動爆沖擊波傳播特性實驗研究

姬建榮，蘇健軍，陳 君，陳 皓，賈養(yǎng)育

(1.西安近代化學研究所， 西安 710065； 2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065)

沖擊波是彈藥爆炸的重要毀傷元，彈藥在實際工作過程中都是在運動狀態(tài)下爆炸的，當彈藥有一定運動速度時，相比靜爆，沖擊波的分布特征會發(fā)生變化，研究運動條件下的爆炸沖擊波特性對爆炸威力評價具有著重要意義。

20世紀50年代，Ф·А鮑姆等[1]關(guān)于裝藥運動速度對于爆炸效應的影響進行了初步理論分析研究。桑希爾(C.K.Thornhill)和海塞林頓(R.Hetherington)從理論上分析了裝藥爆炸時刻的運動速度對爆炸沖擊波特性的影響[2]。美國陸軍彈道研究所(BRL)利用滑膛炮對B炸藥和Pentolite兩種球形裝藥進行了動態(tài)加載實驗，得到了裝藥運動速度下的爆炸沖擊波分布參數(shù)[3-4]。

國內(nèi)關(guān)于動爆沖擊波研究方面較少，目前的工作以計算仿真為主。張光瑩等[5]提出了一種理論方法與計算機仿真實驗方法相結(jié)合研究運動裝藥在距地面一定高度發(fā)生爆炸產(chǎn)生沖擊波特性的方法，給出了100 kg TNT裝藥在速度為200 m/s時的爆炸沖擊波壓力-時程曲線。謝美華[6]針對不同類型的導彈實驗之間存在的差異，利用回歸分析方法對異類實驗數(shù)據(jù)進行聯(lián)合建模，給出了動爆與靜爆實驗數(shù)據(jù)差異分析的一種參數(shù)化方法。蔣海燕等[7]采用AUTODYN對不同速度裝藥的爆炸沖擊波場進行數(shù)值模擬，獲得動爆條件下的沖擊波場演化過程及沖擊波超壓分布特征，建立動爆沖擊波超壓的工程計算模型。聶源等[8]對球形裝藥動態(tài)爆炸沖擊波超壓場計算模型，采用Baker計算公式加入修正因子進行修正。暢博等[9]利用AUTODYN研究了運動炸藥近地爆炸沖擊波場分布特性，認為3倍比例距離外運動速度對地面峰值超壓的增益無明顯差異。

由于動爆實驗爆點位置難以精確控制，國內(nèi)針對動爆沖擊波開展實驗研究較少，理論模型尚未建立，仿真數(shù)據(jù)缺乏驗證，不能對動爆沖擊波給予很好描述。本文通過設(shè)計動爆實驗，獲取了動爆沖擊波初始變化圖像及沖擊波壓力參數(shù)，為動爆沖擊波場研究提供了依據(jù)。

1 實驗

為研究動爆條件下的沖擊波分布特征，選取某榴彈進行了靜爆與動爆實驗并對二者進行比較。實驗樣彈裝藥量約8.7 kg TNT當量，裝藥長徑比為3.4。其中靜爆實驗炸高為2 m，采用8#電雷管起爆。動爆實驗采用火炮對樣彈進行水平動態(tài)加載，預設(shè)加載炮口速為680 m/s，在距炮口軸線方向設(shè)置目標靶，靶面與炮口中線垂直，中心距地高度2 m，采用短延期瞬發(fā)引信前端起爆。動態(tài)實驗經(jīng)過調(diào)試，樣彈可在穿靶后約2 m處起爆，現(xiàn)場布設(shè)如圖1所示。

圖1 實驗方法示意圖

實驗在距離靜爆爆點及動態(tài)預設(shè)爆點位置地面投影中心2 m、3 m、4 m、6 m、8 m、10 m布設(shè)了測點。以樣彈彈頭方向為0°方向，沿逆時針0°、90°、180°三個方向布設(shè)地面沖擊波超壓傳感器，采用的是美國PCB 113B系列沖擊波傳感器，其諧振頻率≥250 kHz，單通道采樣速率1 MS/s，實驗前對傳感器采取隔振及熱防護處理。

在90°方向架設(shè)激光高速攝影系統(tǒng)，幀頻5 000幀/s，存儲長度可完整記錄樣彈撞擊靶板、樣彈起爆到爆轟產(chǎn)物傳播到壓力測點范圍變化過程，如圖2所示。

圖2 測點布設(shè)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 靜爆與動爆沖擊波變化過程

利用激光高速攝影系統(tǒng)獲取了樣彈靜爆及動爆后的動態(tài)影像，并對其進行了圖像處理。為便于比較，取樣彈瞬時爆轟時間為0時刻，其中右側(cè)為彈頭方向，定義為正向；左側(cè)為彈底方向，定義為負向。

樣彈靜爆過程如圖3所示，初始時爆轟產(chǎn)物在沖擊波作用下快速膨脹，受彈體形狀的影響，爆轟產(chǎn)物在正向與負向分布存在差異，沖擊波陣面并不規(guī)則；在800 μs時沖擊波與爆轟產(chǎn)物逐漸分離。在1 000 μs時兩側(cè)沖擊波陣面基本對稱分布；隨著沖擊波的擴展，約2 000 μs時可觀察到地面反射沖擊波，并在3 000 μs時可清晰觀測到馬赫桿。其后沖擊波進一步擴展，逐步形成較為光滑的沖擊波。

圖3 靜爆實驗影像圖

樣彈動態(tài)起爆過程如圖4所示。經(jīng)專用軟件判讀，樣彈實際起爆瞬時速度為618 m/s,彈體幾何中心距預定爆心向速度方向前移0.56 m，高度方向較預設(shè)位置下偏0.4 m，橫向位置沿測線方向偏移0.1 m。

通過圖4可以看出：受彈藥運動速度的影響，爆轟產(chǎn)物在起爆后仍以一定的速度向前運動，在向外膨脹過程中爆轟產(chǎn)物形態(tài)上較為“光滑”，受彈體形狀影響較小。分析認為該過程與速度引起的阻力變化關(guān)系密切，有待進一步深入研究。約800 μs時，負向沖擊波先于正向沖擊波從產(chǎn)物中分離；而正向沖擊波約1 000 μs時才開始該過程。隨著沖擊波的逐步擴展，與地面作用后產(chǎn)生反射沖擊波，并對入射沖擊波“追趕”，約2 000 μs時正向已出現(xiàn)馬赫桿，而負向馬赫桿出現(xiàn)時間則大于3 000 μs。

圖4 動態(tài)實驗影像圖

取起爆時刻樣彈幾何中心為參考點，對不同時刻正向與負向沖擊波陣面所在位置進行判讀，得到靜爆與動爆條件下沖擊波陣面?zhèn)鞑ニ俣龋鐖D5所示?？梢钥闯?，靜爆時正向與負向沖擊波速度較為接近；而在動爆條件下，正向沖擊波速度明顯大于靜爆沖擊波速度，負向沖擊波速度則明顯小于靜爆沖擊波速度。

2.2 沖擊波中心位移變化

仍取起爆時刻實驗樣彈幾何中心為參考點，根據(jù)爆炸沖擊波波陣面變化圖像，以沿彈軸中心線為x軸，正向及負向沖擊波陣面所在位置取平均值作為“沖擊波中心”，如圖6所示，獲得彈藥在不同運動速度下的沖擊波中心沿裝藥爆炸時刻速度方向的位移隨時間的變化曲線，以及沖擊波傳播中心速度隨時間的變化曲線。

可以看出，動爆沖擊波中心位移隨時間沿彈藥運動正向移動，但運動速度逐漸降低，并趨于穩(wěn)定值，接近300 m/s。而靜爆沖擊波中心在約100 mm附近波動，可能與樣彈中心位置選取有關(guān)，即初始沖擊波陣面中心與其幾何中心并不重合，但中心速度在0 m/s附近波動，如圖7所示。

圖5 靜爆與動爆沖擊波速度

圖6 沖擊波傳播中心選取示意圖

圖7 沖擊波中心位移/速度隨時間變化曲線

2.3 沖擊波超壓比較

2.3.1沖擊波超壓測試曲線

實驗測試結(jié)果受破片影響較大，90°測線方向破片較為密集，0°(正向)測線方向與180°(負向)測線方向破片較少，對于90°測線方向數(shù)據(jù)未能全面獲取，典型靜爆沖擊波超壓曲線如圖8所示。

圖8 靜爆0°方向沖擊波超壓測試曲線

圖9 動爆0°方向沖擊波超壓測試曲線

2.3.2沖擊波超壓結(jié)果分析

實驗利用沖擊波壓力傳感器獲取了靜爆沖擊波超壓與動爆沖擊波超壓，靜爆結(jié)果如表1所示。

表1 靜爆沖擊波超壓

由于樣彈在動爆過程中，實際位置與預定位置有偏差，為便于與靜爆實驗結(jié)果分析，需要對其進行修正。由于實驗彈位置的偏差主要來源于高度方向(-0.4 m)和水平方向(-0.56 m)，依據(jù)實際距離對沖擊波超壓進行換算。

由炸藥爆炸理論可知，當彈藥有一定炸高時，對于非正規(guī)反射，若在地面上測量沖擊波超壓，則存在一臨界角φ0(一般認為約為42°)。當入射角φ>φ0時，該處所測應為馬赫波壓力，當φ0<φ<90°時，存在式(1)～式(3)關(guān)系：

ΔPR=ΔPmg(1+cosφ)

(1)

(2)

(3)

對于實驗彈，對于同一處測點，設(shè)樣彈預設(shè)高度為H1，實際高度H2，則測點處相對爆心角度分別為

采用SPSS 17.0軟件，比較鼻出血患者血型構(gòu)成比與同期我院住院患者中創(chuàng)傷類患者血型構(gòu)成比，采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

則存在

ΔPR1/ΔPR2=(1+cosφ1)/(1+cosφ2)

(4)

利用式(4)，根據(jù)樣彈沿速度方向的偏移量對實驗結(jié)果進行修正，即將靜爆與動爆中心點統(tǒng)一到同一參考坐標系下，結(jié)果見表2所示。

表2 修正后的沖擊波超壓

0°測線：

(5)

90°測線：

(6)

180°測線：

(7)

對沖擊波正壓時間也進行了對比分析，記靜爆與動爆沖擊波正壓時間分別為ts和td,取(td-ts)隨距離變化進行對比，如圖11所示，可以看出，對于0°測線，沖擊波正壓時間明顯減小，而對于90°與180°測線，沖擊波正壓時間較為接近。

圖關(guān)系曲線

圖11 (td-ts)-r關(guān)系曲線

關(guān)于不同方向的動爆沖擊波特性，分析認為根據(jù)文獻[3]提到的動爆沖擊波模型，沖擊波中心較樣彈幾何中心向運動速度正向移動，其中R為沖擊波波陣面到爆心的距離，r為沖擊波波陣面到“沖擊波中心”的距離。

根據(jù)Rankine-Hugoniot方程，沖擊波速度D與沖擊波超壓峰值P存在以下關(guān)系：

(8)

式中：P0為大氣壓力，γ為絕熱指數(shù)，c0為當?shù)乜諝饴曀佟?/p>

由式(8)可知，動爆沖擊波超壓峰值Pd與靜爆沖擊波超壓峰值Ps的關(guān)系為

(9)

式中：Dd和Ds分別為動爆沖擊波速度和靜爆沖擊波速度。

根據(jù)圖5沖擊波速度對比，以及文獻[3]動爆沖擊波模型，結(jié)合式(9)可知，對于動爆沖擊波超壓，沿運動速度正向應具有增強作用，沿運動速度負向應減弱。同時注意到在90°方向，由于運動速度影響，爆轟產(chǎn)物仍向前移動，實際測點布設(shè)是以樣彈幾何中心為參照，故沖擊波超壓值也應減弱，這與實際沖擊波超壓測試是吻合的。

實驗過程中由于破片的作用，未獲取到全部測點有效數(shù)據(jù)，關(guān)于動爆威力場的形成機理仍有待進一步深入研究。

3 結(jié)論

1) 沿彈藥運動正向沖擊波速度大于靜爆沖擊波速度，而運動速度負向沖擊波速度小于靜爆沖擊波速度；

2) 沿運動速度正向沖擊波超壓具有增強作用，本次實驗中增壓系數(shù)最高可達2.5倍；而在90°方向和運動速度負向沖擊波則減弱，平均減壓系數(shù)分別為0.70倍和0.57倍。

3) 動爆與靜爆過程中形成馬赫波的時間不一致，受運動速度的影響，沿動態(tài)運動速度正向三波點出現(xiàn)時間早于靜爆，負向三波點出現(xiàn)的時間晚于靜爆。