
.
液体推进剂爆炸理论与试验研究
[J].
爆炸与冲击
,1996,16(1)
：
31
-40.
CHEN
X
H,
ZHANG
Z,
WANG
Z
G,
et
al.
Theoretical
and
ex
perimental
studies
for
liquid
rocket
propellant
explosion[
J]
.
Explo
sion
and
Shock
Waves
,
1996,16(1)
:
31
-40.
(
in
Chinese)
[9]
王振国
，
鄢小清
，
刘昆
，
等
.
液体推进剂运载火箭爆炸热过程
特性理论研究
[J].
推进技术
，
1996,17(6):52
-57.
WANG
Z
G,
YAN
X
Q
,
LIU
K,et
al.
Theoretical
study
on
ther
mal
processes
properties
in
liquid
propellant
rocket
explosion[
J]
.
[R].
南京
：
南京理工大学
，
2019.
XU
S
,
LIU
D
B
,
XU
F
Y
.
The
risk
characteristics
assessment
re
port
of
DT-3
liquid
rocket
propellant[
R]
.
Nanjing:
Nanjing
Uni
versity
of
Science
and
Technology
,
2019.
(
in
Chinese)
[11]
李秀丽
，
惠君明
，
王伯良
.
云爆剂爆炸冲击波参数研究
[J].
含能材料
，
2008,
16(4)
:
410
-414.
LI
X
L,
HUI
J
M
,
WANG
B
L.
Blast/shock
wave
parameters
of
single-event
FAE
[J].
Chinese
Journal
of
Energetic
Materials
,
2008,
16(4)
:
410
-414.
(in
Chinese)
[12]
王海洋
，
解立峰
，
饶国宁
，
等
.
气
-
液
-
固三相体系云雾爆轰
特性的实验研究
[J].
高压物理学报
，
2014,
28(6)
：
671
-
679.
WANG
H
Y
,
XIE
L
F
,
RAO
G
N,et
al.
Detonation
characteris
tics
of
RDX-liquid
fuel-air
three-phase
system[
J]
.
Chinese
Jour
nal
of
High
Pressure
Physics
,
2014
,
28(6)
：
671
一
679.
(
in
Chi
nese)
[13]
雷正
.
液体动力燃料燃爆特性研究
[D].
南京
：
南京理工大
学
，
2015.
LEI
Z.
Study
on
combustion
and
explosion
characteristics
of
liquid
fuel
for
vehicleengine
[
D]
.
Nanjing:
Nanjing
University
of
Science
and
Technology
,
2015.
(
in
Chinese)
[14]
北京工业学院八系爆炸及其作用编写组
.
爆炸及其作用
(
下
册
)[M].
北京
：
国防工业出版社
，
1979
：
247
-263.
Writing
Group
,
The
Eighth
Department
of
Beijing
Institute
of
Technology.
Explosion
and
its
effects
(
volume
two)
[
M]
.
Bei
jing
:
National
Defense
Industry
Press
,
1979
:
247
一
263.
(
in
Chinese)
[15]
张宝
钅
平
，
张庆明
，
黄风雷
.
爆轰物理学
[M].
北京
：
兵器工
业出版社
，
2009.
ZHANG
B
P,
ZHANG
Q
M,
HUANG
F
L.
Detonation
physics
[M].
Beijing
:
Publishing
House
of
Ordnance
Industry
,
2009.
(
in
Chinese)