JH-14裝藥水中爆炸特征研究?

周 明 趙云濤 李萬全 郗文博 韓魏勐

西安物華巨能爆破器材有限責任公司(陜西西安，710061)

引言

裝藥在水中爆炸時，通常產(chǎn)生沖擊波、氣泡和后續(xù)壓力波，三者都能使目標受到一定程度的破壞[1]。水中沖擊波爆炸峰值壓力是衡量水中兵器威力大小的重要指標，通常由試驗確定超壓系數(shù)后，再采用經(jīng)驗公式計算。水中兵器(魚雷、水雷、深水炸彈等)的爆炸威力與炸藥的性能、工藝以及作用方式等息息相關，梯黑鋁炸藥及其他典型炸藥在水下兵器中得到了廣泛的應用和研究，有經(jīng)驗公式和數(shù)值可供參考[2-3]；而JH-14裝藥作為主裝藥，在水下爆炸沖擊波性能尚不明確。

本文中，從評估JH-14裝藥在水中的爆炸威力出發(fā)，測試了不同水深和作用距離處的沖擊波峰值壓力，擬合出水下爆炸沖擊波超壓系數(shù)k和α的值，并分析了JH-14裝藥在水下爆炸時峰值壓力與作用距離和水深的變化規(guī)律。

1 理論計算

1.1 峰值壓力系數(shù)k和α的理論值

k和α是炸藥在水中爆炸沖擊波的峰值壓力系數(shù)(也叫超壓系數(shù))，與炸藥物理化學性質(zhì)有關，其大小由試驗確定。常采用公式近似計算出k值和α值，再估算水中兵器爆炸時的峰值壓力、比沖量及能量密度等，然后根據(jù)試驗進行精準測定，確定出水下兵器的威力。由爆炸相似原理進行換算，可以得出本試驗中所用的JH-14裝藥水中沖擊波超壓系數(shù)k。其計算公式如式(1)所示[4]。

式中：ki為某炸藥的k；kT為 TNT炸藥的k；QvT為TNT 爆熱，kJ/kg，按ρ0＞1.52 g/cm3的狀態(tài)值[5]，取4 226 kJ/kg；Qvi為某炸藥爆熱，kJ/kg；N為爆轟波的形狀參數(shù)，球形波時為1，柱面波時為2；α為TNT炸藥的α值。

kT是TNT炸藥的經(jīng)驗值，行業(yè)內(nèi)計算TNT炸藥水中爆炸自由場沖擊波的峰值壓力時，選取的k為52.2，α為1.13(此時壓力單位為MPa)[6-8]。

試驗中的主裝藥為JH-14，其組分為96.5%(質(zhì)量分數(shù))的黑索今和3.5%(質(zhì)量分數(shù))的添加劑[9]。按混合炸藥爆熱的經(jīng)驗公式計算其爆熱，如式(2)所示[5]。

式中：mi為混合炸藥各組分的質(zhì)量分數(shù)；Qoi為各組分的特征熱值，kJ/kg；Bi為各組分的的密度修正系數(shù)；ρT為混合炸藥的理論密度，g/cm3，JH-14的理論密度為1.82 g/cm3；ρ為混合炸藥的實際裝藥密度，g/cm3，JH-14裝藥的密度取1.70 g/cm3。

由式(2)計算可得，JH-14裝藥的爆熱為5 795 kJ/kg。將計算出的JH-14裝藥的爆熱代入式(1)中，可得出k為58.78。

α與炸藥爆轟波的波形參數(shù)、爆熱和爆轟壓力有關，需要進行大量測試得到。根據(jù)前人的試驗結果，α的數(shù)值波動不大，在計算峰值壓力的理論值時，借用TNT的經(jīng)驗值1.13作為JH-14裝藥峰值壓力系數(shù)α的估算值。

1.2 沖擊波峰值壓力計算

爆炸沖擊波在傳播過程中，其壓力峰值隨傳播距離的增加而迅速衰減，根據(jù)爆炸相似率，其壓力峰值與距離及藥量的經(jīng)驗計算式如式(3)所示。

式中：R為炸藥距爆心距離，m；ω為TNT藥量，kg；pm為沖擊波峰值壓力，MPa；k為超壓系數(shù)，用式(1)計算出的理論值為58.78；α為超壓系數(shù)，取TNT炸藥的經(jīng)驗值1.13。

試驗中的JH-14裝藥以黑索今為主體，藥量200 g，約為1.2倍的TNT當量[10]，按爆炸相似率，將式(1)計算出的k值和TNT的α值代入經(jīng)驗公式(3)，可計算不同作用距離處沖擊波峰值壓力pm，理論值如表1所示。

表1 沖擊波峰值壓力理論值Tab.1 Theoretical value of shock wave pressure

按照王中黔[11]的分析，△p≤0.3 kg/cm2(換算為0.03 MPa)，可作為水下爆炸沖擊波作用于人體而不至于受傷的安全標準。

2 試驗

測試JH-14裝藥在水下的沖擊波壓力分布，測試系統(tǒng)主要由JH-14裝藥、沖擊波壓力傳感器、傳輸電纜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

當沖孔施工作業(yè)深度達到護筒下方5m的情況下，應使用抽渣筒針對鉆孔實施必要的抽渣清理工作。應綜合考慮作業(yè)區(qū)域的實際情況，保證抽渣沒有明顯的粗顆粒。要想確保抽渣質(zhì)量滿足標準要求，應在抽渣的時候，對泥漿水分以及黏土之間的比重進行適當?shù)卣{(diào)整，只有這樣才能夠確保抽渣的效果。

2.1 試驗方案

由表1可知，不計水深影響，在距爆心50 m的作用距離處，JH-14裝藥水中爆炸后的沖擊波壓力為0.413 MPa，與安全距離處的壓力值0.030 MPa相比，有很大的裕量；據(jù)此確定最大測試半徑為50 m，最大水深15 m。制定的設計測試方案見表2。

表2 試驗布置Tab.2 Test layout

2.2 試驗條件

試驗水池為橢圓形，長軸約130 m，短軸約80 m，最深處直徑約為60 m，水深h為25 m。裝藥半徑r0為30 mm，裝藥沉深H最小為5 m。研究表明，當在水深h與裝藥半徑r0之比大于10～20、裝藥沉深H與裝藥半徑r0之比大于5～10的深水中爆炸時，水中沖擊波峰值壓力基本不受自由水面和水底反射的影響，裝藥與無限水介質(zhì)中爆炸時相同或相近，可視為裝藥在無限水介質(zhì)中爆炸[12]。

測壓傳感器采用32通道瞬態(tài)信號記錄儀，每通道采樣率1M/s，精度±0.05%，通過計算機軟件監(jiān)測壓力傳感器采集數(shù)據(jù)。

試驗樣彈為圓柱形，殼體尺寸為?60 mm×60 mm，殼體厚度1.5 mm。裝填炸藥為JH-14，藥量200 g，裝藥密度為1.70 g/cm3，采用引信中心起爆形式。測試樣彈放在水下5 m及以下位置處，滿足沖擊波能和氣泡能對于水域幾何尺寸的最小限度和壓力傳感器位置的測試要求[13-14]。樣彈參數(shù)如表3所示。

試驗設施主要包括支架與絞盤、鋼索、繩索。試驗樣彈(JH-14裝藥)用吊放設施投放。試驗樣彈位于水池的中心位置。試驗樣彈與壓力傳感器均位于水下同一深度處。示意圖見圖1。

圖1 試驗設施布置示意圖Fig.1 Layout diagram of the test facility

表3 樣彈參數(shù)表Tab.3 Parameters of the sample

2.3 試驗測試

試驗樣彈與沖擊波壓力測點之間距離分別為10、15、20、25、50 m，通過在試驗水池池面鋼索上的懸掛位置來確定。水深分別為5、10、15 m，由試驗樣彈與傳感器懸吊繩帶上的標記來確定。按圖1布置試驗樣彈和壓力傳感器。為了減少介質(zhì)對測試的影響，每一次爆炸試驗前，均對水下部分進行水密處理。

4次爆炸測試過程中，傳感器都采集到了壓力曲線，如圖2所示。因4次爆炸的壓力曲線圖類似，故以第1發(fā)爆炸壓力曲線為例進行分析。

通過整理4次試驗測試得到的壓力-時間曲線，可得到距爆心不同作用距離處爆炸沖擊波的峰值壓力數(shù)據(jù)。其中，第1發(fā)、第3發(fā)、第4發(fā)在距爆心10 m的作用距離處，未設置測量點；第2發(fā)在距爆心25 m的作用距離處，只測得一個數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)見表4所示。

圖2 第1發(fā)樣彈爆炸壓力曲線Fig.2 Explosive pressure curve of the first sample

3 試驗結果分析

從表4的試驗數(shù)據(jù)上可以看出，小藥量JH-14裝藥在水中不同作用距離(距爆心的距離)處爆炸時，沖擊波峰值壓力隨著作用距離的增大而減少，數(shù)據(jù)分析見圖3。小藥量JH-14裝藥在不同水深處爆炸時，同一作用距離處測試的沖擊波峰值壓力變化不大，即水深對沖擊波峰值壓力的影響較小。數(shù)據(jù)分析見圖4。這與魯忠寶的仿真計算結果一致[15]。

表4 沖擊波峰值壓力測試結果統(tǒng)計Tab.4 Statistics on peak pressure test results of shock waves MPa

圖3 不同水深處的峰值壓力Fig.3 Peak pressure at the different depth

圖4 不同作用距離處的峰值壓力Fig.4 Peak pressure at the same operating distance

實際上，水下爆炸沖擊波峰值壓力受很多因素的影響，使用經(jīng)驗公式計算出的k和α只能提供參考范圍。炸藥特性不同，相應的系數(shù)k和α不同，k的大小影響炸藥沖擊波的幅度，k越大，幅度越高。α則反映了沖擊波在傳播過程中變化的快慢程度，α越大，說明沖擊波衰減越快[16]。

對式(3)兩邊取對數(shù)，整理后的計算式如式(4)所示。

從式(4)可以看出，該公式就是以ln(ω1/3/R)為自變量，以lnpm為因變量的線性函數(shù)。其變量關系可以用一元線性回歸模型進行分析。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，做出的一元線性回歸趨勢線如圖5所示。

圖5 線性回歸模型擬合圖Fig.5 Fitting graph of linear regression model

擬合出的公式為y=1.130 7x＋4.043 2，線性擬合程度R2=0.995 7，截距4.043 2就是lnk的值，經(jīng)計算，k為57.01，斜率α為1.131。由試驗計算出的k和α與理論值存在一定的偏差，這是因為爆炸相似理論對水中沖擊波壓力峰值的計算公式進行了簡化。實際上，裝藥在水下爆破產(chǎn)生的沖擊波受到諸如殼體材料及厚度[17]、爆炸深度[18]、爆炸角度[19]、裝藥密度等諸多因素的影響。

由試驗確定出的超壓系數(shù)k為57.01，α為1.131，可作為JH-14類裝藥產(chǎn)品設計在水中爆炸壓力計算的依據(jù)。

4 結論

經(jīng)驗公式(3)忽略了殼體材料及厚度、爆炸深度、爆炸角度、裝藥密度等對峰值壓力的影響，僅能作為產(chǎn)品設計時的初步參考，測算不同種類的炸藥在水中的爆炸威力時，仍需由試驗來確定超壓系數(shù)k與α。對于本次試驗可以得出如下結論：

1)同一作用距離處，小藥量JH-14裝藥在水深5～15 m的范圍內(nèi)爆炸時，水深對峰值壓力的影響很小，可以忽略。

2)對于小藥量JH-14裝藥而言，用水下爆炸沖擊波峰值壓力公式計算時，可取k為57.01，α為1.131。