炸藥周圍水層對空氣沖擊波反射超壓影響的實驗研究

徐海斌，張德志，秦學軍，劉峻嶺，史國凱，劉文祥

(西北核技術研究所，陜西 西安710024)

0 引言

通過在爆炸物周圍放置適量水來降低沖擊波減輕爆炸的損害是國外近些年正在研究的一個新方法［1-4］。該方法可以減小爆炸物存儲地點周圍的危險區面積，或提高爆炸物儲存設施的儲存量。水障礙物如水墻等搭建方便、成本低，具有很強的可移動性，因此具有廣闊的應用前景。

Keenan 等［1］通過置水前后的準靜態氣壓及其沖量變化的實驗研究驗證了在炸藥存儲單元房間內用水墻隔爆的可行性，置水后氣壓降幅高達90%;Chabin 等［2］實驗研究了水對比例距離不小于1 m處的自由場壓力及其沖量的影響規律;Hansson等［3］在KLOTZ-Club 隧道內1 t 的TNT 當量炮彈周圍放置2 t 水的全尺度實驗中研究了置水前后隧道軸向不同距離處的準靜態壓力變化規律;Malvar等［4］在銷毀彈藥用的爆炸容器內炸藥周圍放水袋獲取了準靜態氣壓峰值70%的消減效果。毛益明等［5］開展過用水墻消減爆炸沖擊波的實驗研究;趙漢中［6］依據國外的實驗結果開展過封閉空間內水消波的數值模擬研究。國內外學者主要研究水對空間較大的準靜態氣壓或比例距離較大的自由場壓力的影響規律，對反射超壓的研究極少，關于水對比例距離較小處沖擊波影響規律的實驗研究更為罕見。

本文通過在容器內將球形炸藥放入球形約束的水中進行置水爆炸實驗，測量了容器內壁反射超壓，研究了水的質量與炸藥TNT 當量的比值(簡稱水藥比)和比例距離不同對反射超壓的影響，分析了不同水藥比置水對不同比例距離處爆炸沖擊波的消減規律。

1 實驗說明

為了考核不同比例距離時炸藥周圍置水對反射超壓的影響，評估置水消波效果，分別在3 個容器內共進行了4 種比例距離的置水爆炸實驗，如圖1 所示。柱形容器內徑為100 mm，軸向內長約1 m;球形容器內徑為523 mm;方形容器內部邊長為500 mm.歷次爆炸實驗的相關參數見表1 所示。

實驗中分別采用了60 g、10 g 和1 g TNT 當量的炸藥作為爆炸源。60 g 和10 g TNT 當量炸藥由1 g TNT 當量起爆藥球與球形主炸藥組合而成，1 g TNT當量的起爆藥球采用直徑1 mm、線裝藥密度為0.5 g/m 黑索今的鉛皮柔爆索中心引爆;置水實驗時將爆炸源放入盛水的球形薄壁殼內中心處，確保炸藥中心對稱爆炸，如圖2 所示。實驗中共采用了兩種材料的盛水結構，分別為聚氯乙烯塑料(PVC)和玻璃。比例距離為的置水實驗采用壁厚≤0.18 mm 的PVC 薄球殼，其余實驗均采用壁厚約為0.5 mm 的玻璃球殼，由于球殼壁厚與水球直徑的比值較小，球殼本身質量大大低于水的質量，加上玻璃抗拉性差，基本可以忽略球殼對實驗結果的影響。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schemes of the experimental setups

表1 實驗參數Tab.1 Experimental parameters

圖2 置水實驗的爆炸裝置Fig.2 The spherical explosive immersed in water

柱形容器中，通過在容器爆心環面安裝長度為0.5 m 的壓桿式壓力測試系統［7］，測量容器內壁處沖擊波反射超壓，測點距爆心100 mm，比例距離約為0.255 m/壓桿為一細長彈性桿，爆炸載荷作用在桿的一端，產生一維彈性應力波，通過測量壓桿近中間位置的應變，利用一維應力波理論可以得到爆炸沖擊波作用在桿端的壓力。

在球形容器和方形容器中，通過平齊安裝方式將壓電式壓力傳感器固定于容器壁面，測量容器內壁的反射超壓。球形容器內安裝藥量分別為60 g和10 g TNT 當量，比例距離分別為0.668 m/1.21 m，方形容器內安裝藥量為1 g TNT 當量，比例距離為2.50 m/

2 實驗結果及分析

置水爆炸實驗測得的大多數壓力波形在峰值后出現劇烈的上下振蕩現象，應是水滴或“水塊”高速撞擊傳感器影響了壓力測試系統的測量，對利用壓力波形進行積分來獲取沖量產生了不利影響。

圖3 置水前后的壓力曲線比較Fig.3 Comparison of pressure curves measured with and without water

表2 為實驗測得的置水前后不同比例距離處的反射超壓峰值。由表2 可見，絕大多數的反射超壓峰值為壓力波形的首波峰，分析認為容器形狀對反射超壓峰值的影響較少。置水爆炸過程分析如下:置水爆炸初期，爆轟波傳播到水后在水中形成沖擊波，向爆轟產物內部傳入稀疏波。沖擊波到達水與空氣界面時向水中反射形成稀疏波，自由面附近的水發生“層裂”，質點速度加倍，出現向空氣中噴射、飛濺的現象，使炸藥周圍水層的完整性遭到破壞。水層破裂的時間與水藥比或水層厚度有關。隨著水層的破裂，部分爆轟產物穿過水的阻擋與飛濺水點混合，并在水層外形成空氣沖擊波。其余爆轟產物繼續推動水層加速運動。在小比例距離如0.255 m/處，因水相變耗散的能量較少，由于高速運動的“成片”水和爆轟產物對壁面的撞擊，反而增強了爆炸的破壞威力，因此置水后的反射超壓峰值均大于無水爆炸的結果，且隨著水藥比的增大而增大。之后，由于流動中的Taylar 不穩定性和Helmholtz 不穩定性的作用，高速運動的水發生分裂、破碎和霧化，不同大小、形狀的水滴受不同慣性和空氣阻力作用，開始前后分散，與空氣沖擊波逐漸拉開。在較大比例距離如0.668 m/處，空氣沖擊波首先到達壁面產生峰值為10 MPa 的反射超壓，之后由于爆轟產物和水點陸續撞擊壁面，使反射超壓曲線在之后的幾十微秒內維持較高幅值上下波動。隨著傳播距離的增加，水在空氣中進一步分裂、破碎、細化并減速，水相變、運動和分散的耗能過程對爆炸威力的消減作用開始凸顯，在1.21 m/處，水藥比4 和11 的反射超壓峰值均比無水時降低了近60%，消波效果顯著。在2.50 m/處，水藥比為10 時的反射超壓峰值比無水時降低了30%，仍具有較明顯的消波效果，但低于比例距離為1.21 m/時的消波效果。

表2 不同比例距離處實測的反射超壓峰值Tab.2 Measured reflected overpressures at different scaled distances

圖4 表示不同比距離處的反射超壓峰值增減幅度與水藥比之間的關系。由圖4 可見，用水直接包裹炸藥進行爆炸的方法在不同的比例距離處對反射超壓的影響有可能是完全相反的。在比例距離較小處，炸藥周圍置水使反射超壓幅值大幅上升，在比例距離較大處，適量水可以有效降低該處反射超壓幅值，反射超壓上升和下降幅度均與比例距離和水藥比密切相關。

圖4 不同比例距離處反射超壓峰值變化百分比與水藥比關系曲線Fig.4 The influence of water-to-explosive weight ratio on reflected overpressure at different scaled distances

將本文的實驗結果與國外類似置水爆炸實驗結果［1，3］進行比較。從中可以看出，出現顯著消波效果的國外置水實驗場所主要為爆炸載荷密度較低的密閉空間［1］或比例距離較大的狹長通道［3］，兩種實驗場所的比例距離均較大，它們的結果均與本文中比例距離較大的結果相符合。本文中水對反射超壓的降幅最高為60%，文獻［1］中水對準靜態氣壓的降幅高達90%，造成這種差別的主要原因可能是文獻［1］測取準靜態氣壓時水相變發生得更充分。

在水消波措施的實際應用中，需要根據比例距離設計合理的水藥比，有些場合甚至不能放置水來作為消波措施。

3 結論

在容器內通過將球形炸藥浸入球形約束的水中進行水藥比為0 ～20 的置水爆炸實驗，研究了水對0.255 ～2.50 m/的比例距離處爆炸沖擊波反射超壓的影響規律，可得出以下結論:

4)反射超壓上升和下降幅度均與比例距離和水藥比密切相關。炸藥周圍置水使比例距離較小處反射超壓幅值大幅上升，適量置水可以有效降低比例距離較大處反射超壓幅值。

本文的實驗結果可以為下一步的數值模擬研究提供參考。

References)

［1］Keenan W A，Wager P C. Mitigation of confined explosion effects by placing water in proximity of explosives［C］∥The 25th DoD Explosives Safety Seminar. Anaheim，California:DoD，1992:311 -339.

［2］Chabin P，Pitiot F. Blast wave mitigation by water［C］∥The 28th DoD Explosives Safety Seminar. Orlando，Florida:DoD，1998:1 -10.

［3］Hansson H，Forsen R. Mitigation effects of water on ground shock:large scale testing in ?lvdalen，FOA-R-97-00510-311［R］.Sweden:Swedish Defence Research Establishment，1997:1 -26.

［4］Malvar L J，Tancreto J E. Analytical and tests results for water mitigation of explosion effects［C］∥The 28th DoD Explosives Safety Seminar.Orlando，Florida:DoD，1998:1 -12.

［5］毛益明，方秦，張亞棟，等.水體與混凝土防爆墻消波減爆作用對比研究［J］.兵工學報，2009，30(增刊2):84 -89.MAO Yi-ming，FANG Qin，ZHANG Ya-dong，et al. Comparison investigation on mitigation effect of water and concrete explosionproof walls［J］. Acta Armamentarii，2009，30(S2):84 -89.(in Chinese)

［6］趙漢中. 在封閉結構中水對爆炸沖擊波的削波作用［J］. 爆炸與沖擊，2002，22(3):253 -256.ZHAO Han-zhong. Water mitigation effects on explosions in confined chambers［J］. Explosion and Shock Waves，2002，22(3):253 -256.(in Chinese)

［7］張德志，李焰，鐘方平，等. 沖擊波壁面反射壓力的壓桿測試法［J］. 兵工學報，2007，28(10):1256 -1260.ZHANG De-zhi，LI Yan，ZHONG Fang-ping，et al. Pressure bar method to measure the reflected blast wave pressure in small scale distance［J］. Acta Armamentarii，2007，28(10):1256 -1260.(in Chinese)