真空條件下炸藥爆炸特性試驗研究

張廣華，李彪彪，沈 飛，王勝強，王 輝

(西安近代化學研究所， 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與理論研究。E-mail:land_wind@163.com

引 言

隨著高效毀傷技術的不斷發展，將炸藥或裝載炸藥的元器件用于高空或太空環境越來越成為一種可能。高空環境下由于缺少空氣介質，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域的一個重要分支，國內外相關研究人員對其開展了大量研究，并基于試驗結果提出了相應的經驗公式，用于對炸藥在空氣中爆炸后的威力場進行分析。國內外關于炸藥在真空環境下的釋能特性研究起步相對較晚，但也取得了一些研究成果[1-2]。Silnikov等[3]對比了常壓和高空環境下爆炸威力參量的變化規律，并分析了不同氣壓條件下爆炸沖擊波對飛行器的破壞；Veldman等[4]研究了環境壓力對反射沖擊波超壓及沖量的影響；李科斌等[5]通過數值模擬對不同真空度下爆炸近場特征參量的變化規律進行了分析；黃亞峰[6]、楊雄等[7]分別對真空環境下不同含鋁炸藥的爆炸場壓力及溫度進行了對比分析。

綜上所述，國內外關于炸藥在真空或低壓條件下的能量釋放特性及毀傷規律研究相對較多，但研究內容以數值模擬或十克量級炸藥的釋能特性為主，關于公斤級裝藥在真空條件下的爆炸特性研究相對較少。因此，本研究開展了公斤級裝藥在常壓及真空環境下的爆炸試驗，并對不同條件下的炸藥爆炸威力進行了對比分析。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

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

1.2 試驗裝置

試驗在西安近代化學研究所的真空爆炸罐內進行。爆炸罐為膠囊形，如圖1所示，直徑2.6m，圓柱部長3.2m，其主體由抗爆承壓層、隔音層及內襯裝甲層組成，常壓下抗爆當量為7kg TNT(球形裝藥，中心起爆)炸藥，抽真空時(≤103Pa)的抗爆當量為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個法蘭盤，用于安裝傳感器等測量裝置。試驗整體布局如圖2所示，本試驗中，在法蘭盤1和法蘭盤4上各安裝2個沖擊波壓力傳感器和準靜態壓力傳感器，用于測量壁面反射壓和準靜態壓力；為減小爆轟不均勻性帶來的測量誤差，兩個法蘭盤上所裝傳感器參數相同，處理數據時對2個測點的測試結果進行均值處理。沖擊波壓力傳感器采用美國PCB公司生產的113B22型通用高頻壓力傳感器，諧振頻率大于500kHz，上升時間小于1μs，量程0～34.5MPa；準靜態壓力傳感器采用昆山雙橋公司生產的CYG508型壓阻式壓力傳感器，測量精度0.5級，測試組件上升時間為0.24ms，量程0～5MPa；距離藥柱0.8、1.2、1.6m處各安裝1個自由場超壓傳感器，用于測量特征距離處的自由場超壓，采用美國PCB公司生產的137B21型ICP“筆式”自由場超壓傳感器，諧振頻率大于500kHz，上升時間小于4μs，靈敏度0.145mV/kPa。所有傳感器的輸出信號均經過信號適調器進行放大，信號試調器采用美國PCB公司生產的482C05型號，頻率帶寬1MHz。

圖2 試驗布局圖Fig.2 Layout of the experiment

此外，在爆炸罐底部放置了LY12硬鋁效應靶，如圖3所示，效應靶受載區域為Φ300mm的圓形，靶厚3mm，通過效應靶的塑性變形來評估炸藥的毀傷威力。

圖3 效應靶Fig.3 Effect target

由于試驗裝置所限，難以將罐內壓力抽至完全真空(0Pa)，而是將其抽至2.5kPa，為標準大氣壓的2.5%，共進行3發試驗：第一發罐體內壓力2.5kPa，藥柱軸線與罐體軸線垂直；第二發罐體內壓力2.5kPa，藥柱軸線與罐體軸線平行；第三發罐體內壓力為常壓，藥柱軸線與罐體軸線平行。第一發與第二發試驗用于對比藥柱擺放方式對壓力參量及效應靶毀傷效果的影響，第二發與第三發試驗用于對比不同氣壓條件對壓力參量及效應靶毀傷效果的影響。

2 結果及分析

2.1 不同藥柱擺放方式對毀傷效果的影響

2.1.1 爆炸場壓力分析

第一發與第二發試驗的壓力測試結果如圖4所示。圖中，pw1、pw2分別表示第一、第二發試驗的壁面反射壓力，ps1、ps2分別表示第一、第二發試驗的準靜態壓力，第二發試驗時0.8m處自由場超壓數據未采集到。

由圖4(a)可以看出，藥柱垂直布置時(第一發試驗)，壁面反射壓力峰值及準靜態壓力峰值分別為藥柱水平布置(第二發試驗)時的1.12倍和1.67倍。經過分析，這主要與爆炸產物的傳播方向性有關。本組試驗的罐內氣體壓力均為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物向外膨脹的形式進行傳播、擴散，且傳感器所測壓力也主要是由于爆炸產物對傳感器敏感面的沖擊所致。爆炸產物的傳播具有明顯的方向性，藥柱水平布置時，爆炸產物的能量在爆炸罐徑向是均勻分布的；而藥柱豎直布置時，爆炸產物在爆炸罐徑向并非均勻分布，由于藥柱采用上端面起爆，所以爆炸產物主要向爆炸罐底部傳播，壁面反射壓及準靜態壓力傳感器均安裝在圖2(c)所示爆炸罐底部兩側的法蘭盤1與法蘭盤4上，因此，使得藥柱垂直布置時傳播至傳感器安裝位置的爆炸產物能量要高于水平布置時，由此導致垂直布置時所測壁面反射壓峰值及準靜態壓力峰值均高于水平布置時。

圖4 壓力測試結果Fig.4 Results of the pressure measurement

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

2.1.2 效應靶動態響應分析

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

通過圖5可知，第一發試驗中，效應靶1出現了嚴重的結構破壞，在與靶架接觸的部位被完全剪切掉，效應靶2在受載區域產生了凹坑，經過測量，中心位置撓度為19mm；第二發試驗在效應靶受載區域產生了撓度為60mm的凹坑。經分析，效應靶的變形及破壞是由于效應靶在爆炸產物作用下，與靶架接觸的部位出現了“應力集中”，當所受載荷超過靶板的彈性極限時，會在效應靶邊緣位置產生塑性角，進而導致靶板圍繞塑性角逐漸發生塑性變形；當爆炸載荷高于靶板的抗剪強度時，便會在應力集中部位產生剪切破壞。通過圖5還可以看出，第一發試驗中，正對藥柱放置的效應靶1的破壞效果要遠高于緊挨其放置的效應靶2，再次證明了爆炸產物的傳播具有明顯的方向性。

圖5 第一和第二發試驗后的效應靶Fig.5 Effect target after No.1 and No.2 experiment

當效應靶未發生結構破壞時，根據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為受載區域半徑；σy為材料的準靜態屈服應力；σd為材料的動態屈服應力。本研究中：ρ=2.7g/cm3，δ=3mm，R=150mm，σy=165MPa，根據上述模型，計算出效應靶撓度Wf為19mm時，所受比沖量約為477Pa·s；撓度Wf為60mm時，所受比沖量約為1650Pa·s。

2.2 常壓及真空環境對毀傷效果的影響

2.2.1 爆炸場壓力分析

第二發(真空)與第三發(常壓)試驗的壓力測試結果如圖6所示，第三發試驗中0.8m處的自由場超壓數據未采集到，經過分析，這是由于該位置處超壓峰值過大，將傳感器破壞所致。

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

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

(3)

(4)

由表1可知，實測沖擊波超壓峰值遠高于計算值，這主要是由于以下原因造成的：(1)爆炸相似率及相關經驗公式是基于球形裝藥在無限空氣介質中爆炸這一基本假設的，本試驗對象為柱形裝藥在密閉空間內的爆炸，因此，采用上述經驗公式進行超壓計算會存在一定誤差；(2)測點位置的比距離相對較近，而爆炸近場的沖擊波超壓峰值與藥柱形狀、爆炸產物擴散、傳感器與罐體共振等因素密切相關[12]，且傳感器安裝結構同時受到爆炸產物的強沖擊及熱作用，會產生“寄生效應”引起信號失真[13]，對傳感器、電纜線等測量設備形成干擾，造成爆炸近場峰值超壓“測不準”的現象；(3)經驗公式是有相應適用范圍的，即，當爆炸產物與沖擊波分離后才適用，爆炸近場時并不適用。對于球形裝藥，爆炸產物傳播至裝藥半徑的10～15倍距離時與沖擊波完全分離[14]，文獻[5]中也指出，經驗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，傳感器的布設位置正對爆炸產物傳播方向，加之爆炸產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還未與爆炸產物分離，所測壓力信號應為爆炸產物與沖擊波共同作用所致，而非單純自由場超壓。

將自由場超壓曲線發生階躍突變的時刻定義為爆炸產物傳播至傳感器對應位置的時間，通過對常壓及真空條件下的自由場超壓數據進行處理得出：真空環境下，爆炸產物從距爆心1.2m處傳播至1.6m處需要83μs，將給定距離內的平均速度視作該距離中點處的瞬時速度，得到距爆心1.4m處的爆炸產物速度為4.82mm/μs；常壓下，爆炸產物/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處的爆炸產物/沖擊波速度為2.90mm/μs。綜上所述，真空環境下的爆炸產物運動速度是常壓下的1.66倍，這是由于真空條件下缺少空氣介質，產物運動過程中所受阻力較小所致。

2.2.2 效應靶動態響應分析

第三發試驗后的效應靶如圖7所示，靶板局部產生了撕裂破壞。

圖7 第三發試驗后的效應靶Fig.7 Effect target after the No.3 experiment

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

3 結 論

(1)真空環境下，爆炸產物的傳播具有明顯的方向性，正對爆炸產物傳播方向所測壁面反射壓峰值、準靜態壓力峰值分別是側向的1.12倍及1.67倍，且正對爆炸產物傳播方向的效應靶變形也遠高于側向效應靶變形。

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