一種新型水下爆炸實驗設備的研究設計與實測分析

胡宗元

(首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京100070)

0 引言

關于水下爆炸實驗研究多數采用數值模擬實驗的方式進行［1-6］，真正的實驗研究相對較少［7-8］;究其原因，主要是實驗研究的危險程度高、周期長、成本高、可操作性差、成功率低等。本文旨在設計研究一種新型安全高效可靠的水下爆炸實驗設備，以促進相關水下爆炸實驗的進行。

水下爆炸實驗設備主要包括爆炸容器和測試系統。爆炸容器是在國防、科研領域及工業領域較為廣泛應用的抗爆防護設備［9］，其設計一般把爆炸瞬態載荷轉化為等效靜載荷后按壓力容器設計來進行［10-12］。球型容器中心對稱，受力均勻，在同等內壓下，球形容器所需要壁厚最薄，容器表面積最小。因此，爆炸容器采用球型容器。測試系統采用由示波器、電荷放大器、應變儀、超壓傳感器及應變傳感器等組成的系統。

1 水下爆炸容器內部爆炸沖擊波強度確定及材料選擇

為了便于研究，實驗采用球形藥包。對于球形藥包，距爆心距離為R處的水中沖擊波峰值壓力［13］:

式中:pm為測量點波陣面上的峰值壓力，Pa;K是與炸藥性質有關的常數;W表示藥量，kg;R表示測量點距藥包中心的距離，m;α為與炸藥性質有關的常數。

查表可知［14］，TNT(梯恩梯)的爆熱QvT為 4 573 kJ/kg，α 值為 1.13，系數K值為 52.2 MPa(1.57 ＜＜0.078)，RDX(黑索金)的爆熱為 6 318 kJ/kg，現根據下式求解RDX的K值，用KR來表示:

代入數值，解得KR=59.0 MPa。

結合理論計算與設計要求，爆炸容器的材料采用16MnR鋼。16MnR鋼的材料化學成分和力學性能［15］見表1。

表1 16MnR鋼的力學性能和化學成分表

2 球型殼體的設計及傳感器安裝設計

該球型爆炸容器設計可以進行最大藥量為100 g的RDX或相同當量其他炸藥在水中爆炸的相關實驗。

2.1 殼體壁厚的理論計算

球殼是中心對稱的，因此各處應力相等，并且徑向應力和環向應力也相等。根據第三強度理論，按薄膜應力強度條件［16］，殼體一點處的應力

式中:［σ］τ為鋼板在設計溫度下的許用應力;δ為殼體的計算厚度，它的含義是為安全承受壓強為p的介質殼體所需的最小理論計算壁厚，單位mm;D為中徑，單位mm;為提高容器的可靠性，確保使用安全，計算厚度δ不能直接作為選用鋼板厚度的依據，還要考慮鋼板負偏差C1、腐蝕裕量C2和工藝減薄量容器的名義厚度:

式中:δd為殼體設計厚度，單位mm;δ為殼體計算厚度，單位mm;Δ為圓整值。

考慮到爆炸實驗的危險性，要求爆炸設備必須具備很高的安全性能，因此，對此球形殼體要取較高的安全系數，最終確定此球型爆炸容器殼體的有效厚度為90 mm。

2.2 球形爆炸容器設計

球形爆炸容器設計圖如圖1所示。

2.3 傳感器安裝設計

為了測出不同位置的超壓，同時又要保證試驗的安全性、可靠性與可操作性，設計了多種傳感器安裝螺栓，圖2和圖3分別為測內壁處超壓和測距爆心23 cm處超壓的傳感器安裝螺栓設計圖。

3 實驗實測

為降低對周圍環境的影響，將此水下爆炸實驗設備置于建有隔爆墻的軟土坑中，并要在起爆前蓋上防護蓋板。水下爆炸實驗設備系統圖如圖4所示。

圖1 球形爆炸容器設計圖

圖2 測內壁處超壓的傳感器安裝設計圖(mm)

圖3 測距爆心23 cm處超壓的傳感器安裝設計圖(mm)

圖4 水下爆炸實驗設備系統圖

3.1 超壓測試

超壓測試同時用到兩個超壓傳感器，一個安裝于容器頂部，另外一個安裝于容器側部(見圖4)。

3.2 應變測試

應變測試選用120 Ω康銅應變傳感器，應變傳感器安置在爆炸容器的脖頸處，并使兩個傳感器相互垂直布置。1號、2號應變傳感器分別布置在經線、緯線方向，并用膠帶固定好信號線。應變傳感器安裝圖如圖5所示。

圖5 應變傳感器安裝圖

應變測試可以對爆炸容器的安全性能做出評估，在使用爆炸容器時不能超過其允許的應變極限，否則會發生事故，根據容器允許的應變極限可以測試或者理論計算出實驗最大允許的炸藥量。

4 實測結果與分析

4.1 超壓實測結果與分析

通過測試得到的超壓時間圖線如圖6、7所示。

圖6 距爆心23 cm處超壓圖線(25 g炸藥)

圖7 距爆心23 cm處超壓圖線(35 g炸藥)

圖6和7顯示實際測到的超壓最大峰值和小差異的炸藥量并無直接關系。超壓最大峰值出現時間在30 ms左右，由于整個爆炸空間是密閉的，泄壓比較緩慢，泄壓時間在1 s左右，圖7甚至超過了1 s。25 g左右的炸藥球心處爆炸在距爆心23 cm處的超壓最大峰值可以達到280 MPa左右，與理論計算值基本相符。

以上兩幅圖的差異可能與以下幾個因素有關:①藥包的位置。在測試系統設計中，藥包要放在容器的中心，但在實際過程中，藥包很可能會偏離中心，位置的偏差會對沖擊波及其壁面的反射波產生重要的影響。②容器內水是否裝滿。容器內水裝滿與否將會對超壓曲線產生影響，若容器內水未裝滿，極有可能造成超壓的釋放，從而對超壓曲線產生重要影響。

總體來說，沖擊波第1個峰值到來的時間基本小于30 ms，根據炸藥反應時間加上沖擊波波陣面傳播所需時間得出的數值，可以得出測試所得到的30 ms是合理的。藥量對峰值超壓大小的影響不明顯，這是因為超壓與W為藥量)成正比。

4.2 應變實測結果與分析

應變測試時用到兩個應變片，分別是1號和2號，互相垂直布置。應變數據圖線如圖8、9所示。

圖8 爆炸容器應變圖線(25 g炸藥)

圖9 爆炸容器應變圖線(35 g炸藥)

從圖中可以看出最大應變約為100×10－6，應變的第1個峰值時間基本與超壓第1個峰值時間匹配，每幅圖都顯示出幾次的應變峰值，這是爆炸沖擊波在爆炸容器內反射及其氣泡脈動的結果。35 g炸藥爆炸使容器產生的最大應變峰值約為100×10－6，而25 g炸藥爆炸使容器產生的最大應變峰值約為30×10－6，這與計算結果基本相符合。

根據σ=Eε(容器選用16MnR鋼，E=208 GPa，σ=325 MPa)，可以得出許用應變 ε=1 563×10－6。再通過計算推導出100 g炸藥爆炸時容器產生的最大應變約為300×10－6，僅為容器許用應變的1/5。因此，爆炸容器是安全可靠的。

5 結語

通過推導計算，設計出了一種新型的可以進行水下爆炸實驗的設備;通過爆炸試驗，對設備的性能進行了實測，得到了一手的實驗數據;通過對實驗數據的分析，探究了可能的成因，并對設備的可靠性做出了相應的評價。結果表明此設備可以滿足相關中小型水下爆炸實驗的需求。實踐證明，該水下爆炸實驗設備運行良好，達到了預期目的，可促進相關水下爆炸方面的實驗教學和科學研究。