平面飛片下氣體絕熱壓縮后的聚能效應(yīng)
——兩次不尋常的爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果*

張 凱，張路青

(中國大連凱峰超硬材料有限公司，遼寧大連116025)

在爆炸合成和爆炸壓實(shí)研究中，大多采用平面飛片碰撞進(jìn)行壓力加載，且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是在常壓下進(jìn)行，即飛片飛行過程是在常壓下的空氣而不是真空中的。從事爆炸力學(xué)的學(xué)者大都認(rèn)定:隨著飛片向下飛行，平面飛片下的空氣會(huì)向飛片四周自然排出，不會(huì)對(duì)飛片飛行構(gòu)成大的阻力，且一般飛片飛行距離很短，飛片下體積內(nèi)的常壓氣體量是個(gè)很小的量，不會(huì)造成聚能效應(yīng)。而我們?cè)趦纱螌?shí)驗(yàn)中，非常典型地發(fā)現(xiàn)了:飛片高速飛行，特別是飛片速度超過3 km/s時(shí)，飛片下空氣很難全部向四周排出，大部分氣體被飛片壓向被打擊表面，造成絕熱壓縮，而絕熱壓縮氣體的比熱容cV不是常數(shù)，隨溫度增高而增高，少量的氣體經(jīng)過絕熱壓縮，不僅溫度很高，且壓力也達(dá)到碰撞壓力的同量級(jí)，這極高溫高壓的氣體會(huì)以極高速氣流通過壓縮縫隙中噴出，造成能量巨大的聚能效應(yīng)。

1 第一次實(shí)驗(yàn)方法

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The unit of explosive experiment

圖2 爆炸后粉盒上表面Fig.2 The upper surface of powder box after explosion

爆炸壓實(shí)實(shí)驗(yàn)裝置［1］如圖1，炸藥柱在水中爆炸，推動(dòng)飛片向下飛行。飛片速度pp=3.595 km/s，計(jì)算值［2］與實(shí)測(cè)值基本一致。飛片下方安置一個(gè)裝有粉末的裝粉盒，在粉末面上安放一塊厚0.4 mm的薄鐵皮，粉盒下方又安置一塊底板，在水層的底面，飛片的外圈特別放置一塊厚2 mm的鋼板。爆炸后，發(fā)現(xiàn)粉盒上表面即迎著飛片打擊的一面有被嚴(yán)重沖涮現(xiàn)象。圖2所示的部分正好是此粉盒直徑(68～138)mm之間的盒邊緣上，圖中粉盒的上方已有一個(gè)缺損口，內(nèi)孔已經(jīng)漲大，在圖中中線上測(cè)得直徑88 mm。圖2中粉盒內(nèi)圈中心的圓塊實(shí)際是飛片殘片，實(shí)測(cè)直徑55 mm，仍是完整的圓形，周向沒有破裂。但中間出現(xiàn)了孔洞，是被氣流沖開的一個(gè)通道。填補(bǔ)這個(gè)孔洞的是一個(gè)小圓形塊，呈拱形的“小帽”狀，把厚0.4 mm的蓋片緊貼在它的內(nèi)側(cè)，無法分開。蓋片下方還有些許粉末緊緊地粘附著，無法摳下，見圖3。在圖2中已經(jīng)將“小帽”放到飛片殘片的中心孔中了，仔細(xì)觀察，可分辨出飛片殘片與“小帽”不是長在一起的，這個(gè)“小帽”是在離爆點(diǎn)1 m處撿回來的。

從回收的粉盒(見圖2)的裂口一邊仔細(xì)觀察，在距上端口往下約5 mm處有一個(gè)明顯印痕，似乎是原飛片在這個(gè)位置停留了一下。這無疑是飛片的角邊在此留下的印痕，是氣流從此處向外噴出的痕跡，如圖4所示。

圖3 小帽形成圖Fig.3 The forming drawing of small hat

2 第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 氣流開始噴出的位置Fig.4 The place sketch of airflow beginning to spurt

根據(jù)以上觀察，可作出以下的分析解釋。

(1)當(dāng)飛片尚未壓破0.4 mm鐵片時(shí)，空氣從它存在的空隙中側(cè)向噴出成為氣流，如圖5(a)所示。

(2)飛片壓破厚0.4 mm的鐵蓋片，有小部分氣體進(jìn)入粉體內(nèi)。部分飛片已進(jìn)入粉盒槽內(nèi)，但尚未全部進(jìn)入，側(cè)向噴出的氣體在厚2 mm的鐵板(此鐵板受藥柱四周水的壓力作用，基本上與飛片同步飛下)壓縮下開始沖擊粉盒體的上表面，如圖5(b)所示。

圖5 (a)側(cè)邊鐵板未壓下時(shí)的氣流圖Fig.5(a)The airflow sketch before the steel plate being pressed down

圖5 (b)氣流開始沖擊粉盒的上表面圖Fig.5(b)The sketch when airflow beginning to shock upper surface of powder box

(3)飛片基本上進(jìn)入粉盒槽內(nèi)，側(cè)向氣流加強(qiáng)噴出，在厚2 mm鐵板的強(qiáng)力壓制下，噴向粉盒外緣表面，形成沖擊洼坑。由于未經(jīng)壓縮的空氣密度為1.225 mg/cm3，飛片下的空間所含的全部空氣質(zhì)量只有230.5 mg，量不大，絕熱壓縮后噴出的高速氣體只能使粉盒表面形成極深洼坑而已，并未能將厚18 mm的盒邊緣全部切去。

同時(shí)，飛片后面的稀疏波已到達(dá)飛片的下界面處。此時(shí)，飛片向下的前進(jìn)速度突然減小，從而飛片壓縮空氣隙中氣體的力也會(huì)迅速減小，使得氣隙中的氣體得以開始膨脹。同時(shí)也由于飛片周邊氣體是在高速地流動(dòng)著，從而該處氣體上的壓力也相對(duì)較低，而飛片中間的膨脹力過大，最后使飛片開始從中間向上突起。如圖5(c)所示。

(4)稀疏波開始進(jìn)入粉末，追趕前面擊波。飛片中間明顯拱起，這是因?yàn)轱w片上面的壓力消失，但飛片仍以某個(gè)速度慣性向下飛行，飛片下面中心區(qū)的氣體壓力高，邊緣壓力低，造成向上拱起。且在其離中心線一定距離處，即“小帽”的半徑B-B處，飛片厚度急劇減薄，氣流對(duì)粉盒上平面邊緣的沖擊開始終止，破裂成一個(gè)缺口大約也在這個(gè)時(shí)候發(fā)生，此時(shí)0.4 mm鐵片上的壓力就是飛片下中心區(qū)的氣體壓力。如圖5(d)所示。

圖5 (c)沖擊洼坑形成示意圖Fig.5(c)The forming sketch of pit by shocking

圖5 (d)飛片開始隆起示意圖Fig.5(d)The sketch of flying plate beginning to arch

(5)上部飛片越拱越高，在B處的厚度越來越薄，最后飛片在該處拉斷，形成“小帽”狀小塊脫離飛片，向外飛出。飛片下留下一個(gè)孔洞，內(nèi)部氣體沖出孔洞，被絕熱壓縮的氣體消失。同時(shí)粉末中的沖擊波已經(jīng)到達(dá)下部底邊上，原裝粉末空隙中的空氣此時(shí)已全部被沖擊波趕到底部，而沖擊波立即被下部底板反射，形成比入射波更強(qiáng)些的反射沖擊波，反過來向上傳。如圖5(e)所示。

(6)B處裂開，底板的反射波向上傳。同時(shí)被沖擊波趕向底面的氣體的壓力強(qiáng)度有與反射波同等強(qiáng)度，無疑也處于極高壓力的絕熱壓縮狀態(tài)，迅速膨脹，擴(kuò)張?bào)w積，將已被壓縮的粉末層以及粉末層上面的0.4 mm鐵片向上推，撞向上部的飛片殘片，特別是撞向“小帽”的內(nèi)表面，于是0.4 mm鐵片緊貼在“小帽”的內(nèi)表面上，下面還帶有粉末，并飛離1 m處。如圖5(f)所示。

圖5 (e)飛片在B處拉斷示意圖Fig.5(e)The sketch of flying plate beginning to break at point B

圖5 (f)飛片中心小帽形成示意圖Fig.5(f)The forming sketch of small hat at the center of flying plate

仔細(xì)觀察回收的鐵片，呈現(xiàn)的顏色表明，是鐵表面被熔化后的冷卻狀態(tài)的顏色，說明溫度很高。

3 第二次實(shí)驗(yàn)方法［3］

為了進(jìn)一步證實(shí)飛片下產(chǎn)生的高速氣流聚能效應(yīng)，又做了第二次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方式基本不變，見圖6。藥柱與飛片直徑增大到使得飛片下的空間的空氣量(大氣狀態(tài)下)為887.6 mg，是第一次的3.851倍，如產(chǎn)生氣流，氣流將大大增強(qiáng)。同時(shí)改變引爆方法，藥柱上端的引爆藥柱中間有惰性塊。雷管引爆后，先將主裝藥柱的周邊上部引爆，這樣在主裝藥柱內(nèi)造成的爆轟波面在中心區(qū)域是一個(gè)匯聚的球面波，如圖7所示。從而使得飛片的飛行姿態(tài)呈同樣形態(tài)，當(dāng)飛片以這樣的形態(tài)碰撞粉盒盒蓋時(shí)，原飛片下的大部分氣體都集聚在ACD這個(gè)凹形區(qū)域內(nèi)，而不從側(cè)向流出。當(dāng)飛片最終強(qiáng)行壓向粉盒表面時(shí)，飛片下的向內(nèi)凹形會(huì)逐漸消失，而被壓縮在凹形內(nèi)的氣體被絕熱壓縮到與飛片打擊粉盒鐵蓋時(shí)的壓力相等。凹坑內(nèi)氣體會(huì)從四周側(cè)向沖開一道細(xì)縫排出，速度達(dá)到萬米/秒以上。高速氣體噴出正好遇上同步飛下的3 mm塑料板，塑料板自然將噴出氣體擋住。由于飛片下沖出的氣流方向一定偏向上方一個(gè)角度，絕不可能沿水平方向噴出，從而塑料板在鋒利的氣流沖刷下會(huì)瞬態(tài)地被彎曲成圖7中下面圖形的形狀。在塑料板被沖破以前，已將氣流折轉(zhuǎn)成近180°方向，向下沖去，氣流成為一個(gè)“氣刀”，將粉盒邊緣厚10 mm的鐵邊緣切去。切口光滑，無絲毫粗糙、凹凸不平的沖刷痕跡，可見“氣刀”能量很大。

爆炸在一個(gè)?1.8 m×2.0 m、由厚20 mm鍋爐鋼板制作、埋在地下的舊罐中進(jìn)行，口與地表平，離罐口周圍1 m遠(yuǎn)處圍有網(wǎng)眼約30 mm的鐵細(xì)網(wǎng)，高約3 m。圖6的爆炸裝置采用懸掛式掛在離罐口約0.8 m的半空中，在罐底正中放一個(gè)高0.6 m、內(nèi)裝200mm高濕鋸末的半截子油桶，做回收裝置。爆炸后，罐壁完好，無任何裂縫，罐底有一條裂縫，但沒有發(fā)現(xiàn)粉盒殘片，而在罐口地面發(fā)現(xiàn)2塊粉盒碎塊，每個(gè)碎塊大約是盒圈的約1/4。粉盒高速砸向罐底碎成4塊后，2塊落在鐵絲網(wǎng)內(nèi)，而另2塊飛越網(wǎng)高到網(wǎng)外，碎塊飛越高度超過5 m。查看回收的另2塊碎塊，看出粉盒外緣?(150～184)mm、厚度10 mm的邊緣部分完全被氣流切去，切口處氣流流動(dòng)痕跡非常清晰，如圖8所示。裝有濕鋸末的半高油桶雖已變形，但仍保持一個(gè)整體，并未破碎。粉盒內(nèi)的粉末大都還在，且都呈未被沖擊狀態(tài)，還是裝粉前狀態(tài);粉末未被飛片壓實(shí)，是因粉盒已具有了相當(dāng)速度，甚至可能與飛片速度相近，從而飛片不能撞擊粉末。圖8中a-a面處有強(qiáng)烈氣流切割金屬痕跡，這個(gè)強(qiáng)烈氣流同時(shí)也使粉盒獲得極高的速度。飛片下空間內(nèi)的原有空氣，在高速飛行的飛片壓縮下，很難向周圍流出，在飛片與打擊面之間造成絕熱壓縮，壓力與飛片的碰撞壓力相同，極高的氣體壓力產(chǎn)生極高速氣流從縫隙中噴出，又遇到向下飛行的3 mm的塑料板(外加厚1 mm桶底)，將氣流折轉(zhuǎn)造成以上的強(qiáng)烈氣流。

圖6 放大的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 The enlarged unit of explosive experiment

圖7 氣流轉(zhuǎn)折示意圖Fig.7 The sketch of airflow to turn

圖8 剪切處示意圖Fig.8 The sketchmap showing sheared place

［1］張凱，張路青.一種Carbonado型結(jié)構(gòu)的爆炸納米多晶金剛石［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2009，23(5Ⅷ):56-60.

ZHANG Kai，ZHANG Lu-qing.The explosive nanometer polycrystalline diamond which structure has carbonado’s appearance［J］.Materials Review，2009，23(5Ⅷ):56-60.

［2］邵丙璜，張凱.爆炸焊接原理及其工程應(yīng)用［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1987:8-55.

［3］張路青，張凱.可消除側(cè)向高速氣流影響的爆炸壓實(shí)方法:中國，200810010547.4［P］.2008-03-06.