負壓環境對炸藥爆炸沖擊波影響的實驗研究

李志敏，汪旭光，汪 泉，陸軍偉，林朝鍵，劉文震

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001；3.北京礦冶研究總院，北京 102628；4.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001)

引 言

炸藥在空氣中爆炸時，爆轟波在初始分界面上形成空氣沖擊波。作為能量的傳播介質，空氣密度影響沖擊波傳播的速度、強度等特征參量，滿足薩克斯比例定律[1-2]。負壓是低于一個標準大氣壓的氣體壓力狀態，研究負壓環境對炸藥爆炸沖擊波的影響具有重要現實意義。

炸藥在高海拔或稀薄氣體條件下爆炸，研究初始環境對爆炸波傳播的影響規律，可以豐富炸藥爆炸沖擊波相關理論。在爆炸加工領域，利用抽真空技術可以提高炸藥能量利用率[3-4]。真空環境下炸藥爆炸后，以沖擊波傳播形式無用的能量減少，而爆炸作功的能量增加，相應的猛度數值提高。關于爆炸能量分配問題需結合負壓環境下炸藥爆炸沖擊波傳播特性而確定。

目前，國內外已有一些負壓環境下炸藥爆炸沖擊波研究的相關成果。Silnikov[5]對高空和常壓下的爆炸沖擊波參數進行了對比分析；Vedman[6]研究了環境壓力對爆炸沖擊波的影響；Jack[7]模擬了高空爆炸試驗，得出不滿足薩克斯定律的沖擊波性質；李科斌[8]對不同真空度下空中爆炸近場進行了數值模擬研究；張廣華[9]進行了真空條件下的炸藥特性試驗研究；張玉磊[10]分析了初始壓力對TNT密閉空間爆炸溫度的影響；黃亞峰[11-13]分析了真空環境下炸藥爆炸的特性；謝雪騰[14]對高原環境爆炸沖擊波傳播特性進行了數值模擬與實驗研究；宋水舟[15]對不同真空度下結構內爆炸沖擊波進行了數值模擬。然而上述針對沖擊波的研究是在單一負壓環境下或不同負壓環境下的數值模擬，缺少以實驗為基礎不同負壓環境對爆炸波影響規律的系統研究。

本研究在自制的小型爆炸容器內，進行多組不同負壓環境下的爆炸實驗，對比分析負壓環境梯度變化對爆炸沖擊波超壓、速度等參數的影響，為建立完備的負壓環境爆炸沖擊波理論提供系統化實驗支撐和分析結論。

1 實 驗

自行研制的小型爆炸實驗容器主體為不銹鋼罐體，罐體高43.3cm，內徑37.5cm，外徑38.7cm。測試系統由數顯真空表、PCB壓力傳感器(113B24)和信號調理儀、Lecroy示波器組成。實驗裝置及測試系統示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置及測試系統示意圖

實驗爆炸源采用8號工業電雷管，爆炸當量為1.07g TNT，將其固定在容器軸線某點，雷管聚能穴指向罐底部。傳感器固定在容器軸線上爆源的正上方，通過螺桿上下可調，其敏感面與容器軸線垂直。采用真空泵抽氣和數顯真空表觀測，實現爆炸容器內不同初始負壓環境。在相同爆心距點測試炸藥在0、-20、-40、-60、-80、-90、-99kPa等不同負壓環境下罐體內爆炸沖擊波反射超壓數據，獲得超壓時程曲線。

2 結果及討論

2.1 負壓環境下沖擊波超壓時程曲線

保持傳感器敏感面中心到雷管爆炸中心的距離29.0cm不變，設定容器內不同負壓環境，進行多組爆炸實驗。實驗選用PCB壓力傳感器(113B24)，測量值為沖擊波在其敏感面上反射壓力值，文中圖表所示沖擊波超壓值均為測點的反射超壓值。由于入射沖擊波和反射沖擊波超壓變化趨勢一致，以測點反射超壓數據分析超壓變化，不影響研究爆炸沖擊波超壓變化規律的目的。

圖2和表1是測點典型沖擊波超壓時程曲線及超壓測試結果。

圖2 不同負壓環境下沖擊波超壓時程曲線

表1 不同負壓條件下沖擊波超壓

由圖2可以看出，與雷管在無限空中爆炸情況對比，本研究負壓環境下超壓時程曲線具有多個壓力峰值，這是沖擊波在容器內部多次反射的結果。第二個壓力峰值相較于其他壓力峰值異常高。曲線后段有不規則負壓區，同時伴有后面波峰高于前面波峰的情況。

第一個壓力峰值p1為爆炸后沖擊波未經任何壁面反射直接垂直作用于傳感器敏感面的超壓。第二個壓力峰值p2是沖擊波首次在容器底部正反射后垂直作用于傳感器敏感面上的超壓。實驗設定的雷管中心到容器底面距離4.1cm，罐體半徑為18.8cm，則爆炸沖擊波首次經底面正反射到達傳感器的超壓早于首次經容器某環向壁面斜反射到達傳感器上的超壓。

由表1可以看出，第二壓力峰值異常高，原因是：(1)實驗雷管底部有聚能穴，爆炸后沖擊波主要沿中心軸線向下匯聚，其他方向沖擊波能量較低；(2)沖擊波在容器底部發生正反射，根據正反射近似理論，反射沖擊波壓力可增強至入射沖擊波壓力的2～8倍[1]。由表1可知，在爆心距不變的前提下，隨著爆炸環境負壓的降低，測點沖擊波超壓減小，第一和第二峰值之間的時間間隔減小。

2.2 環境負壓對沖擊波超壓的影響

圖3是根據表1得到的沖擊波超壓隨環境負壓變化的折線，表2是根據表1得到的沖擊波超壓減小百分比情況。

圖3 沖擊波超壓隨環境負壓變化折線

表2 環境負壓降低引起沖擊波超壓減小情況

由圖3和表2可知，環境負壓由0降到-20kPa，測點沖擊波超壓減小緩慢，折線傾斜平緩。兩峰值壓力時間間隔減小8.2%。環境負壓由-20kPa降到-40kPa，測點沖擊波超壓銳減，第一壓力峰值、第二壓力峰值分別減小了43.4%、46.6%，折線明顯傾陡。兩峰值壓力時間間隔減小8.9%。環境負壓沿-40、-60、-80、-90kPa變化時，測點沖擊波超壓減小平緩，甚至出現小幅回彈，折線小傾角變化，第二峰值壓力折線有上揚段。兩壓力峰值時間間隔在連續三段變化中減小幅度較大，分別為25.5%、31.6%、27.2%。環境負壓由-90kPa降到-99kPa，測點沖擊波超壓顯著減小，第一壓力峰值減小40.5%，第二壓力峰值減小24.5%。兩壓力峰值時間間隔反而略有增加，增加7.2%。

根據實驗結果分析，在爆炸當量和爆心距不變條件下，沖擊波超壓隨爆炸環境負壓的降低而降低。第一峰值降低幅度大于第二壓力峰值。存在兩個超壓壓力降低劇烈的負壓環境，定義為超壓敏感負壓pcr和pa0。本實驗條件下，pcr為近-40kPa區域內某個值，pa0為近絕對真空理想值-100kPa。

2.3 環境負壓對沖擊波速度的影響

用v1和v2表示爆源和傳感器之間未經任何壁面反射的一次沖擊波平均速度和首次經底面正反射的二次沖擊波平均速度。圖4為爆炸容器內沖擊波傳播波系示意圖。

對于凝聚態炸藥，爆炸過程的巨大威力及其定向作用都不可能利用外部因素來控制[16]，則爆炸初始沖擊波參數與負壓環境幾乎無關。實驗雷管主要裝藥為RDX，密度1.57g/cm3，爆速8089m/s。由于初始沖擊波速度與炸藥爆速接近，實驗取初始沖擊波速度Dx為8089m/s。

圖4 爆炸容器內沖擊波傳播波系示意圖

在爆源和容器底面之間傳播的初始沖擊波(包括反射波)，尚未脫離爆轟產物(L2<30r0，雷管半徑r0=3.5mm)，波速高，路徑短，略去波速衰減近似計算經歷時間ta。強沖擊波在剛性平面發生完全正反射時，入射波速度近似為反射波速度的3倍[16]。

(1)

(2)

(3)

式中:t1、t2是從起爆到傳感器檢測到第一、第二峰值壓力的時間。對起爆時間(0時刻)進行修正標定，可得到的時間間隔t1、t2。

根據式(1)、(2)、(3)計算出爆源和傳感器之間的爆炸沖擊波平均速度v1和v2，如圖5所示，可分析沖擊波速度隨負壓環境的變化趨勢：(1)沖擊波速度隨環境負壓的降低而升高；(2)在近真空環境沖擊波速度又略有下降，這是由于在近真空環境爆炸沖擊波隨爆炸生成氣體(傳播介質)而傳播，過度膨脹的氣體形成過度稀疏(慣性)，產物區能量密度下降(形成另一個負壓區)，衰減爆炸波的傳播速度。

圖5 不同負壓環境下沖擊波速度

由表2、圖3和圖5可知,環境負壓由0到-40kPa，沖擊波超壓降低幅度大而沖擊波速度提高不明顯；環境負壓由-40kPa到-90kPa，沖擊波超壓降低幅度小而沖擊波速度提高幅度大。可見，環境負壓在一定的區間變化，沖擊波超壓降低和沖擊波速度提高無相關性。

2.4 氣體產物對沖擊波傳播的影響

實驗雷管主要裝藥RDX的爆炸方程式為：

(4)

則1.07g TNT當量的實驗雷管爆炸產生氣體的量：

(5)

實驗發現，無論爆炸容器內初始負壓設定何值，每次爆炸前后穩定的真空表示數差值均在3kPa左右，即容器內氣壓增量值約為3kPa。爆炸容器容積為34.8L，根據理想氣體狀態方程，容器內增加的氣體量為：

(6)

表3為實驗雷管在不同負壓環境下爆炸時爆炸容器內氣體摩爾增量值。

表3 容器內氣體摩爾增量值

理論計算和實驗所測爆炸后氣體生成量十分接近，說明負壓環境不影響實驗雷管爆炸氣體產物的量。由表3可知，初始環境負壓越低，爆炸產生氣體的量相對原有容器內氣體的量百分比越大。在環境負壓由-90kPa降到-99kPa時，容器內氣體摩爾增量由27.10%提高到271.97%，表明爆炸氣體產物對沖擊波的傳播影響劇烈。

2.5 真空環境下的爆炸沖擊波

炸藥在理想氣體環境中爆炸，沖擊波初始參數爆炸產物質點速度vx和波速Dx之間有如下關系[1]：

(7)

式中：ka為未擾動氣體的等熵指數，強沖擊波取1.2。

顯然，在有氣體作為傳播介質的非真空環境中，沖擊波初始波速Dx大于氣體運動速度vx，最終沖擊波脫離爆炸產物區，向前傳播。真空環境下，Dx≤vx，沖擊波速度提高受限于爆轟產物運動的速度，一次沖擊波不能與爆轟產物脫離，與爆炸氣體產物同期到達測點。圖6為爆炸沖擊波在空氣和真空中傳播示意圖。以實驗室爆炸容器內負壓-99kPa近似模擬絕對真空環境，得到近似真空環境下沖擊波超壓時程曲線，如圖7所示。

圖6 爆炸沖擊波在空氣和真空中傳播示意圖

圖7 近真空條件下沖擊波超壓時程曲線

由圖6和圖7可知，在近似真空環境，爆炸沖擊波強度較弱，作用時間短，兩峰值之間時間間隔短，波形迅速衰減，繼而振蕩消失。測點的最大峰值壓力也無法達到強沖擊波的標準，只能稱之為壓力波，爆炸沖擊波主要以爆炸氣體產物作為傳播介質，而其量太少、太稀薄，不足以承載、傳遞爆炸產生的高能量沖擊波，使得炸藥爆炸瞬間以沖擊波傳播形式釋放的能量份額減少，轉以其他形式(熱能、電磁輻射等)釋放能量，亦或提高爆炸作功效能，所以真空環境下的炸藥爆炸沖擊波強度弱，衰減迅速。

3 結 論

(1)在爆炸當量和爆心距不變條件下，沖擊波超壓隨爆炸環境負壓的降低而降低，實驗存在兩個沖擊波超壓降低敏感的環境負壓。爆炸沖擊波速度大小與傳播介質密度相關，即環境負壓越低，氣體越稀薄，沖擊波傳播越快。環境負壓在一定的區間變化，沖擊波超壓降低和波速提高二者無相關性。

(2)負壓環境不改變爆炸氣體產物的生成量。炸藥爆炸所處環境負壓越低，爆炸產生氣體的量相對原有容器內氣體的量比值越大，對沖擊波傳播的影響越大。

(3)在近似真空環境下，爆炸沖擊波主要以爆轟產物作為傳播介質，波速提高受限于爆轟產物運動速度，強度弱，衰減迅速。