炸藥殉爆的連續(xù)壓導(dǎo)速度探針判定方法

李科斌，李曉杰,2，王小紅，曹景祥，閆鴻浩，陳 翔

(1.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系，遼寧 大連 116024；2.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024； 3.大連船舶重工集團(tuán)爆炸加工研究所有限公司，遼寧 大連 116311)

引 言

殉爆距離是炸藥的一項重要性能指標(biāo)，它的大小反映了炸藥在沖擊波作用下引發(fā)爆轟的難易程度，對于炸藥生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存以及使用過程中的安全管理具有重要意義。

國內(nèi)外對于炸藥殉爆進(jìn)行了較多研究，日本學(xué)者從1951年便開展了高能炸藥水下殉爆的研究[1]；美國原子能實驗室在1958年對高爆速炸藥殉爆過程中沖擊波和彈片撞擊起到的作用進(jìn)行了分析[2]；1965年，美國礦務(wù)局進(jìn)行了硝酸銨(AN)和銨油炸藥(ANFO)的野外大藥量殉爆試驗[3]，單個裝藥質(zhì)量達(dá)2.5t。我國對工業(yè)炸藥殉爆距離的測量已制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]，推薦使用沙地法和懸吊法進(jìn)行測量。對于被發(fā)裝藥殉爆的判定，最簡單且直接的方法是觀察現(xiàn)場是否有殘留藥卷或飛散的炸藥，這種方法至今仍是我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的判定依據(jù)[5]；另一種較可靠的定性判斷方法是在被發(fā)藥柱尾部鋪設(shè)一塊金屬見證板，通過見證板的變形或破壞程度判斷炸藥是否殉爆，見證板多為鋼板、鉛板或鋁板。澳大利亞國防科學(xué)與技術(shù)組織[6]利用被發(fā)藥柱外殼和見證板的變形及破壞程度來判定被發(fā)裝藥的反應(yīng)情況，比較了傳統(tǒng)PBX炸藥中不同RDX粒度級別對殉爆反應(yīng)的影響。北京理工大學(xué)[7]也進(jìn)行了類似的實驗，分析了GHL炸藥(RDX/Al/Binder)的殉爆情況，并建立仿真模型對藥殼的膨脹、破片的飛散以及被發(fā)藥柱的殉爆進(jìn)行了分析。Los Alamos國家實驗的Allen等[8]則利用方形裝藥配合鉛柱的變形來判斷火箭推進(jìn)劑的殉爆反應(yīng)情況，同時建立了相關(guān)數(shù)值模型。通過高速相機(jī)記錄藥柱的爆轟過程是判定炸藥是否發(fā)生殉爆更直觀的方法，常用于高能炸藥殉爆實驗。日本學(xué)者Itoh等[9]和韓國學(xué)者Young-Hun Ko等[10]分別進(jìn)行了水下裝藥的殉爆實驗，前者通過高速相機(jī)和錳銅壓阻片來分析B炸藥的殉爆情況，后者則通過見證板判斷RDX聚能裝藥的殉爆距離，同時給出了數(shù)值計算結(jié)果。

上述炸藥殉爆的判定方法主要存在如下問題：(1)觀察現(xiàn)場是否有殘留炸藥的方法在判定藥量較大時效果較好，但不能判定被發(fā)裝藥的反應(yīng)狀態(tài)，無法分析炸藥爆轟的發(fā)展情況，利用壓力傳感器進(jìn)行殉爆判定時也存在該缺點(diǎn)[10]；(2)見證板在判斷被發(fā)裝藥反應(yīng)狀態(tài)時能力有限，判定界限模糊；(3)使用高速相機(jī)時儀器設(shè)備昂貴，需做好嚴(yán)格的防護(hù)，操作繁雜，試驗成本較高，且不適合野外大藥量的測試。

為了解決上述問題，本研究研制了一種新型的壓導(dǎo)式連續(xù)電阻絲探針，利用該探針對殉爆試驗中主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的爆速進(jìn)行連續(xù)測量，可連續(xù)記錄炸藥中的爆轟波和空氣中的強(qiáng)沖擊波，從而定量判斷炸藥的殉爆情況，為炸藥殉爆的判定分析提供一種新思路。

1 實 驗

1.1 連續(xù)壓導(dǎo)探針工作原理

新型連續(xù)壓導(dǎo)探針的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中心為一根直徑0.5～1.0mm、螺距0.5～0.8mm的螺紋金屬絲，可采用螺桿線、批花線、細(xì)鋼絲繩、纏絲琴弦或按固定節(jié)距扭轉(zhuǎn)的三角形至六角形麻花型金屬絲；將直徑為0.04～0.1mm、漆包層厚度約為0.016mm的漆包電阻絲對折后緊貼在金屬絲表面，并用絕緣纏繞膜包覆，再用銅箔等作為屏蔽層，最后穿入直徑相近的聚氯乙烯熱縮套管中熱縮后套緊固定。探針整體直徑約為2mm，長度根據(jù)裝藥尺寸而定，一般在50～200cm之間。該探針在外界高壓作用下，內(nèi)部的金屬螺紋將刺穿漆包層使電路導(dǎo)通，因此它除了可以用于爆轟波速度的測量外，也適合沖擊波、高速碰撞等速度的測量。

圖1 連續(xù)壓導(dǎo)速度探針的結(jié)構(gòu)Fig.1 The construction of continuous pressure-conducted velocity probe

基于連續(xù)壓導(dǎo)探針測量炸藥爆速的工作電路如圖2所示，圖中Rc為電纜電阻，R0為分壓電阻，均為已知值。

圖2 連續(xù)爆速的測試電路圖Fig.2 Test circuit of continuous detonation velocity

連續(xù)壓導(dǎo)探針沿炸藥軸向布置，炸藥起爆后，爆轟波沿炸藥不斷向前傳播，壓導(dǎo)探針在爆轟波高溫高壓作用下持續(xù)導(dǎo)通，聯(lián)入電路的有效電阻R(t)則不斷減小，示波器顯示的端電壓V(t)也隨之減小，若電源提供的恒定電壓V0、漆包線單位電阻r和探針的總電阻Ra均已知，則被爆轟波導(dǎo)通部分的探針長度可表示為：

(1)

式(1)表示爆轟波波陣面在任意時刻的位置，若對該式求時間的導(dǎo)數(shù)，即為炸藥的爆速：

(2)

實際測試中，將圖2虛線框內(nèi)的元件組裝成一個整體的測試儀器，即為連續(xù)電阻爆速儀。

需要說明的是，由于連續(xù)壓導(dǎo)探針是在外部壓力作用下利用螺紋金屬絲的螺齒刺破漆包層來實現(xiàn)回路的“開關(guān)”作用，因此從嚴(yán)格意義上講探針的電阻變化并不是連續(xù)的，而是受螺距、爆速等影響的階梯變化，根據(jù)本研究探針的相關(guān)參數(shù)，可計算得到螺齒間電阻絲的阻值變化約為0.27Ω，其電壓變化為2～8mV，然而由于連續(xù)電阻爆速儀受自身噪聲信號的影響，其底噪信號電壓幅度約為26mV，大于螺齒間的電壓變化，螺齒之間的電壓變化信號將被底噪信號所覆蓋，因此實際實驗條件下并不能顯示出理想的階梯變化信號，但由于螺齒間的電阻變化(約0.27Ω)遠(yuǎn)小于探針的總電阻(200～500Ω)，因此這里近似將探針的導(dǎo)通過程視為連續(xù)的電阻變化。

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 樣品及儀器

待測炸藥采用RDX/ANFO混合裝藥，質(zhì)量比分別為0/100%、15%/85%和50%/50%。

爆速儀采用自行研制的DVP-I型連續(xù)電阻爆速儀，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 DVP-I型連續(xù)電阻爆速儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of DVP-I VOD recorder

1.2.2 實驗裝置設(shè)計

利用連續(xù)電阻絲探針判定炸藥殉爆的實驗裝置如圖3所示，試驗支架的安裝與傳統(tǒng)懸吊法[12-13]基本一致，藥柱距離地面的高度應(yīng)不小于800mm；連續(xù)電阻絲探針依次水平穿入主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥中心，探針頭部距離主發(fā)裝藥起爆端不小于3倍藥卷直徑，探針尾部從被發(fā)裝藥尾部引出；將固定好探針的主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥整體置于半圓形管槽內(nèi)，連續(xù)電阻絲探針的輸出端通過同軸電纜與信號采集儀相連；之后調(diào)整藥卷間距為L，并確保兩藥卷處于同一軸心且兩者之間無雜物。

圖3 連續(xù)壓導(dǎo)速度探針的殉爆測量裝置Fig.3 Test setup of sympathetic detonation using continuous velocity probe

1.2.3 實驗過程

將雷管插入主發(fā)裝藥后與起爆線連接，開啟信號采集儀，設(shè)置采樣頻率、采樣長度、觸發(fā)方式等試驗參數(shù)；炸藥被起爆后，通過信號采集儀獲取連續(xù)電阻絲探針的電壓信號曲線；利用式(1)將電壓信號換算為爆轟波-沖擊波的時程曲線后，通過比較爆轟波-沖擊波行程與藥卷和間隔的總長度判斷被發(fā)裝藥是否殉爆，即若爆轟波-沖擊波行程與主/被發(fā)藥卷和空氣間隔的總長度一致時，說明被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆，若行程小于總長度時則表示未殉爆。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理與殉爆的判定

圖4為利用圖3所示裝置獲得的3次不同組分裝藥試驗的探針電壓信號曲線，3次試驗中主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的裝藥尺寸相同，直徑為32mm，長250mm，不同的是試驗1使用RDX/ANFO(質(zhì)量比為15%/85%)的混合裝藥，裝藥密度為0.82g/cm3，藥卷間距L設(shè)定為20mm，而試驗2和試驗3均使用RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)的混合裝藥，密度為0.85～0.90g/cm3，藥卷間距L分別為30mm和100mm。

圖4 連續(xù)爆速儀記錄的探針電壓信號曲線Fig.4 Probe voltage signal curves recorded by the continuous VOD recorder

由圖4可以看出，3次試驗探針總長近似，3條曲線的初始電壓相近(平行段)，當(dāng)主發(fā)裝藥起爆后，爆轟波沿藥卷傳播，在某一時刻開始(約-0.06ms)作用于探針頭部， 在-0.025ms時刻左右，爆轟波到達(dá)主要裝藥末端，進(jìn)入空氣中形成爆炸沖擊波，初始的強(qiáng)沖擊波將繼續(xù)導(dǎo)通探針，若空氣間隔較短，藥卷之間的探針均可被導(dǎo)通(試驗1和試驗2)，但若間隔過長，衰減至一定強(qiáng)度的沖擊波將無法導(dǎo)通探針，出現(xiàn)信號振蕩(試驗3)。由于探針初始總長約870mm(電阻約300Ω)，其中有效部分長420～500mm，若被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆，則爆炸發(fā)生后剩余的探針端電壓應(yīng)在3V左右(試驗2和試驗3)，但若被發(fā)裝藥未發(fā)生殉爆，則剩余部分探針長度約700mm，最終端電壓約為4.5V(試驗1)，因此，根據(jù)圖4的實驗結(jié)果，可初步判斷試驗1的被發(fā)裝藥未殉爆，而試驗2和試驗3則發(fā)生了殉爆。為了進(jìn)一步分析爆轟波和沖擊波的發(fā)展過程，利用式(1)將各試驗的電壓信號分別轉(zhuǎn)化為爆轟波-沖擊波陣面的時程曲線，如圖5所示，對應(yīng)了炸藥殉爆判定中可能出現(xiàn)的3種結(jié)果。

圖5 殉爆判定的3種時程曲線Fig.5 Three time-history curves for the lodgment of sympathetic detonation

圖5(a)為試驗1的爆轟波-沖擊波時程曲線，主發(fā)裝藥的爆轟波首先導(dǎo)通探針(0～150mm)，隨后爆轟波傳播結(jié)束，進(jìn)入空氣中形成爆炸沖擊波，由于空氣間隔較小(20mm)，藥卷之間的探針仍可以被沖擊波壓通(150～170mm)，但由于RDX含量較少，被發(fā)裝藥的感度較低，且沖擊波強(qiáng)度也較小，因此被發(fā)裝藥中并未形成穩(wěn)定的爆轟波，而是以炸藥作為多孔介質(zhì)的沖擊波繼續(xù)衰減至無法導(dǎo)通探針為止(170～205mm)。通過對主發(fā)裝藥穩(wěn)定爆轟段進(jìn)行線性擬合，可知主發(fā)裝藥爆速為3143.8m/s，連續(xù)電阻絲的最大導(dǎo)通長度約為205mm。從而可以得出結(jié)論：RDX/ANFO(質(zhì)量比為15%/85%)的混合裝藥在間隔20mm時未發(fā)生殉爆。

圖5(b)的爆轟波-沖擊波行程對應(yīng)圖4中試驗2的電壓信號，連續(xù)電阻絲探針在主發(fā)裝藥、空氣間隔、被發(fā)裝藥的長度分別為150、30和250mm，爆轟波在主發(fā)裝藥傳播后，進(jìn)入空氣中形成沖擊波并迅速衰減，但由于此時藥卷間距較小，空氣沖擊波的強(qiáng)度仍可以壓通探針，因此探針也完整地記錄了沖擊波的傳播過程(150～180mm)，通過對該段曲線進(jìn)行多項式擬合，得到?jīng)_擊波速度在2237.4～3038.6m/s之間，隨后在沖擊波和爆轟產(chǎn)物的作用下，被發(fā)裝藥被起爆，逐漸發(fā)展成穩(wěn)定的爆轟波并繼續(xù)向前傳播(180～430mm)，連續(xù)電阻絲探針的最大導(dǎo)通長度大于430mm，而通過對主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的爆轟波進(jìn)行線性擬合可得爆速分別為5074.1和4849.9m/s。據(jù)此可以判斷，RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)的混合裝藥在間隔為30mm時發(fā)生了殉爆。

圖5(c)為試驗3的爆轟波-沖擊波時程曲線，探針首先記錄了主發(fā)裝藥的爆轟波傳播(0～150mm)，隨后進(jìn)入空氣中形成爆炸沖擊波，起初的強(qiáng)沖擊波仍可壓通探針(150～170mm)，但由于藥卷間隔較大(100mm)，衰減至一定程度的空氣沖擊波便無法壓通探針，因此出現(xiàn)圖中所示的斷層(170～230mm)，而230～250mm部分的探針又重新被導(dǎo)通，這可能是空氣沖擊波在被發(fā)裝藥端面發(fā)生反射造成的；由于RDX感度較高，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%RDX的被發(fā)藥卷在沖擊波和爆轟產(chǎn)物作用下被起爆，探針繼續(xù)被持續(xù)導(dǎo)通，并且沒有明顯的爆轟波發(fā)展過程，而是直接達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，連續(xù)電阻絲探針的最大導(dǎo)通長度大于430mm，主發(fā)藥卷和被發(fā)藥卷擬合后的爆速分別為5236.3和5235.1m/s。因此RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)的混合裝藥在間隔為100mm時仍發(fā)生了殉爆。

2.2 重復(fù)實驗及殉爆距離的確定

為了確定炸藥殉爆距離的具體值，需要進(jìn)行大量的殉爆重復(fù)試驗，由于ANFO的感度較低，首先對不同配比的RDX/ANFO混合裝藥(RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、15%、50%)在20和30mm間隔下進(jìn)行了兩組試驗，測試得到的電壓信號經(jīng)式(1)換算后的爆轟波-沖擊波時程曲線如圖6所示。

圖6 不同ANFO/RDX配比下20和30mm間隔時的殉爆情況Fig.6 Sympathetic detonation results of the air gaps with 20 and 30mm under different ANFO/RDX ratios

圖6中試驗1與試驗2對應(yīng)的曲線即為圖5(a)和(b)中的曲線，試驗4和試驗5為純銨油炸藥，探針在主發(fā)裝藥中的長度為170mm，擬合爆速分別為1848.2和1922.3m/s，曲線在170mm后迅速趨于水平，即30和20mm的空氣間隔未能使被發(fā)裝藥殉爆；試驗1和試驗6為RDX/ANFO(質(zhì)量比為15%/85%)的混合裝藥，探針在主發(fā)裝藥中的長度為150mm，擬合后的爆速分別為3348.1和3143.8m/s，同樣，根據(jù)曲線的變化可判定30和20mm的空氣間隔也不能使該比例下的被發(fā)裝藥發(fā)生殉爆；試驗2和試驗7為RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)的混合裝藥，探針在主發(fā)裝藥中的長度也是150mm，兩次試驗主發(fā)裝藥的爆速分別為4644.9 和5074.1m/s，與前兩種情況不同，該混合比例下的兩次試驗被發(fā)裝藥均發(fā)生了殉爆，探針依次記錄了主發(fā)裝藥中的爆轟波、空氣中的沖擊波以及被發(fā)裝藥的爆轟波，擬合后可知被發(fā)裝藥的爆速分別為4707.3和4849.9m/s。

為此，選用RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)混合裝藥作為測定殉爆距離的待測炸藥，裝藥密度為0.85～0.90g/cm3，根據(jù)前述判定殉爆的方法，通過不斷調(diào)整藥卷間隔，進(jìn)行了大量重復(fù)性試驗，得到如表2所示的殉爆結(jié)果，并對主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的爆速(分別為D1和D2)進(jìn)行了擬合，表2中試驗2和試驗3對應(yīng)的數(shù)據(jù)即為圖5(a)和(b)中的數(shù)據(jù)。

由表2可知，RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)混合裝藥在密度0.85～0.90g/cm3下的殉爆距離為220mm，且殉爆后的被發(fā)裝藥爆速基本與主發(fā)裝藥一致，兩者相差在0.02%～4.4%之間。此外，該裝藥條件下，壓導(dǎo)探針?biāo)苡涗浛諝鉀_擊波的最大間隔為60mm，于是對于RDX/ANFO(質(zhì)量比為15%/85%)混合裝藥，在L≥220mm時炸藥不能殉爆，曲線同圖5(a)，L≤60mm時，爆轟波-沖擊波時程曲線為圖5(b)類型，60mm≤L≤220mm時為圖5(c)類型。

3 結(jié) 論

(1)基于自行研制的連續(xù)壓導(dǎo)探針設(shè)計了可連續(xù)記錄主發(fā)裝藥爆轟波、空氣沖擊波(沖擊波峰壓pS≥20MPa，波速DS≥2000m/s)和被發(fā)裝藥爆轟波的殉爆試驗裝置。

(2)根據(jù)殉爆判定過程中爆轟波-沖擊波時程曲線可能出現(xiàn)的3種類型，通過分析爆轟波和沖擊波的發(fā)展過程確立了殉爆的判定依據(jù)，即若爆轟波-沖擊波的總行程等于主/被發(fā)藥卷和空氣間隔的總長度時，說明被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆，若行程小于總長度時，則表示未殉爆。

(3)對3種不同RDX/ANFO混合比例下20mm和30mm空氣間隔時的殉爆情況進(jìn)行了分析，并通過大量重復(fù)性試驗確定了RDX/ANFO(質(zhì)量比為50%/50%)混合裝藥的殉爆距離為220mm。