原文速递：https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.05.009

研究背景

富燃料炸药广泛应用于反舰战斗部，已成为大型水面舰船的主要威胁。富燃料炸药爆炸将产生可燃爆轰产物，在与环境中的氧气混合后会进一步燃烧释放能量，称为后燃烧效应。这一过程极大地影响了舰船舱室内部爆炸载荷的演变及其后续的结构动态响应。鉴于后燃烧过程的复杂性，当前研究主要依靠修正炸药的状态方程，以额外能量的形式等效爆轰产物燃烧释能，但其中的能量释放量与释放率等关键参数难以获取，导致相关研究严重依赖试验标定。基于此，本研究引入反应流模拟爆轰产物的燃烧过程，实现了富燃料炸药在封闭空间爆炸过程的模拟，揭示了爆轰产物燃烧对富燃料炸药载荷的增强机理，为后续复杂空间内富燃料炸药爆炸载荷演化以及毁伤机理研究奠定了基础。

要点速读

本文以TNT为典型富燃料炸药，开展了封闭空间内爆炸响应试验研究，获取了封闭空间内压力、温度载荷历程以及靶板动态响应结果，试验工况中爆轰产物燃烧释放能量接近爆炸释放总能量的50%。虽然后燃烧释能过程明显慢于冲击波的传播过程，但是其与结构的动态响应速率接近，使得后燃烧过程仍能显著影响爆炸威力。具体而言，忽略后燃烧效应后，靶板中心点的变形将减少30%。进一步建立了基于反应流的富燃料炸药在封闭空间内爆炸分析模型，通过对爆轰产物以及反应机制的合理假设，将化学反应源项集成到流体控制方程中，建立的分析模型与试验结果取得了良好的一致性。考虑爆轰产物的燃烧释能将导致封闭空间内准静态压力提高45%以上，但对初始压力载荷几乎没有影响，这主要源自于两者速率的显著差异。此外，讨论了将该方法应用于PE-4炸药以及复杂空间的适用性，区别于修正炸药状态方程的分析方法，该方法直接基于爆轰产物的燃烧释放能量，将为封闭空间内爆炸响应分析提供输入依据。

论文解析

针对富燃料炸药的后燃烧效应，设计开展了封闭空间内TNT爆炸响应试验研究，如图1（a）所示。根据封闭空间内的准静态压力结果，推算出三种不同装药量下，后燃烧释放能量占总能量的比例分别为51.5%、48.7%以及47.9%，如图1（b）所示，后燃烧效应对结构动态响应的影响不可忽视。随着装药量的增大，后燃烧释放能量占比逐渐降低，这主要是因为封闭空间内参与燃烧的氧气是有限的。此外，可燃爆轰产物只有在温度、混合浓度均满足反应条件时才会释放能量，这也导致了试验结果计算得到的占比均低于理论最大值69%。

图1. 封闭空间内爆炸响应试验研究：(a)试验布置；(b)后燃烧能量占比

根据富燃料炸药在封闭空间内爆炸行为特性，将爆炸过程划分为三个阶段：①爆轰阶段，爆轰波在炸药材料中传播，产生爆轰产物；②绝热膨胀阶段，环境中空气与爆轰产物的混合极少，爆轰产物的燃烧条件难以满足；③后燃烧阶段，封闭空间的约束作用使得冲击波反射叠加，增强了爆轰产物与氧气的混合，爆轰产物开始大量燃烧释放能量。

图2. 封闭空间内富燃料爆炸过程分析

基于富燃料炸药的后燃烧特性，建立基于反应流的富燃料炸药后燃烧过程分析模型，如图3所示，其关键是明确爆轰后高压混合气团的初始参数以及后燃烧过程的化学反应机制。基于炸药的爆轰能量，明确爆轰产物组成以及高压混合气团的热力学性质；根据爆轰产物做功关系，得到高压混合气团的初始温度，进一步根据理想气体状态方程得到初始压力；简化爆轰产物化学反应机制，以阿雷尼乌斯方程控制反应速率；以化学反应源项的形式集成到流体控制方程中，实现对后燃烧过程的模拟。

图3. 基于反应流的富燃料炸药后燃烧过程分析方法

使用基于反应流的后燃烧模型对试验工况进行分析，如图4所示，封闭空间压力载荷与试验结果在演化趋势以及绝对数值上均取得了良好的一致性，计算得到的准静态压力与试验结果的偏差分别为9.8%、11.0%以及9.2%，这主要与试验封闭箱体的气密性有关，导致计算结果均大于试验结果。冲量方面，3 ms时三种药量的计算误差均小于3%，表明了该方法的有效性。当不考虑后燃烧效应时，最终准静态压力相较于试验结果分别偏小了45.2%、46.6%以及46.0%，这一结果与氮气环境中的爆炸试验结果吻合良好，氮气环境中准静态压力相较于空气环境降低了46.9%。

图4. 基于反应流的后燃烧分析模型结果对比：(a)28 g装药考虑后燃烧；(b)28 g装药不考虑后燃烧；(c)35 g装药考虑后燃烧；(d)35 g装药不考虑后燃烧；(e)42 g装药考虑后燃烧；(f)42 g装药不考虑后燃烧

进一步对基于反应流的后燃烧模型应用情况进行讨论：①炸药类型，以87% RDX以及13%矿物油组成PE-4炸药为对象，分析了其在封闭空间内的爆炸后燃烧特性，计算得到的准静态压力与试验结果误差为8%，如图5（a）所示，说明该方法具有良好的适用性，且分析过程并不依赖能量释放量与释放率等经验参数；②爆炸环境，以局部联通的两个封闭空间为对象，分析了富燃料炸药在一侧爆炸时的载荷演化规律，基于反应流的后燃烧模型能够通过爆轰产物的传播获得联通舱室内的压力载荷历程，如图5（b）所示，这一场景在当前能量释放量与释放率分析模型中是无法实现的，说明了该方法的底层优势。

图5. 基于反应流的后燃烧分析方法讨论：(a)PE-4装药分析；(b)复杂封闭空间分析

结论

本研究基于富燃料炸药爆轰产物在封闭空间内燃烧释能的物理过程，建立了基于反应流的富燃料炸药后燃烧分析模型，能够合理地描述不同成分富燃料炸药在封闭空间内爆炸载荷演化历程，摆脱了传统基于能量释放量与释放率方法对经验参数的依赖，将为舰船舱室等封闭空间内的结构毁伤评估提供可靠的载荷输入，有望解决当前舰船爆炸毁伤与防护领域载荷输入有效性的关键瓶颈。