真空條件下炸藥爆炸特性試驗(yàn)研究

張廣華，李彪彪，沈 飛，王勝?gòu)?qiáng)，王 輝

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

通訊作者:王輝(1977-)，男，研究員，從事炸藥爆轟性能試驗(yàn)與理論研究。E-mail:land_wind@163.com

引 言

隨著高效毀傷技術(shù)的不斷發(fā)展，將炸藥或裝載炸藥的元器件用于高空或太空環(huán)境越來(lái)越成為一種可能。高空環(huán)境下由于缺少空氣介質(zhì)，炸藥的釋能特性及能量的傳播方式與空氣中爆炸有所不同。炸藥在空氣中爆炸后的能量釋放是爆炸與毀傷研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員對(duì)其開(kāi)展了大量研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，用于對(duì)炸藥在空氣中爆炸后的威力場(chǎng)進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外關(guān)于炸藥在真空環(huán)境下的釋能特性研究起步相對(duì)較晚，但也取得了一些研究成果[1-2]。Silnikov等[3]對(duì)比了常壓和高空環(huán)境下爆炸威力參量的變化規(guī)律，并分析了不同氣壓條件下爆炸沖擊波對(duì)飛行器的破壞；Veldman等[4]研究了環(huán)境壓力對(duì)反射沖擊波超壓及沖量的影響；李科斌等[5]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同真空度下爆炸近場(chǎng)特征參量的變化規(guī)律進(jìn)行了分析；黃亞峰[6]、楊雄等[7]分別對(duì)真空環(huán)境下不同含鋁炸藥的爆炸場(chǎng)壓力及溫度進(jìn)行了對(duì)比分析。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外關(guān)于炸藥在真空或低壓條件下的能量釋放特性及毀傷規(guī)律研究相對(duì)較多，但研究?jī)?nèi)容以數(shù)值模擬或十克量級(jí)炸藥的釋能特性為主，關(guān)于公斤級(jí)裝藥在真空條件下的爆炸特性研究相對(duì)較少。因此，本研究開(kāi)展了公斤級(jí)裝藥在常壓及真空環(huán)境下的爆炸試驗(yàn)，并對(duì)不同條件下的炸藥爆炸威力進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品主要由主藥柱、擴(kuò)爆藥柱及雷管組成。主藥柱為JO-8炸藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX，95%；黏結(jié)劑，5%，壓裝成型，密度1.81g/cm3，尺寸為Φ114mm×108mm，單發(fā)藥柱質(zhì)量2kg；擴(kuò)爆藥柱采用Φ25×25mm的JH-14C藥柱，質(zhì)量20g，中心帶有雷管孔，采用8#軍用電雷管端面起爆。試驗(yàn)用炸藥均由西安近代化學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在西安近代化學(xué)研究所的真空爆炸罐內(nèi)進(jìn)行。爆炸罐為膠囊形，如圖1所示，直徑2.6m，圓柱部長(zhǎng)3.2m，其主體由抗爆承壓層、隔音層及內(nèi)襯裝甲層組成，常壓下抗爆當(dāng)量為7kg TNT(球形裝藥，中心起爆)炸藥，抽真空時(shí)(≤103Pa)的抗爆當(dāng)量為10kgTNT(球形裝藥，中心起爆)炸藥。

圖1 真空爆炸罐整體圖Fig.1 Overall picture of the vacuum explosion tank

罐體中心壁面均勻分布著4個(gè)法蘭盤，用于安裝傳感器等測(cè)量裝置。試驗(yàn)整體布局如圖2所示，本試驗(yàn)中，在法蘭盤1和法蘭盤4上各安裝2個(gè)沖擊波壓力傳感器和準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器，用于測(cè)量壁面反射壓和準(zhǔn)靜態(tài)壓力；為減小爆轟不均勻性帶來(lái)的測(cè)量誤差，兩個(gè)法蘭盤上所裝傳感器參數(shù)相同，處理數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)2個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行均值處理。沖擊波壓力傳感器采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的113B22型通用高頻壓力傳感器，諧振頻率大于500kHz，上升時(shí)間小于1μs，量程0～34.5MPa；準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器采用昆山雙橋公司生產(chǎn)的CYG508型壓阻式壓力傳感器，測(cè)量精度0.5級(jí)，測(cè)試組件上升時(shí)間為0.24ms，量程0～5MPa；距離藥柱0.8、1.2、1.6m處各安裝1個(gè)自由場(chǎng)超壓傳感器，用于測(cè)量特征距離處的自由場(chǎng)超壓，采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的137B21型ICP“筆式”自由場(chǎng)超壓傳感器，諧振頻率大于500kHz，上升時(shí)間小于4μs，靈敏度0.145mV/kPa。所有傳感器的輸出信號(hào)均經(jīng)過(guò)信號(hào)適調(diào)器進(jìn)行放大，信號(hào)試調(diào)器采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的482C05型號(hào)，頻率帶寬1MHz。

圖2 試驗(yàn)布局圖Fig.2 Layout of the experiment

此外，在爆炸罐底部放置了LY12硬鋁效應(yīng)靶，如圖3所示，效應(yīng)靶受載區(qū)域?yàn)棣?00mm的圓形，靶厚3mm，通過(guò)效應(yīng)靶的塑性變形來(lái)評(píng)估炸藥的毀傷威力。

圖3 效應(yīng)靶Fig.3 Effect target

由于試驗(yàn)裝置所限，難以將罐內(nèi)壓力抽至完全真空(0Pa)，而是將其抽至2.5kPa，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的2.5%，共進(jìn)行3發(fā)試驗(yàn)：第一發(fā)罐體內(nèi)壓力2.5kPa，藥柱軸線與罐體軸線垂直；第二發(fā)罐體內(nèi)壓力2.5kPa，藥柱軸線與罐體軸線平行；第三發(fā)罐體內(nèi)壓力為常壓，藥柱軸線與罐體軸線平行。第一發(fā)與第二發(fā)試驗(yàn)用于對(duì)比藥柱擺放方式對(duì)壓力參量及效應(yīng)靶毀傷效果的影響，第二發(fā)與第三發(fā)試驗(yàn)用于對(duì)比不同氣壓條件對(duì)壓力參量及效應(yīng)靶毀傷效果的影響。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同藥柱擺放方式對(duì)毀傷效果的影響

2.1.1 爆炸場(chǎng)壓力分析

第一發(fā)與第二發(fā)試驗(yàn)的壓力測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖中，pw1、pw2分別表示第一、第二發(fā)試驗(yàn)的壁面反射壓力，ps1、ps2分別表示第一、第二發(fā)試驗(yàn)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，第二發(fā)試驗(yàn)時(shí)0.8m處自由場(chǎng)超壓數(shù)據(jù)未采集到。

由圖4(a)可以看出，藥柱垂直布置時(shí)(第一發(fā)試驗(yàn))，壁面反射壓力峰值及準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值分別為藥柱水平布置(第二發(fā)試驗(yàn))時(shí)的1.12倍和1.67倍。經(jīng)過(guò)分析，這主要與爆炸產(chǎn)物的傳播方向性有關(guān)。本組試驗(yàn)的罐內(nèi)氣體壓力均為2.5kPa，空氣已非常稀薄，因此，炸藥爆炸后難以形成沖擊波，能量主要是以爆炸產(chǎn)物向外膨脹的形式進(jìn)行傳播、擴(kuò)散，且傳感器所測(cè)壓力也主要是由于爆炸產(chǎn)物對(duì)傳感器敏感面的沖擊所致。爆炸產(chǎn)物的傳播具有明顯的方向性，藥柱水平布置時(shí)，爆炸產(chǎn)物的能量在爆炸罐徑向是均勻分布的；而藥柱豎直布置時(shí)，爆炸產(chǎn)物在爆炸罐徑向并非均勻分布，由于藥柱采用上端面起爆，所以爆炸產(chǎn)物主要向爆炸罐底部傳播，壁面反射壓及準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器均安裝在圖2(c)所示爆炸罐底部?jī)蓚?cè)的法蘭盤1與法蘭盤4上，因此，使得藥柱垂直布置時(shí)傳播至傳感器安裝位置的爆炸產(chǎn)物能量要高于水平布置時(shí)，由此導(dǎo)致垂直布置時(shí)所測(cè)壁面反射壓峰值及準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值均高于水平布置時(shí)。

圖4 壓力測(cè)試結(jié)果Fig.4 Results of the pressure measurement

通過(guò)圖4(c)和(d)還可看出，所測(cè)自由場(chǎng)沖擊波超壓信號(hào)曲線與常壓下的典型超壓曲線相差較大：真空下的超壓信號(hào)曲線在零點(diǎn)附近表現(xiàn)出明顯的震蕩特性，而常壓下的典型超壓曲線呈現(xiàn)出突躍上升后又急劇衰減的特征，這是由于真空環(huán)境下由于缺少空氣介質(zhì)，因此無(wú)法形成沖擊波，所測(cè)超壓曲線的本質(zhì)是由于爆炸產(chǎn)物掠過(guò)“筆式”超壓傳感器的敏感面所致，不僅使得所測(cè)超壓信號(hào)曲線具有明顯的震蕩特性，并且還帶有一定的隨機(jī)性。因此，真空環(huán)境下所測(cè)自由場(chǎng)超壓數(shù)據(jù)不足以真實(shí)表征自由場(chǎng)壓力的傳播及衰減特性。此外，藥柱水平布置時(shí)，0.8m處超壓傳感器被打壞，沒(méi)有測(cè)量到相關(guān)數(shù)據(jù)，而藥柱豎直布置時(shí)的超壓傳感器完好，這是由于藥柱水平布置時(shí)，超壓傳感器位于爆炸產(chǎn)物的主傳播方向，而藥柱豎直布置時(shí)，傳感器處于爆炸產(chǎn)物主傳播方向的側(cè)面，該現(xiàn)象也證明了爆炸產(chǎn)物的傳播具有明顯的方向性。

2.1.2 效應(yīng)靶動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

第一發(fā)試驗(yàn)在爆炸罐底部放置了兩塊效應(yīng)靶：一塊在藥柱正下方，記為“效應(yīng)靶1”，距藥柱中心距離為1.2m，另一塊緊挨效應(yīng)靶1放置，記為“效應(yīng)靶2”，距藥柱中心距離為1.24m；第二發(fā)試驗(yàn)僅在藥柱正下方放置1塊效應(yīng)靶。試驗(yàn)后的效應(yīng)靶如圖5所示。

通過(guò)圖5可知，第一發(fā)試驗(yàn)中，效應(yīng)靶1出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，在與靶架接觸的部位被完全剪切掉，效應(yīng)靶2在受載區(qū)域產(chǎn)生了凹坑，經(jīng)過(guò)測(cè)量，中心位置撓度為19mm；第二發(fā)試驗(yàn)在效應(yīng)靶受載區(qū)域產(chǎn)生了撓度為60mm的凹坑。經(jīng)分析，效應(yīng)靶的變形及破壞是由于效應(yīng)靶在爆炸產(chǎn)物作用下，與靶架接觸的部位出現(xiàn)了“應(yīng)力集中”，當(dāng)所受載荷超過(guò)靶板的彈性極限時(shí)，會(huì)在效應(yīng)靶邊緣位置產(chǎn)生塑性角，進(jìn)而導(dǎo)致靶板圍繞塑性角逐漸發(fā)生塑性變形；當(dāng)爆炸載荷高于靶板的抗剪強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生剪切破壞。通過(guò)圖5還可以看出，第一發(fā)試驗(yàn)中，正對(duì)藥柱放置的效應(yīng)靶1的破壞效果要遠(yuǎn)高于緊挨其放置的效應(yīng)靶2，再次證明了爆炸產(chǎn)物的傳播具有明顯的方向性。

圖5 第一和第二發(fā)試驗(yàn)后的效應(yīng)靶Fig.5 Effect target after No.1 and No.2 experiment

當(dāng)效應(yīng)靶未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，根據(jù)其中心位置的撓度可估算出所受到的比沖量值ir[8]：

(1)

10-2·e-9.4×10-2Wf

(2)

式中：ρ為靶板密度；δ為靶板的厚度；Wf為板中心的撓度；R為受載區(qū)域半徑；σy為材料的準(zhǔn)靜態(tài)屈服應(yīng)力；σd為材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。本研究中：ρ=2.7g/cm3，δ=3mm，R=150mm，σy=165MPa，根據(jù)上述模型，計(jì)算出效應(yīng)靶撓度Wf為19mm時(shí)，所受比沖量約為477Pa·s；撓度Wf為60mm時(shí)，所受比沖量約為1650Pa·s。

2.2 常壓及真空環(huán)境對(duì)毀傷效果的影響

2.2.1 爆炸場(chǎng)壓力分析

第二發(fā)(真空)與第三發(fā)(常壓)試驗(yàn)的壓力測(cè)試結(jié)果如圖6所示，第三發(fā)試驗(yàn)中0.8m處的自由場(chǎng)超壓數(shù)據(jù)未采集到，經(jīng)過(guò)分析，這是由于該位置處超壓峰值過(guò)大，將傳感器破壞所致。

通過(guò)圖6可知，常壓下壁面反射壓峰值是真空條件下的1.74倍，這是由于真空環(huán)境下缺少爆炸能量傳播的載體，主要依靠炸藥反應(yīng)生成的產(chǎn)物膨脹推動(dòng)能量的傳播，因此爆炸壓力的衰減相對(duì)較快；常壓條件下，爆炸能量可以通過(guò)空氣進(jìn)行傳播，爆炸產(chǎn)物壓縮空氣會(huì)在空氣中形成沖擊波，因此壓力衰減相對(duì)較慢。常壓下準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值是真空條件下的5.17倍，這是由于常壓下會(huì)有大量空氣參與到爆炸反應(yīng)中，空氣與炸藥爆炸后的氣體產(chǎn)物摩爾量總和遠(yuǎn)高于真空環(huán)境下炸藥爆炸后的氣體產(chǎn)物摩爾總量[9]。

圖6 真空(第二發(fā))及常壓(第三發(fā))條件下的壓力測(cè)試結(jié)果Fig.6 Pressure measurement results under vacuum (No.2) and atmospheric (No.3) conditions

(3)

(4)

由表1可知，實(shí)測(cè)沖擊波超壓峰值遠(yuǎn)高于計(jì)算值，這主要是由于以下原因造成的：(1)爆炸相似率及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式是基于球形裝藥在無(wú)限空氣介質(zhì)中爆炸這一基本假設(shè)的，本試驗(yàn)對(duì)象為柱形裝藥在密閉空間內(nèi)的爆炸，因此，采用上述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行超壓計(jì)算會(huì)存在一定誤差；(2)測(cè)點(diǎn)位置的比距離相對(duì)較近，而爆炸近場(chǎng)的沖擊波超壓峰值與藥柱形狀、爆炸產(chǎn)物擴(kuò)散、傳感器與罐體共振等因素密切相關(guān)[12]，且傳感器安裝結(jié)構(gòu)同時(shí)受到爆炸產(chǎn)物的強(qiáng)沖擊及熱作用，會(huì)產(chǎn)生“寄生效應(yīng)”引起信號(hào)失真[13]，對(duì)傳感器、電纜線等測(cè)量設(shè)備形成干擾，造成爆炸近場(chǎng)峰值超壓“測(cè)不準(zhǔn)”的現(xiàn)象；(3)經(jīng)驗(yàn)公式是有相應(yīng)適用范圍的，即，當(dāng)爆炸產(chǎn)物與沖擊波分離后才適用，爆炸近場(chǎng)時(shí)并不適用。對(duì)于球形裝藥，爆炸產(chǎn)物傳播至裝藥半徑的10～15倍距離時(shí)與沖擊波完全分離[14]，文獻(xiàn)[5]中也指出，經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍一般為R>10～12R0，其中，R為傳播距離，R0為裝藥半徑，由于本研究采用的是柱形裝藥，傳感器的布設(shè)位置正對(duì)爆炸產(chǎn)物傳播方向，加之爆炸產(chǎn)物的傳播具有明顯方向性，因此，沖擊波傳播至傳感器敏感面時(shí)還未與爆炸產(chǎn)物分離，所測(cè)壓力信號(hào)應(yīng)為爆炸產(chǎn)物與沖擊波共同作用所致，而非單純自由場(chǎng)超壓。

將自由場(chǎng)超壓曲線發(fā)生階躍突變的時(shí)刻定義為爆炸產(chǎn)物傳播至傳感器對(duì)應(yīng)位置的時(shí)間，通過(guò)對(duì)常壓及真空條件下的自由場(chǎng)超壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出：真空環(huán)境下，爆炸產(chǎn)物從距爆心1.2m處傳播至1.6m處需要83μs，將給定距離內(nèi)的平均速度視作該距離中點(diǎn)處的瞬時(shí)速度，得到距爆心1.4m處的爆炸產(chǎn)物速度為4.82mm/μs；常壓下，爆炸產(chǎn)物/沖擊波從距爆心1.2m處傳播至1.6m處需要138μs，由此得到常壓下距爆心1.4m處的爆炸產(chǎn)物/沖擊波速度為2.90mm/μs。綜上所述，真空環(huán)境下的爆炸產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)速度是常壓下的1.66倍，這是由于真空條件下缺少空氣介質(zhì)，產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受阻力較小所致。

2.2.2 效應(yīng)靶動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

第三發(fā)試驗(yàn)后的效應(yīng)靶如圖7所示，靶板局部產(chǎn)生了撕裂破壞。

圖7 第三發(fā)試驗(yàn)后的效應(yīng)靶Fig.7 Effect target after the No.3 experiment

對(duì)比圖5(c)與圖7可以看出，真空環(huán)境下效應(yīng)靶發(fā)生了向下凹陷變形，但并未產(chǎn)生局部破壞，且效應(yīng)靶表面有大量黑色小凹坑(直徑mm量級(jí))；常壓下靶板局部出現(xiàn)了撕裂，但效應(yīng)靶表面較為光潔，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)小凹坑。通過(guò)上述現(xiàn)象判定炸藥在常壓下對(duì)目標(biāo)的毀傷效果要高于真空環(huán)境，這主要是由于真空環(huán)境下，由于缺少空氣介質(zhì)，所以只能通過(guò)炸藥爆炸產(chǎn)生的產(chǎn)物膨脹對(duì)外作功，并且由于JO-8屬于負(fù)氧平衡炸藥，真空條件下爆炸時(shí)僅能通過(guò)炸藥自身提供的氧參與反應(yīng)，因此，會(huì)存在反應(yīng)不完全的現(xiàn)象，導(dǎo)致能量無(wú)法完全釋放，爆炸產(chǎn)物中會(huì)有大量碳顆粒沉積，由此判斷，效應(yīng)靶表面的黑色小凹坑應(yīng)為靶板受到爆炸產(chǎn)物中碳顆粒的直接作用所致，圖5(a)所示第一發(fā)試驗(yàn)(真空環(huán)境)時(shí)的效應(yīng)靶同樣存在該現(xiàn)象；常壓條件下，炸藥爆炸后的爆炸產(chǎn)物通過(guò)壓縮空氣，會(huì)在空氣中形成沖擊波，并且空氣中的氧氣也會(huì)參與到炸藥的反應(yīng)當(dāng)中，使炸藥能量充分釋放。本試驗(yàn)中藥柱半徑為57mm，效應(yīng)靶距藥柱中心1.2m，且效應(yīng)靶布設(shè)位置并未正對(duì)爆炸產(chǎn)物傳播方向，由此推測(cè)，沖擊波傳播至效應(yīng)靶中心時(shí)已與爆炸產(chǎn)物完全分離，因此，沖擊波是常壓條件下導(dǎo)致效應(yīng)靶發(fā)生毀傷的主要原因，產(chǎn)物與效應(yīng)靶之間有空氣間隙的存在，加之常壓下炸藥反應(yīng)更加充分，能量釋放更加完全，所以使效應(yīng)靶產(chǎn)生了更為嚴(yán)重的破壞且表面未見(jiàn)任何碳顆粒作用后留下的痕跡。

3 結(jié) 論

(1)真空環(huán)境下，爆炸產(chǎn)物的傳播具有明顯的方向性，正對(duì)爆炸產(chǎn)物傳播方向所測(cè)壁面反射壓峰值、準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值分別是側(cè)向的1.12倍及1.67倍，且正對(duì)爆炸產(chǎn)物傳播方向的效應(yīng)靶變形也遠(yuǎn)高于側(cè)向效應(yīng)靶變形。

(2)與常壓相比，真空環(huán)境下由于缺少空氣介質(zhì)，炸藥爆炸后主要依靠生成的產(chǎn)物膨脹推動(dòng)能量的傳播，因此能量衰減迅速；常壓下所測(cè)壁面反射壓峰值、準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值分別是真空條件下的1.74倍及5.17倍，且效應(yīng)靶變形情況也強(qiáng)于真空條件下。