不同裝藥坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律的試驗研究

孔 霖，蘇健軍，李芝絨，王勝強，姬建榮

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下，坑道等防御工事內(nèi)主要用于人員的安置和儀器的放置。當裝藥在坑道入口附近爆炸時，會在坑道中產(chǎn)生爆炸沖擊波，對坑道中的人員和設(shè)施構(gòu)成嚴重威脅，因此研究坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律具有非常重要的意義。

國內(nèi)李秀地[1]對長坑道中的爆炸沖擊波進行了數(shù)值模擬研究，指出由于受到坑道壁面的約束作用，炸藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波進入坑道后，會在坑道壁面之間來回反射。當入射波與壁面的夾角達到一定值時反射波與入射波疊加形成了馬赫桿，在傳播一定距離后，較為混亂的流場逐漸成為較為穩(wěn)定的平面沖擊波。穆朝民[2]對復(fù)雜坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進行了數(shù)值計算，并對不同結(jié)構(gòu)的坑道進行了爆炸沖擊波強度對比，提出了提高坑道工事抗常規(guī)炸藥破壞能力的方法。

國外學(xué)者也指出，當裝藥在坑道入口附近爆炸時，會在坑道中產(chǎn)生持續(xù)時間很短且峰值壓力很高的爆炸沖擊波，在坑道壁面的約束作用下，坑道中的沖擊波峰值壓力將降低得很慢，而持續(xù)時間增加得很快[3-4]。

本文主要對長坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律進行試驗研究，并觀察不同裝藥的爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，用于評估不同裝藥在坑道內(nèi)爆炸作用的毀傷威力，為坑道防護設(shè)計、毀傷破壞能力提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗

1.1 試驗方法

裝藥在坑道入口內(nèi)爆炸后形成沖擊波。在坑道壁面上安裝壓力傳感器，沖擊波信號經(jīng)傳輸電纜傳給信號適配器后，由數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)記錄，如圖1所示。

圖1 沖擊波壓力測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of shock pressure test system

1.2 試驗裝藥

試驗裝藥為 2kgTNT、2kgWY-1和 2kgWY-2。WY-1和WY-2是含鋁量不同的溫壓炸藥。

起爆雷管選用8#工業(yè)銅質(zhì)電雷管，用工業(yè)雷管起爆器起爆。試驗時，爆炸源在模型坑道出入口內(nèi) 2m處爆炸，炸高為1.25m，利用安裝在坑道壁面上的壓力傳感器捕捉坑道中的沖擊波信號。每打完1發(fā)后坑道內(nèi)通風(fēng)30min，并將殘留在傳感器表面的爆炸產(chǎn)物擦除干凈，以免影響下一發(fā)試驗數(shù)據(jù)。

1.3 坑道模型

試驗用坑道布局如圖2所示。

圖2 坑道布局Fig.2 Layout in the tunnel

坑道壁面共安裝8個壓力測點，前3個離爆心的距離分別為2.0m、4.3m、8.0m，往后每隔5m布置1個測點，測點與爆心在同一水平面上。

1.4 試驗測試設(shè)備

使用 PCB公司的壓電式壓力傳感器捕捉超壓信號，傳感器安裝在側(cè)壁上，其壓力敏感面與坑道壁面齊平。利用GENESIS數(shù)據(jù)采集儀器采集數(shù)據(jù)。因試驗環(huán)境比較惡劣，信號傳輸線采用帶金屬屏蔽的低噪聲電纜。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 實測沖擊波超壓波形

WY-1在坑道頭部爆炸測得的沖擊波波形如圖 3所示?？梢钥闯?，沖擊波到達測點的時間隨測點離爆心距離的增大而增大，峰值超壓隨測點離爆心距離的增大而減小，正壓持續(xù)時間隨測點離爆心距離的增大而增大。

圖3 WY-1爆炸測得的沖擊波波形Fig.3 Shock wave of WY-1 explosion

2.0m測點處離爆心較近，前端沖擊波陣面壓力信號基本沒有受到其它干擾因素的影響，波形正常，但正壓作用后的信號由于熱效應(yīng)的影響，傳感器前端膜片被加熱膨脹引起壓電轉(zhuǎn)換元件即石英晶體片預(yù)載荷減載，壓力傳感器產(chǎn)生負躍變信號，一段時間后膜片全部被加熱，載荷增加，信號逐漸歸零，但不影響峰值超壓與正壓持續(xù)時間的判讀。

從8.0m測點處往后沖擊波峰值超壓降低得很慢，這是因為裝藥在坑道入口內(nèi)2.0m處爆炸后，初始沖擊波在坑道壁面上發(fā)生多次反射，到一定遠的距離處，多個反射沖擊波與入射沖擊波疊加，逐漸形成穩(wěn)定的平面波在坑道內(nèi)傳播。

2.2 不同裝藥的爆炸沖擊波傳播規(guī)律

對于裸露的TNT球形裝藥在無限空氣中爆炸，我國國防工程設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的正壓區(qū)峰值超壓計算公式[5]為：

用式（1）計算出2kgTNT球形裝藥在無限空氣中爆炸后各測點距離處的峰值超壓，并與3種裝藥在相同測點上的超壓值進行比較，如圖4所示。

圖4 不同裝藥爆炸沖擊波峰值對比Fig.4 The peak value contrast of shock wave from different explosives

由圖4可見，2.0m測點處的沖擊波峰值超壓差距較大，WY-2的峰值最高，說明近場的峰值超壓與裝藥種類有關(guān)。裝藥在無限空氣中爆炸，沖擊波峰值超壓衰減很快，在8.0m測點處就已經(jīng)衰減至0；裝藥在坑道中爆炸，8.0m測點處峰值超壓依然有0.14MPa，并在繼續(xù)傳播過程中衰減得越來越慢，說明坑道中裝藥種類對足夠遠處的爆炸沖擊波峰值超壓影響較小，沖擊波衰減到一定程度后穩(wěn)定地往坑道內(nèi)部繼續(xù)傳播，衰減量很小。

溫壓炸藥是在燃料空氣炸藥的基礎(chǔ)上研制出來的，其特點[6]是：在炸藥中加入過量的鋁、鈹、鈦等金屬粉末，初期無氧爆轟階段主要是炸藥分子內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)，以及其反應(yīng)產(chǎn)物與還原性較強的金屬粉末發(fā)生氧化還原反應(yīng)，釋放能量；鋁粉顆粒與氣態(tài)爆炸產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會受分子碰撞頻率、碰撞能量等多方面因素的影響，這些二次反應(yīng)的速度較慢，它們釋放的能量來不及補充到?jīng)_擊波陣面上，因此使得爆炸沖擊波持續(xù)時間較長。對比不同裝藥爆炸沖擊波正壓持續(xù)時間，如圖5所示，可以看出溫壓炸藥在不同測點的沖擊波正壓持續(xù)時間都比TNT要長。

將以上3種正超壓曲線對時間進行積分，得到正壓區(qū)比沖量值，見表1。

圖5 不同裝藥爆炸沖擊波正壓持續(xù)時間對比Fig.5 The lasting time contrast of shock wave positive pressure from different explosives

表1 正壓區(qū)比沖量值Tab.1 Impulse value of positive pressure

對比能判讀的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著測點距離的增大，3種裝藥爆炸沖擊波比沖量值也都增大，并且從13.0m測點處往后，沖擊波超壓峰值基本不變，但其正壓持續(xù)時間不斷增大，說明在一定遠距離處傳播的沖擊波其殺傷能力越來越強。WY-2裝藥的爆炸沖擊波殺傷能力最強。

2.3 結(jié)果分析

沖擊波超壓對人員的損傷閾值[5]如表2所示。

表2 沖擊波超壓對人員的損傷Tab.2 The damage to people from shock wave over-pressure

測試結(jié)果說明坑道中裝藥爆炸對人員的殺傷能力比無限空氣中更強，在33.0m甚至更遠的距離處人員依然能受到極嚴重的損傷。普通裝藥的爆炸火焰以及溫壓炸藥的后燃燒效應(yīng)對坑道中人員和儀器的熱毀傷作用有待進一步研究。

3 結(jié)論

（1）爆炸初始沖擊波在坑道壁面上發(fā)生多次反射，到一定遠的距離處，逐漸形成穩(wěn)定的平面波在坑道內(nèi)傳播，并且在一定距離內(nèi)其比沖量越來越大，殺傷能力越來越強。

（2）坑道中裝藥種類對近場的爆炸沖擊波峰值超壓影響較大，對足夠遠處的影響較小。

（3）溫壓炸藥的特性決定了它在不同測點的沖擊波正壓持續(xù)時間都比TNT要長。

[1] 李秀地,鄭穎人,等.長坑道中化爆沖擊波壓力傳播規(guī)律的數(shù)值模擬[J].爆破器材,2005,34(5):4-7.

[2] 穆朝民,任輝啟,等.爆炸沖擊波在復(fù)雜坑道內(nèi)傳播規(guī)律的數(shù)值研究[J].爆破器材,2008,37(5):1-4.

[3] Ann-Sofie L.E.Forsberg. Blast waves-unnecessary expense or vital components in structure hardening[C]//Proceeding of the 9th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Mclean Virgina:1999.

[4] H.J.Hader. Design and application of reinforced concretearmoured doors[C]// Proceeding of the 2th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Panama City Beach:1985.

[5] 隋樹元,王樹山.終點效應(yīng)學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2000.

[6] 嚴家佳.溫壓炸藥爆炸后燃燒過程的觀察[D].西安:西安近代化學(xué)研究所,2009.