不同裝藥形狀TNT水中爆炸近場沖擊波傳播的實驗研究

李金河，汪 斌，王彥平，黃學義，暢里華，王 旭

(1. 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621999； 2. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999)

引 言

隨著精確制導技術的發展，現代魚雷等水中兵器戰斗部對艦船、潛艇等目標的毀傷以近距離爆炸沖擊波作用為主。在近場范圍內，裝藥形狀以及起爆方式對沖擊波的傳播有很大的影響。特別是水中兵器戰斗部通常采用柱形裝藥，端面起爆時其在軸向上的輸出壓力和能量有所增強。通過水中爆炸近場沖擊波特性的研究，可為水中兵器戰斗部的設計、威力評估和艦船的抗爆設計提供必要的依據。

近場沖擊波特性的研究是隨著測試技術與試驗條件而發展起來的，近年受到了廣泛重視。Murata等[1]采用VDF-TFE含氟聚合物將水中爆炸沖擊波壓力測量能力提高到400MPa以上，并能得到持續的壓力脈沖；池家春等[2]采用錳銅壓力計和PVDF計相結合的方法將沖擊波壓力測試范圍拓展到1≤R/R0≤10范圍內，其中，R為測點到爆心的距離，R0為炸藥半徑；Kira等[3]采用掃描相機對球形炸藥水中爆炸近場沖擊波軌跡進行了觀測，采用非線性擬合技術得到了沖擊波峰值壓力隨距離的變化曲線；Dorsett等[4-5]采用分幅相機觀測了ALEX和PBXW115炸藥水中爆炸沖擊波的發展變化歷程；Liddiard等[6]采用高速掃描相機和鈮酸鋰壓力傳感器研究了Pentolite球形炸藥沖擊波特性，根據高速掃描相機分析所得壓力與壓力傳感器測得的壓力符合得較好；趙繼波、李金河等[7-9]采用錳銅計、PVDF壓力計、掃描相機和分幅相機相結合的方法研究了含鋁炸藥水中爆炸近場沖擊波特性。

以上研究雖然應用了多種測試技術，但各種測試技術都是獨立進行的，關聯性不強。有關裝藥形狀對近場沖擊波影響的研究報道很少[10]。本研究應用自行研制的同時分幅掃描超高速光電攝影系統[11]研究裝藥形狀對TNT炸藥水下爆炸近場沖擊波的影響，實現了在一發實驗中同時獲得高速分幅圖像和掃描圖像，得到比單一高速分幅相機或高速掃描相機更豐富的數據信息，可以極大地減少試驗數量，節約實驗成本。此外，分幅圖像和掃描圖像可以直接對比，有利于實驗數據的分析，以期為更深入研究炸藥水下爆炸近場沖擊波的傳播提供參考。

1 實 驗

實驗布局見圖1。將炸藥懸掛在400mm的玻璃水箱中央。水箱的前方為同時分幅掃描超高速光電攝影系統，后方為氙燈照明光源。

圖1 實驗布局示意圖Fig.1 Schematic layout of experiment

實驗用TNT炸藥密度為1.60g/cm3，設計了3種結構尺寸：Φ60mm×66mm圓柱形，Φ25mm×50mm圓柱形和SR35mm球形。其中柱形炸藥采用端面起爆方式，球形炸藥采用中心起爆方式(非嚴格意義的中心)，裝藥結構示意圖見圖2。

圖2 3種裝藥形狀的TNT炸藥Fig.2 TNT explosive with three kinds of charge shapes

本實驗所用同時分幅掃描超高速光電攝影系統[11]具有攝影頻率可調、曝光時間短、幅間隔可調、動態范圍大、可用于弱光探測等優點。在一次試驗中可以獲得6幅離散時間的分幅圖像，同時可以獲得水平和豎直兩個方向的一維空間上時間連續的掃描圖像。分幅拍攝的區域約為Φ300mm，分幅拍攝的時間可以根據需要任意設置，結合試驗研究范圍以及照明條件，一般設置在100μs以內，掃描設置的時長為100μs。

2 結果與討論

2.1 分幅掃描結果分析

典型的Φ60mm×66mm圓柱形TNT炸藥的分幅攝影圖像見圖3。

圖3 典型分幅攝影結果(Φ60mm×66mm)Fig.3 Typical framing photography results (Φ60mm×66mm)

由圖3可知，分幅圖像清晰地獲得了沖擊波以及爆轟產物的發展過程。

圖4為不同裝藥形狀沖擊波傳播演化發展過程的數字化圖像。

由圖4可看出，不同裝藥形狀TNT炸藥爆炸后，其水中沖擊波逐漸向外擴散，直至球形化。在球形化的過程中，沖擊波的中心逐漸向炸藥的質心位置移動。因此，當球形化完成后，沖擊波的中心應位于炸藥的質心處。由此說明，水中爆炸遠場沖擊波的中心位于炸藥的質心位置，遠場沖擊波的傳播與起爆方式及裝藥形狀無關。對于不同長徑比的炸藥，長徑比越大，初始沖擊波越細長，更接近橢球形。可見炸藥的長徑比對初始沖擊波的形狀及發展演化過程有較大的影響。

圖4 不同裝藥形狀TNT水下爆炸近場沖擊波演化情況Fig.4 Evolution of the near-field shock wave of underwater explosion of TNT with different shapes

2.2 軸向掃描結果分析

Φ60mm×66mm圓柱形裝藥的掃描攝影結果見圖5。將圖5結果進行數字化處理，可得相應的沖擊波傳播距離與時間的關系曲線，見圖6。圖6中分幅結果和掃描結果能夠較好地吻合，說明實驗分析結果準確合理。

圖5 Φ60mm×66mm圓柱形裝藥的典型掃描攝影結果Fig.5 Typical scan photography result of Φ60mm×66mm cylinder charge

圖6 掃描結果數字化分析圖Fig.6 Digital analysis map of scanning results

將數字化結果用式(1)進行擬合[7]

(1)

式中：D為爆速，km/s，TNT爆速取6.95km/s；C0為水中傳播的聲速，取1.647km/s。

根據擬合得到的沖擊波軌跡，對時間求導，即為沖擊波的速度變化情況，結合水介質的狀態方程，計算炸藥水中爆炸沖擊波的粒子速度變化情況。水介質的狀態方程見式(2)，該狀態方程在0～45GPa范圍內適用[12]。

(2)

式中：Dw為水中沖擊波速度，km/s；uw為水介質的運動速度，km/s。

根據計算的沖擊波速度和粒子速度可以進一步計算沖擊波的壓力pw，見式(3)

pw=ρwDwuw

(3)

式中：pw為水介質的壓力，GPa；ρw為水介質的密度，g/cm3。

圖7為不同裝藥形狀TNT炸藥水下爆炸近場沖擊波壓力隨距離的變化曲線。

由圖7中SR35mm球形炸藥及Φ60mm×66mm圓柱形炸藥的軸線方向壓力變化曲線可知，在距炸藥表面約2倍裝藥半徑范圍內，端面起爆方式柱形裝藥的粒子速度和壓力比中心起爆方式球形炸藥要高，即在近場一定范圍內，端面起爆方式沿起爆方向的能量有明顯的定向增益效應。Φ25mm×50mm炸藥軸向沖擊波壓力隨距離的衰減最快，這主要是由于Φ25mm×50mm炸藥裝藥量小，總能量低，在初始壓力一致的情況下，在逐步球形化的過程中，單位體積上的能量必然更低，因此，壓力下降更快。

圖7 不同裝藥形狀TNT水下爆炸沖擊波壓力變化曲線Fig.7 Shock wave pressure curves of underwater explosion for TNT charge with different shapes

另外，由于初始沖擊波能量分布不均勻，在能量的均勻化過程中，長徑比越大，也可能使沖擊波壓力下降更快。

令:

(4)

圖8 不同炸藥形狀壓力隨比距離的變化情況Fig.8 Changing situation of the pressure of different shape of TNT with ratio distance

由圖8可知，球形炸藥近場沖擊波壓力隨比距離的衰減速率最慢，Φ25mm×50mm柱形炸藥近場沖擊波壓力的衰減速率最快。可見，在近場范圍內，起爆方式及裝藥形狀對沖擊波的傳播與衰減均具有很大的影響。以比距離為參量分析炸藥近場沖擊波峰值壓力的衰減具有更普遍的意義。

3 結 論

(1)利用自行研制的同時分幅掃描超高速光電攝影系統，開展了不同裝藥形狀的TNT炸藥水中爆炸近場沖擊波傳播實驗研究。同時分幅掃描技術可以同時獲取炸藥水中爆炸沖擊波傳播的時空信息，是研究炸藥水中爆炸近場沖擊波傳播規律的有效方法。

(2)沖擊波演化發展過程中，球形化的球心位于裝藥的中心。

(3)柱形炸藥端面起爆時，沿起爆軸線方向2倍裝藥半徑范圍內，近場沖擊波壓力更高，具有明顯的定向增益。裝藥量越小，長徑比越大，近場沖擊波衰減越快。