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溫壓彈窒息和中毒研究

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T O P I C R E V I E W

puppyoliver

Posted - 12/24/2024 : 15:21:52

有一篇研究溫壓彈爆炸結果的論文(註1)，
採用70kg的炸藥量進行測試，
溫壓彈的缺氧窒息效應較CO毒氣窒息效應強烈，
缺氧窒息效應也強於同等裝藥量的其他彈藥。

以下是論文節錄片段：

【1. 引言】
溫壓彈是採用富燃料炸藥製成的彈藥，
是在燃料空氣炸彈基礎上研制出來的。
和普通彈藥相比溫壓彈藥爆轟後會產生更加強烈的溫度和壓力效應，
同時由於溫壓藥劑的爆轟需要依賴於外界環境中的氧氣，
在爆點周圍５０～２００ｍ內形成局部缺氧狀態，
因此會給這個範圍內的人員和設施造成致命的傷害。

目前認為溫壓彈藥的爆炸分為三步：
(一)是最初的無氧爆炸反應。
(二)是爆炸後的無氧燃燒反應。
(三)是爆炸後的有氧燃燒反應。

有氧後燃燒步驟因持續時間最長，
對溫壓彈藥的毀傷效應評估起著關鍵的作用。
溫壓彈的毀傷效應主要體現在高壓衝擊波和熱殺傷上，
其次是衝擊波與建築物相互作用產生的次生碎片以及
有毒氣體與煙霧導致的窒息和中毒。
國內對於高壓衝擊波及熱效應的評估開展了相關工作
，對於通過氣體實測進行缺氧窒息及毒氣效應的定量評價尚未見文獻報道。
溫壓彈爆炸時大量奪取周圍空氣中的氧氣，
造成環境缺氧狀態，同時還會生成大量CO、NO等有毒氣體，
對人員造成缺氧窒息和毒氣的雙重傷害。
與一般彈藥相比，
溫壓彈藥爆轟作用時間長，
缺氧、毒氣作用更為明顯。
因此對溫壓彈爆轟氣體的測試及窒息作用評價顯得至關重要。

本工作就某型號溫壓彈實彈演示過程中的爆轟氣體進行了現場實測，
並首次建立了缺氧窒息效應及毒氣窒息效應量化計算方法，
對於研究驗證溫壓彈的反應機理以及爆轟毀傷效應進行了有益的探索。

【2. 實驗】
＜2.5 儀器佈置與防護＞
為了實時記錄氣體濃度變化、實現在線檢測，
需要確定合適的氣體採集點。
根據高速攝影儀對以往同類型彈藥測試現場錄像分析可知：爆轟火球半徑約11m，
是後燃燒反應區域邊緣。
兼顧儀器安全及測試客觀，
確定將儀器置於距離起爆點11m處。
將儀器置於距起爆點11m處一個500mm x 500mm x 1000mm坑中，
為了降低溫壓彈爆轟衝擊波引起的地震波對儀器的損壞，
在坑底及四壁設置空氣隔離層、軟體緩衝層作為保護。
放置儀器，
將傳感器通過相連的乾淨橡膠伸出地面2～3cm，
並在管口設置防塵過濾布，
防止灰塵進入。
最後在坑頂覆蓋20mm鋼板進行防護。

＜2.6 測試方法＞
爆炸前在距離爆心11m處測定環境中CO、O2、NO濃度以及當前溫濕度值。
設置儀器數據採集時間間隔1秒，
持續測試30分鐘。
起爆前開啓儀器，
自動記錄數據，
爆轟後關機，
得到實時測試結果。
(圖1)為溫壓彈爆轟過程中氣體濃度時間曲線。

【3. 實驗結果及討論】
＜3.1 實驗結果＞
在某陸軍學院靶場，
試驗環境溫度為33.7度，
試驗環境濕度為27.0%RH，
溫壓彈裝藥量為70kg的條件下進行試驗。

溫壓炸藥爆轟後，氣體現場測試結果顯示，
CO、O2濃度變化明顯（圖1)。
自採集15秒開始，CO濃度急劇升高，
21.3秒處CO濃度達最大值，
[CO]max=2104μL·L^(-1)，
隨著反應進行及氣體擴散，
30秒後CO濃度最終回到平衡態。
自17秒開始O2濃度開始減小，
22.8秒處O2濃度達最小值，
[O2]min=15.3%，
隨著反應進行完全及新鮮空氣的補充，
O2濃度最終達到正常濃度。
另外也可看出，
CO比O2濃度較早開始變化，
且CO峰最大值出現在O2負峰最小值出現之前1.5秒，
CO峰最大值持續時間為2秒，
O2負峰最小值持續時間為4秒。
NO濃度變化不明顯，
只有細微變化。

＜3.2 缺氧窒息效應與毒氣窒息效應概念的建立＞
溫壓彈爆炸時，
大量奪取外界環境中的氧氣，
造成缺氧環境，
並釋放有毒氣體，
對人員造成極大損傷。
為了研究溫壓彈爆炸過程中引起周圍環境缺氧的程度以及產生毒氣的能力，
引入缺氧窒息效應和毒氣窒息效應的概念。

＜3.3 缺氧窒息效應計算＞
對溫壓彈多發試驗的測試數據統計，
缺氧段氧濃
度最低值為15.32%，
缺氧持續時間最長為1049秒。
由式(1)對溫壓試驗數據計算得出缺氧窒息效應為1887.2%·秒。

＜3.4 毒氣窒息效應計算＞
溫壓彈靶場實測結果中NO的濃度值偏低，
不計入毒氣窒息效應的計算。
CO基準值為14μL·L^(-1)，
多發試驗統計顯示，
CO最高濃度為2162.0μL·L^(-1)，
CO毒氣持續時間最長為1398秒，
由式(2)對溫壓試驗數據計算得出毒氣窒息效應為77.0％·秒。

＜3.5 與其它裝藥平行測試結果的對比＞
在相同靶場試驗條件下，
按照相同裝填體積的原則，
對裝填TNT(主要含能成分為TNT)和梯黑鋁(THL，主要含能成分為RDX、TNT、AI)彈藥的缺氧窒息效應和毒氣效應進行了平行測試。
按照式(1)、式(2)對測試數據進行計算，
並與溫壓彈測試結果相除得到比值，
用以表徵溫壓彈氣體效應的強弱，
結果見(表2)。

由(表2)可以看出，
在相同裝填體積下，
溫壓缺氧窒息效應遠遠大於其他兩種裝藥，
是TNT的5.51倍，
是THL的1258倍。
毒氣效應由於數據不完善未做比較。
(圖3)為不同彈藥爆轟後環境中氧氣測試圖。
通過試驗過程的氣體採集圖對比也可以明顯看出，
溫壓彈的氧濃度．時間曲線積分面積遠大於另外兩裝藥。

【4. 結論】
(1) 溫壓彈爆轟氣體靶場測試方法簡單可行，
防護及採樣點選擇安全合理。
氣體實時測試濃度時間曲線客觀反映了爆轟過程主要產物氣體的組成和變化規律。
(2) 溫壓彈缺氧窒息效應及毒氣窒息效應的定量計算結果顯示，
溫壓彈缺氧窒息效應較CO毒氣窒息效應更為強烈，
強於同等裝藥量的其他彈藥。
結果符合理論預期，
計算方法能夠應用於溫壓彈毀傷效應的評估。
(3) 試驗數據真實反映了在當時環境條件下彈藥的缺氧窒息效應和毒氣效應，
進一步開展彈藥與實驗環境的匹配性、試驗條件的標準化研究，
將滿足不同測試場地、不同環境條件下結果的定量比對。

參考資料：
(註1) 某溫壓彈爆轟氣體靶場測試技術(化工材料研究所)：https://www.energetic-materials.org.cn/hncl/article/abstract/2009146

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