空氣層對RDX水下爆炸性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

黃亮亮，王林桂，張西良，馬宏昊,4，張中雷，楊海濤，陳亞建，沈兆武，陳繼平，王奕鑫

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.大昌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 舟山 316021；3.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和水下爆破技術(shù)的不斷發(fā)展，水下爆破被廣泛運(yùn)用于港口建設(shè)、船塢碼頭建設(shè)和水利發(fā)電站等國防和民生工程領(lǐng)域。在促進(jìn)社會發(fā)展的同時，水下爆破也會帶來一些負(fù)面效應(yīng)，主要有水下沖擊波、地震波、水面涌浪等危害[1-2]。由于水的壓縮性較小，自身發(fā)生形變時消耗較少的能量，水下沖擊波的傳播速度和影響范圍比陸地上大[3-4]。因此，研究消除水下爆破的負(fù)面效應(yīng)具有重要意義。

在實(shí)際水下爆破作業(yè)中，為了降低水下沖擊波危害，需要采取一些控制和防護(hù)措施。楊東旭[5]采用延時爆破技術(shù)，保證了水下爆破施工時碼頭用岸邊建筑物的安全，雖能滿足消除水下爆破的負(fù)面效應(yīng)，卻降低了一次最大起爆藥量，限制了工程使用范圍。張志波等[6]采用氣泡帷幕技術(shù)，當(dāng)水下爆破產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)氣泡帷幕時，沖擊波大部分的能量被氣泡吸收而降低，從而減少其對水下建筑物的影響，但在運(yùn)行過程中，空氣壓縮機(jī)需要消耗大量電力，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的費(fèi)用較高[7]。

樊自建等[8]研究發(fā)現(xiàn)空氣隔層不僅可以削弱水中沖擊波峰值壓力，而且可以有效減少沖擊波的總能量。寇曉楓等[9]利用AUTODYN軟件建立計算模型，從理論上分析空氣隔層對水下沖擊波具有一定的緩沖效應(yīng)，并且跟空氣隔層厚度和位置有關(guān)。汪泉等[10]通過水下爆炸實(shí)驗(yàn)，研究了有機(jī)玻璃-空氣層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)空氣層可以有效降低水下爆炸振動速度，從而降低地震波對地基的振動影響。

筆者利用PVC管向RDX藥柱添加空氣，制作出一種空氣層裝藥結(jié)構(gòu)。對添加不同體積空氣的RDX裝藥進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)，得到這種裝藥結(jié)構(gòu)的爆炸參數(shù)。基于此，本文提出一種簡便易行的沖擊波調(diào)節(jié)方式，給沖擊和防護(hù)領(lǐng)域研究帶來一種新的加載方式，并總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式指導(dǎo)相關(guān)工程設(shè)計。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

RDX，白色粉末，自然堆積密度0.8～0.9 g/cm3；石蠟，白色粒狀固體，密度0.88～0.92 g/cm3、平均粒徑0.150 mm；石墨，黑色粉狀固體，平均粒徑0.045 mm(見圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)試劑Fig.1 Experimental reagents

BSA223S-CW型電子天平，德國賽多利斯公司；GZX-9030-MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；QW-100型手動油壓千斤頂，上海江南機(jī)械廠；壓藥模具，自制；PCB W138-A25-ICP型水下壓力傳感器，美國PCB Piezotronics公司；PCB 482A22型恒流源，美國PCB Piezotronics公司；Tektr-onix 7401型示波器，美國泰克公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

首先，將石蠟按質(zhì)量比例2∶100加入到RDX中，混合后放置在90 ℃恒溫干燥箱，保溫約15 min后，取出攪拌均勻待用。接著，通過模具和壓力裝置對鈍化后的RDX進(jìn)行壓藥操作，添加石墨以降低藥柱退模時的摩擦，每次壓藥時壓力裝置提供的壓力均是相同的且維持5 min，以保證藥柱處于相同的機(jī)械環(huán)境[11]。如圖1d所示，得到質(zhì)量m=3.0 g、外徑Da=15.0 mm、高度h=10.4 mm的RDX待用藥柱。

對于空氣層，本文忽略RDX藥柱上下兩部分沖擊波影響，僅研究傳感器平面沖擊波大小。為此，使用空氣徑向裝藥結(jié)構(gòu)，即在RDX藥柱徑向周圍添加空氣層，可以通過直徑大小不同的PVC管來實(shí)現(xiàn)(見表1)。PVC管的高度由RDX待測藥柱高度確定。

表1 PVC管內(nèi)徑

將RDX待測藥柱固定在PVC管中心，類似于同心圓，對其進(jìn)行加固和密封處理，并使用水進(jìn)行氣密性檢測，最后得到待測的空氣層裝藥(見圖2)。

圖2 空氣層裝藥結(jié)構(gòu)Fig.2 Air layer charge structure

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

水下爆炸實(shí)驗(yàn)是一種研究爆炸參數(shù)的重要方法[12]，實(shí)驗(yàn)在一個直徑D=5 m(壁厚5 cm)、高H=5 m的圓柱體且上端開口的爆炸容器罐中進(jìn)行(見圖3)。其中，待測裝藥和PCB壓力傳感器均放置在水面以下3 m處，安裝2個距離不同的傳感器，傳感器1距圓柱體中心距離R1=0.8 m，傳感器2距圓柱體中心距離R2=1.2 m。在相同的條件下，每組樣品實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次[13]。

圖3 水下爆炸實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device of underwater explosion

2 結(jié)果與討論

為了方便描述炸藥與空氣層的關(guān)系，本文采用K進(jìn)行描述，如式(1)：

(1)

式中：K為不耦合系數(shù)，K≥1。

2.1 水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

RDX空氣層裝藥結(jié)構(gòu)的水下沖擊波峰值壓力可以直接從壓力-時程(p-t)變化曲線中讀出，具體如表2所示。

表2 峰值壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水下沖擊波的沖量I是壓力對時間的積分，可以由式(2)計算得到[14]：

(2)

式中：p(t)為沖擊波壓力，Pa；θ為沖擊波衰減時間常數(shù)，數(shù)值大小是峰值壓力pm降低到pm/e的時間差。

比沖擊波能Es可由式(3)計算得到[14]：

(3)

式中：R為傳感器距離樣品中心的距離，m；m為炸藥樣品的質(zhì)量，kg；ρw為水的密度，取103kg/m3；Cw為水中聲速，取1 460 m/s。

比氣泡能Eb可以由式(4)得到[14]：

(4)

式中：Tb為第一次氣泡脈動周期，s；C和K1為實(shí)驗(yàn)條件的常數(shù)，可以由式(5)、式(6)分別求出：

C=b/a2

(5)

(6)

式中：a、b可以由式(7)計算得到[15]，分別取a=0.285，b=-0.075；ph為樣品在水深h處的總靜水壓，Pa。

(7)

水下爆炸總能量Et由式(8)得到[16]：

Et=kf(μEs+Eb)

(8)

式中：kf為樣品形狀系數(shù)，對于球形藥包取1.00，對于非球形取1.02～1.10，本文樣品形狀較好，取1.02；μ為衰減系數(shù)，表示沖擊波在水中傳播損失，可以通過式(9)計算得到[17]：

(9)

式中：pCJ為爆轟反應(yīng)中的CJ壓力，GPa，可由式(10)計算得[19]：

(10)

式中：ρ為待測樣品的密度，kg/m3；D為待測樣品的爆轟速度，m/s，考慮到本實(shí)驗(yàn)中用到的空氣層對RDX爆速影響較小，代入RDX原始爆速進(jìn)行計算。計算得到各組樣品的水下爆炸參數(shù)，隨不耦合系數(shù)的分布如圖4所示。

圖4 各組樣品水下爆炸參數(shù)的分布Fig.4 Distribution of underwater detonation parameters of each sample

2.2 水下爆炸實(shí)驗(yàn)分析

選取R1=0.8 m處的水下爆炸參數(shù)(見表3)，進(jìn)一步研究不耦合系數(shù)K對水下爆炸參數(shù)的影響。從圖4a可以看出，R1=0.8 m處的峰值壓力具有明顯的下降趨勢。利用Origin 2019軟件，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到RDX不耦合裝藥峰值壓力在R1處、不耦合系數(shù)K在1～7的經(jīng)驗(yàn)公式，如式(11)所示：

表3 不同K值下RDX水下爆炸參數(shù)

lnpm=—0.11K+2.36

(11)

式中：pm為峰值壓力，MPa；R2=0.990 2。

由式(1)、式(11)可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，通過改變K可以調(diào)節(jié)水下沖擊波峰值大小。K每增加1，RDX藥柱在R1處取自然對數(shù)后的峰值壓力降低0.11 MPa，且上述式(11)的R2值為0.990 2，說明在R1處lnpm與K函數(shù)關(guān)系擬合效果較好。

值得注意的是，目前尚未有空氣層調(diào)節(jié)水下沖擊波的報道，這是一項(xiàng)全新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。同時，利用該方法可以獲得特定的沖擊波峰值壓力，給沖擊和防護(hù)領(lǐng)域研究帶來一種新的加載方式。

由表3可以看出，與不添加空氣層的RDX藥柱(K=1.0)相比，隨著K的增加，添加空氣柱的RDX藥柱的沖量變化不明顯，表明沖量不受空氣層影響。然而，峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能和水下爆炸總能量均有降低。當(dāng)K從2.0增加到4.5時，RDX藥柱峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能、水下爆炸總能量分別降低21.08%、7.07%、12.94%、9.98%；當(dāng)K從4.5增加到7時，峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能、水下爆炸總能量出現(xiàn)顯著降低，分別降低了26.41%、25.00%、11.26%、18.26%。此外，從圖4c可以看出，在相同的K值下，R1、R2處的比氣泡能大小近似相等，由式(4)可知，比氣泡能僅與炸藥產(chǎn)生的爆生氣體的氣泡脈動時間(Tb)有關(guān)，與沖擊波傳播的距離無關(guān)。

2.3 空氣層衰減機(jī)理分析

根據(jù)波阻抗理論，水下沖擊波傳播到兩種不同介質(zhì)的界面時，會出現(xiàn)波的反射和透射現(xiàn)象[18]。根據(jù)連續(xù)條件和牛頓第三定律，經(jīng)反射和透射后的質(zhì)點(diǎn)速度和應(yīng)力相等，則：

σi+σr=σt

(12)

υi+υr=υt

(13)

式中：σ為波的應(yīng)力；υ為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度；i表示入射波；r表示反射波；t表示透射波。

由波陣面動量守恒，得：

σi=ρ1CP1υi，σr=-ρ1CP1υr，σt=ρ2CP2υt

(14)

將式(14)代入式(13)，得：

(15)

式中：ρ1、ρ2分別為介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ的密度，kg/m3；CP1、CP2分別為在介質(zhì)Ⅰ、Ⅱ的傳播速度，m/s。

由式(12)、式(15)，得：

(16)

采用空氣層裝藥時，由于空氣的波阻抗遠(yuǎn)小于炸藥，即ρ1CP1>ρ2CP2，則反射系數(shù)R<0，透射系數(shù)0

另一方面，爆炸產(chǎn)物在被壓縮時是一個消耗能量的過程，隨著K增加，空氣層增多，需要消耗更多的能量去壓縮[19]。同時，空氣在水下爆炸反應(yīng)中作為一種“惰性”氣體，不參加反應(yīng)，卻消耗能量用以提高自身溫度，進(jìn)一步降低了水下爆炸總能量輸出。

由表3可知，K由2.0增加到4.5時，主要是降低比氣泡能來降低水下爆炸總能量，而當(dāng)K從4.5增加到7.0時，比沖擊波能成為影響水下爆炸總能量的主要因素，峰值壓力pm明顯下降(見圖4)。宏觀上表現(xiàn)為：隨著K增加，RDX的水下爆炸參數(shù)下降明顯。當(dāng)K取7.0時，峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能、水下爆炸總能量分別降低了46.62%、42.98%、37.26%、40.03%。在實(shí)際使用環(huán)境下，可以通過改變K值對水下沖擊波進(jìn)行調(diào)節(jié)，為水下爆破相關(guān)防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域提供一定的參考價值。

3 結(jié)論

1)通過空氣層對水下爆炸參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時，不同間距處的炸藥比氣泡能大小近似相等，僅與炸藥產(chǎn)生的爆生氣體有關(guān)，與沖擊波傳播的距離無關(guān)。提出了一種空氣層衰減水下沖擊波的新加載方式，其具有調(diào)節(jié)方便高效、成本低廉和靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可為水下爆破相關(guān)防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域提供一定的參考價值。

2)在R1=0.8 m處、不耦合系數(shù)K為1～7時，RDX的峰值壓力經(jīng)驗(yàn)公式為：lnpm=-0.11K+2.36。

3)從空氣衰減機(jī)理來看，主要是兩方面作用：一方面是空氣的波阻抗遠(yuǎn)小于炸藥，沖擊波從炸藥進(jìn)入空氣中會發(fā)生反射現(xiàn)象，同時使透射波的強(qiáng)度低于入射波甚至不產(chǎn)生透射波，衰減了沖擊波大小；另一方面是空氣在水下爆炸反應(yīng)中，作為一種“惰性”氣體，不參與反應(yīng)卻被壓縮消耗能量，降低了水下爆炸輸出總能量，隨著K的不斷增大，消耗能量的作用更加明顯。

4)水下爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，RDX爆炸性能隨K的增加出現(xiàn)明顯降低，當(dāng)K取7時，峰值壓力、比沖擊波能、比氣泡能、水下爆炸總能量分別降低了46.62%、42.98%、37.26%、40.03%。