坡度對爆炸沖擊波傳播影響的試驗研究?

陳 君 姬建榮 康 昊 李毅卓 葉希洋

西安近代化學研究所（陜西西安，710065）

0 引言

爆炸沖擊波對目標的毀傷程度不僅與彈藥自身的威力有關，也與爆炸時的作用環(huán)境密切相關。 對于無限空氣介質，爆炸沖擊波理論已有成熟的經驗公式[1]。 而對于密閉或半密閉有限空間的沖擊波傳播理論，許多學者正在開展研究。

李秀地等[2]通過數值模擬開展長坑道中化學爆炸沖擊波壓力的傳播規(guī)律研究。 張玉磊等[3]通過試驗研究半密閉環(huán)境下方形坑道內爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。 趙新穎等[4]通過仿真和試驗的方法研究密閉環(huán)境下溫壓炸藥爆炸沖擊波在爆炸堡內的傳播規(guī)律。 楊亞東等[5]通過建立長方體密閉結構內爆炸沖擊波傳播和疊加分析模型研究內爆炸沖擊波的分布特性。

可以看到，學者們主要通過仿真和試驗等途徑進行了半密閉、密閉環(huán)境的爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究。 野外實戰(zhàn)中，場景地面多為起伏不平的山地。研究爆炸沖擊波實戰(zhàn)地形下的傳播規(guī)律對野外實戰(zhàn)防護和毀傷評估具有現實意義。 唐建曾[6]通過激波管研究了坡地對沖擊波傳播規(guī)律的影響。 而對于野外坡地對沖擊波傳播影響研究國外未見報道。

本文中，在試驗場構建不同坡度的斜坡地形，在斜坡上布設超壓測點，獲取不同坡度的斜坡地面測點處的沖擊波超壓，研究斜坡地形對沖擊波傳播的影響，為實戰(zhàn)防護和毀傷評估提供技術支持。

1 試驗

1.1 試驗布局

在試驗場構建了相同寬度、不同坡度的斜坡地形。 坡度θ分別為0°（平整地面）、 ±10°、 ±20°、 ±30°。 在距坡頭2.50 m 處的硬質水平地面布設梯恩梯（TNT）球形藥作為爆炸源。 在距爆炸源行程距離L為2.05、2.35、2.65、2.95、3.25、3.75、4.25、4.75、5.25、5.75、6.75 m 處布設11 個超壓測點，獲取斜坡各處的沖擊波超壓p。

試驗布局如圖1 所示。

圖1 試驗布局示意圖Fig.1 Test layout

1.2 爆炸源

爆炸源為TNT 壓制而成的球形裸藥。 在球形爆炸源中心開孔，采用15 g 的JH14（炸藥型號）作為傳爆藥，用微型導爆索起爆球形TNT。 球形爆炸源的密度為（1.58 ±0.02） g/cm3，藥量為（5.00 ±0.08） kg。 為了避免爆炸過程中地面炸坑能量消耗對試驗結果的影響，試驗前將球形TNT 爆炸源放置在與地面平齊的Q235 鋼板（20 mm 厚）上起爆。

爆炸源結構及布設如圖2 所示。

圖2 爆炸源結構及布設圖Fig.2 Structure and layout of the explosion source

1.3 超壓測試系統(tǒng)

超壓測試系統(tǒng)由壁面沖擊波超壓傳感器、低噪聲信號線、ICP 信號調理器、數據采集器等組成。 壁面沖擊波超壓傳感器的感應面與斜坡面平齊，即與水平面的角度與坡度相同。 傳感器型號為113B26，美國PCB 公司，量程3.5 MPa。 數據采樣頻率設置為1 MHz，系統(tǒng)帶寬大于100 kHz。

2 結果與分析

2.1 坡度對超壓峰值的影響

同工況進行了多發(fā)試驗，對試驗數據求平均值。圖3 為坡頭前2 個、坡頭后3 個測點處的超壓峰值對比曲線。

圖3 不同測點處的超壓峰值對比Fig.3 Comparison of the peak overpressure at different measuring points

由圖3 可以看出:在坡頭之前，不同工況時，2個測點的超壓峰值相差不大；在坡頭之后，上坡超壓峰值相比平地時明顯增大，且隨坡度的增大而增大；下坡超壓峰值相比平地時明顯減小，且隨坡度絕對值的增大而減小。 隨著坡度的變化，超壓峰值在坡頭區(qū)域發(fā)生明顯變化。

圖4 為斜坡上各測點處的超壓峰值對比。

圖4 斜坡上各測點的超壓峰值隨行程的變化Fig.4 Variation of peak overpressure at different measuring points on the slope with distance

由圖4 可以看出:在上坡（θ＝10°、20°、30°）情況下，斜坡上測點的超壓峰值都會增大，且峰值會隨著坡度的增加而增加，隨著行程的增大而減??；相反，在下坡（θ＝-10°、-20°、-30°）情況下，超壓峰值會隨著下坡角度絕對值的增加而減小，隨著行程的增大而減小。 這一結論與文獻[6]的結果一致。文獻[6]中，利用激波管在不同的迎坡角下獲取的大量數據表明了激波沿地形變化的一般規(guī)律:沖擊波遇到迎坡時，坡面超壓增大；遇到負坡時，超壓峰值減小。 杜紅棉等[7]提出，當空氣中傳播的沖擊波遇到剛性壁面時，質點速度驟然變?yōu)榱悖诿嫣庂|點不斷聚集，使壓力增加。 趙新穎等[4]認為，沖擊波在有限空間遇到固體壁面會形成反射，在特定位置會出現聚焦現象，使沖擊波超壓峰值增加。 與本文的結論一致。 綜上，同類型、同質量的炸藥觸地爆炸，由于坡度地形的影響，壓力峰值與坡度有關。

為了研究斜坡地形時沖擊波超壓峰值增大或減小的程度，將斜坡測點的超壓峰值與相同行程處測點的平地超壓峰值作比值，獲得超壓峰值比。 超壓峰值比隨行程的變化曲線，如圖5 所示。

圖5 超壓峰值比隨行程的變化Fig.5 Variation of peak overpressure ratio with distance

由圖5 可以看出:上坡時，超壓峰值比（超壓增大程度）隨上坡坡度的增大而增大，也就是上坡坡度越大，超壓峰值增大程度越大。 上坡時，超壓峰值比呈現為振蕩變化趨勢:先增大，后減小，再增大，最后趨于平穩(wěn)。 下坡時，超壓峰值比隨下坡坡度絕對值的增大而減小。 下坡時，超壓峰值比同樣表現為振蕩變化趨勢:先減小，再增大，再減小，最后趨于平穩(wěn)。 這可能是沖擊波遇到斜坡后空氣域突變或放射等因素所致。

文獻[6]中，通過激波管試驗數據獲得了斜坡處超壓峰值的經驗公式。

上坡經驗公式:

式中:△pθ為斜坡處超壓峰值；η＋為增壓系數（超壓比）；△p為入射壓，0.01 MPa≤△p≤0.60 MPa。θ為坡度；A、B分別為系數。

下坡經驗公式:

式中:η_為減壓系數。

由式（1）～式（4）可以看出，增壓系數（超壓比）是隨坡度變化的二次函數。 式（5）～式（6）表明，減壓系數在0°≤θ≤20°時只與坡度相關，且是隨坡度變換的指數衰減函數；在20° ＜θ≤90°時，是只與坡度相關的二次函數。

文獻[6]中的經驗公式與圖5 中的曲線變化趨勢有差異。 用20°上坡試驗數據驗證發(fā)現，式（1）～式（4）獲得的增壓系數整體偏大，偏差范圍16%～80%。 用-20°下坡試驗數據驗證發(fā)現，式（5）～式（6）獲得的減壓系數多數偏小，偏差在-25%～7%之間。 -30°下坡試驗數據驗證結果同樣偏小，偏差在-22%～-8%之間。 這可能與試驗條件相關。

爆炸沖擊波傳播的研究更多關注的是對比距離、坡度和斜坡超壓之間的關系。 根據試驗數據，擬合了對比距離、坡度θ與增（減）壓系數η的關系，三維結果如圖6 所示。

圖6 增（減）壓系數與對比距離和坡度的關系Fig.6 Relationship between η andor θ

式中:η（，θ）為增（減）壓系數；為對比距離；θ為斜坡坡度。

式（7）為增（減）壓系數與對比距離和坡度的關系，擬合結果與試驗結果偏差-6.08%～7.29%。

2.2 坡度對超壓峰值到達時間的影響

圖7 為坡頭前2 個測點、坡頭后1 個測點處超壓峰值到達時間的對比曲線。 由圖7 可以看出:沖擊波遇到斜坡前，超壓峰值到達時間與通過平地時相比變化不大；上坡后，超壓峰值到達時間減??；下坡后，超壓峰值到達時間增大。

圖7 不同測點處超壓峰值到達時間的對比Fig.7 Comparison of the arrival time of peak overpressure at different measuring points

圖8 為斜坡上各測點超壓峰值到達時間的對比。 由圖8 可以看出:上坡時，超壓峰值到達時間隨坡度的增大而減小，隨著行程的增大而增大，行程越大，區(qū)分越明顯；下坡時，超壓峰值達到時間隨著坡度絕對值的增大而增大，隨著行程的增大而增大，行程越大，區(qū)分越明顯。 通過試驗數據，對不同坡度時超壓峰值到達的時間比的均值進行擬合，得到了αθ與θ的近似關系:

圖8 斜坡上各測點超壓峰值到達時間的對比Fig.8 Comparison of the arrival time of peak overpressure at different measuring points on the slope

式中:tθ為坡度為θ時超壓峰值的到達時間；t0為坡度為0°時超壓峰值的到達時間；αθ為超壓峰值到達的時間比；θ為斜坡坡度。

2.3 坡度對超壓脈寬的影響

圖9 為平地和20°、-20°斜坡相應行程測點處的超壓脈寬的對比。 從圖9 中可以看出，相比平地，上坡時超壓脈寬變小，下坡時超壓脈寬增大。 脈寬的變化整體表現為振蕩趨勢。

圖9 不同坡度時各測點處的脈寬Fig.9 Pulse width at different measuring points at different slopes

2.4 坡度對超壓沖量的影響

圖10 給出了平整地形和20°、-20°坡度斜坡時相應測點處沖量大小的比較。 從圖10 中可以看出，坡頭前、后上坡時沖量增大，下坡時沖量減小。 沖擊波過坡頭后，沖量同樣表現為上坡增大、下坡減小的趨勢，沖量變化呈振蕩趨勢。

圖10 不同坡度時各測點處的沖量Fig.10 Impulse at different measuring points at different slopes

3 結論

1）在坡頭之前的斜坡平整段處，沖擊波超壓峰值、超壓峰值到達時間與平地時的數據相當。

2）從坡頭前測點開始，上坡超壓沖量增大，且隨坡度增大而增大；下坡超壓沖量減小，且隨坡度絕對值的增大而減小。

3）上坡時，超壓峰值和沖量比平地時的數據增大，超壓峰值和沖量隨坡度的增大而增大，超壓峰值和沖量的增大程度呈現振蕩變化趨勢；下坡時，超壓峰值和沖量比平地時的數據減小，超壓峰值和沖量隨下坡坡度絕對值的增大而減小，超壓峰值和沖量的減小程度呈現振蕩變化趨勢。

4）上坡時，超壓峰值到達時間比平地時的數據減小，超壓峰值到達時間隨上坡坡度增大而減小；下坡時，峰值到達時間比平地時的數據增大，超壓峰值到達時間隨下坡坡度絕對值的增大而增大。

5）超壓脈寬上坡時減小，下坡時增大。

6）得出不同坡度地形時沖擊波超壓峰值、超壓峰值到達時間與平整地面時相應值的關系式；在本文給出的條件范圍內，可用于工程實際計算。