不同炸藥在圓筒裝置內爆炸沖擊波載荷傳播規律與分布特性*

王梓昂，翟紅波，李芝絨，袁建飛，張玉磊

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

0 引言

艦船艙室是一個密閉環境，沖擊波在艙室內的傳播規律與自由場環境有很大不同。沖擊波在艙室內會發生多次反射，難以用理論準確描述[1]，因此多基于內爆炸試驗開展研究。侯海量等[2]通過船艙內爆炸試驗分析內爆炸沖擊波與自由場沖擊波的區別；陳君等[3]通過艦船內爆試驗發現沖擊波在艙內多次反射，流場遠比自由場復雜；文獻[4-7]中發現由于艙室結構的影響，艙內爆炸沖擊載荷遠比自由場復雜；孔祥韶[8]開展了不同藥量在艙室內爆炸的實驗研究，分析了艙室內爆炸載荷以及沖擊波在角隅處的匯聚情況。

在已有相關研究中大多針對TNT裝藥，而溫壓裝藥在反艦導彈中應用越來越廣泛，內爆環境中二者能量輸出結構差異很大。因此，溫壓炸藥的內爆效應不能簡單依據理想爆轟炸藥的表征方法。艙室內沖擊波載荷的分布特性很復雜，難以直接深入研究，因此將艙室簡化成圓筒結構，減少影響因素，掌握圓筒型結構內爆炸沖擊波載荷的傳播規律和分布特性，在此基礎上再開展方形艙室內爆沖擊波研究。

文中基于圓筒裝置開展TNT炸藥和溫壓炸藥內爆炸試驗，研究沖擊波在圓筒裝置內的傳播規律，并對比分析兩種炸藥在圓筒裝置內的沖擊波載荷分布特性，對反艦戰斗部在艦船艙室內的毀傷效應研究具有重要意義。

1 試驗

1.1 試驗裝置

圓筒型爆炸裝置示意圖如圖1所示。圓筒為無縫鋼管，內徑φ800 mm、壁厚12 mm、長度1 670 mm；鋼管左側安裝了兩個法蘭盤，法蘭盤之間夾持了Q235板，鋼管右側安裝了端蓋，形成密封結構，圓筒壁面和端蓋上設有傳感器安裝孔。按照炸藥高度確定支撐桿長度，保證爆心處于圓筒幾何中心。

圖1 圓筒型爆炸裝置結構示意圖

1.2 試驗裝藥

試驗樣品為TNT和溫壓炸藥藥柱，質量均為80 g，長徑比均為1。TNT為熔鑄藥柱，密度1.58 g/cm3；溫壓炸藥為壓制藥柱，主要成分為鋁粉、高氯酸銨(AP)、RDX和塑性黏結劑，密度1.81 g/cm3。起爆藥為1g的C4炸藥，使用8#工業銅質電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.3 沖擊波壓力測試系統

沖擊波壓力信號用PCB公司的ICP型高頻響應壓力傳感器測量，量程為6.9 MPa和34 MPa。壓力傳感器測點布局如圖2所示，在壁面和端蓋上均布置了4個測點，各測點的爆心距如表1所示。

圖2 沖擊波超壓測點布局

測點編號爆心距/m測點編號爆心距/mA10.40B10.80A20.45B20.82A30.57B30.90A40.72B41.00

2 試驗結果與分析

2.1 爆炸沖擊波傳播規律分析

2.1.1 密閉空間內爆炸沖擊波疊加原理

為了分析沖擊波遇到壁面的反射現象，引入鏡像爆心[9]的概念，鏡像爆心與爆心的位置關于壁面對稱，產生的沖擊波強度相等，如圖3所示。結構壁面任意點處的內爆炸載荷由爆炸沖擊波對測點的直接作用和經壁面反射后的沖擊波對測點的作用共同組成。經壁面反射后沖擊波的作用可看作是爆心關于壁面對稱的鏡像爆心爆炸沖擊波對測點的作用，爆心和所有鏡像爆心爆炸沖擊波的耦合作用即為測點上總的內爆炸載荷。

以端蓋上的B4測點為例，圖4為圓筒裝置內的沖擊波傳播示意圖。圖中S為爆心，S1和S2為爆心關于壁面對稱的鏡像爆心，S的爆炸沖擊波在壁面上A點和B點處反射后向B4處傳播，等效為鏡像爆心S1和S2的爆炸沖擊波對B4的作用。直接作用的爆炸沖擊波疊加上鏡像爆心對B4作用的沖擊波即為B4處總的沖擊波波形。

圖3 鏡像爆心及其沖擊波傳播示意圖

圖4 圓筒裝置內沖擊波傳播示意圖

2.1.2 圓筒內沖擊波傳播規律分析

80 gTNT炸藥和溫壓炸藥在圓筒裝置內爆炸沖擊波超壓曲線如圖5和圖6所示。從圖中可以看出在同一測點處兩種炸藥內爆炸的沖擊波波形基本一致。

圖5 80 g TNT炸藥爆炸沖擊波超壓曲線

圖6 80 g WY炸藥爆炸沖擊波超壓曲線

兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰到達時間如表2所示，第一波峰和第二波峰峰值與爆心距的關系如圖7所示。

由表2可知兩種炸藥爆炸沖擊波的第一波峰到達時間均隨爆心距的增加而增加，且由圖7可知第一波峰峰值隨爆心距增加而減小，符合沖擊波的衰減規律，由此可判斷第一波峰為沖擊波直接傳播至測點處形成的波峰；而后續波峰則是沖擊波遇到結構的壁面或端蓋后發生反射，傳播至測點處疊加而成。對比第二波峰峰值可知，爆炸沖擊波遇到壁面或端蓋反射后形成的疊加效應隨著爆心距的增大而顯著增強，疊加后的沖擊波峰值顯著增大(*裝藥的不均勻性造成B3測點處溫壓炸藥爆炸沖擊波第二峰值偏小，故未在圖中標出)。

表2 兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰的到達時間

圖7 兩種炸藥爆炸沖擊波峰值與爆心距關系

綜合以上結果可知：多波形疊加是圓筒裝置內爆炸沖擊波的特征，沖擊波的衰減使得第一波峰隨著爆心距的增加呈減小的趨勢，經裝置反射后形成的沖擊波疊加效應隨爆心距的增加呈增強趨勢。

2.2 圓筒內沖擊波分布特性對比分析

2.2.1 沖擊波超壓波峰分布特性對比分析

沖擊波超壓最大峰值與爆心距的關系如圖8所示。溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓最大峰值的均值比TNT增加了11.9%。壁面上爆心距較小，沖擊波直接作用起主導作用，隨著爆心距的增加，沖擊波超壓峰值總體呈現下降趨勢；端蓋上爆心距較大，沖擊波直接作用不起主導作用，壁面反射后沖擊波的疊加效應加強，使得超壓峰值呈增長趨勢。

由圖7可知，兩種炸藥爆炸沖擊波的第一波峰峰值和第二波峰峰值隨爆心距的變化規律基本一致。隨著爆心距的增加，相比于TNT，溫壓炸藥爆炸沖擊波超壓的第一波峰峰值衰減更慢，經壁面反射后沖擊波疊加效應的增強趨勢更明顯。

圖8 兩種炸藥爆炸沖擊波最大峰值與爆心距關系

對比兩種炸藥爆炸沖擊波第一波峰的脈寬。由于端蓋上測點處的第一個波峰下降沿后半段被第二波峰疊加，不能完整顯示其脈寬，因此僅對比壁面上的4個測點，如表3所示。

表3 壁面上沖擊波第一波峰脈寬對比

溫壓炸藥爆炸沖擊波第一波峰脈寬均大于TNT炸藥，這是由于鋁粉后燃反應釋放的能量延長了沖擊波超壓的持續時間，使得沖擊波衰減變慢。

綜合對比兩種炸藥爆炸沖擊波的峰值和脈寬，相對于TNT，溫壓炸藥在密閉空間具有更強的破壞力。

2.2.2 沖擊波沖量分布特性對比分析

圖9描述了線彈性系統對應變化的瞬態壓力脈沖和持續時間的曲線。曲線上的點表示不同的沖擊波正壓持續時間，而這些持續時間可以由彈性系統的自振周期比較得到。例如在A點對應于系統自振周期的1/5。當沖擊波正壓持續作用時間比彈性系統自振周期1/5還短時，結構響應僅取決于脈沖的沖量；當沖擊波正壓持續作用時間比彈性系統的自振周期的兩倍還長時，結構響應取決于峰值壓力；當沖擊波正壓持續時間處于上述兩種情況的中間狀態，結構響應對沖量和峰值壓力都敏感。

Q235板的一階振頻為16.5 Hz，自振周期的1/5約為12 ms，自振周期的2倍約為120 ms，沖擊波正壓持續時間處于中間狀態，圓筒裝置對峰值壓力和沖量都敏感，因此對兩種炸藥爆炸沖擊波在同一時段定時積分沖量的分布特性作進一步分析。

圖9 壓力脈沖與峰值壓力和沖量關系

定時積分沖量與爆心距的關系如圖10所示，溫壓炸藥在結構壁面和端蓋上的定時積分沖量均高于TNT炸藥，沖量均值比TNT增加了20.3%，這個增幅約為沖擊波峰值均值增副的2倍，這是由于溫壓炸藥后燃燒過程中二次釋放能量，可以明顯增加圓筒裝置內沖擊波過后的壓力，從而增加裝置內壁所受沖量。在密閉環境中，對于符合沖擊波沖量毀傷準則的目標，溫壓炸藥毀傷效果優于TNT。

圖10 兩種炸藥爆炸沖擊波定時積分沖量與爆心距的關系

隨著爆心距的增大，沖量總體呈現先增大后減小的規律，溫壓炸藥的這種規律更加明顯。從圖5和圖6中B2點的沖擊波超壓曲線可以看出雖然該點處的沖擊波峰值不是最大，但波形后面出現較多峰值較小的反射波，并且準靜壓值較大，因此該測點處的沖量最大。A1和B4點處雖然沖擊波峰值很大，但在A1處未出現明顯的反射沖擊波，準靜壓較低，故沖量較小；B4處出現了比較明顯的反射沖擊波，該處沖量較小可能是圓筒裝置的結構造成的，該處緊靠端蓋與圓筒的連接處，爆炸后預緊螺栓會不同程度松動，結構內部壓力大于外部氣壓，導致連接處漏氣，使得B4處的準靜壓較小，從而無法形成較大沖量。

3 結論

基于同質量TNT和溫壓炸藥在圓筒裝置中的內爆炸試驗，對比分析了兩種炸藥在圓筒裝置內爆炸沖擊波的傳播規律和載荷分布特性，主要得出以下結論。

1)多波形疊加是圓筒裝置內爆炸沖擊波的特征，隨著爆心距的增加，沖擊波的衰減使得第一波峰呈減小趨勢，壁面沖擊波疊加后的峰值顯著增大，疊加效應顯著增強；

2)在圓筒裝置內隨著爆心距的增加，溫壓炸藥爆炸沖擊波第一波峰的衰減幅度小于TNT炸藥，沖擊波的疊加效應比TNT炸藥更加明顯；沖擊波第一波峰脈寬大于TNT炸藥，沖擊波衰減較慢，在密閉空間具有更強的破壞力。

3)由于溫壓炸藥后燃燒過程中二次釋能，同質量溫壓炸藥在結構壁面和端蓋上的定時積分沖量均高于TNT炸藥，均值增幅約為沖擊波峰值均值增幅的2倍；隨著爆心距的增加，兩種炸藥沖量總體呈現先增大后減小的趨勢，溫壓炸藥的這種規律更加明顯，且其沖量值更有利于毀傷目標。