JH-14裝藥水中爆炸特征研究?

周 明 趙云濤 李萬(wàn)全 郗文博 韓魏勐

西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司(陜西西安，710061)

引言

裝藥在水中爆炸時(shí)，通常產(chǎn)生沖擊波、氣泡和后續(xù)壓力波，三者都能使目標(biāo)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(biāo)，通常由試驗(yàn)確定超壓系數(shù)后，再采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(guān)，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(yīng)用和研究，有經(jīng)驗(yàn)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(píng)估JH-14裝藥在水中的爆炸威力出發(fā)，測(cè)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(shí)峰值壓力與作用距離和水深的變化規(guī)律。

1 理論計(jì)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(xué)性質(zhì)有關(guān)，其大小由試驗(yàn)確定。常采用公式近似計(jì)算出k值和α值，再估算水中兵器爆炸時(shí)的峰值壓力、比沖量及能量密度等，然后根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定，確定出水下兵器的威力。由爆炸相似原理進(jìn)行換算，可以得出本試驗(yàn)中所用的JH-14裝藥水中沖擊波超壓系數(shù)k。其計(jì)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(shí)為1，柱面波時(shí)為2；α為TNT炸藥的α值。

kT是TNT炸藥的經(jīng)驗(yàn)值，行業(yè)內(nèi)計(jì)算TNT炸藥水中爆炸自由場(chǎng)沖擊波的峰值壓力時(shí)，選取的k為52.2，α為1.13(此時(shí)壓力單位為MPa)[6-8]。

試驗(yàn)中的主裝藥為JH-14，其組分為96.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的黑索今和3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的添加劑[9]。按混合炸藥爆熱的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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?jǐn)?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(shí)際裝藥密度，g/cm3，JH-14裝藥的密度取1.70 g/cm3。

由式(2)計(jì)算可得，JH-14裝藥的爆熱為5 795 kJ/kg。將計(jì)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(guān)，需要進(jìn)行大量測(cè)試得到。根據(jù)前人的試驗(yàn)結(jié)果，α的數(shù)值波動(dòng)不大，在計(jì)算峰值壓力的理論值時(shí)，借用TNT的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(yàn)計(jì)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(jì)算出的理論值為58.78；α為超壓系數(shù)，取TNT炸藥的經(jīng)驗(yàn)值1.13。

試驗(yàn)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(dāng)量[10]，按爆炸相似率，將式(1)計(jì)算出的k值和TNT的α值代入經(jīng)驗(yàn)公式(3)，可計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)

測(cè)試JH-14裝藥在水下的沖擊波壓力分布，測(cè)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(dāng)沖孔施工作業(yè)深度達(dá)到護(hù)筒下方5m的情況下，應(yīng)使用抽渣筒針對(duì)鉆孔實(shí)施必要的抽渣清理工作。應(yīng)綜合考慮作業(yè)區(qū)域的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)在抽渣的時(shí)候，對(duì)泥漿水分以及黏土之間的比重進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，只有這樣才能夠確保抽渣的效果。

2.1 試驗(yàn)方案

由表1可知，不計(jì)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(cè)試半徑為50 m，最大水深15 m。制定的設(shè)計(jì)測(cè)試方案見表2。

表2 試驗(yàn)布置Tab.2 Test layout

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水池為橢圓形，長(zhǎng)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(dāng)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(shí)，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(wú)限水介質(zhì)中爆炸時(shí)相同或相近，可視為裝藥在無(wú)限水介質(zhì)中爆炸[12]。

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

試驗(yàn)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(cè)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(duì)于水域幾何尺寸的最小限度和壓力傳感器位置的測(cè)試要求[13-14]。樣彈參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)設(shè)施主要包括支架與絞盤、鋼索、繩索。試驗(yàn)樣彈(JH-14裝藥)用吊放設(shè)施投放。試驗(yàn)樣彈位于水池的中心位置。試驗(yàn)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(yàn)設(shè)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(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)樣彈與沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)之間距離分別為10、15、20、25、50 m，通過在試驗(yàn)水池池面鋼索上的懸掛位置來(lái)確定。水深分別為5、10、15 m，由試驗(yàn)樣彈與傳感器懸吊繩帶上的標(biāo)記來(lái)確定。按圖1布置試驗(yàn)樣彈和壓力傳感器。為了減少介質(zhì)對(duì)測(cè)試的影響，每一次爆炸試驗(yàn)前，均對(duì)水下部分進(jìn)行水密處理。

4次爆炸測(cè)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(jìn)行分析。

通過整理4次試驗(yàn)測(cè)試得到的壓力-時(shí)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(shè)置測(cè)量點(diǎn)；第2發(fā)在距爆心25 m的作用距離處，只測(cè)得一個(gè)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(yàn)結(jié)果分析

從表4的試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，同一作用距離處測(cè)試的沖擊波峰值壓力變化不大，即水深對(duì)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(jì)算結(jié)果一致[15]。

表4 沖擊波峰值壓力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(shí)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(yàn)公式計(jì)算出的k和α只能提供參考范圍。炸藥特性不同，相應(yīng)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(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)，整理后的計(jì)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(guān)系可以用一元線性回歸模型進(jìn)行分析。根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，做出的一元線性回歸趨勢(shì)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(jì)算，k為57.01，斜率α為1.131。由試驗(yàn)計(jì)算出的k和α與理論值存在一定的偏差，這是因?yàn)楸ㄏ嗨评碚搶?duì)水中沖擊波壓力峰值的計(jì)算公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化。實(shí)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(yàn)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(shè)計(jì)在水中爆炸壓力計(jì)算的依據(jù)。

4 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)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(duì)峰值壓力的影響，僅能作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的初步參考，測(cè)算不同種類的炸藥在水中的爆炸威力時(shí)，仍需由試驗(yàn)來(lái)確定超壓系數(shù)k與α。對(duì)于本次試驗(yàn)可以得出如下結(jié)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(shí)，水深對(duì)峰值壓力的影響很小，可以忽略。

2)對(duì)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(jì)算時(shí)，可取k為57.01，α為1.131。