徐小輝,邱艷宇,王明洋,邵魯中

(1.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094;2.陸軍工程大學爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室,江蘇 南京 210007)

近年來,巨型鉆地武器和小型鉆地核導彈的研制和使用受到高度重視,其爆炸效應(yīng)與大當量地下淺埋爆炸現(xiàn)象相似,揭示大規(guī)模地下爆炸效應(yīng)的規(guī)律和破壞特征,可為地下防護工程的優(yōu)化和鉆地武器戰(zhàn)斗部的研發(fā)提供參考。

對于大當量地下爆炸的研究對象----天然巖體而言,爆炸作用下巖石拋擲彈坑的形成受到爆炸當量、爆炸源能量的高密度、核彈圍巖的特性以及巖塊和地質(zhì)構(gòu)造的影響,對于這樣復雜的物理過程,通過理論分析、數(shù)值模擬完成爆炸作用力學參數(shù)的計算還存在很大困難,而現(xiàn)場實地實驗也受到場地、人力物力的限制難以開展系統(tǒng)研究。采用相似物理模擬實驗的方法可以研究地下爆炸過程中各種影響因素對彈坑和鼓包形成的影響,實驗成本低、周期短,是目前條件下獲取鉆地核爆和大當量地下爆炸過程影響因素量化指標的有效手段。

當前關(guān)于地下淺埋爆炸的物理模擬實驗主要采用土工離心機爆炸模擬裝置和真空室爆炸模擬裝置,土工離心機盡管在小當量、淺埋深爆炸模擬方面具有明顯的優(yōu)勢,但是造價昂貴、實驗成本高,受到離心機加速度和模擬裝藥當量的限制,模擬比尺有限,只適用于一定規(guī)模的地下爆炸效應(yīng)研究[1-3]。真空室爆炸模擬裝置最早由前蘇聯(lián)地球物理研究所的M.A.Sadovskii等[4]和V.V.Adushkin等[5-6]報道,他們研制了用于研究核爆炸和化學爆炸拋擲成坑的真空室模擬裝置,該裝置直徑2.3 m、高3 m、體積12 m3,模擬比尺從1:100到1:1 000,真空室內(nèi)置1～10個爆炸源,可瞬時爆炸或延遲爆炸,爆源裝置采用球形鎳鉻絲金屬柵格內(nèi)置薄壁橡膠氣囊做成,通過低壓電流加熱鎳鉻絲燒裂橡膠球達到釋放壓縮氣體的目的。但是,這種起爆方式不僅鎳鉻絲的加熱時間長短不可控,對于多組爆源的延期起爆也無法做到精確起爆控制,而且橡膠氣囊很可能隨機地從某處開一裂口造成噴出氣體的不均勻,對實驗結(jié)果造成影響。20世紀90年代,Y.S.Vakhrameev[7]和I.M.Blinov等[8-9]發(fā)展了自然重力場中大當量拋擲爆炸的真空室實驗技術(shù),研究了拋擲爆炸彈坑及疏松鼓包的形成機制,其爆源采用的是0.2 g微型炸藥,但是如何制作毫克級微型炸藥并保證其性能穩(wěn)定是一個關(guān)鍵技術(shù)難題。

綜上所述,國內(nèi)尚未有大當量地下爆炸效應(yīng)模擬實驗裝置的相關(guān)報道,國外此類裝置盡管起步早,但是整套裝置自動化程度低,量測技術(shù)落后,爆源裝置的起爆控制也有待升級改進。本文中以大當量地下爆炸真空室模擬方法為基礎(chǔ),自主設(shè)計研制用于地下淺埋爆炸拋擲成坑效應(yīng)縮比模擬的實驗系統(tǒng),提出一種新型爆源裝置,采用柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式實現(xiàn)爆源的精確起爆控制。

1 設(shè)計原理

本實驗裝置以化爆實驗中建立的拋擲巖石爆炸能量轉(zhuǎn)移機制為物理模擬基礎(chǔ),把大當量地下爆炸成坑過程看作爆炸氣狀生成物推出碎裂巖石的結(jié)果,主要模擬與彈坑形成和巖石移動相關(guān)的氣體加速階段和慣性拋擲階段,而沖擊波作用階段已經(jīng)結(jié)束,此時已知爆炸腔體的大小,腔體周圍巖石受到破壞,模型的初始參數(shù)為爆腔的大小和腔體氣體能量。地下爆炸彈坑的主要特征參數(shù)包括：彈坑半徑R、深度H、體積V、拱頂最大質(zhì)點速度vm以及氣體加速運動時間tm。該模型的支配參數(shù)為爆炸源、破碎巖石介質(zhì)和外部環(huán)境的特性,爆源的關(guān)鍵參量為空腔半徑rn、腔體氣體能量E(或壓力P)、裝藥埋深h、絕熱線參數(shù)χ；對于巖石的拋擲過程,忽略介質(zhì)的壓縮性,破碎巖石的關(guān)鍵參數(shù)為密度ρ、巖塊間的摩擦因數(shù)kT、破碎巖塊脫離母巖的內(nèi)聚力c；外部環(huán)境參數(shù)包括重力加速度g和自由面大氣壓Pa。根據(jù)相似理論量綱分析法[10],M.A.Sadovskii等[4]最早給出了描述彈坑形成發(fā)展過程與拋擲巖石初始條件和特性間的關(guān)系式為：

(1)

根據(jù)相似準數(shù)恒定的要求,各物理量相似常數(shù)之間的關(guān)系為：

(2)

設(shè)線性幾何比尺αh=αrn=1/N,采用與原型材料相等密度的模擬材料,如果實驗在慣性力場中進行,即αρ=1,αg=N,由關(guān)系式(2)得：

(3)

如果實驗在自然重力場中進行,即αρ=1,αg=1,由關(guān)系式(2)得：

(4)

由關(guān)系式(1)可知,當忽略重力對拋擲彈坑的影響時,即不考慮參數(shù)E/(ρgh4),就得到了爆炸幾何相似律,即爆炸能量比尺是線性比尺的3次方,其必要條件為ρgh與Pa和c相比數(shù)值要小,屬于小當量淺埋爆炸情形；當爆炸當量增大時,蘊含能量的主要參數(shù)是E/(ρgh4),該參數(shù)的作用將隨著爆炸當量的增大而增大,此時爆炸能量比尺是線性比尺的4次方(式(4))。錢七虎[11]通過拋擲爆破原型實驗與模型實驗數(shù)據(jù)對比分析指出,重力在大型爆破特別是軟弱巖層形成漏斗坑時起決定性作用。為了在模型實驗中再現(xiàn)大當量拋擲爆炸,當材料密度變化不大時,有兩種方式實現(xiàn)模型和實物中各量綱的對等關(guān)系,其中一種就是利用離心機使實驗場中的慣性加速度增加到重力加速度的N倍,而模擬材料采用原型材料。另一種方式就是使用相似材料,讓模型中自由面氣壓變?yōu)榇髿鈮毫Φ?/N,內(nèi)聚力為原型材料的1/N,從而使參數(shù)E/(Pah3)和E/(ch3)的影響降至最低,保證了支配參數(shù)E/(ρgh4)的決定性作用。

以上述相似理論為基礎(chǔ),在大當量地下爆炸效應(yīng)模擬裝置的設(shè)計中,爆炸源采用充有一定體積壓縮氣體的空腔模仿真實條件下充滿氣狀生成物的地下爆炸腔體。通過對密閉容器抽真空,降低模型材料自由面的大氣壓力Pa,采用與原型材料密度相近的散體材料如細石英砂,減小模擬材料的內(nèi)聚力值c。這樣將石英砂放置在真空室中,石英砂內(nèi)一定深度處放置充有壓縮氣體的球殼,當球殼破裂后,釋放的壓縮氣體把石英砂推擠出去,形成飛散彈坑,整個拋擲過程由高速攝影機記錄。整套裝置的設(shè)計原理圖如圖1所示。

2 實驗裝置研制

根據(jù)裝置的設(shè)計原理,自主研制了大當量地下爆炸效應(yīng)模擬實驗裝置(見圖2～3),主要由容器罐體、快開門密閉機構(gòu)、爆源系統(tǒng)、真空泵組、量測控制系統(tǒng)組成,其中爆源系統(tǒng)為整個裝置的核心。

2.1 容器罐體

容器罐體為整個裝置的主體,是樣品試件和其他系統(tǒng)的搭載平臺,主要包括基座、罐體和輔助設(shè)備。基座是整個裝置的支撐部件,為保證容器罐體的整體穩(wěn)定性,基座基礎(chǔ)由鋼筋混凝土澆筑而成。罐體主體結(jié)構(gòu)采用臥式設(shè)計,尺寸為?3.0 m×3.93 m,由不銹鋼板和Q345R容器板組成的復合鋼板加工而成。罐體外部纏繞隔音材料和玻璃鋼層,內(nèi)部放置模型沙箱,罐體一端有直徑為1.5 m的法蘭盤,法蘭盤中心有直徑為20 cm的觀察窗口,用于樣品的進出和高速攝影的觀察。輔助設(shè)備包括軌道、護欄和各類標準法蘭接管,用于測控線纜、起爆線纜的進出。罐體的承壓指標為：絕對氣壓0.2 MPa,絕對水壓0.3 MPa。

2.2 快開門密閉機構(gòu)

快開門密閉機構(gòu)主要用于實現(xiàn)容器罐體的快速開啟和密閉,由法蘭盤、移動小車、旋轉(zhuǎn)卡箍、伸縮氣缸和空壓機等組成(見圖3)。法蘭盤置于移動小車上,通過電機驅(qū)動小車前后移動實現(xiàn)法蘭盤與容器罐體的分開和閉合。采用齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)法蘭盤和容器罐體的密閉連接。旋轉(zhuǎn)卡箍兩端與氣動伸縮桿相鉸連,氣動伸縮桿的另一端固定在基座上,并通過換向電磁閥、氣管與空壓機相連。旋轉(zhuǎn)卡箍和法蘭盤外圓周方向上有均勻分布的楔塊,兩者楔塊的傾斜方向相反,當空壓機壓力達到一定值時,氣動伸縮缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)卡箍轉(zhuǎn)動一定角度,法蘭盤楔塊和卡箍楔塊之間利用斜面摩擦自鎖原理實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡箍的鎖緊和錯開,達到容器罐體密閉和承壓的功能要求,旋轉(zhuǎn)卡箍旋轉(zhuǎn)角度的大小由氣動伸縮桿的伸縮行程控制。

2.3 爆源系統(tǒng)

2.3.1 爆源初始參數(shù)設(shè)計

本裝置物理模擬方法中,采用空腔氣體壓力P膨脹到自由面氣體壓力Pa時的勢能A來表征氣體拋擲破碎巖石的能量[13],其與空腔氣體能量E、壓力P、空腔體積Vn和氣體絕熱指數(shù)χ之間的關(guān)系為：

(5)

不同巖石中地下爆炸空腔氣體勢能A的計算表達式[13]見表1,其中ηw為巖石的含水量,ηCO2為巖石的含氣量,ηm為巖石的混合含氣量。

表1 地下爆炸空腔氣體勢能計算表達式Table 1 Formula for the energy of the gas potential energy of the cavity in underground explosion

這樣,不同巖石中地下爆炸空腔大小rn和氣體生成物能量A就作為模型實驗的兩個已知參數(shù)。當采用半徑為r的球殼模擬爆炸空腔時,模擬比尺為N=rn/r,根據(jù)能量比尺關(guān)系確定模型中的氣體勢能(A)M=(A)P/N4(下標P表示實物中的參數(shù),下標M表示模型中的參數(shù)),利用式(5)就可以確定模型中球殼內(nèi)氣體的壓力(P)M。

2.3.2 爆源裝置研制

爆源裝置由玻璃球罩、柔性導爆索、電雷管、起爆器、空壓機、真空泵、電磁閥以及密封連接構(gòu)件組成(見圖4),各部件連接設(shè)計原理如圖5所示。采用薄壁玻璃球罩模擬爆炸空腔(見圖6),玻璃球中心處內(nèi)置一定長度的螺旋狀柔性導爆索,利用導爆索爆炸產(chǎn)生的沖擊波擊碎玻璃球罩,從而達到釋放壓縮氣體的目的。為了減少導爆索爆生氣體對玻璃球內(nèi)部氣體能量的影響,柔爆索與不銹鋼管的穿入端進行了密封處理。當模擬比尺較大時,由地下爆炸的能量比尺關(guān)系(4)可知,玻璃球罩中的壓力可能低于大氣壓,因此也配置了小型真空泵。

2.3.3 爆源適用性分析

為了檢驗玻璃球罩爆破的球形度,并證明爆源裝置的可靠性和其力學效應(yīng)的相似性,分別在空氣、沙和水三種介質(zhì)中開展了玻璃球罩爆炸的高速分幅攝影實驗,實驗參數(shù)及結(jié)果見表2,其中玻璃球罩水中爆炸的情形分別選取長度為20 cm和10 cm螺旋狀導爆索。通過玻璃球罩爆破過程高速攝影鏡頭(見圖7)以及回收的玻璃碎片(見圖8)可以看出,玻璃球罩碎片的膨脹運動是球形的,盡管柔爆索入口處玻璃球罩爆破的球形度稍差,當經(jīng)過幾個微秒的傳播后,球形度就變得很好,以球形面的長軸直徑和短軸直徑的相對差別定義的不對稱度小于5%,此外玻璃碎片的尺寸大小對壓縮氣體的釋放過程不會產(chǎn)生影響。采用10 cm長的螺旋狀柔性導爆索中心起爆比采用20 cm長的可以減少其自身爆炸對玻璃球罩內(nèi)氣體能量的影響,爆破效果滿足大當量地下爆炸效應(yīng)模擬裝置的功能設(shè)計要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對爆源起爆的精確控制。

為了評估柔爆索爆炸對拋擲成坑的影響,在石英砂中開展了模擬驗證實驗。實驗方法如下,玻璃球罩和沙箱容器中均不抽真空,即沒有所謂的高壓氣體,將玻璃球埋置在10 cm深的石英砂中,之后起爆柔爆索,由高速攝像機記錄石英砂自由面變化情況。通過回收的玻璃碎片及回填實驗結(jié)果(玻璃球罩和漏斗沙坑的體積均為480 cm3)可以看出(見圖9),玻璃球罩的碎片較大,并且布滿了裂紋,柔爆索的爆炸能量主要用于擊碎玻璃球罩,石英砂自由面并無觀察到隆起和拋擲現(xiàn)象,只是形成了漏斗沙坑。由此可見,采用10 cm長的螺旋狀柔性導爆索中心起爆對拋擲成坑的影響微乎其微。

表2 爆源球形度實驗Table 2 Sophericity experiments for the detonation device

2.4 真空泵組

真空泵組主要為容器罐體提供真空環(huán)境,由旋片泵、羅茨泵和各類連接管道和截止閥組成。真空泵組的技術(shù)性能為極限壓力0.05 Pa、抽速1 200 L/s、總功率33.5 kW,可在0.5 h內(nèi)使容器罐體內(nèi)部的真空度達到100 Pa。整個容器罐體(容積為30 m3)的真空度指標為10～105Pa。

2.5 量測控制系統(tǒng)

量測控制系統(tǒng)主要是相似散體材料基本力學性能參數(shù)測量、拋擲飛散介質(zhì)的動態(tài)追蹤和整套裝置的聯(lián)動控制。相似模擬材料的內(nèi)聚力值和內(nèi)摩擦因數(shù)采用FT4多功能粉末流動性測試儀的剪切盒測試模塊測得。飛散介質(zhì)的動能參數(shù)主要通過高速攝影機、LED投光燈、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及分析軟件測得,采集速度一般為2 000 s-1。操控平臺實現(xiàn)快開門密閉機構(gòu)、光源、真空泵組、高速攝像機和爆源裝置的聯(lián)動控制。

表3 不同當量淺埋地下拋擲爆炸成坑效應(yīng)模擬實驗主要參數(shù)Table 3 Key parameters for the simulation of large-scale underground cratering explosions

2.6 裝置模擬指標

基于真空室爆炸模型實驗方法[4]以及爆源初始參數(shù)設(shè)計方法,對已有的大當量淺埋地下核爆炸拋擲成坑原型實驗[13]計算給出了模型實驗的主要參數(shù)(見表3),由表3可知,對于裝藥當量0.1～100 kt范圍內(nèi)的原型地下核爆炸,該裝置的主要模擬指標參數(shù)如爆源小球壓力、容器罐體的真空度等均可在實驗室條件下實現(xiàn),在進行實驗時,可以通過調(diào)整爆源小球的幾何大小改變模擬比尺,進而調(diào)整小球壓力和容器罐體真空度以實現(xiàn)實驗條件。

3 大當量爆炸拋擲成坑模擬實驗分析

3.1 實驗方案

以美國火山凝灰?guī)r中的大當量拋擲爆炸Neptun實驗為例,進行真空室模型實驗。該爆炸等效TNT裝藥當量q=0.115 kt,埋設(shè)在坡度為30°的傾斜山坡中,埋深為30.5 m,爆炸空腔rn=7.3 m,用于拋擲破碎巖石的能量A=62.31 GJ,爆炸結(jié)果形成了半徑為33 m、深為10.5 m、體積為17 000 m3的拋擲彈坑。該地區(qū)凝灰?guī)r的主要物理特性為：密度ρ=2 000 kg/m3,縱波速度cP=2 200 m/s,抗壓強度極限σ*=360 MPa,抗拉強度極限為σP=12 MPa,泊松系數(shù)ν=0.12,巖石含氣屬性為ηm=0.153。

模型實驗主要參數(shù)：玻璃球罩半徑r= 5 cm、模擬比尺N=rn/r=146、玻璃球罩中氣體壓力P=135.219 kPa、埋設(shè)深度h=21 cm、容器罐體真空度Pa=686 Pa,采用平均粒徑為0.3 mm的干石英砂作為模擬材料,其密度ρ=1.4 g/cm3,利用FT4多功能粉末流動性測試儀的剪切盒測試模塊測得試樣的剪切強度參數(shù)[12]：內(nèi)聚力c=92 Pa,內(nèi)摩擦因數(shù)kT=0.8,內(nèi)摩擦角為38.6°,其中內(nèi)摩擦角符合破壞巖石天然坡度角的變化范圍(36°～45°)。對關(guān)系式(1)中包含能量的量綱一組合參數(shù)進行簡化,有：

(6)

本模型實驗中各參數(shù)作用力之間的關(guān)系為：P/ρgh=47,P/Pa=197,P/c=1 470,由此可見,本模型實驗參數(shù)大氣壓力和內(nèi)聚力與模擬材料的重力相比小1～2個量級,突出了支配參數(shù)E/ρgh4的決定性作用,符合大當量地下爆炸拋擲成坑效應(yīng)模擬的相似條件。爆源裝置及實驗布置如圖10所示。

3.2 實驗過程及結(jié)果分析

一般的拋擲彈坑的構(gòu)造可以分出可視彈坑、真實彈坑和巖石堆置物(見圖11)?？梢晱椏拥拇笮》从沉藪仈S巖石的有效性,Rr為彈坑頂部半徑,比真實彈坑半徑R大,堆置物由碎裂巖石形成,它們通過爆炸被掀起到空中,然后落到彈坑以外的自由面上(外邊堆置物)和彈坑底部(內(nèi)部堆置物),其中y為堆置物距離地表的最大高度,RP為巖塊飛散的最遠距離。

按照實驗參數(shù),將玻璃球罩中心埋設(shè)在距離石英砂自由面21 cm處,開啟控制柜,為裝置各系統(tǒng)供電,開啟移動小車,利用旋轉(zhuǎn)卡箍將法蘭盤鎖緊,開啟LED投光燈,將高速攝像采集系統(tǒng)調(diào)試到位；啟動真空泵組,當容器罐內(nèi)達到額定真空度時,關(guān)閉容器罐體截止閥；對玻璃球罩進行充氣加壓,當達到指定壓力135 kPa時,關(guān)閉電磁閥；同時啟動高速攝像機和起爆器,對實驗過程進行記錄。由于容器罐體容量大,真空度低于1 kPa時,罐內(nèi)真空度穩(wěn)定時間很短,起爆瞬時罐內(nèi)真空度的實際值為740 Pa,略高于額定值。

表4 模型實驗結(jié)果Table 4 Results of blasting crater

由表3可知,模型實驗的彈坑半徑比原型相似計算結(jié)果大13.3%,而彈坑深度比原型小12.5%,成坑體積小約20%,拋擲指數(shù)的相對誤差為20%,從原型和模型實驗的對比分析結(jié)果可知,大當量地下爆炸效應(yīng)模擬實驗裝置開展的拋擲爆炸模型實驗結(jié)果與原型現(xiàn)場實驗結(jié)果相符,利用該裝置可以開展不同規(guī)模的地下爆炸拋擲成坑實驗研究。實驗結(jié)果存在的誤差,究其原因一方面由于原型Neptun爆炸發(fā)生在坡度為30°的傾斜山坡上,由于彈坑上翼的倒塌,彈坑底部和下部被覆埋,對彈坑的形態(tài)及幾何尺寸造成了影響；另一方面此裝置的物理模擬基礎(chǔ)是把大當量地下爆炸看作是爆炸空腔氣體推動破碎巖石拋擲運動的過程,采用柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式雖然保證了爆腔的破裂效果,解決了爆源的起爆控制難題,但是玻璃球罩內(nèi)部10 cm長度的導爆索爆炸可能對爆腔內(nèi)的初始準靜態(tài)氣體壓力造成影響,從而影響實驗結(jié)果,此外,模擬相似材料石英砂的密度比原型凝灰?guī)r的密度略小,忽略相似材料石英砂的內(nèi)聚力,容器罐體的低真空度值穩(wěn)定時間很短等因素均可能對實驗結(jié)果造成誤差。

4 結(jié) 論

對大當量地下爆炸拋擲成坑物理過程進行了簡化,基于大當量地下爆炸效應(yīng)模型實驗方法,研制了考慮重力影響的淺埋地下爆炸拋擲成坑效應(yīng)縮比模擬實驗裝置,并進行了模型實驗,得到以下結(jié)論：

(1)研制的大當量地下爆炸效應(yīng)模擬實驗裝置主要包括容器罐體、快開門密閉機構(gòu)、爆源系統(tǒng)、真空泵組、量測控制系統(tǒng)等,主要實驗參數(shù)(爆源氣體壓力、容器罐體真空度值)可調(diào)可控,通過調(diào)整模擬比尺,能夠模擬0.1～100 kt、埋深20～400 m范圍內(nèi)不同比尺的地下爆炸拋擲成坑現(xiàn)象;

(2)采用齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)法蘭盤和容器罐體的快速開啟和密閉連接,不僅承壓密閉性能好,而且操作方便、自動化程度高;

(3)建立了考慮彈藥圍巖特性的爆源初始參數(shù)的計算方法,提出的柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的新型爆源裝置,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精確起爆控制,安全可控,而且柔爆索爆炸對拋擲成坑的影響很小,提高了模型實驗結(jié)果的可靠性;

(4)相比于爆炸離心機動輒幾千萬甚至上億的制造成本,本裝置造價成本低,無需提供額外的加速度,在模擬大當量地下淺埋爆炸拋擲成坑現(xiàn)象時具有明顯的優(yōu)勢,可為鉆地核武器地下爆炸成坑毀傷機制和大型工程爆破效果的預測預報等方面的科學研究提供實驗平臺。