帶殼裝藥水中殉爆特性分析

胡宏偉 , 王 健 , 卞云龍 , 魯忠寶 , 楊 青

帶殼裝藥水中殉爆特性分析

胡宏偉1, 王 健2*, 卞云龍3, 魯忠寶4, 楊 青1

(1. 西安近代化學研究所, 陜西 西安, 710065; 2. 北京系統(tǒng)工程研究所, 北京, 100101; 3. 中國航天科工集團公司六院四十一所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特, 010010; 4. 中國船舶集團有限公司 第705 研究所, 陜西 西安, 710077)

為了研究彈藥在水下爆炸作用下的安全性, 利用水下爆炸試驗研究了2 種鋁殼裝藥的水中殉爆特性,確定了裝藥的殉爆距離和殉爆安全距離, 并基于氣泡能分析了被發(fā)裝藥的殉爆反應程度。結(jié)果表明: 主發(fā)裝藥為1.5 mm 鋁殼的PBX 裝藥, 被發(fā)裝藥為1.0 mm 鋁殼的RS211 裝藥時, 殉爆距離約為60 mm, 殉爆安全距離約為120 mm; 主發(fā)裝藥為1.5 mm 鋁殼的PBX 裝藥, 被發(fā)裝藥為1.0 mm 鋁殼的PBX 裝藥時, 殉爆距離約為10 mm, 殉爆安全距離約為30 mm。被發(fā)裝藥完全爆轟時, 計算得到其反應率在86%～95%之間, 這是由于2 個氣泡的融合導致氣泡周期變小。

水下爆炸; 帶殼裝藥; 殉爆; 氣泡能

0 引言

炸藥爆轟時引起其周圍一定距離處的炸藥發(fā)生爆炸的現(xiàn)象, 稱為殉爆。殉爆作為炸藥安全性能的一項重要指標[1-3], 對炸藥/彈藥的設(shè)計與生產(chǎn)布局、工程爆破作業(yè)、彈藥的勤務和戰(zhàn)場安全設(shè)計具有重要的指導意義。

以往研究主要針對的是空氣和巖土等密實介質(zhì)中的炸藥殉爆現(xiàn)象。李錚等[4]針對幾種典型炸藥的殉爆試驗, 研究了溫度、裝藥密度和沖擊等因素對殉爆的影響, 確定了炸藥的殉爆安全距離。李翔宇等[5]研究了可變形戰(zhàn)斗部主輔裝藥殉爆機制, 認為引起主裝藥殉爆的主要因素是主裝藥的爆轟感度和輔裝藥的爆轟壓力。王晨等[6]進行了殼裝固黑鋁炸藥殉爆試驗, 得到了炸藥臨界殉爆距離, 建立了帶殼裝炸藥殉爆試驗計算模型。趙耀輝等[7]發(fā)現(xiàn)對于相似結(jié)構(gòu)柱殼裝藥, 被發(fā)彈發(fā)生殉爆是由于相鄰多枚小破片撞擊后壓力疊加的結(jié)果。李金河等[8]建議彈藥殉爆試驗評估中, 應以超壓和相對殼體膨脹速度作為主要的評估依據(jù)。

由于反魚雷、反水雷等水中兵器主要依靠水下爆炸的沖擊波來破壞和引爆目標, 因此炸藥裝藥的水中殉爆性能對于反魚雷、水雷武器的作戰(zhàn)和戰(zhàn)場環(huán)境安全性研究具有重要意義[9-11]。胡宏偉等[12]建立了一種利用沖擊波峰值壓力和氣泡周期判斷水中殉爆的試驗方法, 通過水下爆炸的沖擊波壓力和氣泡周期可以可靠地判斷被發(fā)裝藥是否發(fā)生殉爆。魯忠寶等[13]建立了典型裝藥水中殉爆的有限元仿真模型, 依據(jù)胡宏偉建立的試驗方法預計了大藥量水中兵器戰(zhàn)斗部的安全性。然而,上述研究主要是針對單一種類被發(fā)裝藥, 炸藥種類對殉爆特性影響強烈, 相關(guān)研究仍未開展。

為了研究炸藥種類對水中殉爆距離的影響規(guī)律, 文中利用水下爆炸試驗, 分析了2 種帶鋁殼裝藥的水中殉爆距離和殉爆安全距離, 以期為水中兵器的設(shè)計與戰(zhàn)場環(huán)境安全性提供指導。

1 水中殉爆的判據(jù)及被發(fā)裝藥反應程度估算方法

水中殉爆現(xiàn)象通過如下判據(jù)判別[12]:

1) 殉爆:Pm2>Pm1,tb2>tb1;

2) 半爆:Pm2>Pm3>Pm1,tb2>tb3>tb1;

3) 未殉爆:Pm2=Pm1,tb2=tb1。

其中:Pm1和tb1、Pm2和tb2、Pm3和tb3分別為主發(fā)炸藥水下爆炸、被發(fā)裝藥殉爆以及被發(fā)裝藥半爆(即被發(fā)裝藥未完全爆轟, 發(fā)生熄爆現(xiàn)象)時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期。

被發(fā)裝藥的反應率可通過下式計算

式中:m為炸藥質(zhì)量;m1為主發(fā)裝藥的質(zhì)量;m2為被發(fā)裝藥的質(zhì)量;mf為發(fā)生反應的被發(fā)裝藥質(zhì)量;η為被發(fā)裝藥反應程度;Dw為主發(fā)裝藥的TNT 當量,Dw=Qj/Qi, 其中Qi為主發(fā)裝藥的爆熱,Qj為被發(fā)裝藥的爆熱。

2 個裝藥很近時, 忽略氣泡融合對氣泡周期的影響, 被發(fā)裝藥殉爆的反應程度(即被發(fā)裝藥發(fā)生熄爆時, 發(fā)生反應的炸藥質(zhì)量占被發(fā)裝藥總質(zhì)量的比例)可通過氣泡周期來確定, 其計算公式為

1) 無限水域氣泡周期的計算公式[14]

2) 有邊界效應水域氣泡周期的計算公式[15]

式中:h為裝藥入水深度;p為試驗時的大氣壓;k為與炸藥種類和裝藥位置有關(guān)的常數(shù);m為質(zhì)量;k1和k2為由試驗水池、裝藥量和裝藥位置確定的常數(shù)。

對于無限水域,k值只與炸藥種類有關(guān), 以主發(fā)裝藥的氣泡周期為基礎(chǔ), 可計算出k值。將k值代入式(3), 可估算被發(fā)裝藥發(fā)生反應的質(zhì)量, 即反應率。

對于有邊界效應水域, 通過試驗確定k1和k2,依據(jù)測量的氣泡周期即可估算被發(fā)裝藥的反應程度。當計算反應效率大于等于80%時, 認為被發(fā)裝藥發(fā)生了爆轟, 計算反應效率在15%～80%的范圍, 判定為半爆, 計算反應效率小于15%時, 判定為未爆。

2 試驗

2.1 試驗樣品

試驗樣品全部為圓柱形裝藥, 主發(fā)裝藥為包裹1.5 mm 鋁殼的PBX 炸藥, 被發(fā)裝藥為包裹有1.0 mm 鋁殼的RS211 炸藥和PBX 炸藥, 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥質(zhì)量均為1.0 kg(不包括鋁殼), 傳爆藥柱為20 g JH-14 炸藥, 主發(fā)裝藥采用8 號銅電雷管端面起爆, 試驗樣品的性能參數(shù)見表1, 其中ρ為炸藥密度 ,D為爆速,Qv為爆熱。

2.2 試驗布局

試驗水池Ф12 m×10 m, 池底和池壁襯有鋼板。試驗時, 用固定支架將主、被發(fā)裝藥之間的距離確定為L, 如圖1 所示。

表1 試驗樣品性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of the test sample

圖1 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥位置確定方式Fig. 1 Location determination of the donor and acceptor charges

使用2 mm 的鋼絲繩將主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥懸吊在水池中心, 入水深度5.0 m, 可近似為無限水域[16]。在同一水平面內(nèi)距主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥距離R=2.5 m 處布放2 個水下壓力傳感器。采用蘭利法調(diào)整2 個裝藥之間的距離L, 用于獲得其殉爆距離和殉爆安全距離。水中殉爆試驗布局如圖2 所示。

圖2 水中殉爆試驗布局圖Fig. 2 The layout of sympathetic detonation test in water

2.3 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)包括: 美國PCB 公司的138A05 型水下激波傳感器, 量程34.5 MPa, 非線性%FS≤2.0,諧振頻率≥1 MHz, 上升時間≤1.5 μs。美國PCB公司482A 型適配器; 國產(chǎn)微測公司的高速采集儀。沖擊波和氣泡信號通過兩路高低頻通道分別采集, 沖擊波信號的采樣頻率為5 MHz, 氣泡脈動信號的采樣頻率為100 kHz。

3 分析與討論

3.1 殉爆距離和殉爆安全距離

通過水下爆炸后記錄得到的壓力-時間波形,由軟件處理得到?jīng)_擊波峰值壓力和氣泡周期, 即可辨別出被發(fā)裝藥是否發(fā)生了殉爆, 試驗時大氣壓99.6 kPa, 每個距離為3 發(fā)試驗的平均值。

主發(fā)裝藥PBX 水下爆炸的壓力-時間波形如圖3 所示。

圖3 主發(fā)裝藥PBX 水下爆炸壓力-時間曲線Fig. 3 Curves of underwater explosion pressure versus time of donor charge is PBX explosive

由圖3 可知, 測量得到水下爆炸壓力-時間曲線平滑、完整。圖3(b)中氣泡脈沖圖形中的沖擊波峰值壓力低于圖3(a), 這是由于試驗分別采用了高頻、低頻2 個測量通道, 而氣泡的測量頻率較低的原因。

被發(fā)裝藥為RS211, 裝藥間距分別為120 、80和40 mm 的水下爆炸壓力-時間波形如圖4～圖6 所示。

圖4 120 mm 裝藥間距水下爆炸壓力-時間曲線Fig. 4 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 120 mm

圖5 80 mm 裝藥間距水下爆炸壓力-時間曲線Fig. 5 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 80 mm

圖6 40 mm 裝藥間距水下爆炸壓力-時間曲線Fig. 6 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 40 mm

由圖4 和圖5 可知, 在未殉爆和半爆的情況下, 二者的水下沖擊波峰值壓力基本無變化, 但氣泡周期增加了21.7 ms。圖6 中的水下沖擊波峰值壓力比圖4 增加了7.25 MPa, 氣泡周期增加了62.0 ms。但是半爆和殉爆條件下, 未觀察到明顯的被發(fā)裝藥二次爆炸峰值壓力, 這是由于主發(fā)裝藥與被發(fā)裝藥距離很近, 爆轟時間差很小, 只有幾微秒到十幾微秒, 可近似為同步爆炸。

2 種炸藥水中殉爆的試驗結(jié)果見表2。

表2 2 種炸藥水中殉爆試驗結(jié)果Table 2 Results of sympathetic detonation test of two explosives

由表2 可知, 被發(fā)裝藥為RS211, 2 個裝藥的間距為160 mm 和120 mm 時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期與單個1 kg 的PBX 裝藥一致,被發(fā)裝藥沒有被殉爆; 2 個裝藥的間距為80 mm和100 mm 時, 測點處的沖擊波峰值壓力與單個1 kg的PBX 裝藥沖擊波峰值壓力基本一致, 但氣泡周期大于單個1 kg 的PBX 裝藥, 被發(fā)裝藥發(fā)生了半爆; 2 個裝藥的間距為40 mm 和60 mm 時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期都大于單個1 kg的PBX 裝藥沖擊波峰值壓力和氣泡周期, 被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆。被發(fā)裝藥為PBX 時, 2 個裝藥的間距為60 mm 和30 mm 時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期與單個1 kg 的PBX 裝藥一致, 被發(fā)裝藥沒有被殉爆; 2 個裝藥的間距為10 mm時, 測點處的沖擊波峰值壓力和氣泡周期都大于單個1 kg 的PBX 裝藥的沖擊波峰值壓力和氣泡周期, 被發(fā)裝藥發(fā)生了殉爆。

2 種炸藥水下爆炸的殉爆距離、殉爆安全距離見表3。

表3 2 種炸藥水下爆炸的殉爆距離和安全距離Table 3 Safety distance and sympathetic distance of two explosives

由表3 可知, 被發(fā)裝藥為RS211 時, 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離小于等于60 mm 時, 被發(fā)裝藥100%發(fā)生爆轟, 殉爆距離為60 mm; 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離大于等于120 mm 時, 被發(fā)裝藥100%不發(fā)生爆轟, 殉爆安全距離為120 mm。被發(fā)裝藥為PBX 時, 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離小于等于10 mm 時, 被發(fā)裝藥100%發(fā)生爆轟, 殉爆距離為10 mm; 主發(fā)裝藥和被發(fā)裝藥的距離大于等于30 mm 時, 被發(fā)裝藥100%不發(fā)生爆轟, 殉爆安全距離為30 mm。PBX 炸藥的殉爆距離和殉爆安全距離都遠遠小于RS211 炸藥, PBX 炸藥對沖擊波的感度較低。

3.2 被發(fā)裝藥反應率估算

以單個藥柱的氣泡周期為基礎(chǔ), 計算出式(3)中值等于3.096。PBX 炸藥的爆熱8 142 kJ/kg,RS211 炸藥的爆熱6 197 kJ/kg, 被發(fā)裝藥的化學能k當量(相對于主發(fā)裝藥)為1.31。以氣泡周期為基準計算的被發(fā)裝藥炸藥反應程度見表4。

表4 被發(fā)裝藥反應參數(shù)Table 4 Reaction parameters of acceptor charges

表4 中2 種類型的被發(fā)裝藥完全爆轟時, 被發(fā)裝藥的反應率在86%～95%之間, 這是由于發(fā)生反應的被發(fā)裝藥質(zhì)量m由式(3)計算得到, 該計算過程忽略氣泡融合對氣泡周期的影響, 2 個氣泡的相互作用過程可類似于氣泡與邊界的相互作用, 而當二者距離較近時, 融合后的氣泡周期會變小[17],因 此計算得到的被發(fā)裝藥反應率小于100%。

4 結(jié)論

文中利用水下爆炸試驗研究了2 種帶鋁殼裝藥的水中殉爆特性, 確定了裝藥的殉爆距離、殉爆安全距離以及被發(fā)裝藥的殉爆反應程度, 可為水中兵器的設(shè)計與戰(zhàn)場環(huán)境安全性提供指導。

1) 主發(fā)裝藥為1.5 mm 鋁殼PBX 裝藥, 被發(fā)裝藥為1.0 mm 鋁殼的RS211 裝藥時, 二者的殉爆距離約為60 mm, 殉爆安全距離約為120 mm。

2) 主發(fā)裝藥為1.5 mm 鋁殼PBX 裝藥, 被發(fā)裝藥為帶1.0 mm 鋁殼的PBX 裝藥時, 二者的殉爆距離約為10 mm, 殉爆安全距離約為30 mm。PBX 炸藥的殉爆距離和殉爆安全距離都遠遠小于RS211 炸藥, PBX 炸藥對沖擊波的感度較低。

3) 被發(fā)裝藥完全爆轟時, 計算得到被發(fā)裝藥反應率在86%～95%之間, 這是由于2 個氣泡融合過程中相互作用的影響。

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Experiments of Sympathetic Detonation Performance of Explosives with Shell in Water

HU Hong-wei1,WANG Jian2*,BIAN Yun-long3,LU Zhong-bao4,YANG Qing1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China; 2. Beijing Institute of System Engineering, Beijing 100101, China; 3. The 41st Institute of the Sixth Academy of CASIC, Huhhot 010010, China; 4. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 71077, China)

To investigate the safety of ammunition under underwater explosion, underwater sympathetic detonation characteristics of two types of explosives with aluminum shell are investigated via an underwater explosion test. The sympathetic detonation distance and safety distance of the test charges are determined, and the sympathetic reaction degree of the charge is analyzed based on the bubble energy. Results reveal that when the donor charge is a PBX charge with a 1.5 mm aluminum shell and the acceptor charge is an RS211 charge with a 1.0 mm aluminum shell, the sympathetic detonation distance is 60 mm and the safety distance of sympathetic detonation is 120 mm. When the donor and acceptor charges are PBX charges with 1.5 and 1.0 mm aluminum shells, respectively, the sympathetic detonation distance is 10 mm and the safety distance of sympathetic detonation is 30 mm. The reaction rates of completely detonated acceptor charges are only between 86% and 95% owing to a decrease in the bubble period caused by the fusion and collision of two bubbles.

underwater explosion; explosives with shell; sympathetic detonation; bubble energy

TJ410; U674

A

2096-3920(2022)03-0308-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.005

胡宏偉, 王健, 卞云龍, 等. 帶殼裝藥水中殉爆特性分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2022, 30(3): 308-313.

2022-04-13;

2022-05-27.

胡宏偉(1982-), 男, 碩士, 研究員, 主要研究方向為爆炸力學.

通信作者簡介:王 健(1984-), 男, 博士, 高工, 主要研究方向為含能材料與毀傷技術(shù) .

(責任編輯: 許 妍)