李志敏，汪旭光，汪 泉，陸軍偉，林朝鍵，劉文震

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.北京礦冶研究總院，北京 102628；4.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

引 言

炸藥在空氣中爆炸時(shí)，爆轟波在初始分界面上形成空氣沖擊波。作為能量的傳播介質(zhì)，空氣密度影響沖擊波傳播的速度、強(qiáng)度等特征參量，滿足薩克斯比例定律[1-2]。負(fù)壓是低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體壓力狀態(tài)，研究負(fù)壓環(huán)境對(duì)炸藥爆炸沖擊波的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

炸藥在高海拔或稀薄氣體條件下爆炸，研究初始環(huán)境對(duì)爆炸波傳播的影響規(guī)律，可以豐富炸藥爆炸沖擊波相關(guān)理論。在爆炸加工領(lǐng)域，利用抽真空技術(shù)可以提高炸藥能量利用率[3-4]。真空環(huán)境下炸藥爆炸后，以沖擊波傳播形式無用的能量減少，而爆炸作功的能量增加，相應(yīng)的猛度數(shù)值提高。關(guān)于爆炸能量分配問題需結(jié)合負(fù)壓環(huán)境下炸藥爆炸沖擊波傳播特性而確定。

目前，國內(nèi)外已有一些負(fù)壓環(huán)境下炸藥爆炸沖擊波研究的相關(guān)成果。Silnikov[5]對(duì)高空和常壓下的爆炸沖擊波參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析；Vedman[6]研究了環(huán)境壓力對(duì)爆炸沖擊波的影響；Jack[7]模擬了高空爆炸試驗(yàn)，得出不滿足薩克斯定律的沖擊波性質(zhì)；李科斌[8]對(duì)不同真空度下空中爆炸近場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；張廣華[9]進(jìn)行了真空條件下的炸藥特性試驗(yàn)研究；張玉磊[10]分析了初始?jí)毫?duì)TNT密閉空間爆炸溫度的影響；黃亞峰[11-13]分析了真空環(huán)境下炸藥爆炸的特性；謝雪騰[14]對(duì)高原環(huán)境爆炸沖擊波傳播特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究；宋水舟[15]對(duì)不同真空度下結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸沖擊波進(jìn)行了數(shù)值模擬。然而上述針對(duì)沖擊波的研究是在單一負(fù)壓環(huán)境下或不同負(fù)壓環(huán)境下的數(shù)值模擬，缺少以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)不同負(fù)壓環(huán)境對(duì)爆炸波影響規(guī)律的系統(tǒng)研究。

本研究在自制的小型爆炸容器內(nèi)，進(jìn)行多組不同負(fù)壓環(huán)境下的爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析負(fù)壓環(huán)境梯度變化對(duì)爆炸沖擊波超壓、速度等參數(shù)的影響，為建立完備的負(fù)壓環(huán)境爆炸沖擊波理論提供系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)支撐和分析結(jié)論。

1 實(shí) 驗(yàn)

自行研制的小型爆炸實(shí)驗(yàn)容器主體為不銹鋼罐體，罐體高43.3cm，內(nèi)徑37.5cm，外徑38.7cm。測試系統(tǒng)由數(shù)顯真空表、PCB壓力傳感器(113B24)和信號(hào)調(diào)理儀、Lecroy示波器組成。實(shí)驗(yàn)裝置及測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)爆炸源采用8號(hào)工業(yè)電雷管，爆炸當(dāng)量為1.07g TNT，將其固定在容器軸線某點(diǎn)，雷管聚能穴指向罐底部。傳感器固定在容器軸線上爆源的正上方，通過螺桿上下可調(diào)，其敏感面與容器軸線垂直。采用真空泵抽氣和數(shù)顯真空表觀測，實(shí)現(xiàn)爆炸容器內(nèi)不同初始負(fù)壓環(huán)境。在相同爆心距點(diǎn)測試炸藥在0、-20、-40、-60、-80、-90、-99kPa等不同負(fù)壓環(huán)境下罐體內(nèi)爆炸沖擊波反射超壓數(shù)據(jù)，獲得超壓時(shí)程曲線。

2 結(jié)果及討論

2.1 負(fù)壓環(huán)境下沖擊波超壓時(shí)程曲線

保持傳感器敏感面中心到雷管爆炸中心的距離29.0cm不變，設(shè)定容器內(nèi)不同負(fù)壓環(huán)境，進(jìn)行多組爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用PCB壓力傳感器(113B24)，測量值為沖擊波在其敏感面上反射壓力值，文中圖表所示沖擊波超壓值均為測點(diǎn)的反射超壓值。由于入射沖擊波和反射沖擊波超壓變化趨勢一致，以測點(diǎn)反射超壓數(shù)據(jù)分析超壓變化，不影響研究爆炸沖擊波超壓變化規(guī)律的目的。

圖2和表1是測點(diǎn)典型沖擊波超壓時(shí)程曲線及超壓測試結(jié)果。

圖2 不同負(fù)壓環(huán)境下沖擊波超壓時(shí)程曲線

表1 不同負(fù)壓條件下沖擊波超壓

由圖2可以看出，與雷管在無限空中爆炸情況對(duì)比，本研究負(fù)壓環(huán)境下超壓時(shí)程曲線具有多個(gè)壓力峰值，這是沖擊波在容器內(nèi)部多次反射的結(jié)果。第二個(gè)壓力峰值相較于其他壓力峰值異常高。曲線后段有不規(guī)則負(fù)壓區(qū)，同時(shí)伴有后面波峰高于前面波峰的情況。

第一個(gè)壓力峰值p1為爆炸后沖擊波未經(jīng)任何壁面反射直接垂直作用于傳感器敏感面的超壓。第二個(gè)壓力峰值p2是沖擊波首次在容器底部正反射后垂直作用于傳感器敏感面上的超壓。實(shí)驗(yàn)設(shè)定的雷管中心到容器底面距離4.1cm，罐體半徑為18.8cm，則爆炸沖擊波首次經(jīng)底面正反射到達(dá)傳感器的超壓早于首次經(jīng)容器某環(huán)向壁面斜反射到達(dá)傳感器上的超壓。

由表1可以看出，第二壓力峰值異常高，原因是：(1)實(shí)驗(yàn)雷管底部有聚能穴，爆炸后沖擊波主要沿中心軸線向下匯聚，其他方向沖擊波能量較低；(2)沖擊波在容器底部發(fā)生正反射，根據(jù)正反射近似理論，反射沖擊波壓力可增強(qiáng)至入射沖擊波壓力的2～8倍[1]。由表1可知，在爆心距不變的前提下，隨著爆炸環(huán)境負(fù)壓的降低，測點(diǎn)沖擊波超壓減小，第一和第二峰值之間的時(shí)間間隔減小。

2.2 環(huán)境負(fù)壓對(duì)沖擊波超壓的影響

圖3是根據(jù)表1得到的沖擊波超壓隨環(huán)境負(fù)壓變化的折線，表2是根據(jù)表1得到的沖擊波超壓減小百分比情況。

圖3 沖擊波超壓隨環(huán)境負(fù)壓變化折線

表2 環(huán)境負(fù)壓降低引起沖擊波超壓減小情況

由圖3和表2可知，環(huán)境負(fù)壓由0降到-20kPa，測點(diǎn)沖擊波超壓減小緩慢，折線傾斜平緩。兩峰值壓力時(shí)間間隔減小8.2%。環(huán)境負(fù)壓由-20kPa降到-40kPa，測點(diǎn)沖擊波超壓銳減，第一壓力峰值、第二壓力峰值分別減小了43.4%、46.6%，折線明顯傾陡。兩峰值壓力時(shí)間間隔減小8.9%。環(huán)境負(fù)壓沿-40、-60、-80、-90kPa變化時(shí)，測點(diǎn)沖擊波超壓減小平緩，甚至出現(xiàn)小幅回彈，折線小傾角變化，第二峰值壓力折線有上揚(yáng)段。兩壓力峰值時(shí)間間隔在連續(xù)三段變化中減小幅度較大，分別為25.5%、31.6%、27.2%。環(huán)境負(fù)壓由-90kPa降到-99kPa，測點(diǎn)沖擊波超壓顯著減小，第一壓力峰值減小40.5%，第二壓力峰值減小24.5%。兩壓力峰值時(shí)間間隔反而略有增加，增加7.2%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在爆炸當(dāng)量和爆心距不變條件下，沖擊波超壓隨爆炸環(huán)境負(fù)壓的降低而降低。第一峰值降低幅度大于第二壓力峰值。存在兩個(gè)超壓壓力降低劇烈的負(fù)壓環(huán)境，定義為超壓敏感負(fù)壓pcr和pa0。本實(shí)驗(yàn)條件下，pcr為近-40kPa區(qū)域內(nèi)某個(gè)值，pa0為近絕對(duì)真空理想值-100kPa。

2.3 環(huán)境負(fù)壓對(duì)沖擊波速度的影響

用v1和v2表示爆源和傳感器之間未經(jīng)任何壁面反射的一次沖擊波平均速度和首次經(jīng)底面正反射的二次沖擊波平均速度。圖4為爆炸容器內(nèi)沖擊波傳播波系示意圖。

對(duì)于凝聚態(tài)炸藥，爆炸過程的巨大威力及其定向作用都不可能利用外部因素來控制[16]，則爆炸初始沖擊波參數(shù)與負(fù)壓環(huán)境幾乎無關(guān)。實(shí)驗(yàn)雷管主要裝藥為RDX，密度1.57g/cm3，爆速8089m/s。由于初始沖擊波速度與炸藥爆速接近，實(shí)驗(yàn)取初始沖擊波速度Dx為8089m/s。

圖4 爆炸容器內(nèi)沖擊波傳播波系示意圖

在爆源和容器底面之間傳播的初始沖擊波(包括反射波)，尚未脫離爆轟產(chǎn)物(L2<30r0，雷管半徑r0=3.5mm)，波速高，路徑短，略去波速衰減近似計(jì)算經(jīng)歷時(shí)間ta。強(qiáng)沖擊波在剛性平面發(fā)生完全正反射時(shí)，入射波速度近似為反射波速度的3倍[16]。

(1)

(2)

(3)

式中:t1、t2是從起爆到傳感器檢測到第一、第二峰值壓力的時(shí)間。對(duì)起爆時(shí)間(0時(shí)刻)進(jìn)行修正標(biāo)定，可得到的時(shí)間間隔t1、t2。

根據(jù)式(1)、(2)、(3)計(jì)算出爆源和傳感器之間的爆炸沖擊波平均速度v1和v2，如圖5所示，可分析沖擊波速度隨負(fù)壓環(huán)境的變化趨勢：(1)沖擊波速度隨環(huán)境負(fù)壓的降低而升高；(2)在近真空環(huán)境沖擊波速度又略有下降，這是由于在近真空環(huán)境爆炸沖擊波隨爆炸生成氣體(傳播介質(zhì))而傳播，過度膨脹的氣體形成過度稀疏(慣性)，產(chǎn)物區(qū)能量密度下降(形成另一個(gè)負(fù)壓區(qū))，衰減爆炸波的傳播速度。

圖5 不同負(fù)壓環(huán)境下沖擊波速度

由表2、圖3和圖5可知,環(huán)境負(fù)壓由0到-40kPa，沖擊波超壓降低幅度大而沖擊波速度提高不明顯；環(huán)境負(fù)壓由-40kPa到-90kPa，沖擊波超壓降低幅度小而沖擊波速度提高幅度大?？梢姡h(huán)境負(fù)壓在一定的區(qū)間變化，沖擊波超壓降低和沖擊波速度提高無相關(guān)性。

2.4 氣體產(chǎn)物對(duì)沖擊波傳播的影響

實(shí)驗(yàn)雷管主要裝藥RDX的爆炸方程式為：

(4)

則1.07g TNT當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)雷管爆炸產(chǎn)生氣體的量：

(5)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論爆炸容器內(nèi)初始負(fù)壓設(shè)定何值，每次爆炸前后穩(wěn)定的真空表示數(shù)差值均在3kPa左右，即容器內(nèi)氣壓增量值約為3kPa。爆炸容器容積為34.8L，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，容器內(nèi)增加的氣體量為：

(6)

表3為實(shí)驗(yàn)雷管在不同負(fù)壓環(huán)境下爆炸時(shí)爆炸容器內(nèi)氣體摩爾增量值。

表3 容器內(nèi)氣體摩爾增量值

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所測爆炸后氣體生成量十分接近，說明負(fù)壓環(huán)境不影響實(shí)驗(yàn)雷管爆炸氣體產(chǎn)物的量。由表3可知，初始環(huán)境負(fù)壓越低，爆炸產(chǎn)生氣體的量相對(duì)原有容器內(nèi)氣體的量百分比越大。在環(huán)境負(fù)壓由-90kPa降到-99kPa時(shí)，容器內(nèi)氣體摩爾增量由27.10%提高到271.97%，表明爆炸氣體產(chǎn)物對(duì)沖擊波的傳播影響劇烈。

2.5 真空環(huán)境下的爆炸沖擊波

炸藥在理想氣體環(huán)境中爆炸，沖擊波初始參數(shù)爆炸產(chǎn)物質(zhì)點(diǎn)速度vx和波速Dx之間有如下關(guān)系[1]：

(7)

式中：ka為未擾動(dòng)氣體的等熵指數(shù)，強(qiáng)沖擊波取1.2。

顯然，在有氣體作為傳播介質(zhì)的非真空環(huán)境中，沖擊波初始波速Dx大于氣體運(yùn)動(dòng)速度vx，最終沖擊波脫離爆炸產(chǎn)物區(qū)，向前傳播。真空環(huán)境下，Dx≤vx，沖擊波速度提高受限于爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)的速度，一次沖擊波不能與爆轟產(chǎn)物脫離，與爆炸氣體產(chǎn)物同期到達(dá)測點(diǎn)。圖6為爆炸沖擊波在空氣和真空中傳播示意圖。以實(shí)驗(yàn)室爆炸容器內(nèi)負(fù)壓-99kPa近似模擬絕對(duì)真空環(huán)境，得到近似真空環(huán)境下沖擊波超壓時(shí)程曲線，如圖7所示。

圖6 爆炸沖擊波在空氣和真空中傳播示意圖

圖7 近真空條件下沖擊波超壓時(shí)程曲線

由圖6和圖7可知，在近似真空環(huán)境，爆炸沖擊波強(qiáng)度較弱，作用時(shí)間短，兩峰值之間時(shí)間間隔短，波形迅速衰減，繼而振蕩消失。測點(diǎn)的最大峰值壓力也無法達(dá)到強(qiáng)沖擊波的標(biāo)準(zhǔn)，只能稱之為壓力波，爆炸沖擊波主要以爆炸氣體產(chǎn)物作為傳播介質(zhì)，而其量太少、太稀薄，不足以承載、傳遞爆炸產(chǎn)生的高能量沖擊波，使得炸藥爆炸瞬間以沖擊波傳播形式釋放的能量份額減少，轉(zhuǎn)以其他形式(熱能、電磁輻射等)釋放能量，亦或提高爆炸作功效能，所以真空環(huán)境下的炸藥爆炸沖擊波強(qiáng)度弱，衰減迅速。

3 結(jié) 論

(1)在爆炸當(dāng)量和爆心距不變條件下，沖擊波超壓隨爆炸環(huán)境負(fù)壓的降低而降低，實(shí)驗(yàn)存在兩個(gè)沖擊波超壓降低敏感的環(huán)境負(fù)壓。爆炸沖擊波速度大小與傳播介質(zhì)密度相關(guān)，即環(huán)境負(fù)壓越低，氣體越稀薄，沖擊波傳播越快。環(huán)境負(fù)壓在一定的區(qū)間變化，沖擊波超壓降低和波速提高二者無相關(guān)性。

(2)負(fù)壓環(huán)境不改變爆炸氣體產(chǎn)物的生成量。炸藥爆炸所處環(huán)境負(fù)壓越低，爆炸產(chǎn)生氣體的量相對(duì)原有容器內(nèi)氣體的量比值越大，對(duì)沖擊波傳播的影響越大。

(3)在近似真空環(huán)境下，爆炸沖擊波主要以爆轟產(chǎn)物作為傳播介質(zhì)，波速提高受限于爆轟產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)速度，強(qiáng)度弱，衰減迅速。