二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射微型爆源的研制*

郭 緯，徐小輝，李 干，李 杰，蔣海明，李志浩

（陸軍工程大學爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007）

大當量地下拋擲爆炸成坑效應真空室模擬試驗方法中，把爆炸彈坑的形成過程看作是爆炸氣狀生成物推出碎裂巖石的結果，采用高壓空腔作為模擬爆源，利用石英砂等散體材料模擬破碎巖石，散體材料內埋入爆源后置于真空室內，通過改變真空室氣壓和散體材料內聚力，使得模型和實物中保持相同的力的比例關系，以滿足大當量地下爆炸成坑作用的相似律。爆源模型爆破效果的相似性、可靠性對于模型試驗結果的可信性具有重要意義。

當前，針對真空室模擬試驗中爆源的研究較為有限。20 世紀60 年代，由Sadovskii 等設計的地下爆炸效應爆源裝置中，將一定體積的壓縮氣體密封在薄壁球形橡膠殼中，通過低壓電源加熱鎳鉻絲燒裂氣囊的方式模擬爆源起爆。該設計方法由于鎳鉻絲的加熱時間長短不可控、高壓橡膠氣囊可能隨機從某處開口釋放高壓氣體，對試驗結果的重復性、準確性造成影響。之后，Adushkin 等利用自主研制的大型真空室模擬試驗裝置，開展了線性分布裝藥爆炸成坑機理的試驗研究，探究了兩列線性裝藥間的相互作用、起爆延遲時間、相對距離等參數對爆炸成坑效率的影響。Blinov 等和Vakhrameev改進了大當量地下淺埋爆炸的相似理論。相較于采用高壓橡膠氣囊作為爆源，Blinov 等和Vakhrameev發展了自然重力場中利用微型裝藥模擬大當量拋擲爆炸的真空室試驗技術，研究了模擬介質和大氣壓力對爆炸彈坑的影響以及疏松鼓包的形成機制。徐小輝等和王明洋等研制了考慮重力影響的真空室模型試驗系統，采用充滿壓縮氣體的薄壁玻璃球殼模擬爆炸空腔，并利用螺旋狀柔性導爆索擊破玻璃球殼，釋放內部壓縮氣體，解決了傳統爆源模型中橡膠氣囊隨機開裂的問題，并成功模擬了美國Neptune 地下核爆炸成坑現象。

目前已有的大當量地下爆炸真空室模擬爆源的起爆方式大多數依賴炸藥和柔爆索等危險易爆物品，試驗安全性、操作性較差，且管控嚴格，影響試驗周期。而非火藥驅動的二級氣炮可使用壓縮氣體作為清潔動力源發射各種質量、尺寸和材料的彈丸，可控性強，應用領域廣泛。若能將此技術應用于真空室模擬試驗的爆源起爆控制，將省卻火工品管理上的諸多不便，進一步提高模擬試驗的安全性和操作性。

因此，本文基于非火藥驅動型二級氣炮發射原理，設計研制微型的二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射裝置，利用少量二級高壓氣體驅動陣列彈珠高速彈射擊碎玻璃球殼，釋放球內壓縮氣體，以期作為大當量地下爆炸成坑效應真空室模擬裝置的爆源系統。

1 爆源裝置總體設計

1.1 裝置組成及工作原理

整套爆源系統主體裝置由玻璃球、二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射裝置和球內氣壓調節裝置組成，如圖1 所示。整套系統的設計原理如圖2所示。

圖1 微型爆源裝置Fig. 1 Miniature explosion device

圖2 微型爆源裝置設計原理Fig. 2 Schematic of the micro explosion device

大當量地下拋擲爆炸真空室模擬試驗方法中，把爆炸彈坑的形成過程看作是爆炸氣狀生成物推出碎裂巖石的結果。因此本爆源系統的整體設計思路為：利用氣壓調節裝置向玻璃球內充入高壓氣體以模擬真實地下爆炸瞬間產生的高壓空腔，而后利用彈珠同步彈射裝置高速彈射彈珠擊破玻璃球殼，釋放球內壓縮氣體，模擬爆炸氣狀生成物的推出。其中陣列彈珠同步彈射裝置是爆源系統的核心部件。真空泵、空壓機、壓力緩沖器等零部件統稱為氣壓調節裝置，僅起到向玻璃球內充入高壓氣體的作用，并非整套爆源的設計重點，將不再過多贅述。

1.2 系統初始參數設置

已有的地下爆炸物態方程的計算結果表明，巖石含氣量越高，爆炸空腔內的壓力和氣體能量越大，爆炸產生的力學作用也隨之增強。不同類型巖石中地下爆炸空腔氣體勢能的表達式見表1，其中： η為巖石的含水量；η為巖石的含氣量； η為巖石的混合含氣量，對于混合含氣巖石， η=η+η/4.7 。

利用表1，根據巖石的強度特性、彈性特性和氣體生成特征可以確定腔體形成后空腔氣體的勢能大小。這樣，不同巖石中地下爆炸空腔大小和氣體生成物能量就可以作為模型試驗的2 個已知參數。當采用半徑為的空心球殼模擬爆炸空腔時，模擬比尺為=/。模型中的氣體勢能可以根據如下真空室模擬試驗中的能量與氣壓的比尺關系確定：

表1 地下爆炸空腔氣體勢能計算表達式[10]Table 1 Formulas for the potential energy of the cavity gas in underground explosions[10]

式中：下標R 代表實物中的參數，下標M 代表模型中的參數。利用式(1)即可確定模型球殼內氣體的壓力。

2 二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射裝置

2.1 裝置組成及工作原理

二級氣炮技術屬于超高速撞擊實驗加載技術，因驅動方式的不同，分為火藥驅動和非火藥驅動兩種。非火藥驅動氣炮采用壓縮氮氣或空氣作為一級發射能源，其基本工作原理為：泵管抽真空后注入一定氣壓輕質氣體（氫氣或氦氣），一級氣室驅動高速運動的活塞壓縮輕質氣體使其在泵管末端形成二級高壓氣室，當二級高壓氣室壓力超過膜片承受能力后，隔離膜片破裂，隨后高壓輕質氣體驅動彈丸高速發射。若能將此技術應用于玻璃球殼的擊破，可進一步提高地下爆炸模擬試驗的安全性和操作性。為此，本文基于非火藥驅動型二級氣炮發射原理，設計研制了二級高壓驅動陣列彈珠彈射裝置，裝置設計原理圖如圖3 所示。

圖3 二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射裝置設計原理Fig. 3 Principle of marble synchronous launcher driven by two-stage high-pressure gas

整套裝置的連接組成為：高壓氣室頂端與炮管相連；炮管頂端固連有不銹鋼彈頭，為了同步擊破玻璃球殼、提升爆破效果，彈頭上均勻設置多個發射孔，發射孔內填充有彈珠（彈頭設計及實物見圖4）；活塞可在炮管內上下滑動，阻隔膜片設置在炮管上端；炮管上端設有向上直徑逐漸減小的錐體，當活塞沿炮管高速向上運動穿過膜片后，最終嵌在炮管上端的錐體內（見圖4），從而達到密封效果，避免活塞底部的殘余高壓氣體進入玻璃球殼。相較于原型二級氣炮，此發射裝置尺寸輕巧，對活塞發射速度要求較低，因此高壓氣室使用空氣作為動力源，炮管內無需抽真空且不再充入輕質氣體。

圖4 炮管頂部發射彈頭設計及實物Fig. 4 Schematic diagram and photo of the barrel end

彈珠發射全過程可大致分為3 個階段：高壓氣室充壓階段、炮管內活塞做功階段、膜片破裂后彈珠發射階段。試驗時，打開高壓氣罐，通過充壓裝置對高壓氣室充填額定壓力氣體后，關閉高壓氣罐和減壓閥。此時高壓氣體經過氣動活塞內的單向閥和通氣孔后，充滿氣動活塞上下兩個腔體內部，由于氣動活塞下端面面積大于上端面面積，氣動活塞向上擠壓密封圈，從而密封高壓氣室。打開泄壓電源開關，啟動電磁閥，高壓氣室下腔體內的高壓氣體經電磁閥快速釋放，由于氣動活塞內單向閥的作用，高壓氣室上腔體內的高壓氣體無法通過進氣孔流出，氣動活塞在上下空腔的巨大壓差作用下快速向下滑動并壓縮彈簧，此時高壓氣室上腔體內的高壓氣體從氣動活塞頂端的通孔噴出，驅動炮管底部的活塞向上高速運動，從而壓縮炮管內部氣體在炮管末端形成一個新的高壓氣室。當炮管內的二級高壓氣體達到破膜壓力時，隔離膜片破裂（圖5），隨后罩殼內部的彈珠在二級高壓氣體的作用下高速彈射，完成發射試驗。由于炮管頂部錐形端的設計，當活塞在炮管內部高速向上運動沖破膜片后，活塞將嵌入炮管錐形端達到密封效果，只有局部少量二級高壓氣體作用在彈珠上，避免了高壓氣室內的殘余高壓氣體進入玻璃球殼影響試驗參數，提高了下一步大當量地下爆炸真空室模擬試驗的準確性。彈珠彈射裝置在完成一次彈珠發射后，只需更換炮管活塞和膜片并補充新的彈珠，便可重復使用。

圖5 活塞及破膜Fig. 5 Piston and ruptured diaphragms

2.2 裝置發射參數評估

為了獲取爆源裝置中高壓氣室合適的充壓試驗參數，同時評估二級高壓局部氣體能量對玻璃球殼內部初始準靜態氣體能量的影響，開展了二級高壓驅動陣列彈珠高速彈射裝置發射參數的評估試驗。

炮管底部的活塞選用長2 cm，直徑4 mm（與炮管內徑相同）的聚乙烯（PE）棒（見圖5），PE 是一種結晶度高、非極性的熱塑性材料，其化學穩定性好、密度低、韌性好。當PE 棒在炮管內部高速運動沖破膜片后，將嵌入炮管錐形段達到密封的效果，避免了活塞底端的高壓氣體通過發射彈頭進入玻璃球殼進而影響爆源初始氣體能量。

高壓氣室內充入不同壓力氣體時，活塞高速運動的速度不同，當活塞運動速度較低時，膜片可能無法破膜，活塞進入錐形段不充分，造成活塞底端的高壓氣體泄漏進入玻璃球殼；當活塞運動速度過高時，高壓氣室內部氣體壓力較高，高壓氣體可能通過PE 棒與炮管的接觸內壁滲透進入玻璃球殼，同時對整套裝置的氣密性、穩定性提出了更高的要求，因此確定合適的氣體壓力對爆源裝置的可靠性和穩定性至關重要。

如圖6 所示，對陣列彈珠高速彈射裝置發射參數進行評估測試。將彈射裝置的炮管外側與玻璃球殼底端用硅膠塞密封，發射彈頭剛好置于玻璃球殼的中心；玻璃球殼嘴管子的側端與精密壓力表密封相連，玻璃球殼內初始為自然大氣壓力，發射彈頭內部不充填彈珠，當二級壓縮氣體沖破膜片后，活塞在炮管的錐段入錐而密封住活塞底端的高壓氣體，同時活塞前端少量二級高壓氣體通過發射彈頭的通孔而進入玻璃球內部，通過精密壓力表可以測得玻璃球殼內氣體的穩態壓力（圖6）。試驗結果表明，在短暫的脈沖峰值壓力過后，玻璃球殼內的氣體壓力很快達到平衡，從而可以評估發射裝置高壓氣室壓力參數對玻璃球殼內部初始氣體能量的影響。

圖6 玻璃球內穩態壓力測試Fig. 6 Tests of the steady-state pressure in the glass shell

試驗主要分為6 組，高壓氣室壓力為1～5 MPa，主要觀測玻璃球殼內的穩態氣體壓力以及高強炮管內活塞的發射和入錐情況。試驗部分參數設置情況及試驗結果見表2，由表2 可知，當高壓氣室內壓力低于2 MPa 時，活塞未能成功發射；當高壓氣室壓力為4 MPa 時，活塞正常發射，在炮管錐段入錐也比較充分，玻璃球殼內的穩態氣體壓力波動很小，約3 kPa，整套發射裝置的穩定性和重復性好，便于后期玻璃球殼內準靜態氣體壓力參數的修正；而當高壓氣室壓力增加到5 MPa 時，雖然入錐充分，但是由于壓力過高，活塞底端的高壓氣體在推動活塞高速運動的同時，活塞與炮管內壁間氣密性被破壞，從而向活塞前端泄漏，造成玻璃球殼內穩態氣體壓力值較高，并且穩定性和重復性不好。綜合以上試驗情況，高壓氣室的充氣壓力應選用4 MPa，玻璃球殼內由于發射裝置系統造成的穩態氣體壓力約為3 kPa。

表2 彈珠彈射裝置適用性測試試驗部分結果Table 2 Partial test results of the applicability of the marble launcher

3 爆源系統適用性分析

3.1 原型算例計算

根據2.2 節中爆源系統初始參數計算方法和各原型爆炸試驗數據信息，依據2.2 節計算方法給出了不同規模大當量地下爆炸真空室模擬中爆源玻璃球殼內的氣體壓力，并與局部二級高壓氣體穩態壓力進行比較，可進一步檢驗發射裝置局部二級高壓氣體對玻璃球殼內初始準靜態氣體能量的影響，計算比較結果見表3。

表3 不同規模大當量地下爆炸真空室模擬試驗主要參數Table 3 Key parameters for the vacuum chamber simulation tests of large-scale underground explosions

由表3 可知，當等效TNT 當量低于20 kt 時，二級高壓驅動陣列彈珠發射裝置產生的局部氣壓占玻璃球殼內總的氣體壓力的比例較小，低于5%，其中少量的高壓氣體在驅動陣列彈珠高速彈射擊碎玻璃球殼時也消耗一定的氣體能量，因此該爆源裝置可用于爆炸規模低于20 kt 的地下爆炸效應的真空室模擬；而當模擬的原型爆炸等效TNT 當量達到幾十甚至上百千噸時，局部二級高壓氣體占比玻璃球殼內總的氣體能量約為20%，需要將發射裝置產生的額外穩態氣體壓力修正到玻璃球殼中的初始準靜態氣體能量中去：當高壓氣室選用4 MPa 的充氣壓力時，發射裝置產生的二級高壓氣體穩態壓力約為3 kPa，發射裝置的穩定性和重復性好，便于對玻璃球殼內的氣體壓力進行修正。可見，二級高壓驅動陣列彈珠高速彈射裝置操作性強，系統誤差小，可作為大當量地下爆炸成坑效應真空室模擬中的爆源啟動裝置。

3.2 爆破球形度試驗

為了檢驗爆源裝置玻璃球殼爆破效果的球形度和力學效應的相似性，分別在空氣和水兩種介質中開展了玻璃球殼爆炸的高速分幅攝影試驗，其中彈珠采用直徑為2～2.5 mm 的高精度玻璃珠，質量約為10 mg。試驗參數見表4。

表4 爆源球形度試驗Table 4 Sphericity test for the explosion device

3.2.1 空氣中爆破球形度試驗

高壓氣室采用4 MPa 的充氣壓力，將填入彈珠的發射彈頭置于玻璃球殼中心，炮管外側與玻璃球下端嘴管子密封，而后啟動彈珠同步彈射裝置擊破玻璃球殼，觀察球殼爆破效果。試驗分為2 組，其中第1 組玻璃球殼內不充填任何氣體，即玻璃球殼內外不存在壓差，第2 組充填180 kPa 的壓縮氣體，拍攝頻率為5 kHz，試驗布置及測試結果如圖7 所示。

圖7 空氣中爆破球形度測試Fig. 7 Blasting sphericity tests in the air

圖8 和圖9 為空氣中玻璃球殼爆破過程的高速分幅攝影結果。可以看出，當玻璃球殼內外不存在壓差時，發射彈頭內的彈珠高速貫穿玻璃球壁，之后裂紋擴展，當裂紋貫通后，玻璃球殼上部的碎片隨后向外飛散，能夠達到釋放壓縮空氣的目的，但是由于發射彈頭只有8 個發射通孔，整個玻璃球殼彈珠撞擊裂紋發展不充分，球形度有待改善。而當玻璃球殼內充有180 kPa 壓縮氣體時，玻璃球殼爆破過程球形度較好，裂紋發展也比較充分，由爆破后玻璃球殼碎片（見圖7(b)）可以看出，玻璃碎片的最大直徑為2 cm，最小直徑不到1 mm，碎片的平均直徑對內部壓縮氣體的釋放不會產生影響。在大當量地下爆炸效應的真空室模擬試驗中，爆源玻璃球殼內壓縮氣體的壓力比外部真空壓力往往高出4 個數量級甚至更高，因此二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射裝置能夠滿足地下爆炸效應爆源裝置的功能要求。

圖8 空氣中玻璃球殼（內外無壓差）爆破高速分幅攝影圖像（試驗S1）Fig. 8 High-speed split photos of a glass shell (without pressure difference inside and outside) blasting in air (test S1)

圖9 空氣中玻璃球殼（內外壓差80 kPa）爆破高速分幅攝影圖像（試驗S2）Fig. 9 High-speed split photos of a glass shell (with an internal and external pressure difference of 80 kPa) blasting in air (test S2)

3.2.2 水中爆破球形度試驗

為了進一步研究二級高壓驅動陣列彈珠同步彈射爆源裝置受限條件下的適用性，開展了玻璃球殼水中爆炸的球形度可視化試驗。玻璃球殼內部絕對氣壓為180 kPa，玻璃球中心距離水面為25 cm，高速攝影的拍攝速度均為3 kHz。

由玻璃球殼爆破過程高速分幅鏡頭（見圖10）可以看出，充有壓縮氣體的玻璃球在陣列彈珠高速彈射擊碎玻璃球壁后，發生了玻璃球殼的膨脹和壓縮的脈動過程，在爆炸前期（25 ms 之前），玻璃球殼爆破的球形度較好，之后由于水面的影響（見圖11），玻璃球殼爆破的球形度受到破壞，呈現心形，從回收的爆破碎片看，玻璃球殼裂紋發展比較充分，碎片直徑分布比較均勻，對壓縮氣體的釋放過程不會產生影響，爆破效果滿足大當量地下爆炸效應真空室模擬的功能要求。

圖10 玻璃球殼水中爆炸高速分幅鏡頭（試驗S3）Fig. 10 High-speed split photos of a glass shell blasting in water (test S3)

圖11 水中玻璃球殼爆炸與水面相互作用Fig. 11 Interaction of the glass shell in water with the water surface

4 結 論

爆源作為大當量地下爆炸成坑效應真空室模型試驗的動力源，對模型試驗的成功至關重要。本文自主研制了二級高壓驅動陣列彈珠高速同步彈射微型爆源裝置，給出了爆源初始參數的計算方法，確定了彈珠彈射裝置的發射參數，并對爆源裝置在大當量地下爆炸成坑效應真空室模擬試驗中的適用性進行了討論分析。主要結論有：

(1)所研制的爆源裝置利用局部二級高壓氣體驅動陣列彈珠高速彈射的方法擊碎玻璃球殼，實現了對爆源起爆的精確控制；相比于火藥起爆，采用壓縮氣體作為驅動源，改善了試驗的安全性和環保性，具有高效率、低污染、操作方便、重復性良好、可控性強、對場地試驗條件要求低的特點，為開展大當量地下爆炸真空室模型試驗研究提供了極大方便；

(2)通過試驗確定了彈珠發射裝置的發射參數——高壓氣室充氣壓力4 MPa，玻璃球殼內殘余穩態氣體壓力約為3 kPa；整套爆源裝置能夠用于0～20 kt 地下爆炸成坑效應的真空室模擬；

(3)通過在空氣和水中玻璃球殼爆破高速分幅攝影試驗，檢驗了爆源裝置的可靠性和玻璃球殼爆破效果的球形度，當玻璃球殼內外存在壓差時，玻璃球殼的裂紋發展充分，碎片分布均勻，壓縮氣體的釋放機制和爆破效果滿足大當量地下爆炸成坑效應真空室模型試驗的功能要求。