水介質(zhì)對(duì)艙內(nèi)爆炸抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究＊

李 營(yíng)，任廣為，張 瑋，趙鵬鐸，張 磊，杜志鵬

水介質(zhì)對(duì)艙內(nèi)爆炸抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究＊

李 營(yíng)1，2，任廣為2，張 瑋2，趙鵬鐸2，張 磊2，杜志鵬2

（1.北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京100081；2.海軍裝備研究院，北京100161）

為探索艦船抗艙內(nèi)爆炸的機(jī)理和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了多艙室縮比模型，開(kāi)展了有水和無(wú)水介質(zhì)的爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了爆炸當(dāng)艙水介質(zhì)對(duì)爆炸反應(yīng)過(guò)程、鄰艙沖擊波峰值、比沖量及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響。研究結(jié)果表明：（1）水介質(zhì)對(duì)艙內(nèi)爆炸鄰艙沖擊波峰值、比沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力均有明顯的衰減作用；（2）在一定區(qū)間內(nèi)，炸藥當(dāng)量越大，水介質(zhì)抑制內(nèi)爆炸的效果越明顯；（3）水介質(zhì)能有效阻礙燃燒等爆炸后續(xù)效應(yīng)，影響準(zhǔn)靜態(tài)壓力形成。

內(nèi)爆炸；抑爆效果；準(zhǔn)靜態(tài)壓力；后續(xù)燃燒；反艦導(dǎo)彈

’反艦導(dǎo)彈艙內(nèi)爆炸是現(xiàn)代艦艇面臨的最重要的武器威脅之一。反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在艙內(nèi)爆炸作用下會(huì)在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破損，造成艦船結(jié)構(gòu)嚴(yán)重毀傷［1］。針對(duì)艦船內(nèi)爆炸毀傷的特點(diǎn)，已有較多防護(hù)機(jī)理和技術(shù)手段方面研究。航母等大型水面艦艇結(jié)構(gòu)尺度大，一般通過(guò)設(shè)置多層防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)水下接觸爆炸和艙內(nèi)爆炸，保護(hù)內(nèi)部艙室［2］。而驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等艦艇由于結(jié)構(gòu)尺寸和重量限制，沒(méi)有足夠的整體資源設(shè)置多層防護(hù)結(jié)構(gòu)或大范圍增加艙壁厚度，防護(hù)設(shè)計(jì)需要拓寬新思路。

王啟睿等［3］、張曉忠等［4］通過(guò)設(shè)置水介質(zhì)，有效衰減了坑道內(nèi)的爆炸沖擊波峰值。L.Chen等［5－6］通過(guò)設(shè)置水墻的方式，有效衰減了自由場(chǎng)中的沖擊波峰值和沖量。此外，張鵬鵬［7］采用水霧的方式衰減甲烷等氣體的燃?xì)獗ㄗ饔?，取得了較好的效果。但上述研究重點(diǎn)關(guān)注了沖擊波峰值，對(duì)艙內(nèi)爆炸中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力等特有載荷關(guān)注不夠。

本文中根據(jù)設(shè)計(jì)的多艙室縮比模型，重點(diǎn)關(guān)注爆炸鄰艙的響應(yīng)，開(kāi)展有無(wú)水介質(zhì)的爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)比爆炸當(dāng)艙水介質(zhì)對(duì)爆炸反應(yīng)過(guò)程、鄰艙沖擊波峰值、比沖量及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響。研究結(jié)果可為艦船抗內(nèi)爆炸防護(hù)設(shè)計(jì)提供新思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所使用的多艙室內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置采用345R壓力裝置專(zhuān)用鋼制成，由兩個(gè)不同寬度的艙室組裝而成，其側(cè)壁厚30mm，截面尺寸400mm×400mm，寬度分別為300、200mm。其中，寬度300mm的艙室設(shè)為爆炸當(dāng)艙，寬度200mm的艙室設(shè)為爆炸鄰艙。

兩個(gè)艙室中間加裝開(kāi)口板以模擬爆炸形成艦船板架破口，進(jìn)而將毀傷載荷傳遞到鄰艙。開(kāi)口板板厚為12mm，板上設(shè)置直徑為150mm的爆炸模擬破口。爆炸當(dāng)艙的封板選用開(kāi)口板（中間開(kāi)口的直徑為150mm）以模擬反艦導(dǎo)彈穿艙破口，其板厚為12mm。艙室間采用24個(gè)?18mm的螺栓固定。裝藥采用長(zhǎng)徑比大于1.5的柱狀TNT，其密度為1.6g／cm3，采用8＃雷管引爆。炸藥藥柱布置于爆炸當(dāng)艙正中心。采用量程為10MPa的壁面反射式壓力傳感器測(cè)量隔艙沖擊波壓力。袋裝水與測(cè)點(diǎn)的布置示意圖如圖2所示。

圖1 多艙結(jié)構(gòu)平視圖Fig.1Front view of multi－cabin

圖2 多艙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Schematic of multi－cabin

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

為了對(duì)比水介質(zhì)及炸藥當(dāng)量對(duì)爆炸鄰艙的影響，共開(kāi)展了6組實(shí)驗(yàn)，具體工況設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1Experimental cases

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爆炸過(guò)程分析

通過(guò)拍攝導(dǎo)彈穿艙模擬口的現(xiàn)象反映艙內(nèi)爆炸反應(yīng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中采用NAC高速相機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，采樣頻率選取為1 000s－1，即每?jī)蓮堈掌拈g隔為1ms。炸藥在空氣中的爆炸過(guò)程主要包括炸藥的爆轟、爆轟產(chǎn)物的傳播、沖擊波在空氣中的傳播以及沖擊波與障礙物相互作用等。20g TNT有無(wú)水內(nèi)爆炸響應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

通過(guò)有／無(wú)袋裝水情況下爆炸過(guò)程的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有以下特點(diǎn)：

（1）爆炸初始階段，即引爆至爆炸火球噴射階段的爆炸過(guò)程基本相同。炸藥被引爆后爆炸形成巨大的爆炸火球，火球膨脹并通過(guò)封板開(kāi)口傳遞到內(nèi)爆發(fā)生裝置以外，火球呈現(xiàn)噴射狀。火球在4ms時(shí)達(dá)到最大，最大長(zhǎng)度約為1m，噴射速度約為260m／s。由于水介質(zhì)受到爆炸沖擊作用發(fā)生破碎及霧化需要一定的時(shí)間，因此未能第一時(shí)間與爆轟產(chǎn)物發(fā)生相互作用。

（2）爆炸中后期階段，有無(wú)袋裝水有一定的差異。無(wú)袋裝水情況下，由于炸藥發(fā)生了充分的反應(yīng)，爆炸火焰完成了火球－火舌－熄滅的轉(zhuǎn)化過(guò)程，火焰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，到27ms時(shí)才完全消失，生成的爆轟產(chǎn)物為灰色；有袋裝水情況下，水介質(zhì)在爆炸沖擊波作用下發(fā)生破碎，并與爆炸火焰在火球向火舌的轉(zhuǎn)化階段之前相互作用，火焰逐漸被撲滅，9ms時(shí)火焰完全熄滅，未能完成火球向火舌的轉(zhuǎn)化，有效阻止了爆炸后續(xù)燃燒過(guò)程的發(fā)展。生成的爆轟產(chǎn)物呈現(xiàn)黑灰色，炸藥的后續(xù)燃燒不充分。

整個(gè)過(guò)程的示意圖如圖4所示，根據(jù)水介質(zhì)狀態(tài)的不同，可以劃分為4個(gè)階段。第1階段為初始階段，炸藥爆炸，在艙內(nèi)形成沖擊波，但爆炸沖擊波并未遇到水，此階段艙內(nèi)的沖擊波壓力與無(wú)水艙室完全相同。第2階段為水介質(zhì)碎裂階段，爆炸沖擊波在艙內(nèi)反射（包括水介質(zhì)表面）并傳播到相鄰艙室，水介質(zhì)在沖擊波作用下運(yùn)動(dòng)，部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗橘|(zhì)動(dòng)能，沖擊波作用下大塊的水介質(zhì)碎裂成較大質(zhì)量水滴，隨著液水滴數(shù)量的增多，液體總表面變大，沖擊波的能量部分轉(zhuǎn)變成液滴碎裂能，即Es＝πd2σ（其中Es為單個(gè)液滴的表面能，d為液滴直徑，σ為表面張力）。水滴霧化階段，爆炸前期過(guò)程基本結(jié)束，水滴在沖擊波作用下進(jìn)一步碎裂成細(xì)小顆粒，逐漸霧化，此階段液滴動(dòng)能和碎裂能進(jìn)一步增加的同時(shí)，小液滴溫度升高，由于水介質(zhì)比熱容較大，這部分能量也較為可觀。第4階段為水霧蒸發(fā)階段，爆炸進(jìn)入后續(xù)燃燒階段，部份液滴進(jìn)一步碎裂成微小顆粒，隨著液滴溫度升高，微小液滴蒸發(fā)汽化，發(fā)生相變，帶走爆炸熱量并使得后續(xù)燃燒不完全。有關(guān)研究表明［8］，液滴較大時(shí)，動(dòng)能和碎裂能是主要原因，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的早期物理過(guò)程；當(dāng)液滴較小時(shí)，液滴溫度升高和蒸發(fā)是主要原因，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)的后期物理過(guò)程。

圖4水介質(zhì)響應(yīng)過(guò)程示意圖Fig.4Schematic of water response process

2.2 壓力時(shí)域曲線

圖5 給出了6種不同工況下所測(cè)得的爆炸鄰艙壓力時(shí)間歷程曲線?？梢钥闯?，有／無(wú)袋裝水時(shí)的沖擊波壓力曲線趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)“快速上升，緩慢下降”的特點(diǎn)，沖擊波壓力明顯具有初始沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個(gè)階段。在初始沖擊波階段，沖擊波壓力曲線發(fā)生多次振蕩，沖擊波壓力呈現(xiàn)明顯的多峰性，每個(gè)峰值的正壓作用時(shí)間僅約為10－1ms量級(jí)。沖擊波各峰值之間的間距與沖擊波以聲速在艙內(nèi)往復(fù)傳播的時(shí)間差相當(dāng)，確認(rèn)為真實(shí)物理信號(hào)。

在準(zhǔn)靜態(tài)壓力階段，沖擊波壓力曲線的振蕩趨勢(shì)逐漸減緩，壓力隨時(shí)間增加緩慢衰減，整個(gè)衰減過(guò)程持續(xù)20ms以上。準(zhǔn)靜態(tài)壓力階段壓力衰減大體呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，符合有孔封閉空間準(zhǔn)靜態(tài)壓力衰減的一般規(guī)律［9］。

圖5 不同工況下壓力時(shí)間歷程曲線Fig.5Pressure－time curves in different cases

2.3 超壓峰值與比沖量

不同藥量下，有／無(wú)袋裝水時(shí)的超壓峰值如圖6（a）所示。可以看出，在有／無(wú)水袋裝水時(shí)的超壓峰值均隨藥量增加而單調(diào)遞增。但水介質(zhì)有效減緩了超壓峰值隨TNT藥量增加而增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著TNT藥量的增加，水介質(zhì)在沖擊波載荷作用下發(fā)生更充分的壓縮變形、破碎、飛散，進(jìn)而形成更大的表面積與沖擊波相互作用，從而使沖擊波在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減［6］。由此可見(jiàn)，袋裝水可有效降低爆炸沖擊作用下的沖擊波超壓峰值。

比沖量對(duì)比如圖6（b）所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于無(wú)袋裝水的工況，比沖量隨TNT藥量的增加而增加；對(duì)于有袋裝水的工況，比沖量隨TNT藥量的增加而減小。這種現(xiàn)象說(shuō)明了爆炸載荷的強(qiáng)度影響水介質(zhì)與沖擊波相互作用的充分程度，進(jìn)而影響對(duì)沖擊波的消減效果。

圖6 有／無(wú)袋裝水工況下沖擊波超壓峰值和比沖量Fig.6Shock pressure peak and specific impulse with／without water

2.4 準(zhǔn)靜態(tài)壓力

通過(guò)對(duì)沖擊波壓力曲線下降階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到各工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力隨時(shí)間變化的曲線。擬合效果示意圖如圖7所示，從圖中可以看出，采用指數(shù)形式擬合的曲線與原始數(shù)據(jù)吻合較好。

從圖8中可以看出，無(wú)袋裝水時(shí)，準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值隨TNT藥量的增加而單調(diào)增加，符合壓力隨藥量變化的一般規(guī)律。在一定范圍內(nèi)，隨著裝藥量的增大，水介質(zhì)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的衰減效果更加明顯，體現(xiàn)為衰減比逐漸增大。

研究表明，水介質(zhì)破碎程度及蒸發(fā)吸能會(huì)影響對(duì)爆炸的抑制效果［10］。當(dāng)炸藥藥量較小時(shí)，無(wú)法使水介質(zhì)發(fā)生充分的破裂，水介質(zhì)破碎程度影響水介質(zhì)的蒸發(fā)率以及蒸發(fā)質(zhì)量，進(jìn)而影響水介質(zhì)所吸收的能量。炸藥藥量較小時(shí)水介質(zhì)無(wú)法充分破碎，無(wú)法對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行有效的消減。隨著炸藥藥量的增加，才能對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力進(jìn)行更充分有效的消減。

圖7 準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線擬合效果示意圖（工況4）Fig.7Quasi－static pressure and fitted curve（case 4）

圖8 有／無(wú)袋裝水工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值Fig.8Quasi－static pressure peak with／without water

2.5 對(duì)內(nèi)爆炸的綜合抑制效果

從表2中可以看出，水介質(zhì)對(duì)超壓峰值、準(zhǔn)靜態(tài)壓力和比沖量均具有明顯的衰減作用。隨著TNT藥量的增加，對(duì)各參數(shù)消減效果迅速增加，這是由于藥量的增加導(dǎo)致了爆炸強(qiáng)度的增大，使得水介質(zhì)與爆炸沖擊波發(fā)生了更為充分的相互作用，水介質(zhì)吸收的能量隨之增加，因此水介質(zhì)的消減效果有效提升。其中，對(duì)相鄰艙室超壓峰值的消減效果最佳，當(dāng)炸藥量較大時(shí)可高達(dá)71.2%。對(duì)比沖量的消減效果高于對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的消減效果。

表2 不同藥量下水介質(zhì)衰減內(nèi)爆炸效果Table 2Effect of bag water for internal blast

3 分析與探討

TNT在空氣中爆炸時(shí)的反應(yīng)方程式［11］為：

從式（1）可以看出，TNT空中爆炸后會(huì)產(chǎn)生大量的燃料（CO、C）。在環(huán)境適宜的條件下，高溫產(chǎn)物會(huì)與周?chē)h(huán)境中的氧氣混合發(fā)生燃燒，持續(xù)釋放能量，并使得封閉艙室內(nèi)溫度升高。

艙內(nèi)爆炸是以爆炸產(chǎn)物的氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力為顯著特征的，勞式船級(jí)社［12］將準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為艦艇結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)中除爆炸破片外的唯一載荷。有關(guān)研究表明［13］，氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力由以下部分組成：

式中：Pqua為準(zhǔn)靜態(tài)壓力；P0指大氣壓力，為0.101MPa；ρE為炸藥密度；γ0、γ分別代表空氣和爆炸混合氣體的絕熱指數(shù)，分別為1.4和1.35；V、VE分別指艙室體積和炸藥體積；ΔEDET、ΔEab分別指單位質(zhì)量炸藥的爆炸能和后續(xù)燃燒能，分別為4.495、10.01MJ／kg，兩者共同構(gòu)成爆炸總能量。

將各參數(shù)代入式（2），考慮爆炸當(dāng)艙氣體爆炸產(chǎn)物瀉出，并與有水、無(wú)水工況進(jìn)行比對(duì)，如圖9所示?？梢钥闯觯海?）無(wú)水工況中實(shí)驗(yàn)測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓力值與公式預(yù)測(cè)值吻合較好；（2）艙室中放置水介質(zhì)后，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)靜態(tài)壓力值介于炸藥完全反應(yīng)和只考慮爆炸效應(yīng)之間，說(shuō)明水介質(zhì)的存在影響了后續(xù)燃燒效應(yīng)的反應(yīng)程度；（3）隨著炸藥量的增加，有水工況的準(zhǔn)靜態(tài)壓力值逐漸靠近只考慮爆炸效應(yīng)的曲線，說(shuō)明在一定區(qū)間內(nèi)，隨著裝藥量增大，水介質(zhì)對(duì)炸藥后續(xù)燃燒效應(yīng)的抑制作用更加明顯。

有關(guān)研究表明，后續(xù)燃燒能與爆炸能的比值約為2∶1，后續(xù)燃燒能對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的貢獻(xiàn)比爆炸能大［14］。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，準(zhǔn)靜態(tài)壓力降低的主要原因?yàn)楸ㄐ?yīng)使得袋裝水碎裂、運(yùn)動(dòng)并發(fā)生汽化。當(dāng)炸藥當(dāng)量較大時(shí)，袋裝水碎裂成更小的顆粒，除了液體碎裂過(guò)程吸收少量能量以外，大部分能量使液滴蒸發(fā)更充分，對(duì)炸藥后續(xù)燃燒能的衰減作用也更為明顯。

圖9 有無(wú)水工況與理論公式的對(duì)比Fig.9Experiments with or without water vs.formula

4 結(jié) 論

艦船抗內(nèi)爆炸研究是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，需要在現(xiàn)有技術(shù)手段基礎(chǔ)上不斷探索新機(jī)理和新手段。本文中通過(guò)開(kāi)展水介質(zhì)對(duì)艙內(nèi)爆炸作用抑制作用的實(shí)驗(yàn)研究，劃分了水介質(zhì)抑制內(nèi)爆炸響應(yīng)的階段，討論了水介質(zhì)對(duì)臨艙沖擊波峰值、比沖量及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的影響規(guī)律，并結(jié)合公式探討了水介質(zhì)影響后續(xù)燃燒效應(yīng)的機(jī)理。研究得到以下主要結(jié)論：

（1）水介質(zhì)對(duì)艙內(nèi)爆炸鄰艙沖擊波峰值、比沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力均有明顯的衰減作用，其中對(duì)沖擊波峰值的衰減作用最明顯；

（2）水介質(zhì)能夠有效阻礙燃燒等爆炸后續(xù)效應(yīng)，致使炸藥反應(yīng)不完全，降低了封閉艙室內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力；

（3）在一定區(qū)間內(nèi)，炸藥當(dāng)量越大，水介質(zhì)汽化、蒸發(fā)越明顯，水介質(zhì)抑制內(nèi)爆炸的效果越顯著；

（4）戰(zhàn)時(shí)可采用臨時(shí)設(shè)置水袋的方式，減緩重點(diǎn)防護(hù)艙室在內(nèi)爆炸作用下的毀傷。

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Water mitigation effect under internal blast

Li Ying1，2，Ren Guangwei2，Zhang Wei2，Zhao Pengduo2，Zhang Lei2，Du Zhipeng2
（1I.nstitute of Advanced Structure Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；2.Naval Academy of Armament，Beijing100161，China）

In this work，we investigated a study of the mechanism governing the internal blast in a warship cabin and the technique for preventing it.We developed a multi－cabin structure and carried out experiments with／without water were on the cabin to record and compare such data as the blast process，the peak pressure，the specific impulse and the quasi－static pressure.The results showed that（1）water could obviously reduce the peak pressure，the specific impulse and the quasi－static pressure，that（2）within a certain range，the greater amount of TNT，the more obvious the attenuation，and that（3）water could constrain the afterburning phenomena and TNT reaction，thereby affecting the formation of the quasi－static pressure.

internal blast loading；mitigation effect；quasi－static pressure；afterburning phenomena；anti－ship missile

O383.1；U663.2 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－1080－07

2016－04－27；

2016－09－27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51509196）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（2014－yb－20）

李 營(yíng)（1988— ），男，博士；通信作者：張 瑋，leehom1029＠sohu.com。

（責(zé)任編輯 曾月蓉）