某含能材料爆炸沖擊波威力評(píng)價(jià)

王安勇，張學(xué)輝，張俊鋒，李小虎，何性順

(1.西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

1 引言

等效TNT當(dāng)量是評(píng)估爆炸事故與含能材料爆炸威力的重要指標(biāo)。爆炸事故一般依據(jù)爆炸地震波、爆坑特征、建筑物毀壞程度等災(zāi)害效果計(jì)算爆炸等效TNT當(dāng)量以評(píng)估爆炸威力[1-4]；依據(jù)含能材料爆轟參數(shù)計(jì)算含能材料等效TNT當(dāng)量的方法雖然簡(jiǎn)便，但是難以準(zhǔn)確反映含能材料集團(tuán)裝藥的能量釋放特性，一般用于粗略估算含能材料等效TNT當(dāng)量，為靜爆試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[5-7]。因此，通常開(kāi)展靜爆試驗(yàn)對(duì)含能材料爆炸威力進(jìn)行評(píng)價(jià)。爆炸沖擊波是彈藥爆炸的主要?dú)虼耍话阃ㄟ^(guò)沖擊波壓力評(píng)價(jià)含能材料的爆炸威力。沖擊波壓力電測(cè)法通過(guò)布設(shè)地表反射壓或自由場(chǎng)壓力傳感器采集沖擊波壓力的時(shí)間歷程曲線，最大程度上記錄測(cè)點(diǎn)完整的壓力信息，便于信號(hào)的分析處理；而等效壓力罐法、效應(yīng)靶法、生物試驗(yàn)法、高速攝影法等沖擊波壓力測(cè)量方法一般用于評(píng)估沖擊波壓力對(duì)結(jié)構(gòu)及生物目標(biāo)的綜合毀傷效果[8-11]，測(cè)試準(zhǔn)確度和成熟度遠(yuǎn)不及電測(cè)法，因此，這些測(cè)試方法一般作為電測(cè)法的輔助測(cè)試手段，用于綜合評(píng)估沖擊波的毀傷效果。由于自由場(chǎng)壓力傳感器安裝支架受沖擊波作用易產(chǎn)生晃動(dòng)導(dǎo)致寄生輸出，且彈藥破片易擊中損壞傳感器，因此，電測(cè)法中一般使用壁面壓力傳感器采集地表反射壓數(shù)據(jù)用于含能材料的爆炸威力評(píng)價(jià)[12-16]。

靜爆試驗(yàn)中地面的存在會(huì)導(dǎo)致靜爆壓力場(chǎng)產(chǎn)生與無(wú)限空中爆炸壓力場(chǎng)不同的特性。因此研究不同爆高及裝藥當(dāng)量下沖擊波壓力的時(shí)空分布特性，對(duì)于充分認(rèn)識(shí)靜爆試驗(yàn)爆炸沖擊波壓力場(chǎng)的基本規(guī)律、指導(dǎo)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)具有重要意義[17-20]。對(duì)于含能材料爆炸威力評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置的確定原則是該位置處的沖擊波壓力受盡可能少的變量影響，從而使該點(diǎn)測(cè)量的沖擊波壓力能夠準(zhǔn)確反映含能材料本征特性。

爆炸相似率理論是含能材料爆炸沖擊波等效TNT當(dāng)量計(jì)算的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于研究爆炸沖擊波超壓峰值與裝藥量、爆心距間的相互關(guān)系。國(guó)外相關(guān)研究人員通過(guò)對(duì)自由空間爆炸的沖擊波壓力進(jìn)行的理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，依據(jù)爆炸相似率理論擬合了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[21-23]，這些經(jīng)驗(yàn)公式在形式上一般是以比例距離的倒數(shù)為自變量、沖擊波超壓峰值為因變量的一元三次函數(shù)方程，一般無(wú)常數(shù)項(xiàng)，且方程的三次項(xiàng)系數(shù)一般為正數(shù)，在適用區(qū)間內(nèi)超壓峰值隨比例距離的增加單調(diào)遞減。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員將沖擊波超壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)與上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的沖擊波超壓峰值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)存在較大誤差，其中最重要的原因是上述經(jīng)驗(yàn)公式基本是基于球形裝藥在無(wú)限大氣中爆炸自由場(chǎng)超壓峰值所總結(jié)的，而相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)則是基于近地爆炸的地表反射壓數(shù)據(jù)，為此國(guó)內(nèi)相關(guān)研究分別依據(jù)各自試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了更加準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式[12-15]。

為了評(píng)價(jià)某含能材料的爆炸威力，開(kāi)展了10 kg TNT與10 kg含能材料的靜爆試驗(yàn)，設(shè)置地表反射壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試爆炸沖擊波地表反射壓力。建立以TNT爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算了含能材料爆炸等效TNT當(dāng)量；建立了以含能爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型用來(lái)反算TNT的爆炸威力，并對(duì)TNT與含能材料的地表反射壓測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，以比較TNT與試驗(yàn)含能材料具有類似的爆轟特性，驗(yàn)證了爆炸威力評(píng)價(jià)方法的合理性；通過(guò)與相關(guān)研究中建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較，說(shuō)明了誤差產(chǎn)生的原因及使用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定重要性；最后，對(duì)現(xiàn)階段含能材料爆炸威力評(píng)價(jià)的問(wèn)題及需要開(kāi)展的研究工作進(jìn)行了討論。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)由沖擊波壓力傳感器、傳感器安裝底座、觸發(fā)器、同軸電纜、數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。彈藥爆炸瞬間，觸發(fā)線斷開(kāi)，觸發(fā)器發(fā)出脈沖信號(hào)，并被數(shù)據(jù)采集器記錄，用于確定起爆的零點(diǎn)時(shí)刻。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Measurement system composition

沖擊波壓力傳感器為PCB公司113B系列ICP型壓電式壓力傳感器，其內(nèi)置的電荷放大器將壓電傳感器的高阻抗電荷輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗的電壓信號(hào)輸出，為后續(xù)的信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集提供了便利，測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率為1 MHz。

2.2 試驗(yàn)樣品狀態(tài)

試驗(yàn)樣品為2發(fā)10 kg熔鑄TNT裸藥柱和2發(fā)10 kg含能材料裸藥柱。TNT裸藥柱裝藥密度1.58 g/cm3，含能材料裸藥柱由奧克托今(HMX)、鋁粉和黏結(jié)劑組成，裝藥密度為1.84 g/cm3。

4發(fā)裸藥柱長(zhǎng)徑比均為1∶1，均為一次起爆裝藥，均采用頂端起爆方式，起爆藥、傳爆藥為JH14，使用8號(hào)電雷管進(jìn)行起爆。藥柱中心距離地面1.5 m。吊藥裝置高2.5 m，寬1.5 m，由底座、支撐桿、橫桿焊接并采用螺釘結(jié)構(gòu)固定，橫桿承重不小于50 kg；支撐桿直徑不大于35 mm，兩支撐桿間距1.5 m；底座為方形鋼板，邊長(zhǎng)為30 cm，將底座埋在爆心地面下0.5 m深處，支撐桿用鋼釬和鐵絲拉緊。試驗(yàn)時(shí)將藥柱裝入網(wǎng)兜，再掛緊在吊藥繩索上，吊藥繩索及網(wǎng)兜承重不小于50 kg，藥柱吊掛狀態(tài)如圖2所示。

圖2 藥柱起爆狀態(tài)示意圖Fig.2 Detonation state of explosive

爆心周圍試驗(yàn)地面為硬質(zhì)地普通沙質(zhì)土壤，平均密度約為1.8 g/cm3。試驗(yàn)時(shí)，氣溫18 ℃，風(fēng)速2.5 m/s，大氣壓力99.3 kPa，平均濕度60%。

2.3 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

爆炸相似率建立的擬合方程中有3個(gè)擬合參數(shù)需要求解，為保證方程的置信度，地表反射壓測(cè)點(diǎn)至少要包含5個(gè)爆心距離，且地表發(fā)射壓測(cè)點(diǎn)需布置在馬赫反射區(qū)以內(nèi)。因此，在距離爆心3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、9 m、12 m、15 m半徑分別布設(shè)3個(gè)地表反射壓測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 地表反射壓測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.3 Arrangement of surface reflection pressure measuring points

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

TNT與含能材料各進(jìn)行兩發(fā)試驗(yàn)，同一爆心距處共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，剔除了粗大誤差后的沖擊波超壓峰值數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 沖擊波超壓峰值測(cè)試數(shù)據(jù)

不同爆心距處TNT與含能材料爆炸地表反射壓典型測(cè)試曲線如圖4、圖5所示。

圖4 TNT測(cè)試數(shù)據(jù)曲線Fig.4 TNT test data curve

3 爆炸威力評(píng)價(jià)

3.1 等效TNT當(dāng)量的計(jì)算

一般地，通過(guò)將含能材料爆炸測(cè)試數(shù)據(jù)代入TNT測(cè)試數(shù)據(jù)建立的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型計(jì)算含能材料等效TNT當(dāng)量，基本流程如圖6所示。為了驗(yàn)證比較含能材料與TNT的沖擊波基本特性，分別建立以TNT測(cè)試數(shù)據(jù)、含能材料測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型，并將數(shù)據(jù)代入基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型，求得含能材料爆炸等效TNT當(dāng)量。

圖6 以TNT測(cè)試數(shù)據(jù)建立基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of establishing a basic evaluation model based on TNT test data

TNT測(cè)試數(shù)據(jù)建立的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型為

(1)

含能材料測(cè)試數(shù)據(jù)建立的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型為

(2)

將不同爆心距處含能材料沖擊波超壓峰值代入式(1)，求得含能材料等效TNT當(dāng)量(圖7)；將不同爆心距處TNT沖擊波超壓峰值代入式(2)，計(jì)算依據(jù)含能材料超壓峰建立基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型的TNT當(dāng)量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖7 TNT與含能材料及比例距離數(shù)據(jù)圖Fig.7 Proportional distance data map of TNT and energetic materials

表2 各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量計(jì)算值

依據(jù)2種基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型計(jì)算含能材料爆炸等效TNT當(dāng)量分別為1.176、1.171，結(jié)果相近，由此可見(jiàn)含能材料與TNT爆炸沖擊波壓力的時(shí)空分布特性類似，從側(cè)面說(shuō)明了該評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。由表2可以看到：同一基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型不同爆心距處爆炸等效TNT當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果存在差異，由于構(gòu)建模型的測(cè)試數(shù)據(jù)已經(jīng)剔除了粗大誤差，因此，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果是可信的，造成該現(xiàn)象的原因可能是由于該半徑處地面環(huán)境對(duì)沖擊波壓力造成了擾動(dòng)，因?yàn)? m測(cè)點(diǎn)半徑附近有一凹坑用于爆炸地震波測(cè)量。但是相同爆心距處2種基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果的一致性較好，從側(cè)面驗(yàn)證了TNT與含能材料的爆炸特性類似。

3.2 超壓信號(hào)的頻譜分析

分析TNT與含能材料地表反射壓正壓作用區(qū)域信號(hào)的頻譜特性，以驗(yàn)證含能材料與TNT爆炸沖擊波的時(shí)空特性是否一致，3 m爆心距處TNT正壓作用區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 3 m爆心距處TNT正壓作用區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)曲線Fig.8 TNT positive pressure area at 3 m burst center distance

3 m爆心距處沖擊波正壓作用時(shí)間為2ms左右，測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率為1 MHz，導(dǎo)致信號(hào)分析長(zhǎng)度很短，進(jìn)行頻譜分析時(shí)的頻譜分辨率很小。但即便這樣，如圖9所示，同一半徑處，TNT與含能材料測(cè)試信號(hào)有著相似的頻譜，說(shuō)明TNT與試驗(yàn)含能材料的沖擊波超壓時(shí)空特征及毀傷特性類似，因此，本文所用基礎(chǔ)評(píng)價(jià)計(jì)算含能材料爆炸等效TNT當(dāng)量的方法是科學(xué)可信的。

圖9 3 m爆心距處地表反射壓正壓作用區(qū)域頻譜Fig.9 Spectrum of the positive pressure area of ground surface reflected pressure at 3m burst center distance

3.3 與已有模型的比較

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究對(duì)柱形TNT藥柱的地表反射壓力進(jìn)行測(cè)試并依據(jù)爆炸相似率總結(jié)了相應(yīng)公式。文獻(xiàn)[12]對(duì)裝藥密度為1.60 g/cm3的2 kg TNT藥柱進(jìn)行了地表反射壓測(cè)試，藥柱長(zhǎng)徑比為1∶1，炸高為1.5 m，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)的TNT爆炸地面超壓如式(3)所示。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了長(zhǎng)徑比均為 1∶1的1 kg、8 kg、10 kg、30 kg、35 kg TNT藥柱的地表反射壓試驗(yàn)，炸高為1 m，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合的TNT超壓如式(4)所示。

(3)

(4)

依據(jù)文獻(xiàn)中式(3)與式(4)的適用條件，將TNT藥柱質(zhì)量10 kg與爆心距代入式(3)與式(4)，求得峰值超壓，并與實(shí)際測(cè)試超壓對(duì)比，如表3所示。

表3 研究文獻(xiàn)中模型的當(dāng)量測(cè)量值

由表3可以看出：以上模型計(jì)算的沖擊波超壓峰值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差達(dá)10%以上，在有的爆心距處甚至超過(guò)30%。由此可見(jiàn)，使用以往TNT試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的擬合公式用于基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型對(duì)含能材料爆炸沖擊波威力進(jìn)行評(píng)價(jià)，會(huì)造成很大的誤差。這是由于爆炸場(chǎng)地表反射壓受大氣環(huán)境、地表阻抗等試驗(yàn)環(huán)境影響較大，并且與爆炸高度、起爆方式、裝藥尺寸、裝藥密度等試驗(yàn)狀態(tài)密切相關(guān)，除以上爆炸場(chǎng)地表反射壓的影響因素外，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與一致性也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大影響，因此，脫離實(shí)際爆炸狀態(tài)及環(huán)境變量去試圖構(gòu)建一種普適的沖擊波壓力基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型是十分困難的。實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)置與含能材料裝藥尺寸相同或相似的TNT藥柱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定試驗(yàn)用于構(gòu)建基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型是十分有必要的。

4 分析

靜爆試驗(yàn)，同一含能材料一般進(jìn)行相同裝藥尺寸的多發(fā)試驗(yàn)，但是含能材料裝藥的均勻性很難保證完全相同、爆轟反應(yīng)的時(shí)空過(guò)程很難一致，因此，要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理的歸納和總結(jié)。相同測(cè)試條件、試驗(yàn)狀態(tài)及環(huán)境變量下沖擊波壓力的一致性尚不盡如人意，因此，脫離實(shí)際爆炸狀態(tài)及環(huán)境變量去試圖構(gòu)建一種普適的沖擊波壓力基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型是十分困難的。

本評(píng)價(jià)方法著重于使用爆炸沖擊波超壓峰值進(jìn)行爆炸威力的評(píng)價(jià)，受限于測(cè)試手段及沖擊波壓力表征參量的本身特征，表征爆炸沖擊波壓力的其他參量如比沖量、正壓作用時(shí)間等，其測(cè)試結(jié)果的一致性很差，難以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。此外，含能材料除了沖擊波壓力外，破片驅(qū)動(dòng)特性、熱作用也是重要的毀傷應(yīng)用指標(biāo)，對(duì)于含能材料的合理運(yùn)用與戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)具有重要意義，因此需要開(kāi)展和加深含能材料爆炸威力綜合評(píng)價(jià)相關(guān)的研究。

5 結(jié)論

本研究梳理分析了爆炸威力的評(píng)價(jià)方法，并開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)對(duì)某含能材料爆炸威力進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用交叉驗(yàn)證的方法，通過(guò)建立的2個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)模型計(jì)算了含能材料爆炸等效TNT當(dāng)量，并對(duì)TNT與含能材料正壓作用區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，驗(yàn)證了本文TNT當(dāng)量評(píng)價(jià)方法的合理性。

由于爆炸場(chǎng)壓力受大氣環(huán)境、地表阻抗等試驗(yàn)環(huán)境影響較大，并且與爆炸高度、起爆方式、裝藥尺寸等試驗(yàn)狀態(tài)密切相關(guān)，因此，對(duì)于彈藥的爆炸威力評(píng)價(jià)一般都是采用對(duì)比試驗(yàn)的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，以確保相同的試驗(yàn)狀態(tài)與測(cè)試條件，本文通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)中的模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的必要性。