具有爆炸反應(yīng)特性裝置在密閉容器內(nèi)爆炸威力的評(píng)價(jià)方法*

高洪泉，盧芳云，王少龍，顏 澎，羅永鋒，袁 偉，胡 建

(1.國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院技術(shù)物理研究所，湖南 長(zhǎng)沙410073;2.第二炮兵裝備研究院，北京100085)

在FAE 實(shí)驗(yàn)裝置［1-6］的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了裝填氟化物的裝置，該裝置在密閉貯液容器內(nèi)起爆后，將氟化物高速拋出，與容器內(nèi)液體混合，發(fā)生劇烈反應(yīng)，釋放出大量能量［1］。由于該裝置釋放的能量易受拋撒方式及炸深等多種因素的影響，從而給評(píng)價(jià)它在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸威力帶來了一定困難。因此，為該裝置在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸威力建立一種科學(xué)、簡(jiǎn)單、有效的評(píng)價(jià)方法具有重要意義。

熊祖釗等［2］結(jié)合FAE 爆炸場(chǎng)特性，提出了開闊空間FAE 武器的威力評(píng)價(jià)方法;王芳等［3-4］基于靶板毀傷效應(yīng)和超壓-沖量準(zhǔn)則進(jìn)行了開闊空間FAE 實(shí)驗(yàn)裝置毀傷威力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn);楊科之等［7］和龐偉賓等［8］也對(duì)密閉空間內(nèi)爆炸進(jìn)行了研究。本文中，以FAE 裝置威力評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，以目標(biāo)的毀傷效應(yīng)作為衡量裝置威力的尺度，建立以沖擊波超壓-沖量準(zhǔn)則［6］為基礎(chǔ)、以TNT 當(dāng)量為標(biāo)準(zhǔn)、在密閉貯液容器內(nèi)爆炸的威力評(píng)價(jià)方法。利用該方法，分別就TNT 裝藥與裝置在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸威力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到裝置的TNT 威力當(dāng)量值。此方法可以為評(píng)價(jià)該裝置的毀傷威力、提高其研制水平提供一定依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

為考核裝填有拋撒藥和氟化物的裝置在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸效果，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和裸炸藥分別進(jìn)行不同炸深D=0.7、1.2 m 條件下的爆炸實(shí)驗(yàn)。模擬密閉貯液容器外形如圖1、2 所示，實(shí)驗(yàn)中，裝置中心裝填400 g TNT 拋撒藥，同時(shí)裝填氟化物2 kg。容器采用在地下開挖、上部砌磚混圍圈、頂面加裝鋼制頂板的方法制成，密閉容器直徑1.3 m，頂蓋直徑2 m。

圖1 小型密閉容器Fig.1 Small-scale confined container

圖2 加頂蓋后的小型密閉容器Fig.2 Small-scale confined container with the top cover

通過預(yù)留孔將實(shí)驗(yàn)裝置放置于鋼板下預(yù)定深度引爆，利用高速攝像儀觀測(cè)、記錄爆炸的全過程，攝像機(jī)幀數(shù)為20 000 s－1，在密閉容器內(nèi)用標(biāo)桿對(duì)高速錄像進(jìn)行標(biāo)定，如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Scheme of the experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，裝置在不同炸深D 下均正常起爆，小型密閉貯液容器頂蓋被拋起，通過讀取高速錄像中頂蓋不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)位置，得到頂蓋的最大運(yùn)動(dòng)速度vmax以及頂蓋的拋射高度H，如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results

頂蓋所獲得的能量主要由裝置中心拋撒藥、氟化物與液體快速反應(yīng)所釋放的能量共同決定。其中頂蓋所獲得的最大速度與裝置反應(yīng)放能所產(chǎn)生的超壓和沖量存在如下關(guān)系

式中:p 為頂蓋所受超壓，I 為頂蓋的沖量，m 為頂蓋的質(zhì)量。通過高速錄像判讀頂蓋的初始速度，依據(jù)超壓-沖量準(zhǔn)則，可以對(duì)裝置在爆炸后釋放的能量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到氟化物在密閉貯液容器內(nèi)、無氧條件下釋放的能量。

2.2 威力評(píng)價(jià)

首先就等效的不同質(zhì)量TNT 炸藥爆炸對(duì)頂蓋的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模擬，擬合出頂蓋的最大速度與藥量之間的關(guān)系，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果反推出裝置爆炸所釋放的總能量。采用LS-DYNA 動(dòng)力學(xué)軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立有限元模型，按照不同TNT 藥量，采用流固耦合算法對(duì)密閉貯液容器內(nèi)的爆炸進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)對(duì)稱性建立四分之一模型，如圖4 所示。

炸藥爆炸產(chǎn)物的膨脹采用JWL 狀態(tài)方程來描述

式中:A、B、R1、R2和w 為輸入?yún)?shù);v 為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容;E 為爆轟產(chǎn)物的比內(nèi)能。

TNT 裝藥密度1.64 g/cm3，爆速6.94 km/s，爆壓21.0 GPa，相關(guān)參數(shù)A=3.738，B=0.027 47，R1=4.15，R2=0.9;鋼板選用Q235 鋼，材料的密度為7.8 t/m3，楊氏模量為207 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa。

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model

2.2.1 威力評(píng)價(jià)方法的誤差

為準(zhǔn)確得到該計(jì)算模型的誤差，就第3 發(fā)實(shí)驗(yàn)建立模擬模型，進(jìn)行2 種裸藥量W 條件下的有限元計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為5.6 ms，計(jì)算結(jié)果為:當(dāng)W=0.405 kg 時(shí)，頂蓋動(dòng)能Ek=23.2 kJ，最大速度vmax=16.9 m/s;當(dāng)W=0.440 kg 時(shí)，頂蓋動(dòng)能Ek=26.2 kJ，最大速度vmax=17.9 m/s。

通過插值計(jì)算，得到藥量為0.420 kg 時(shí)，頂蓋的最大拋射速度為實(shí)驗(yàn)階段所測(cè)到的17.3 m/s，說明該威力評(píng)估方法實(shí)驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置威力的確定

通過改變模型中的藥量，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置在直徑1.3 m密閉容器內(nèi)、炸深為0.7 m 的爆炸情況進(jìn)行計(jì)算，得到裸藥量分別為0.35、0.44、2.22、4.34 和8.83 kg時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頂蓋最大速度分別為16.1、17.1、54.3、90.0 和124.0 m/s。

圖5 頂蓋速度曲線Fig.5 Velocity curve of the top cover

其中，裝藥量為4.34 kg 時(shí)，計(jì)算所得頂蓋速度v 隨時(shí)間t 的變化曲線如圖5 所示。頂蓋變形狀態(tài)如圖6 所示。

計(jì)算的頂蓋的中間隆起高度為0.43 m，接近實(shí)驗(yàn)中頂蓋的隆起高度0.40 m，且頂蓋變形一致，驗(yàn)證了該計(jì)算模型的正確性，也說明該裝置在密閉容器內(nèi)爆炸所釋放的能量接近4.34 kg TNT 爆炸所釋放的能量。

實(shí)驗(yàn)裝置在容器直徑1.3 m、頂蓋直徑2 m 的密閉容器內(nèi)爆炸時(shí)，通過插值計(jì)算得到的頂蓋最大速度vmax與TNT 藥量W(裝藥量為0.35 ～8.83 kg)之間的關(guān)系曲線如圖7 所示。

通過3 次數(shù)值擬合，得到在小型密閉貯液容器內(nèi)，炸深為0.7 m，裝置爆炸釋放的總能量相當(dāng)于約4 kg TNT所釋放的能量。

利用上面得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)炸深為1.2 m 的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得到頂蓋的最大拋射速度為53.8 m/s，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，說明該評(píng)價(jià)方法正確可行。

圖6 頂板變形的模擬圖與實(shí)驗(yàn)圖對(duì)比Fig.6 Comparison of the top cover deformation between the experiment state and numeric state

圖7 頂蓋最大速度隨TNT 裸藥量的變化Fig.7 The maximum velocities of the top cover varied with the naked TNT mass

3 結(jié) 論

利用超壓-沖量準(zhǔn)則，通過對(duì)不同當(dāng)量的TNT炸藥在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，擬合出了頂蓋最大速度與TNT 藥量之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)確定該裝置在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸當(dāng)量為4 kg TNT。

通過TNT 裝藥實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該威力評(píng)價(jià)方法誤差在5%以內(nèi);通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置在大型密閉貯液容器內(nèi)爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證該威力評(píng)價(jià)方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。該方法簡(jiǎn)單可靠，為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該型實(shí)驗(yàn)裝置在密閉貯液容器內(nèi)的爆炸威力提供了依據(jù)。

［1］ 許學(xué)忠，裴明敬，李明，等.碳?xì)淙剂吓c鹵素氟化物的爆炸反應(yīng)特性［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，1999，32(3):36-38.XU Xue-zhong，PEI Ming-jing，LI Ming，et al.Explosive reaction characteristics on hydrocarbon and fluorine agent［J］.Chinese Journal of Explosive＆Propellants，1999，32(3):36-38.

［2］ 熊祖釗，白春華，張奇，等.FAE 武器威力評(píng)價(jià)方法探討［J］.爆破，2001，18(2):83-86.XIONG Zu-zhao，BAI Chun-hua，ZHANG Qi，et al.Study on the evaluation methods of FAE-weapon strength［J］.Blasting，2001，18(2):83-86.

［3］ 王芳，馮順山.FAE 試驗(yàn)裝置毀傷威力評(píng)價(jià)的試驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26(2):179-182.WANG Fang，F(xiàn)ENG Shun-shan.Experimental research on damage-power evaluation of FAE warhead［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26(2):179-182.

［4］ 王芳，馮順山，俞為民.“超壓-沖量”毀傷準(zhǔn)則及其等毀傷曲線研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2003，23(2):126-130.WANG Fang，F(xiàn)ENG Shun-shan，YU Wei-min.Research on over-pressure＆impulse criteria and its iso-damage curve［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2003，23(2):126-130.

［5］ 郭學(xué)永，惠君明，解立峰，等.FAE 試驗(yàn)裝置爆炸威力評(píng)價(jià)方法的分析［J］.彈道學(xué)報(bào)，2000，12(3):75-78.GUO Xue-yong，HUI Jun-ming，XIE Li-feng，et al.Analysis of evaluation methods for blast power of FAE warhead［J］.Journal of Ballistics，2000，12(3):75-78.

［6］ 惠君明，劉榮海，彭金華，等.燃料空氣炸藥威力的評(píng)價(jià)方法［J］.含能材料，1996，4(3):123-128.HUI Jun-ming，LIU Rong-hai，PENG Jin-hua，et al.An evaluation method of FAE power［J］.Energetic Materials，1996，4(3):123-128.

［7］ 楊科之，楊秀敏.坑道內(nèi)化爆沖擊波的傳播規(guī)律［J］.爆炸與沖擊，2003，23(1):37-40.YANG Ke-zhi，YANG Xiu-min.Shock waves propagation inside tunnels［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23(1):37-40.

［8］ 龐偉賓，何翔，李茂生，等.空氣沖擊波在坑道內(nèi)走時(shí)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23(6):573-576.PANG Wei-bin，HE Xiang，LI Mao-sheng，et al.The formula for airblast time of arrival in tunnel［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23(6):573-576.