溫壓炸藥在野外近地空爆中的沖擊波規(guī)律

趙新穎，王伯良，李 席

(1.南京理工大學，江蘇 南京 210094;2.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

溫壓炸藥在野外近地空爆中的沖擊波規(guī)律

趙新穎1,2，王伯良1，李 席1

(1.南京理工大學，江蘇 南京 210094;2.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

為了研究溫壓炸藥在敞開空間爆炸中沖擊波的規(guī)律，選取典型溫壓炸藥制成不同量級的裸藥柱進行野外近地空爆實驗，同時用TNT進行對比實驗，獲取溫壓炸藥與TNT的沖擊波參數(shù)并擬合得到相似律公式。結(jié)果表明，溫壓炸藥的沖擊波超壓峰值在中遠場略高于TNT；在相同對比距離處，溫壓炸藥的比沖量明顯高于TNT，在對比距離小于2 m/kg1/3的近場，溫壓炸藥的比沖量達到TNT的2倍。引入超壓-比沖量曲線描述沖擊波特征，表明當超壓峰值相同時，溫壓炸藥比沖量更大,超壓峰值在20～50 kPa的中度以下毀傷范圍時，溫壓炸藥的比沖量比TNT高40%～60%，可產(chǎn)生更嚴重的毀傷效應(yīng)。沖量是爆炸沖擊波的重要毀傷元素，應(yīng)建立與沖量有關(guān)的方法評價溫壓炸藥的威力。

爆炸力學；沖擊波；相似律；溫壓炸藥

溫壓炸藥(thermobaric explosive,TBE)是利用壓力效應(yīng)和熱效應(yīng)造成毀傷的一類炸藥[1]，一般由高能炸藥、金屬或非金屬超細燃料粉、活性劑和黏結(jié)劑按一定比例混合制成[2]，從爆轟特性看屬于非理想炸藥。溫壓炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)為厘米量級[3]，在膨脹波中反應(yīng)仍在進行，即后燃過程，在此過程釋放的能量將進一步支持空氣沖擊波向前傳播[4]，形成了與普通高能炸藥不同的釋能過程和毀傷特征。研究溫壓炸藥近地空爆的沖擊波規(guī)律是研究溫壓炸藥毀傷作用的基礎(chǔ)。

目前，對溫壓炸藥空中爆炸的實驗研究多基于優(yōu)化配方的目的，著重研究組分對爆炸場參數(shù)的影響[5-7]。李秀麗等[8]針對空爆實驗中出現(xiàn)的二次沖擊波現(xiàn)象進行了研究。黃菊等[9]、李世民等[10]基于單一量級溫壓炸藥自由場爆炸實驗結(jié)果進行了數(shù)值模擬研究，探索對溫壓炸藥空爆過程進行數(shù)值模擬的可行性。通過沖擊波參數(shù)深入研究溫壓炸藥作用特征的工作較少，但實驗建立的溫壓炸藥沖擊波特征是進行數(shù)值模擬和機理分析的基礎(chǔ)。本文中，對典型溫壓炸藥和TNT進行野外近地空爆實驗，獲取若干對比距離上的沖擊波參數(shù)，按爆炸相似律擬合，對比溫壓炸藥與TNT的沖擊波參數(shù)特征，總結(jié)溫壓炸藥不同于普通高爆炸藥的近地空爆沖擊波規(guī)律。

1 爆炸相似律

(1)

(2)

(3)

2 實 驗

2.1 靶場布置

靶場選擇在空曠的野外，地面平坦，硬度適中。藥柱置于距地面1 m的支架上，以藥柱在地面上的垂直投影點為圓心，測點分布在半徑為3、4、5、6、8、12、14、17、20、22和24 m的相互垂直的兩條射線上。采用壓電式壓力傳感器獲取沖擊波參數(shù)，傳感器用加固裝置安裝在地面，敏感面與地面平齊，數(shù)據(jù)采集儀安放在距靶場140 m的掩體內(nèi)。

2.2 實驗樣品

實驗樣品為TNT和溫壓炸藥圓柱形裸藥柱。其中TNT藥柱藥量分別為1、8、30和35 kg， TBE藥柱藥量分別為0.07、1、2、3、20和30 kg。均以鈍化黑索金作為傳爆藥，用8號電雷管上端起爆。

2.3 沖擊波波形與參數(shù)

每發(fā)實驗在各個測試距離均獲得兩條測試曲線，先將形狀上明顯不屬于沖擊波波形、量級上顯著高于理論計算值及到達時間明顯不合理的異常信號去除，再對采集到的信號進行判讀，獲得沖擊波特征參數(shù)。溫壓炸藥沖擊波波形如圖1所示，在野外空爆中溫壓炸藥的毀傷作用主要與沖擊波正壓部分有關(guān)，將沖擊波正壓區(qū)放大，如圖2所示?？色@取沖擊波超壓峰值Δp、正壓作用時間t+和正壓沖量i+等3個特征值，其中i+為計算值，是沖擊波超壓在正壓作用時間內(nèi)的積分。有的測點波形噪音較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取困難，應(yīng)先對數(shù)據(jù)進行濾波降噪處理，再進行參數(shù)提取。

圖1 溫壓炸藥沖擊波波形Fig.1 Shockwave of thermobaric explosives

圖2 沖擊波參數(shù)Fig.2 Shock wave parameters

需注意的是，壁面壓力傳感器獲取的是沖擊波在地面測點的反射波。本文中實驗測點入射角為71.6°～ 87.6°，根據(jù)沖擊波反射理論，在沖擊波較強時，入射角大于40°左右即發(fā)生馬赫反射，可見全部測點均在馬赫反射區(qū)內(nèi)，提取的參數(shù)均為馬赫反射波參數(shù)。而爆炸相似律是針對沒有反射的自由場沖擊波提出的，廣義上也適用于馬赫反射區(qū)，但需將沖擊波超壓峰值和正壓沖量換算為相應(yīng)的入射波參量再進行相似律擬合。

3 結(jié) 果

3.1 沖擊波超壓峰值的相似律

經(jīng)沖擊波參數(shù)判讀與換算，獲得各對比距離上的沖擊波入射超壓峰值，根據(jù)爆炸相似律按式(1)進行擬合，溫壓炸藥與TNT的相似律公式分別為：

(4)

(5)

3.2 比正壓作用時間的相似律

爆炸相似律指出，沖擊波的比正壓作用時間與對比距離滿足相似關(guān)系。溫壓炸藥和TNT的比正壓作用時間擬合曲線如圖4所示，擬合公式為：

(6)

(7)

正壓作用時間t+不僅與沖擊波強度和傳播距離有關(guān)，還與反應(yīng)藥量有關(guān)系。受樣本數(shù)量、測試方法和數(shù)據(jù)提取方法的限制，圖4所示的測試數(shù)據(jù)分布規(guī)律性不強，只能看到比正壓作用時間隨對比距離增加而增長，即離爆心越遠，正壓區(qū)越寬，無法確定溫壓炸藥與TNT的對比關(guān)系。

圖3 溫壓炸藥與TNT的超壓峰值Fig.3 Peak overpressures of TBE and TNT

圖4 溫壓炸藥與TNT的比正壓作用時間Fig.4 Specific positive phase time of TBE and TNT

3.3 沖擊波比沖量的相似律

將積分得到的各對比距離上的比沖量按式(3)進行相似律擬合，得到擬合曲線如圖5所示，擬合公式為：

(8)

(9)

由圖5可見，溫壓炸藥與TNT的比沖量都隨對比距離增加而減小。在對比距離相同時，溫壓炸藥的比沖量明顯高于TNT，在對比距離小于2的近場，溫壓炸藥的優(yōu)勢尤其顯著，能達到TNT比沖量的2倍。這也顯示了溫壓炸藥與普通高能炸藥沖擊波結(jié)構(gòu)的不同之處。

3.4 溫壓炸藥沖擊波特征

為進一步明確溫壓炸藥沖擊波特征，引入超壓-比沖量關(guān)系曲線，對比溫壓炸藥與TNT在相同峰值超壓下的比沖量大小，如圖6所示。

由圖6可見，當超壓峰值相同時，溫壓炸藥具有更大的比沖量。這是因為溫壓炸藥爆炸后的無氧反應(yīng)和有氧后燃效應(yīng)為沖擊波補充能量，延緩其衰減，使沖量增加。當超壓在20～50 kPa時，無論對人還是建筑物都只能造成中度以下毀傷。此時TNT的比沖量為25～37 Pa·s/kg1/3，對建筑物也只能造成中度以下破壞[12]；而溫壓炸藥的比沖量為36～60 Pa·s/kg1/3，比TNT高約40%～60%，可使建筑物門窗玻璃全部受損，造成較嚴重的破壞。即在TNT沖擊波已無法造成嚴重損傷時，溫壓炸藥的沖量仍能產(chǎn)生嚴重毀傷效應(yīng)。因此在超壓相同時，溫壓炸藥的威力更大，在評價溫壓炸藥威力時應(yīng)考慮比沖量因素。

圖5 溫壓炸藥與TNT的比沖量Fig.5 Specific impulse of TBE and TNT

圖6 超壓-比沖量關(guān)系曲線Fig.6 Peak pressure-specific impulse curve

4 結(jié) 論

通過對不同量級溫壓炸藥和TNT的野外空爆沖擊波參數(shù)的相似律擬合，得到溫壓炸藥不同于TNT的沖擊波作用規(guī)律：

(1)在野外空爆條件下，溫壓炸藥的沖擊波超壓峰值只在中遠場高于TNT，在整個爆炸場來看，溫壓炸藥沖擊波超壓峰值相對普通高爆炸藥優(yōu)勢不顯著。

(2)受樣本數(shù)量、測試方法和數(shù)據(jù)提取方法的限制，溫壓炸藥與TNT的沖擊波比作用時間對比關(guān)系不明顯。

(3)在相同對比距離處，溫壓炸藥的沖擊波比沖量明顯高于TNT，在對比距離小于2 m/kg1/3的近場，溫壓炸藥的比沖量能達到TNT的2倍。

(4)引入超壓-比沖量關(guān)系曲線描述溫壓炸藥沖擊波特征。當溫壓炸藥與TNT具有相同超壓峰值時，溫壓炸藥比沖量更大，當超壓峰值在20～50 kPa的中度以下毀傷范圍時，溫壓炸藥的比沖量比TNT高40%～60%，可產(chǎn)生更嚴重的毀傷效應(yīng)。沖量作為重要的毀傷元素，在評價溫壓炸藥威力時應(yīng)予以考慮。

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(責任編輯 丁 峰)

Shockwave characteristics of thermobaric explosive in free-field explosion

Zhao Xinying1,2, Wang Boliang1, Li Xi1

(1.NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China;2.ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,Liaoning,China)

The energy release process and damage characteristics of thermobaric explosive (TBE), a non-ideal explosive, differ from those of a normal explosive. In the present work, free-field explosion experiments were done to study the shock wave characteristics of TBE. The typical TBE grains and TNT grains with different magnitude order were tested and the shock wave parameters of TBE and TNT were obtained and fitted following the explosion similarity principle. Then a comparative research of TBE and TNT was done to show the characteristics of TBE. The results show that the peak pressure of TBE isn't obviously advantageous compared with that of TNT because it is only slightly higher than TNT at middle and far field. The positive phase time and impulse are related not only with the shock wave intensity and propagation distance but also with the explosive quality, so the specific impulse and specific positive phase time were studied. The correlation of the specific positive phase time between TBE and TNT is not definite. The specific impulse of TBE is higher than that of TNT at the same contrastive distance. When it is less than 2 m/kg1/3, the specific impulse of TBE is 2 times that that of TNT. The curves of the peak pressure and the specific impulse was introduced to describe the characteristics of the shock wave, showing that the specific impulse of TBE is larger than that of TNT under the same peak pressures. When the peak pressure is between 20 kPa to 50 kPa, the damage degree is below middle level but when the specific impulse of TBE is 40%-60% higher than that of TNT serious damage is generated. As an important damage factor in the free field explosion, the impulse should be taken into account when evaluating the power of TBE.

mechanics of explosion; shockwave; similarity principle; thermobaric explosive

10.11883/1001-1455(2016)01-0038-05

2014-07-18； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-01-08

2015-01-08

趙新穎(1978— )，女，博士研究生;

王伯良,boliangwang@163.com。

O382.4 <國標學科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303520 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303520

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