1 引言

人在高海拔地区由于氧气含量低而容易导致高原病，降低了人对环境的适应能力，特别是对于具有跳伞任务的跳伞人员而言，这个问题表现得尤为突出。跳伞用氧气呼吸器就是为跳伞人员在高空跳伞降落过程中提供呼吸氧气的装备，跳伞用呼吸气瓶（简称呼吸气瓶）是跳伞用氧气呼吸器的主要部件之一。呼吸气瓶内部充装的是航空呼吸用氧，用来保证跳伞人员在跳伞过程中呼吸所需的氧气，使其身体保持正常生理机能，这对增强跳伞人员着陆后对环境的适应能力具有重大作用。呼吸气瓶属于高压压力容器，一旦发生爆炸将会造成严重的后果，所以对呼吸气瓶爆炸能量进行估算是跳伞用呼吸器设计的重要工作之一。

2 理论分析

爆炸是一种极为迅速的物理的或化学的能量释放过程。在这个过程中,空间内的物质以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变为成机械功、光和热等能量形态。其根本原因是构成爆炸的体系内存有高压气体或爆炸瞬间生产的高温高压气体，其最重要的特征就是发生急剧的压力突变，这也是产生爆炸破坏的直接原因。高压容器爆炸的破坏形式有塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏、腐蚀破坏和蠕变破坏等五种，其中以塑性破坏造成危害程度最大。呼吸气瓶的爆炸属于高压容器的爆炸，即容器在高温高压气体作用下造成壳体破裂后，急速地进行膨胀，并以极高的速度释放出内在能量，其破坏形式属于全塑性破坏。

高压容器的爆炸能量，不但与其气瓶内的压力和气瓶容积有关，还与所充装的工作介质在容器内的物态有关(气态或液态)。呼吸气瓶充装的工作介质为永久气体—氧气，这种压缩气体在气瓶爆炸破裂时，不产生物态变形，只是降压膨胀，且发生全过程所需时间极短，可以近似认为，气瓶内气体与外界来不及进行热量交换，即可以认为气体膨胀是在绝热状态下进行的。所以，呼吸气瓶的爆炸能量也就是呼吸气瓶爆炸时，瓶内氧气绝热膨胀所作之功。

设气体在破裂前状态参数为(PO，VO)。PO为容器内气体的压强(绝压)；VO为爆破时刻的容器的容积；K为气体的绝热指数

绝热膨胀过程中的状态(P，V)，P为绝压过程中的压力，V为相对应得体积。

绝热膨胀过程到达终态(Pa，Va)，其中Va表示达到大气压时的体积。

可以列出如下绝热方程可：

得绝热膨胀所做的功AK为：

呼吸气瓶的工作介质为氧气，取K=1.4，其爆炸能量为：

3 呼吸气瓶的爆炸能量估算

3.1 呼吸气瓶的爆炸压力和容积确定

由公式（3）可知，呼吸气瓶的爆炸能量主要取决于爆炸时的压力P0和V0决定。跳伞用呼吸气瓶是钢材制作成的无缝气瓶，气瓶的韧性破裂时经过全塑性性变形后发生的径向周长增加，壁厚减薄，达到材质的塑性极限承载压力就会破裂开来，从而P0可以通过理论分析计算气瓶的塑性极限承载压力来获得。本文主要是通过对跳伞用呼吸气瓶进行水压试验来估算其爆炸能量的。为了简化计算，作了如下两个假设：

（1）呼吸气瓶的水压爆破压力近似等于气瓶爆炸压力。

（2）气瓶爆破过程中，可以认为只有径向膨胀，并且膨胀是均匀的。

水压试验的试验设备为普通水压机，其输出为时间-压力曲线，其水压试验曲线如图1所示：

图1 气瓶的时间压力曲线

从图1可以看出，随着水被压缩进入气瓶，气瓶内的压力不断上升，压力上升到一定程度后，气瓶开始膨胀，在膨胀的过程中压力几乎保持不变，膨胀到一定程度后就破裂开来，压力迅速下降。

通过对气瓶爆破前后进行测量和计算，可以得到破裂后的气瓶的内径与气瓶破裂前的内径之比为1.109：1。

3.2 呼吸气瓶的爆炸能量和TNT当量

呼吸气瓶的水压爆破前的容积 为0.92L，则爆破时气瓶的容积VO可以由以下公式计算：

式中：

SO为爆破时气瓶的横截面积；

do为爆破时气瓶的内径；

S为爆破前气瓶的横截面积；

d为爆破前气瓶的内径；代入数据后，可得：

由图 1可以看出，气瓶的爆破压力 PO可以取为大气压Pa取将数据代入公式(3)，那么气瓶的爆炸能量为：

1kgTNT爆炸的能量为4.19×106J，设呼吸气瓶爆的炸能量相当于MTNTTNT爆炸的能量，则：

4 结论