炸藥的不完全起爆對(duì)其水下爆炸特性的影響*

孟 龍，黃瑞源，王金相，秦 健,2，劉亮濤

(1.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 210094；2.海軍研究院，北京 100161)

水下爆炸可分為裝藥爆轟、沖擊波的產(chǎn)生與傳播和氣泡脈動(dòng)三個(gè)階段[1-3]。國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者圍繞水中爆炸現(xiàn)象、傳播規(guī)律、結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用等方面開展了大量的研究工作[4-7]。

在實(shí)驗(yàn)方面，炸藥能夠穩(wěn)定的完全起爆是探究爆炸機(jī)理和載荷規(guī)律的前提。由于水和空氣兩種介質(zhì)間存在較大的差異，炸藥在不同介質(zhì)中的引爆方式也有所不同[8-10]。對(duì)于小當(dāng)量炸藥在空氣中一般采用電雷管引爆主裝藥就可以使炸藥完全起爆[11-13]，而在水下條件下則需要傳爆藥柱和電雷管共同引爆主裝藥才能實(shí)現(xiàn)炸藥的完全起爆。汪斌等在2 m×2 m×2 m的水箱中，采用高速攝影技術(shù)得到1.5 g、3.0 g和4.5 g PETN水下爆炸的氣泡脈動(dòng)過程以及水射流過程[14]。馮凇等同樣在2 m×2 m×2 m的水箱中對(duì)5g CL-20基炸藥和CL-20基含鋁炸藥進(jìn)行了水下爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)其沖擊波壓力歷程、氣泡周期和氣泡脈動(dòng)圖像進(jìn)行了探究[15]。王秋實(shí)等使用電雷管和傳爆藥柱，對(duì)1.2 kg左右CL-20基澆注含鋁炸藥進(jìn)行了大量的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，探究了沖擊波峰值壓力、沖擊波能和氣泡能等爆炸特性的規(guī)律[16]。趙繼波等則在0.5 m×0.5 m×0.5 m的水箱中使用PETN傳爆藥柱對(duì)0.3 kg TNT炸藥進(jìn)行了水下爆炸實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)高速攝影圖像進(jìn)行數(shù)字化分析，得到了柱形裝藥TNT近場(chǎng)的軸向壓力衰減規(guī)律[17]。而對(duì)于大當(dāng)量炸藥，在水下條件下往往難以實(shí)現(xiàn)完全起爆[18]。通常在大當(dāng)量水下爆炸實(shí)驗(yàn)前人們會(huì)采用相同的引爆方式和引爆條件對(duì)傳感器的靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并依據(jù)標(biāo)定系數(shù)對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行規(guī)律性探究和分析，而對(duì)某一引爆方式下炸藥的起爆效率和爆轟程度缺乏進(jìn)行相應(yīng)的討論。同時(shí)由于炸藥不完全起爆后其爆轟程度存在一定的隨機(jī)性，使得實(shí)驗(yàn)人員在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性進(jìn)行判斷時(shí)變得更加困難。

因此，探究小當(dāng)量炸藥在水下條件下的不完全起爆對(duì)其各項(xiàng)爆炸特性的影響，不僅可以為大當(dāng)量炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)的有效性驗(yàn)證提供參考，同時(shí)對(duì)實(shí)際的工程應(yīng)用也具有重要的借鑒意義。

通過對(duì)不同當(dāng)量的TNT炸藥展開兩種不同引爆方式的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，得到炸藥在不同工況下爆炸后的各項(xiàng)特性參數(shù)，通過對(duì)比兩種引爆方式下的沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式間的誤差，判斷炸藥是否能夠完全起爆。并在此基礎(chǔ)上，將炸藥未完全起爆和完全起爆時(shí)的各項(xiàng)特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析炸藥的不完全起爆對(duì)不同當(dāng)量炸藥爆炸后的氣泡脈動(dòng)峰值壓力、沖擊波能、氣泡能、氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑等水下爆炸特性的影響。

1 炸藥及水下爆炸實(shí)驗(yàn)條件

水下爆炸實(shí)驗(yàn)是在江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司2 m×2 m×2 m的水箱中進(jìn)行的，水箱壁面厚度為1 cm，壁面材料為Q235鋼，實(shí)驗(yàn)炸藥采用工業(yè)8號(hào)電雷管進(jìn)行引爆，主發(fā)藥柱為TNT炸藥，具體尺寸及參數(shù)見表1，其中裝藥誤差小于0.02 g。傳爆裝置外部使用3M防水膠帶進(jìn)行纏結(jié)，在固定藥柱的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間段的防水。水箱內(nèi)水的表面的高度為1.8 m，炸藥懸掛在水箱中心，距水面1.0 m。在炸藥0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m處沿直線放置5個(gè)PCB公司生產(chǎn)的138A06水下爆炸壓力傳感器(位置誤差小于1 cm)，量程為34.475 MPa，并在每個(gè)傳感器正下方懸掛配重為1.5 kg的秤砣，高速攝像機(jī)距炸藥1.3 m。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。

表 1 炸藥尺寸Table 1 Size of explosives

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖(單位：m)Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment(unit:m)

2 水下爆炸實(shí)驗(yàn)

2.1 采用電雷管對(duì)主裝藥直接進(jìn)行引爆

首先采用8號(hào)工業(yè)電雷管對(duì)3種不同當(dāng)量的TNT炸藥直接進(jìn)行引爆。其中，為防止沖擊波壓力超出量程范圍從而破壞傳感器，在5 g和10 g炸藥實(shí)驗(yàn)時(shí)撤去了距爆源0.3 m處的水下壓力傳感器，具體實(shí)驗(yàn)安排見表2。

表 2 實(shí)驗(yàn)安排Table 2 Experimental arrangement

以3號(hào)實(shí)驗(yàn)中2.5 g TNT炸藥水下爆炸為例，圖2顯示了距爆源不同距離處的水下壓力傳感器測(cè)得的壓力時(shí)程曲線。從圖中可以看到，沖擊波傳播至傳感器后，壓力迅速達(dá)到峰值然后迅速衰減；37.7 ms時(shí)，氣泡第一次脈動(dòng)結(jié)束，傳感器受氣泡脈動(dòng)波作用出現(xiàn)小的峰值。68.9 ms時(shí)，第二次氣泡脈動(dòng)結(jié)束，氣泡脈動(dòng)峰值壓力較第一次氣泡脈動(dòng)有所減小。95.82 ms時(shí)，第三次氣泡脈動(dòng)結(jié)束，氣泡脈動(dòng)峰值壓力再次減小，幾乎可以忽略不計(jì)。

圖3為距爆源不同距離處沖擊波的壓力時(shí)程曲線。從圖中可以看到，從沖擊波到達(dá)0.3 m處的傳感器時(shí)開始計(jì)時(shí)，0.069 ms后沖擊波到達(dá)距爆源0.4 m處的傳感器，因此沖擊波在水中的傳播速度約為1450 m/s。對(duì)比不同爆距下各測(cè)點(diǎn)處的沖擊波峰值壓力，發(fā)現(xiàn)隨著爆距的增加，沖擊波的峰值壓力呈指數(shù)衰減。

圖 2 傳感器測(cè)得的壓力時(shí)程曲線Fig. 2 Pressure histories measured by sensor

圖 3 沖擊波壓力時(shí)程曲線Fig. 3 Pressure histories of shock wave

對(duì)于自由場(chǎng)中水下爆炸沖擊波的傳遞，Cole在早期通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，總結(jié)了水下爆炸沖擊波經(jīng)驗(yàn)公式[19]，并得到廣泛認(rèn)可，Zamyshlyayev在其基礎(chǔ)上改進(jìn)為[20]

P(t)=Pm1e-t/θ

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：W為炸藥當(dāng)量，kg；θ為沖擊波的指數(shù)衰減時(shí)間常數(shù)，指沖擊波壓力峰值Pm1衰減到Pm1/e所需的時(shí)間，s；R為測(cè)點(diǎn)到爆心的距離，m；R0為炸藥初始半徑，m；Cw為水的聲速，常溫淡水一般取1460 m/s；r為R/R0；I為比沖量，N·s/m2。

表3給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沖擊波峰值壓力Pm1與經(jīng)驗(yàn)公式之間的誤差。從表中可以看到，用電雷管對(duì)主裝藥直接進(jìn)行引爆時(shí)，3種不同當(dāng)量TNT水下爆炸后測(cè)得的沖擊波峰值壓力均小于使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值，且二者間誤差為8.51%～50.45%。同時(shí)，對(duì)比炸藥當(dāng)量為2.5 g的5次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的平均誤差波動(dòng)較大，其中1～3號(hào)實(shí)驗(yàn)平均誤差在30%左右，而4、5號(hào)實(shí)驗(yàn)的平均誤差為20%左右；炸藥當(dāng)量為5 g的2次實(shí)驗(yàn)的平均誤差分別為11.95%和47.22%；炸藥當(dāng)量為10 g時(shí)，平均誤差為19.45%。

2.2 采用電雷管加傳爆藥柱對(duì)主裝藥進(jìn)行引爆

由于使用電雷管對(duì)主裝藥直接進(jìn)行引爆會(huì)導(dǎo)致炸藥起爆不完全，所以為了使得炸藥完全起爆，在之前實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上改變炸藥的引爆方式，增設(shè)0.3 g直徑為5 mm的RDX-8701傳爆藥柱(裝藥誤差小于0.02 g)，利用電雷管和傳爆藥柱共同對(duì)主裝藥進(jìn)行引爆。其中，對(duì)3種當(dāng)量的TNT炸藥各進(jìn)行一次水下爆炸實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)安排見表2(序號(hào)9～11)。

表 3 實(shí)驗(yàn)測(cè)得Pm1與經(jīng)驗(yàn)公式之間的誤差Table 3 Error between experiment and empirical formula of Pm1

表3(序號(hào)9～11)給出了增設(shè)傳爆藥柱后實(shí)驗(yàn)測(cè)得的沖擊波峰值壓力Pm1與經(jīng)驗(yàn)公式之間的誤差?？梢钥吹剑噍^于直接使用電雷管進(jìn)行引爆，增加傳爆藥柱后實(shí)驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值間的誤差較小，平均誤差為4.37%。

炸藥在不完全起爆的情況下，由于其爆轟作用不完全會(huì)導(dǎo)致沖擊波峰值壓力明顯小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值，并且其爆轟程度存在一定的隨機(jī)性，因此，判斷炸藥完全起爆的標(biāo)準(zhǔn)是：(1)在同種工況下需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得炸藥的沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值間的平均誤差小于10%；(2)各實(shí)驗(yàn)值間較為穩(wěn)定且沒有較大的波動(dòng)。對(duì)比兩種工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，炸藥在使用電雷管直接引爆時(shí)沖擊波峰值壓力會(huì)明顯小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值，二者間誤差均大于10%，并且在同種工況下的多次實(shí)驗(yàn)中沖擊波峰值壓力的波動(dòng)較大，炸藥未能完全起爆；而使用傳爆藥柱和電雷管共同引爆主裝藥后，其沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值間的誤差均小于10%，并且同種工況下的各次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的爆炸特性參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，炸藥已完全起爆。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4給出了使用電雷管引爆主裝藥以及使用傳爆藥柱引爆主裝藥的11發(fā)實(shí)驗(yàn)的沖擊波峰值壓力Pm1、氣泡脈動(dòng)峰值壓力Pm2、沖擊波能Es、氣泡能Eb、氣泡脈動(dòng)周期T和氣泡膨脹最大半徑Rmax的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，水下爆炸距離炸藥中心R處的沖擊波能量Es按公式(5)計(jì)算，氣泡能Eb按公式(6)計(jì)算[11]。

表 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental result

(5)

(6)

式中：Es為距離裝藥中心R處的比沖擊波能，MJ/kg；Eb為比氣泡能，MJ/kg；T為氣泡脈動(dòng)周期，s；ρw為水的密度，常溫淡水一般取1000 kg/m3；ta為沖擊波到達(dá)時(shí)間，s；τ為水中沖擊波的時(shí)間衰減常數(shù)，為沖擊波時(shí)程曲線上從峰值壓力下降到其1/e的時(shí)間，s；Ph為炸藥中心處?kù)o水壓和試驗(yàn)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮褐?，Pa。

3.2 炸藥的不完全起爆對(duì)水下爆炸特性的影響

3.2.1 沖擊波峰值壓力與氣泡脈動(dòng)峰值壓力

圖4給出了2.5 g、5 g和10 gTNT水下爆炸后距爆源不同距離處水下壓力傳感器測(cè)得的沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比及二者之間的誤差。從圖中可以看到，當(dāng)炸藥當(dāng)量為2.5 g時(shí)，實(shí)驗(yàn)1～5為使用電雷管引爆主裝藥，其沖擊波峰值壓力均小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的理論值，且誤差為15%～37%，但采用傳爆藥柱對(duì)TNT炸藥進(jìn)行引爆時(shí)(實(shí)驗(yàn)6)，沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好，二者之間誤差約為6%。同樣，當(dāng)炸藥當(dāng)量為5 g和10 g時(shí)，相較于直接用電雷管引爆主裝藥，增設(shè)傳爆藥柱后對(duì)主裝藥進(jìn)行起爆，測(cè)得的沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式吻合的更好，誤差更小。

圖 4 沖擊波峰值壓力對(duì)比Fig. 4 Comparison of shock wave peak pressure

圖5給出了不同當(dāng)量TNT水下爆炸后距爆源不同距離處水下壓力傳感器測(cè)得的氣泡脈動(dòng)峰值壓力。從圖中可以看到，氣泡脈動(dòng)峰值壓力隨爆距的增加而減少。當(dāng)炸藥當(dāng)量為2.5 g時(shí)，相較于直接用電雷管引爆主裝藥，增設(shè)傳爆藥柱后氣泡脈動(dòng)峰值壓力沒有明顯的增加或減?。煌瑯?，當(dāng)炸藥當(dāng)量為5 g和10 g時(shí)，增設(shè)傳爆藥后氣泡脈動(dòng)峰值壓力的變化并不明顯。

圖 5 氣泡脈動(dòng)峰值壓力對(duì)比Fig. 5 Comparison of bubble pulsation peak pressure

因此，對(duì)于小當(dāng)量TNT水下爆炸，沖擊波峰值壓力對(duì)炸藥是否完全起爆較為敏感，且炸藥未完全起爆時(shí)沖擊波峰值壓力會(huì)明顯降低，而炸藥是否完全起爆對(duì)氣泡脈動(dòng)峰值壓力的影響較小。

3.2.2 沖擊波能和氣泡能

圖6和圖7給出了使用電雷管或傳爆藥柱對(duì)不同當(dāng)量的TNT進(jìn)行引爆時(shí)，炸藥爆炸后的沖擊波能和氣泡能的對(duì)比。其中，黑色點(diǎn)劃線以及黑點(diǎn)分別是使用電雷管進(jìn)行引爆的情況下利用公式(5)、(6)計(jì)算得到的沖擊波能和氣泡能，而紅色點(diǎn)劃線和紅點(diǎn)分別為使用傳爆藥柱進(jìn)行引爆得到的沖擊波能和氣泡能。對(duì)比兩種引爆方式下得到的沖擊波能和氣泡能，發(fā)現(xiàn)在3種炸藥當(dāng)量下，使用雷管直接引爆所產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能均小于使用傳爆藥柱進(jìn)行引爆時(shí)產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能。所以對(duì)于小當(dāng)量TNT水下爆炸，其爆炸后產(chǎn)生的沖擊波能和氣泡能的大小取決于炸藥是否完全起爆，當(dāng)炸藥不完全起爆時(shí)，沖擊波能和氣泡能會(huì)相應(yīng)地減小。

圖 6 沖擊波能對(duì)比Fig. 6 Comparison of shock wave energy

圖 7 氣泡能對(duì)比Fig. 7 Comparison of bubble energy

3.2.3 氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑

圖8顯示了3號(hào)實(shí)驗(yàn)的氣泡生成、膨脹和收縮過程。當(dāng)氣泡半徑達(dá)到最大值(t=19.7 ms，Rmax=19.50 cm)時(shí)，氣泡內(nèi)壓力最小，氣泡半徑在t=37.7 ms時(shí)最小，在整個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)過程中，爆炸產(chǎn)物從氣泡表面逸出。

圖9顯示了增加傳爆藥后2.5 g TNT水下爆炸后氣泡的生成、膨脹和收縮過程。當(dāng)t=20.2 ms時(shí)，氣泡半徑達(dá)到最大值(Rmax=21.39 cm)，氣泡內(nèi)壓力最小；當(dāng)t=39.2 ms時(shí)第一次氣泡脈動(dòng)結(jié)束。對(duì)比圖8中直接采用電雷管進(jìn)行起爆可以發(fā)現(xiàn)，增設(shè)傳爆藥柱對(duì)主裝藥進(jìn)行起爆后，氣泡的脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑有所增大。

圖 8 電雷管實(shí)驗(yàn)氣泡脈動(dòng)圖像Fig. 8 Electric detonator experimental pictures of bubble pulse

圖 9 傳爆藥柱實(shí)驗(yàn)氣泡脈動(dòng)圖像Fig. 9 Booster grain experimental pictures of bubble pulse

在TNT炸藥的水下爆炸中，對(duì)于氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑有以下經(jīng)驗(yàn)公式[21]

(7)

(8)

式中：h為水深，m。

圖10和圖11分別給出了不同當(dāng)量TNT水下爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑與經(jīng)驗(yàn)公式間的對(duì)比以及實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式間的誤差，其中，黑點(diǎn)為電雷管引爆主裝藥時(shí)的實(shí)驗(yàn)值，紅色為使用傳爆藥柱引爆主裝藥時(shí)的實(shí)驗(yàn)值，而藍(lán)點(diǎn)為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的理論值。從圖中可以看到，當(dāng)炸藥當(dāng)量為2.5 g時(shí)，用電雷管直接引爆主裝藥，氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑與經(jīng)驗(yàn)公式間誤差分別在5%和9%左右，而采用傳爆藥柱對(duì)TNT炸藥進(jìn)行引爆時(shí)，氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑與經(jīng)驗(yàn)公式之間誤差分別為0.85%和0.14%；當(dāng)炸藥當(dāng)量為5 g和10 g時(shí)，相較于直接用電雷管引爆主裝藥，采用傳爆藥柱進(jìn)行引爆時(shí)，氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑有所增加，與經(jīng)驗(yàn)公式間的誤差減小。但從整體來看，隨著炸藥當(dāng)量的增加，炸藥的不完全起爆對(duì)氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑的影響逐漸減少，而實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式間誤差逐漸變大。通過分析可知，由于經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍是無限水域，而實(shí)驗(yàn)是在2 m×2 m×2 m的有限水域中進(jìn)行的，氣泡的脈動(dòng)會(huì)受到四周壁面反射的沖擊波的影響，導(dǎo)致氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑的實(shí)驗(yàn)值小于理論值。

圖 10 氣泡脈動(dòng)周期對(duì)比Fig. 10 Comparison of bubble pulsation period

圖 11 氣泡膨脹最大半徑對(duì)比Fig. 11 Comparison of maximum radius of bubble expansion

4 結(jié)論

通過對(duì)2.5 g、5 g、10 g圓柱形裝藥TNT開展兩種引爆方式的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，得到了炸藥在不同工況下的沖擊波和氣泡脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線以及氣泡脈動(dòng)過程，對(duì)比兩種引爆方式下的各項(xiàng)參數(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于小當(dāng)量TNT水下爆炸，使用電雷管直接引爆主裝藥會(huì)導(dǎo)致炸藥的起爆不完全，而使用電雷管加傳爆藥柱共同引爆主裝藥可以達(dá)到完全起爆的效果。

(2)炸藥的不完全起爆會(huì)導(dǎo)致其爆炸后的沖擊波峰值壓力、沖擊波能以及氣泡能明顯降低，但對(duì)氣泡脈動(dòng)峰值壓力的影響較小。

(3)炸藥的不完全起爆會(huì)導(dǎo)致其爆炸后的氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑變小。同時(shí)，隨著炸藥當(dāng)量的增加，炸藥的不完全起爆對(duì)氣泡脈動(dòng)周期和氣泡膨脹最大半徑的影響逐漸減小。