快速拼裝式防爆墻消波性能試驗研究

葛 濤, 曹洪瑞, 張志剛

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,西安 710038; 2.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

目前，防爆墻是防護(hù)工程領(lǐng)域的研究熱點，已成為戰(zhàn)場臨時防護(hù)和重要目標(biāo)反恐防爆的有效措施。在重要目標(biāo)外一定距離設(shè)置防爆墻，將有效降低爆炸沖擊波和破片的破壞作用，降低裝備損失和人員傷亡概率?？焖倨囱b式防爆墻可以迅速在目標(biāo)外圍構(gòu)筑起防護(hù)屏障，通過直接反射爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波，自身變形及填料的飛散、摩擦吸收和消耗爆炸沖擊波能量來達(dá)到防護(hù)目的。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用試驗研究[1-4]、理論分析[5-7]和數(shù)值計算[8-11]等方法對防爆墻進(jìn)行了大量研究。穆朝民等[12]采用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的手段，對爆炸沖擊波作用于防爆墻的荷載與沖擊波繞流規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了爆炸沖擊波繞流的內(nèi)在機(jī)理和防爆墻周圍沖擊波流場的分布規(guī)律；張耀等[13]利用AUTODYN軟件模擬了水體防爆墻和鋼筋混凝土防爆墻對地面爆炸沖擊波的削弱作用，對比了兩種防爆墻的消波性能，分析了沖擊波作用于兩種防爆墻時各物質(zhì)間能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律；洪武等[14]采用AUTODYN軟件研究了非直立剛性防爆墻墻后沖擊波超壓分布情況，指出不同傾斜情況的墻體消波效果相當(dāng)；丁娜娜等[15]采用LS-DYNA程序?qū)Ρ_擊波遇到懸臂式防爆墻時的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與無防爆墻時進(jìn)行了對比，得到了防爆墻墻后超壓的衰減率。

先前的研究多數(shù)采用數(shù)值模擬方法，已進(jìn)行的爆炸試驗多為縮比例或小當(dāng)量近距離試驗，目前關(guān)于快速拼裝式防爆墻的原型爆炸試驗較少。本文對不同裝配形式的快速拼裝式防爆墻進(jìn)行炮彈靜爆試驗，測得了防爆墻墻后沖擊波超壓分布規(guī)律，并與無墻時自由場超壓的CONWEP程序計算值對比，分析了快速拼裝式防爆墻的消波性能。

1 試驗概況

1.1 試驗構(gòu)件

快速拼裝式防爆墻墻體結(jié)構(gòu)單元由低碳鋼絲焊接形成骨架，通過螺旋鉸鏈組裝連接成可拆裝、可重復(fù)利用的鋼網(wǎng)，并內(nèi)襯高抗拉優(yōu)質(zhì)土工布，再經(jīng)填充砂、土、石子形成墻體，如圖1所示。炮彈采用122 mm、130 mm、152 mm殺爆彈戰(zhàn)斗部，其炸藥類型為TNT，裝藥量分別為3.2 kg、3.5 kg、5.8 kg，如圖2所示。

圖1 防爆墻單元

圖2 試驗炮彈

1.2 量測系統(tǒng)及設(shè)備

試驗中采用壓力傳感器測量防爆墻迎爆面和墻后地面的沖擊波超壓，如圖3(a)、(b)所示。反射超壓傳感器選用不同量程的Kistler傳感器，輸出信號為電壓，該壓力傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、后續(xù)電路簡單、零漂小、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。選用天奧SC56671便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為采集儀(如圖4所示)，采樣率使用2 MHz，負(fù)延時250 ms，采樣時間2 s。試驗時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用斷靶外觸發(fā)方式，在戰(zhàn)斗部上纏繞斷靶線，戰(zhàn)斗部起爆后繃斷斷靶線，數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得一個階躍信號(0～5 V)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(a) 迎爆面?zhèn)鞲衅鱮

(b) 墻后地面?zhèn)鞲衅?/p>

圖4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

1.3 試驗布置

將不同規(guī)格防爆墻按照圖5進(jìn)行布設(shè)。試驗采用一爆多用的方法，每一發(fā)炮彈靜爆試驗均對距爆心5 m、10 m和15 m的防爆墻進(jìn)行測試，墻體布置保證每組墻體墻面中心與爆炸中心在一條直線上，且保證爆炸波傳遞到所有墻體迎爆面上。防爆墻尺寸見表1所示。

表1 防爆墻單元尺寸

每發(fā)炮彈靜爆過程中分別測試1#、2#、4#、5#防爆墻迎爆面正中心處及正中心水平間隔1個防爆墻單元長度處沖擊波超壓及其墻后0.5 m、1.5 m和3.0 m處的地面沖擊波超壓，超壓測點位置，見圖5所示。

試驗依次在爆心處以雷管和起爆藥柱起爆的方式靜爆1發(fā)122 mm殺爆彈，1發(fā)130 mm殺爆彈，2發(fā)152 mm殺爆彈，其中1發(fā)152殺爆彈為淺埋狀態(tài)，彈丸水平放置，彈軸與1#墻平行，彈體最頂端距地面0.08 m，其余殺爆彈豎直放置在彈架上，爆心距地面均為1 m。

圖5 試驗布置圖

2 試驗結(jié)果及分析

目前，研究者針對爆炸沖擊波的傳播規(guī)律主要采用沖擊波壓力、超壓峰值等參數(shù)來描述，而這些參數(shù)一般通過比例爆距來表達(dá)。比例爆距定義為：

(1)

式中:R為測點與爆心之間的距離，m；C為等效TNT藥量，kg。

2.1 試驗數(shù)據(jù)

對靜爆試驗中防爆墻迎爆面和墻后測點的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了不同比例爆距下的沖擊波超壓時程曲線，圖6、圖7給出了部分比例爆距下沖擊波超壓時程曲線圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示122 mm殺爆彈靜爆條件下1#墻、130 mm殺爆彈靜爆條件下2#墻、152 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻、122 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻的沖擊波時程曲線。

圖6 迎爆面沖擊波超壓時程曲線

Fig.6 P-t waves of on Anti-blast Wall surface of attack

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 防爆墻周圍沖擊波流場

將不同比例爆距下防爆墻迎爆面和墻后沖擊波超壓峰值進(jìn)行對比，表2給出了部分比例爆距下超壓峰值試驗結(jié)果，其中四種比例爆距下試驗結(jié)果分別表示122 mm殺爆彈靜爆條件下1#墻、130 mm殺爆彈靜爆條件下2#墻、152 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻、122 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻的沖擊波超壓峰值。

表2 沖擊波超壓峰值

2.2.1 防爆墻消波效應(yīng)

防爆墻對沖擊波的削弱作用直接決定了其防護(hù)性能的好壞，對于墻后重要目標(biāo)的安全設(shè)防研究具有重要意義。因此，定義快速拼裝式防爆墻超壓消波效應(yīng)系數(shù)WP，以此來分析快速拼裝式防爆墻的消波性能，消波效應(yīng)系數(shù)的計算公式為：

(2)

式中:ΔPb表示有防爆墻時墻后沖擊波超壓，ΔP0表示無防爆墻時自由場沖擊波超壓。由試驗結(jié)果可知，防爆墻墻后沖擊波超壓與墻后比例距離有關(guān)?，F(xiàn)定義墻后比例距離為：

(3)

式中：R2為墻后測點距防爆墻背爆面的距離，m；C為炸藥裝藥量，kg。

圖7 墻后沖擊波超壓時程曲線

Fig.7 P-t waves back of Anti-blast Wall

由式(2)可知，有防爆墻時墻后沖擊波超壓ΔPb越小，快速拼裝式防爆墻的消波效應(yīng)系數(shù)越大，表明防爆墻消波性能越好。若通過爆炸試驗，找到消波效應(yīng)系數(shù)WP的變化規(guī)律，結(jié)合爆炸沖擊波在自由場中的超壓和沖量經(jīng)驗公式，則可根據(jù)消波效應(yīng)系數(shù)的計算公式反算防爆墻后沖擊波超壓ΔPb，從而為確定墻后重要目標(biāo)和人員的設(shè)防安全距離提供依據(jù)。

為研究防爆墻對沖擊波超壓的消減效應(yīng)，利用CONWEP程序計算了對應(yīng)靜爆試驗中無防爆墻時相同測點的爆炸沖擊波自由場超壓，表3給出了無防爆墻時炮彈靜爆試驗的墻后測點沖擊波超壓峰值，其中爆距采用炸藥到防爆墻迎爆面的距離R1。

表3 自由場超壓峰值CONWEP程序計算值

圖8 WP隨墻后比例距離的變化曲線

(a) 墻后0.5 m

(b) 墻后1.5 m

(c) 墻后3 m

(a) 炸藥當(dāng)量C=3.2 kg

(b) 炸藥當(dāng)量C=3.5 kg

(c) 炸藥當(dāng)量C=5.8 kg

(4)

式中：H為防爆墻高度，m；C為炸藥裝藥量，kg。

3 結(jié) 論

(1) 作用于防爆墻迎爆面的反射超壓一般比墻后的最大繞射超壓大一個數(shù)量級，比例爆距和墻后測點距離對防爆墻繞射超壓有較大影響；

(3) 防爆墻消波性能受比例爆距和比例墻高共同影響，不能單純依靠比例爆距判斷墻體消波能力。