水介質對艙內爆炸抑制作用的實驗研究＊

李 營，任廣為，張 瑋，趙鵬鐸，張 磊，杜志鵬

水介質對艙內爆炸抑制作用的實驗研究＊

李 營1，2，任廣為2，張 瑋2，趙鵬鐸2，張 磊2，杜志鵬2

（1.北京理工大學先進結構技術研究院，北京100081；2.海軍裝備研究院，北京100161）

為探索艦船抗艙內爆炸的機理和技術手段，設計了多艙室縮比模型，開展了有水和無水介質的爆炸實驗，對比了爆炸當艙水介質對爆炸反應過程、鄰艙沖擊波峰值、比沖量及準靜態(tài)壓力的影響。研究結果表明：（1）水介質對艙內爆炸鄰艙沖擊波峰值、比沖量和準靜態(tài)壓力均有明顯的衰減作用；（2）在一定區(qū)間內，炸藥當量越大，水介質抑制內爆炸的效果越明顯；（3）水介質能有效阻礙燃燒等爆炸后續(xù)效應，影響準靜態(tài)壓力形成。

內爆炸；抑爆效果；準靜態(tài)壓力；后續(xù)燃燒；反艦導彈

’反艦導彈艙內爆炸是現(xiàn)代艦艇面臨的最重要的武器威脅之一。反艦導彈戰(zhàn)斗部在艙內爆炸作用下會在較大范圍內產生結構破損，造成艦船結構嚴重毀傷［1］。針對艦船內爆炸毀傷的特點，已有較多防護機理和技術手段方面研究。航母等大型水面艦艇結構尺度大，一般通過設置多層防護結構防護水下接觸爆炸和艙內爆炸，保護內部艙室［2］。而驅逐艦、護衛(wèi)艦等艦艇由于結構尺寸和重量限制，沒有足夠的整體資源設置多層防護結構或大范圍增加艙壁厚度，防護設計需要拓寬新思路。

王啟睿等［3］、張曉忠等［4］通過設置水介質，有效衰減了坑道內的爆炸沖擊波峰值。L.Chen等［5－6］通過設置水墻的方式，有效衰減了自由場中的沖擊波峰值和沖量。此外，張鵬鵬［7］采用水霧的方式衰減甲烷等氣體的燃氣爆炸作用，取得了較好的效果。但上述研究重點關注了沖擊波峰值，對艙內爆炸中的準靜態(tài)壓力等特有載荷關注不夠。

本文中根據(jù)設計的多艙室縮比模型，重點關注爆炸鄰艙的響應，開展有無水介質的爆炸實驗，對比爆炸當艙水介質對爆炸反應過程、鄰艙沖擊波峰值、比沖量及準靜態(tài)壓力的影響。研究結果可為艦船抗內爆炸防護設計提供新思路和方法。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗所使用的多艙室內爆炸實驗裝置如圖1所示。該裝置采用345R壓力裝置專用鋼制成，由兩個不同寬度的艙室組裝而成，其側壁厚30mm，截面尺寸400mm×400mm，寬度分別為300、200mm。其中，寬度300mm的艙室設為爆炸當艙，寬度200mm的艙室設為爆炸鄰艙。

兩個艙室中間加裝開口板以模擬爆炸形成艦船板架破口，進而將毀傷載荷傳遞到鄰艙。開口板板厚為12mm，板上設置直徑為150mm的爆炸模擬破口。爆炸當艙的封板選用開口板（中間開口的直徑為150mm）以模擬反艦導彈穿艙破口，其板厚為12mm。艙室間采用24個?18mm的螺栓固定。裝藥采用長徑比大于1.5的柱狀TNT，其密度為1.6g／cm3，采用8＃雷管引爆。炸藥藥柱布置于爆炸當艙正中心。采用量程為10MPa的壁面反射式壓力傳感器測量隔艙沖擊波壓力。袋裝水與測點的布置示意圖如圖2所示。

圖1 多艙結構平視圖Fig.1Front view of multi－cabin

圖2 多艙結構示意圖Fig.2Schematic of multi－cabin

1.2 實驗工況

為了對比水介質及炸藥當量對爆炸鄰艙的影響，共開展了6組實驗，具體工況設置如表1所示。

表1 實驗工況Table 1Experimental cases

2 實驗結果與分析

2.1 爆炸過程分析

通過拍攝導彈穿艙模擬口的現(xiàn)象反映艙內爆炸反應過程。實驗中采用NAC高速相機記錄實驗過程，采樣頻率選取為1 000s－1，即每兩張照片的間隔為1ms。炸藥在空氣中的爆炸過程主要包括炸藥的爆轟、爆轟產物的傳播、沖擊波在空氣中的傳播以及沖擊波與障礙物相互作用等。20g TNT有無水內爆炸響應過程如圖3所示。

通過有／無袋裝水情況下爆炸過程的對比，發(fā)現(xiàn)有以下特點：

（1）爆炸初始階段，即引爆至爆炸火球噴射階段的爆炸過程基本相同。炸藥被引爆后爆炸形成巨大的爆炸火球，火球膨脹并通過封板開口傳遞到內爆發(fā)生裝置以外，火球呈現(xiàn)噴射狀。火球在4ms時達到最大，最大長度約為1m，噴射速度約為260m／s。由于水介質受到爆炸沖擊作用發(fā)生破碎及霧化需要一定的時間，因此未能第一時間與爆轟產物發(fā)生相互作用。

（2）爆炸中后期階段，有無袋裝水有一定的差異。無袋裝水情況下，由于炸藥發(fā)生了充分的反應，爆炸火焰完成了火球－火舌－熄滅的轉化過程，火焰持續(xù)時間較長，到27ms時才完全消失，生成的爆轟產物為灰色；有袋裝水情況下，水介質在爆炸沖擊波作用下發(fā)生破碎，并與爆炸火焰在火球向火舌的轉化階段之前相互作用，火焰逐漸被撲滅，9ms時火焰完全熄滅，未能完成火球向火舌的轉化，有效阻止了爆炸后續(xù)燃燒過程的發(fā)展。生成的爆轟產物呈現(xiàn)黑灰色，炸藥的后續(xù)燃燒不充分。

整個過程的示意圖如圖4所示，根據(jù)水介質狀態(tài)的不同，可以劃分為4個階段。第1階段為初始階段，炸藥爆炸，在艙內形成沖擊波，但爆炸沖擊波并未遇到水，此階段艙內的沖擊波壓力與無水艙室完全相同。第2階段為水介質碎裂階段，爆炸沖擊波在艙內反射（包括水介質表面）并傳播到相鄰艙室，水介質在沖擊波作用下運動，部分能量轉變?yōu)樗橘|動能，沖擊波作用下大塊的水介質碎裂成較大質量水滴，隨著液水滴數(shù)量的增多，液體總表面變大，沖擊波的能量部分轉變成液滴碎裂能，即Es＝πd2σ（其中Es為單個液滴的表面能，d為液滴直徑，σ為表面張力）。水滴霧化階段，爆炸前期過程基本結束，水滴在沖擊波作用下進一步碎裂成細小顆粒，逐漸霧化，此階段液滴動能和碎裂能進一步增加的同時，小液滴溫度升高，由于水介質比熱容較大，這部分能量也較為可觀。第4階段為水霧蒸發(fā)階段，爆炸進入后續(xù)燃燒階段，部份液滴進一步碎裂成微小顆粒，隨著液滴溫度升高，微小液滴蒸發(fā)汽化，發(fā)生相變，帶走爆炸熱量并使得后續(xù)燃燒不完全。有關研究表明［8］，液滴較大時，動能和碎裂能是主要原因，對應實驗的早期物理過程；當液滴較小時，液滴溫度升高和蒸發(fā)是主要原因，對應實驗的后期物理過程。

圖4水介質響應過程示意圖Fig.4Schematic of water response process

2.2 壓力時域曲線

圖5 給出了6種不同工況下所測得的爆炸鄰艙壓力時間歷程曲線。可以看出，有／無袋裝水時的沖擊波壓力曲線趨勢基本相同，均呈現(xiàn)“快速上升，緩慢下降”的特點，沖擊波壓力明顯具有初始沖擊波和準靜態(tài)壓力兩個階段。在初始沖擊波階段，沖擊波壓力曲線發(fā)生多次振蕩，沖擊波壓力呈現(xiàn)明顯的多峰性，每個峰值的正壓作用時間僅約為10－1ms量級。沖擊波各峰值之間的間距與沖擊波以聲速在艙內往復傳播的時間差相當，確認為真實物理信號。

在準靜態(tài)壓力階段，沖擊波壓力曲線的振蕩趨勢逐漸減緩，壓力隨時間增加緩慢衰減，整個衰減過程持續(xù)20ms以上。準靜態(tài)壓力階段壓力衰減大體呈指數(shù)衰減趨勢，符合有孔封閉空間準靜態(tài)壓力衰減的一般規(guī)律［9］。

圖5 不同工況下壓力時間歷程曲線Fig.5Pressure－time curves in different cases

2.3 超壓峰值與比沖量

不同藥量下，有／無袋裝水時的超壓峰值如圖6（a）所示。可以看出，在有／無水袋裝水時的超壓峰值均隨藥量增加而單調遞增。但水介質有效減緩了超壓峰值隨TNT藥量增加而增大的趨勢。這是因為隨著TNT藥量的增加，水介質在沖擊波載荷作用下發(fā)生更充分的壓縮變形、破碎、飛散，進而形成更大的表面積與沖擊波相互作用，從而使沖擊波在傳播過程中發(fā)生衰減［6］。由此可見，袋裝水可有效降低爆炸沖擊作用下的沖擊波超壓峰值。

比沖量對比如圖6（b）所示。可以看出，對于無袋裝水的工況，比沖量隨TNT藥量的增加而增加；對于有袋裝水的工況，比沖量隨TNT藥量的增加而減小。這種現(xiàn)象說明了爆炸載荷的強度影響水介質與沖擊波相互作用的充分程度，進而影響對沖擊波的消減效果。

圖6 有／無袋裝水工況下沖擊波超壓峰值和比沖量Fig.6Shock pressure peak and specific impulse with／without water

2.4 準靜態(tài)壓力

通過對沖擊波壓力曲線下降階段的數(shù)據(jù)進行擬合，可得到各工況下準靜態(tài)壓力隨時間變化的曲線。擬合效果示意圖如圖7所示，從圖中可以看出，采用指數(shù)形式擬合的曲線與原始數(shù)據(jù)吻合較好。

從圖8中可以看出，無袋裝水時，準靜態(tài)壓力峰值隨TNT藥量的增加而單調增加，符合壓力隨藥量變化的一般規(guī)律。在一定范圍內，隨著裝藥量的增大，水介質對準靜態(tài)壓力的衰減效果更加明顯，體現(xiàn)為衰減比逐漸增大。

研究表明，水介質破碎程度及蒸發(fā)吸能會影響對爆炸的抑制效果［10］。當炸藥藥量較小時，無法使水介質發(fā)生充分的破裂，水介質破碎程度影響水介質的蒸發(fā)率以及蒸發(fā)質量，進而影響水介質所吸收的能量。炸藥藥量較小時水介質無法充分破碎，無法對準靜態(tài)壓力進行有效的消減。隨著炸藥藥量的增加，才能對準靜態(tài)壓力進行更充分有效的消減。

圖7 準靜態(tài)壓力曲線擬合效果示意圖（工況4）Fig.7Quasi－static pressure and fitted curve（case 4）

圖8 有／無袋裝水工況下準靜態(tài)壓力峰值Fig.8Quasi－static pressure peak with／without water

2.5 對內爆炸的綜合抑制效果

從表2中可以看出，水介質對超壓峰值、準靜態(tài)壓力和比沖量均具有明顯的衰減作用。隨著TNT藥量的增加，對各參數(shù)消減效果迅速增加，這是由于藥量的增加導致了爆炸強度的增大，使得水介質與爆炸沖擊波發(fā)生了更為充分的相互作用，水介質吸收的能量隨之增加，因此水介質的消減效果有效提升。其中，對相鄰艙室超壓峰值的消減效果最佳，當炸藥量較大時可高達71.2%。對比沖量的消減效果高于對準靜態(tài)壓力峰值的消減效果。

表2 不同藥量下水介質衰減內爆炸效果Table 2Effect of bag water for internal blast

3 分析與探討

TNT在空氣中爆炸時的反應方程式［11］為：

從式（1）可以看出，TNT空中爆炸后會產生大量的燃料（CO、C）。在環(huán)境適宜的條件下，高溫產物會與周圍環(huán)境中的氧氣混合發(fā)生燃燒，持續(xù)釋放能量，并使得封閉艙室內溫度升高。

艙內爆炸是以爆炸產物的氣體準靜態(tài)壓力為顯著特征的，勞式船級社［12］將準靜態(tài)壓力作為艦艇結構抗爆設計中除爆炸破片外的唯一載荷。有關研究表明［13］，氣體準靜態(tài)壓力由以下部分組成：

式中：Pqua為準靜態(tài)壓力；P0指大氣壓力，為0.101MPa；ρE為炸藥密度；γ0、γ分別代表空氣和爆炸混合氣體的絕熱指數(shù)，分別為1.4和1.35；V、VE分別指艙室體積和炸藥體積；ΔEDET、ΔEab分別指單位質量炸藥的爆炸能和后續(xù)燃燒能，分別為4.495、10.01MJ／kg，兩者共同構成爆炸總能量。

將各參數(shù)代入式（2），考慮爆炸當艙氣體爆炸產物瀉出，并與有水、無水工況進行比對，如圖9所示。可以看出：（1）無水工況中實驗測量準靜態(tài)壓力值與公式預測值吻合較好；（2）艙室中放置水介質后，實驗測量的準靜態(tài)壓力值介于炸藥完全反應和只考慮爆炸效應之間，說明水介質的存在影響了后續(xù)燃燒效應的反應程度；（3）隨著炸藥量的增加，有水工況的準靜態(tài)壓力值逐漸靠近只考慮爆炸效應的曲線，說明在一定區(qū)間內，隨著裝藥量增大，水介質對炸藥后續(xù)燃燒效應的抑制作用更加明顯。

有關研究表明，后續(xù)燃燒能與爆炸能的比值約為2∶1，后續(xù)燃燒能對準靜態(tài)壓力的貢獻比爆炸能大［14］。結合實驗結果分析，準靜態(tài)壓力降低的主要原因為爆炸效應使得袋裝水碎裂、運動并發(fā)生汽化。當炸藥當量較大時，袋裝水碎裂成更小的顆粒，除了液體碎裂過程吸收少量能量以外，大部分能量使液滴蒸發(fā)更充分，對炸藥后續(xù)燃燒能的衰減作用也更為明顯。

圖9 有無水工況與理論公式的對比Fig.9Experiments with or without water vs.formula

4 結 論

艦船抗內爆炸研究是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，需要在現(xiàn)有技術手段基礎上不斷探索新機理和新手段。本文中通過開展水介質對艙內爆炸作用抑制作用的實驗研究，劃分了水介質抑制內爆炸響應的階段，討論了水介質對臨艙沖擊波峰值、比沖量及準靜態(tài)壓力的影響規(guī)律，并結合公式探討了水介質影響后續(xù)燃燒效應的機理。研究得到以下主要結論：

（1）水介質對艙內爆炸鄰艙沖擊波峰值、比沖量和準靜態(tài)壓力均有明顯的衰減作用，其中對沖擊波峰值的衰減作用最明顯；

（2）水介質能夠有效阻礙燃燒等爆炸后續(xù)效應，致使炸藥反應不完全，降低了封閉艙室內的準靜態(tài)壓力；

（3）在一定區(qū)間內，炸藥當量越大，水介質汽化、蒸發(fā)越明顯，水介質抑制內爆炸的效果越顯著；

（4）戰(zhàn)時可采用臨時設置水袋的方式，減緩重點防護艙室在內爆炸作用下的毀傷。

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Water mitigation effect under internal blast

Li Ying1，2，Ren Guangwei2，Zhang Wei2，Zhao Pengduo2，Zhang Lei2，Du Zhipeng2
（1I.nstitute of Advanced Structure Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；2.Naval Academy of Armament，Beijing100161，China）

In this work，we investigated a study of the mechanism governing the internal blast in a warship cabin and the technique for preventing it.We developed a multi－cabin structure and carried out experiments with／without water were on the cabin to record and compare such data as the blast process，the peak pressure，the specific impulse and the quasi－static pressure.The results showed that（1）water could obviously reduce the peak pressure，the specific impulse and the quasi－static pressure，that（2）within a certain range，the greater amount of TNT，the more obvious the attenuation，and that（3）water could constrain the afterburning phenomena and TNT reaction，thereby affecting the formation of the quasi－static pressure.

internal blast loading；mitigation effect；quasi－static pressure；afterburning phenomena；anti－ship missile

O383.1；U663.2 國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－1080－07

2016－04－27；

2016－09－27

國家自然科學基金項目（51509196）；中央高校基本科研業(yè)務費專項基金項目（2014－yb－20）

李 營（1988— ），男，博士；通信作者：張 瑋，leehom1029＠sohu.com。

（責任編輯 曾月蓉）