不同炸藥在圓筒裝置內(nèi)爆炸沖擊波載荷傳播規(guī)律與分布特性*

王梓昂，翟紅波，李芝絨，袁建飛，張玉磊

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

0 引言

艦船艙室是一個(gè)密閉環(huán)境，沖擊波在艙室內(nèi)的傳播規(guī)律與自由場(chǎng)環(huán)境有很大不同。沖擊波在艙室內(nèi)會(huì)發(fā)生多次反射，難以用理論準(zhǔn)確描述[1]，因此多基于內(nèi)爆炸試驗(yàn)開展研究。侯海量等[2]通過船艙內(nèi)爆炸試驗(yàn)分析內(nèi)爆炸沖擊波與自由場(chǎng)沖擊波的區(qū)別；陳君等[3]通過艦船內(nèi)爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沖擊波在艙內(nèi)多次反射，流場(chǎng)遠(yuǎn)比自由場(chǎng)復(fù)雜；文獻(xiàn)[4-7]中發(fā)現(xiàn)由于艙室結(jié)構(gòu)的影響，艙內(nèi)爆炸沖擊載荷遠(yuǎn)比自由場(chǎng)復(fù)雜；孔祥韶[8]開展了不同藥量在艙室內(nèi)爆炸的實(shí)驗(yàn)研究，分析了艙室內(nèi)爆炸載荷以及沖擊波在角隅處的匯聚情況。

在已有相關(guān)研究中大多針對(duì)TNT裝藥，而溫壓裝藥在反艦導(dǎo)彈中應(yīng)用越來越廣泛，內(nèi)爆環(huán)境中二者能量輸出結(jié)構(gòu)差異很大。因此，溫壓炸藥的內(nèi)爆效應(yīng)不能簡(jiǎn)單依據(jù)理想爆轟炸藥的表征方法。艙室內(nèi)沖擊波載荷的分布特性很復(fù)雜，難以直接深入研究，因此將艙室簡(jiǎn)化成圓筒結(jié)構(gòu)，減少影響因素，掌握?qǐng)A筒型結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸沖擊波載荷的傳播規(guī)律和分布特性，在此基礎(chǔ)上再開展方形艙室內(nèi)爆沖擊波研究。

文中基于圓筒裝置開展TNT炸藥和溫壓炸藥內(nèi)爆炸試驗(yàn)，研究沖擊波在圓筒裝置內(nèi)的傳播規(guī)律，并對(duì)比分析兩種炸藥在圓筒裝置內(nèi)的沖擊波載荷分布特性，對(duì)反艦戰(zhàn)斗部在艦船艙室內(nèi)的毀傷效應(yīng)研究具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

圓筒型爆炸裝置示意圖如圖1所示。圓筒為無縫鋼管，內(nèi)徑φ800 mm、壁厚12 mm、長(zhǎng)度1 670 mm；鋼管左側(cè)安裝了兩個(gè)法蘭盤，法蘭盤之間夾持了Q235板，鋼管右側(cè)安裝了端蓋，形成密封結(jié)構(gòu)，圓筒壁面和端蓋上設(shè)有傳感器安裝孔。按照炸藥高度確定支撐桿長(zhǎng)度，保證爆心處于圓筒幾何中心。

圖1 圓筒型爆炸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝藥

試驗(yàn)樣品為TNT和溫壓炸藥藥柱，質(zhì)量均為80 g，長(zhǎng)徑比均為1。TNT為熔鑄藥柱，密度1.58 g/cm3；溫壓炸藥為壓制藥柱，主要成分為鋁粉、高氯酸銨(AP)、RDX和塑性黏結(jié)劑，密度1.81 g/cm3。起爆藥為1g的C4炸藥，使用8#工業(yè)銅質(zhì)電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.3 沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)

沖擊波壓力信號(hào)用PCB公司的ICP型高頻響應(yīng)壓力傳感器測(cè)量，量程為6.9 MPa和34 MPa。壓力傳感器測(cè)點(diǎn)布局如圖2所示，在壁面和端蓋上均布置了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)的爆心距如表1所示。

圖2 沖擊波超壓測(cè)點(diǎn)布局

測(cè)點(diǎn)編號(hào)爆心距/m測(cè)點(diǎn)編號(hào)爆心距/mA10.40B10.80A20.45B20.82A30.57B30.90A40.72B41.00

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆炸沖擊波傳播規(guī)律分析

2.1.1 密閉空間內(nèi)爆炸沖擊波疊加原理

為了分析沖擊波遇到壁面的反射現(xiàn)象，引入鏡像爆心[9]的概念，鏡像爆心與爆心的位置關(guān)于壁面對(duì)稱，產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度相等，如圖3所示。結(jié)構(gòu)壁面任意點(diǎn)處的內(nèi)爆炸載荷由爆炸沖擊波對(duì)測(cè)點(diǎn)的直接作用和經(jīng)壁面反射后的沖擊波對(duì)測(cè)點(diǎn)的作用共同組成。經(jīng)壁面反射后沖擊波的作用可看作是爆心關(guān)于壁面對(duì)稱的鏡像爆心爆炸沖擊波對(duì)測(cè)點(diǎn)的作用，爆心和所有鏡像爆心爆炸沖擊波的耦合作用即為測(cè)點(diǎn)上總的內(nèi)爆炸載荷。

以端蓋上的B4測(cè)點(diǎn)為例，圖4為圓筒裝置內(nèi)的沖擊波傳播示意圖。圖中S為爆心，S1和S2為爆心關(guān)于壁面對(duì)稱的鏡像爆心，S的爆炸沖擊波在壁面上A點(diǎn)和B點(diǎn)處反射后向B4處傳播，等效為鏡像爆心S1和S2的爆炸沖擊波對(duì)B4的作用。直接作用的爆炸沖擊波疊加上鏡像爆心對(duì)B4作用的沖擊波即為B4處總的沖擊波波形。

圖3 鏡像爆心及其沖擊波傳播示意圖

圖4 圓筒裝置內(nèi)沖擊波傳播示意圖

2.1.2 圓筒內(nèi)沖擊波傳播規(guī)律分析

80 gTNT炸藥和溫壓炸藥在圓筒裝置內(nèi)爆炸沖擊波超壓曲線如圖5和圖6所示。從圖中可以看出在同一測(cè)點(diǎn)處兩種炸藥內(nèi)爆炸的沖擊波波形基本一致。

圖5 80 g TNT炸藥爆炸沖擊波超壓曲線

圖6 80 g WY炸藥爆炸沖擊波超壓曲線

兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰到達(dá)時(shí)間如表2所示，第一波峰和第二波峰峰值與爆心距的關(guān)系如圖7所示。

由表2可知兩種炸藥爆炸沖擊波的第一波峰到達(dá)時(shí)間均隨爆心距的增加而增加，且由圖7可知第一波峰峰值隨爆心距增加而減小，符合沖擊波的衰減規(guī)律，由此可判斷第一波峰為沖擊波直接傳播至測(cè)點(diǎn)處形成的波峰；而后續(xù)波峰則是沖擊波遇到結(jié)構(gòu)的壁面或端蓋后發(fā)生反射，傳播至測(cè)點(diǎn)處疊加而成。對(duì)比第二波峰峰值可知，爆炸沖擊波遇到壁面或端蓋反射后形成的疊加效應(yīng)隨著爆心距的增大而顯著增強(qiáng)，疊加后的沖擊波峰值顯著增大(*裝藥的不均勻性造成B3測(cè)點(diǎn)處溫壓炸藥爆炸沖擊波第二峰值偏小，故未在圖中標(biāo)出)。

表2 兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰的到達(dá)時(shí)間

圖7 兩種炸藥爆炸沖擊波峰值與爆心距關(guān)系

綜合以上結(jié)果可知：多波形疊加是圓筒裝置內(nèi)爆炸沖擊波的特征，沖擊波的衰減使得第一波峰隨著爆心距的增加呈減小的趨勢(shì)，經(jīng)裝置反射后形成的沖擊波疊加效應(yīng)隨爆心距的增加呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

2.2 圓筒內(nèi)沖擊波分布特性對(duì)比分析

2.2.1 沖擊波超壓波峰分布特性對(duì)比分析

沖擊波超壓最大峰值與爆心距的關(guān)系如圖8所示。溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓最大峰值的均值比TNT增加了11.9%。壁面上爆心距較小，沖擊波直接作用起主導(dǎo)作用，隨著爆心距的增加，沖擊波超壓峰值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；端蓋上爆心距較大，沖擊波直接作用不起主導(dǎo)作用，壁面反射后沖擊波的疊加效應(yīng)加強(qiáng)，使得超壓峰值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由圖7可知，兩種炸藥爆炸沖擊波的第一波峰峰值和第二波峰峰值隨爆心距的變化規(guī)律基本一致。隨著爆心距的增加，相比于TNT，溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓的第一波峰峰值衰減更慢，經(jīng)壁面反射后沖擊波疊加效應(yīng)的增強(qiáng)趨勢(shì)更明顯。

圖8 兩種炸藥爆炸沖擊波最大峰值與爆心距關(guān)系

對(duì)比兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰的脈寬。由于端蓋上測(cè)點(diǎn)處的第一個(gè)波峰下降沿后半段被第二波峰疊加，不能完整顯示其脈寬，因此僅對(duì)比壁面上的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，如表3所示。

表3 壁面上沖擊波第一波峰脈寬對(duì)比

溫壓炸藥爆炸沖擊波第一波峰脈寬均大于TNT炸藥，這是由于鋁粉后燃反應(yīng)釋放的能量延長(zhǎng)了沖擊波超壓的持續(xù)時(shí)間，使得沖擊波衰減變慢。

綜合對(duì)比兩種炸藥爆炸沖擊波的峰值和脈寬，相對(duì)于TNT，溫壓炸藥在密閉空間具有更強(qiáng)的破壞力。

2.2.2 沖擊波沖量分布特性對(duì)比分析

圖9描述了線彈性系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變化的瞬態(tài)壓力脈沖和持續(xù)時(shí)間的曲線。曲線上的點(diǎn)表示不同的沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間，而這些持續(xù)時(shí)間可以由彈性系統(tǒng)的自振周期比較得到。例如在A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)自振周期的1/5。當(dāng)沖擊波正壓持續(xù)作用時(shí)間比彈性系統(tǒng)自振周期1/5還短時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)僅取決于脈沖的沖量；當(dāng)沖擊波正壓持續(xù)作用時(shí)間比彈性系統(tǒng)的自振周期的兩倍還長(zhǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)取決于峰值壓力；當(dāng)沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間處于上述兩種情況的中間狀態(tài)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)沖量和峰值壓力都敏感。

Q235板的一階振頻為16.5 Hz，自振周期的1/5約為12 ms，自振周期的2倍約為120 ms，沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間處于中間狀態(tài)，圓筒裝置對(duì)峰值壓力和沖量都敏感，因此對(duì)兩種炸藥爆炸沖擊波在同一時(shí)段定時(shí)積分沖量的分布特性作進(jìn)一步分析。

圖9 壓力脈沖與峰值壓力和沖量關(guān)系

定時(shí)積分沖量與爆心距的關(guān)系如圖10所示，溫壓炸藥在結(jié)構(gòu)壁面和端蓋上的定時(shí)積分沖量均高于TNT炸藥，沖量均值比TNT增加了20.3%，這個(gè)增幅約為沖擊波峰值均值增副的2倍，這是由于溫壓炸藥后燃燒過程中二次釋放能量，可以明顯增加圓筒裝置內(nèi)沖擊波過后的壓力，從而增加裝置內(nèi)壁所受沖量。在密閉環(huán)境中，對(duì)于符合沖擊波沖量毀傷準(zhǔn)則的目標(biāo)，溫壓炸藥毀傷效果優(yōu)于TNT。

圖10 兩種炸藥爆炸沖擊波定時(shí)積分沖量與爆心距的關(guān)系

隨著爆心距的增大，沖量總體呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，溫壓炸藥的這種規(guī)律更加明顯。從圖5和圖6中B2點(diǎn)的沖擊波超壓曲線可以看出雖然該點(diǎn)處的沖擊波峰值不是最大，但波形后面出現(xiàn)較多峰值較小的反射波，并且準(zhǔn)靜壓值較大，因此該測(cè)點(diǎn)處的沖量最大。A1和B4點(diǎn)處雖然沖擊波峰值很大，但在A1處未出現(xiàn)明顯的反射沖擊波，準(zhǔn)靜壓較低，故沖量較?。籅4處出現(xiàn)了比較明顯的反射沖擊波，該處沖量較小可能是圓筒裝置的結(jié)構(gòu)造成的，該處緊靠端蓋與圓筒的連接處，爆炸后預(yù)緊螺栓會(huì)不同程度松動(dòng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力大于外部氣壓，導(dǎo)致連接處漏氣，使得B4處的準(zhǔn)靜壓較小，從而無法形成較大沖量。

3 結(jié)論

基于同質(zhì)量TNT和溫壓炸藥在圓筒裝置中的內(nèi)爆炸試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種炸藥在圓筒裝置內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律和載荷分布特性，主要得出以下結(jié)論。

1)多波形疊加是圓筒裝置內(nèi)爆炸沖擊波的特征，隨著爆心距的增加，沖擊波的衰減使得第一波峰呈減小趨勢(shì)，壁面沖擊波疊加后的峰值顯著增大，疊加效應(yīng)顯著增強(qiáng)；

2)在圓筒裝置內(nèi)隨著爆心距的增加，溫壓炸藥爆炸沖擊波第一波峰的衰減幅度小于TNT炸藥，沖擊波的疊加效應(yīng)比TNT炸藥更加明顯；沖擊波第一波峰脈寬大于TNT炸藥，沖擊波衰減較慢，在密閉空間具有更強(qiáng)的破壞力。

3)由于溫壓炸藥后燃燒過程中二次釋能，同質(zhì)量溫壓炸藥在結(jié)構(gòu)壁面和端蓋上的定時(shí)積分沖量均高于TNT炸藥，均值增幅約為沖擊波峰值均值增幅的2倍；隨著爆心距的增加，兩種炸藥沖量總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，溫壓炸藥的這種規(guī)律更加明顯，且其沖量值更有利于毀傷目標(biāo)。