有機玻璃-空氣隔層結構對水下爆炸能量輸出的影響

張 軍，汪 泉,2，湯有富，李志敏，李 瑞

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著科技的進步，時代的發展，水下爆破工程逐漸增多，海上軍事防護亦愈發重要。為了防止水下沖擊波對建筑、艦船等造成破壞，需要采取一些保護措施[1]。水下爆破工程中，常采用氣泡帷幕法[2-3]來抑制沖擊波的傳播。

雖然氣泡帷幕對于水下爆炸沖擊波的傳播有一定的抑制作用，但此技術需要投入大量的人力物力，且不適用于較窄的作業面，且由于目前氣泡生成技術的局限性，導致此法的應用及成效并不理想。另外，氣泡帷幕衰減作用僅對水中爆炸振動中頻部分能量較為明顯，對低頻和高頻區間能量的衰減作用較弱[4-5]。

正因如此，賈虎等[6]提出利用纖維爆炸索制造氣泡形成氣泡帷幕的方法，從而達到衰減水下爆炸能量的目的，并發現此法對于水下爆炸沖擊波低頻區間的抑制作用較為明顯。樊自建等[7-8]利用單車內胎充氣得到的空氣隔層來研究對水下沖擊波的抑制效果，實驗結果表明此法能夠明顯衰減爆炸峰值壓力。但此法中的輪胎為橡膠制品，易因壓力變化而產生形變，導致其中的空氣分布不均，對實驗結果產生影響，不利于研究沖擊波衰減規律。

基于上述原因，本文選擇不易發生形變的有機玻璃作為制作隔層結構的材料，采用水下爆炸實驗方法，研究其對水下爆炸能量輸出的影響。

1 基礎理論

炸藥于水中瞬時爆轟生成高溫高壓爆轟產物，產物急速膨脹，對水進行擠壓從而形成沖擊波，此過程消耗一部分爆轟能量。另一部分能量則用于爆轟產物完成氣泡脈動[9]。有限水域中，脈動次數較少，且第1次脈動所耗能量最大。一般認為水下爆炸的總能量約為沖擊波能與第1次振蕩的氣泡能二者相加[10]。

1)最大氣泡半徑Rm可由下式[11]得到：

(1)

式中：Rm為最大氣泡半徑，m；Qv是炸藥爆熱值，MJ/kg；m為藥量，kg；h為裝藥深度，m。

2)水下爆炸比沖擊波能Es可由下式[12]得到：

(2)

式中：ρ0為常壓下水介質密度，kg/m3；C0為水中音速，m/s；m為藥量，kg；d為傳感器與裝藥間距，m；k為儀器的放大因子；θ為沖擊波壓力由pm衰減至pm/e經歷的時間(e=2.718)，s；p(t)為沖擊波壓力，MPa；t為時間，s。

3)比氣泡能Eb可由下式[13]計算而得：

(3)

其中，標準氣泡脈動周期Tb計算公式：

(4)

式中：Tb為標準狀況下的理論氣泡振蕩周期，ms；tb為實測氣泡振蕩周期，ms；pH為裝藥所處位置的實際靜水壓強，Pa；pH0為裝藥所處位置的標準壓強，Pa。

4)水下爆炸總能量Et計算表達式[14]如下：

Et=kf(μEs+Eb)

(5)

式中：kf為裝藥校正因子，取1；μ為沖擊波損失系數，取1.92。

5)水下爆炸沖擊波正壓區沖量I按下式[15]計算：

(6)

式中：I為沖擊波正壓區沖量，kPa/s。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與儀器

實驗共設計4種尺寸的有機玻璃-空氣隔層結構：φ160 mm、φ120 mm、φ80 mm、φ40 mm。所選材質為有機玻璃，中心管壁厚1 mm，隔層結構厚2 mm，裝藥中心與結構中心處在同一水平位置，如圖1所示。實驗爆炸水池直徑5.5 m，高3.62 m。

圖1 空氣隔層結構

2.2 實驗過程

實驗以8#工業雷管作為爆炸源，在爆炸水池中進行水下爆炸實驗，獲得不同測試距離下水下沖擊波參數。水下爆炸測試系統如圖2所示，裝藥中心與W138A05型ICP傳感器(美國PCB公司)的敏感元件入水深度均為2.4 m，1#傳感器距裝藥中心0.3 m，2#傳感器距裝藥中心0.5 m。裝藥爆炸后產生壓力，由傳感器采集并轉換為電信號輸入F482A05型恒流源(美國PCB公司)，再由LeCroy HDO4034型存儲示波器(美國力科公司)記錄波形。

圖2 水下爆炸壓力測試系統

實驗共分3種工況：工況1使用單發雷管；工況2將單發雷管加入空氣隔層結構；工況3將單發雷管裝入充滿水的隔層結構。欲實現對空氣隔層影響水下爆炸能量的定量分析，必須考慮雷管破碎殼體所耗能量，故設工況3以作對照，對比同條件下工況2、3所得數據差值，即可得出空氣隔層消耗的能量。

3 結果與分析

3.1 邊界效應分析

一般認為，炸藥距池底需超出2倍的最大氣泡半徑，距池壁不小于5倍的最大氣泡半徑[16]。本實驗爆炸源采用單發8#工業雷管，裝藥量按1.07 gTNT當量進行計算[17]，爆熱值為4.225 8 MJ/kg，入水深度2.4 m。

根據式(1)計算得出Rm=0.168 m，而裝藥距池底h=1.22 m > 2Rm，裝藥距池壁d=2.75 m > 5Rm。因此，本文實驗無需考慮池底池壁的邊界效應，實驗工況可視為無限水域。

3.2 實驗數據處理與分析

實驗獲得典型的水下沖擊波波形(工況2，空氣隔層φ40 mm，0.3 m處)，如圖3所示。其中，pms為沖擊波峰值壓力；pmb為二次峰值壓力(又稱第1次氣泡脈動壓力)。

圖3 φ40 mm時0.3 m處實測波形

實驗得到了不同工況下在0.3 m和0.5 m測量處的沖擊波和氣泡脈動參數，如表1所示。從表中可以看出，相對于工況3中充水隔層，當工況2中空氣隔層尺寸為φ40 mm、φ80 mm時，脈動周期較小，當空氣隔層尺寸為φ120 mm、φ160 mm時，脈動周期較大，且隨著空氣隔層尺寸的增加，脈動周期持續增長。

表1 水下爆炸實測數據

處理表1數據，可以得到峰值壓力衰減率與空氣隔層尺寸的關系(見表2)，其中總壓力指工況3中沖擊波峰值壓力實測數據，隔層消耗壓力為工況3沖擊波峰值壓力與同條件下工況2峰值壓力之差，實測衰減率為隔層消耗壓力與總壓力的比值，消除殼體影響的衰減率為隔層消耗壓力與標準雷管壓力的比值。

表2 空氣隔層尺寸對沖擊波峰值壓力衰減率影響

由表2可知，存在空氣隔層時，距裝藥中心0.3 m與0.5 m處沖擊波峰值壓力均出現衰減，且當空氣隔層結構尺寸增加時，衰減效果增強，實驗測得0.3 m處峰值壓力衰減49.57%～75.93%，0.5 m處峰值壓力衰減59.36%～75.09%，對比工況3消除殼體影響后,0.3 m處的衰減達到54.14%～92.47%，0.5 m處的衰減達到80.47%～100.87%。

處理表1數據，得氣泡脈動峰值壓力占沖擊波峰值壓力的比重，如圖4所示。由圖可以看出，空氣隔層對氣泡脈動峰值壓力的衰減影響更為明顯，脈動峰值壓力于沖擊波峰值壓力的占比在0.3 m處約由20%～32.9%降為3.9%～6.5%，0.5 m處約由15.2%～28%降為6.4%～7.7%。

圖4 氣泡脈動峰值壓力占沖擊波峰值壓力比重

工況3中隔層充水后，隨著隔層結構尺寸的增加，2種測試距離下的氣泡脈動峰值壓力占比均提高。認為隔層結構對爆炸能量有一定的約束作用，削弱了沖擊波的沖擊效果，加強了氣泡脈動作用。

根據式(2)、式(4) 、式(5)及表1數據，計算得出4種隔層尺寸、2種測試距離下比沖擊波能Es、比氣泡能Eb、總能量Et，如圖5、圖6所示。

圖5 空氣隔層對能量輸出布局的影響

圖6 水隔層對能量輸出布局的影響

由圖5可知，隨著空氣隔層尺寸的增加，0.3 m處比沖擊波能從0.223 MJ/kg減少至0.044 MJ/kg，比氣泡能從1.321 MJ/kg增加至2.395 MJ/kg，0.5 m處比沖擊波能從0.210 MJ/kg降低至0.062 MJ/kg，比氣泡能從1.313 MJ/kg增加至2.289 MJ/kg。其中，當空氣隔層結構尺寸為φ40 mm、φ80 mm時，0.3 m處比氣泡能衰減比分別為17.4%和11.6%，0.5 m處比氣泡能衰減比分別為17.9%和13.3%；空氣隔層尺寸為φ120 mm、φ160 mm時，0.3 m處比氣泡能分別增長1.9%和41.4%，0.5 m處比氣泡能分別增長13.9%和35.1%。

對比圖5、圖6，發現空氣隔層結構的存在，影響了水下爆炸能量輸出布局。比沖擊波能于總能量中占比在0.3 m處由29.89%～28.13%降至12.75%～1.77%，0.5 m處由28.02%～21.39%降至12.24%～2.57%；比氣泡能占比則相應提高。且相較于工況3中充水隔層，當空氣隔層尺寸為φ40 mm、φ80 mm時，Es、Eb均較小，當空氣隔層尺寸為φ120 mm、φ160 mm時，Es較小，Eb較大，但總能量Et依舊小于充水隔層。說明隔層中的空氣消耗了水下爆炸能量，抑制了沖擊波的傳播，即有機玻璃-空氣隔層對水下爆炸能量有衰減作用。

水下爆炸毀傷作用同時也表現在水下爆炸沖擊波正壓區的沖量值，依據式(6)進行計算，得到沖量如圖7、圖8所示。

圖7 0.3 m處沖量

圖8 0.5 m處沖量

由圖7、圖8可以看出，空氣隔層的存在明顯降低了沖擊波正壓區的沖量值。4種尺寸的空氣隔層φ40 mm、φ80 mm、φ120 mm、φ160 mm，對應0.3 m處衰減率分別達到64.48%，77.10%，76.28%，82.99%，0.5 m處衰減率分別達到50.75%，73.68%，62.96%，67.24%。對比上述結果，發現隔層尺寸為φ80 mm～φ120 mm時，沖量值的衰減率較大。

4 結論

1)空氣隔層作用下，0.3 m與0.5 m處沖擊波峰值壓力、比沖擊波能均出現衰減，且隨著空氣隔層結構尺寸的增加，衰減效果逐漸增強，0.3 m處峰值壓力衰減率最高達到92.47%，比沖擊波能衰減率最高達到96.12%；水下爆炸沖量值明顯降低，0.3 m與0.5 m處的沖量值衰減率最大值分別為82.99%和73.68%。

2)空氣隔層對氣泡脈動峰值壓力的衰減影響更為明顯，且隨著空氣隔層結構尺寸增加，氣泡脈動峰值壓力衰減效果增強，氣泡脈動周期持續增長，比氣泡能衰減效果減弱，如空氣隔層結構為φ40 mm、φ80 mm時，0.3 m處比氣泡能衰減率分別為17.4%和11.6%，空氣隔層結構為φ120 mm、φ160 mm時，0.3 m處比氣泡能卻分別增長1.9%和41.4%。

3)空氣隔層影響了水下爆炸能量輸出分布，比沖擊波能于水下爆炸總能量占比在0.3 m處從40.98%～37.85%降低至13.89%～1.64%，0.5 m處由37.46%～26.37%降低至13.33%～2.55%，比氣泡能占比則相應提高。