带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析

王长利，周刚，蔡宗义，唐玉志，赵生伟，李迅，林英睿，初哲

(西北核技术研究所，陕西 西安710024)

0 引言

带壳装药在局部超强超快热作用下，能量通过壳体耦合使内部装药发生反应，内部压力在壳体的约束下发生积累，进而发生热爆炸。爆炸后，带壳装药壳体膨胀、向外飞散，消耗部分能量，剩余能量主要形成并支持空气冲击波［1－2］。对带壳装药热爆炸效果的评估可以作为判断装药热输入响应状态的依据，为研究带壳装药的热爆炸规律和安全防护提供支持。评估带壳装药的热爆炸效果，仅通过实验宏观破坏效果和对带壳装药破片分析所得结果不够精确，而通过测量爆炸在周围空气中产生的压力是较精确和易实现的方法。

目前，对带壳装药爆炸超压测量的相关研究比较多［3－4］，但对于热爆炸条件下超压的研究尚未见报道。本文对平硐爆室中带壳装药的热爆炸实验过程中的超压进行计算和测量，结合硐室结构，对超压的结果进行了分析。测量过程中，压力信号历程中出现了明显的电磁辐射信号，文中对带壳装药热爆炸产生的电磁辐射信号和裸露炸药进行了比对，并对电磁辐射信号的产生机理和特点进行了分析，这些结果对于热爆炸模式下的超压信号的测量和分析有一定的借鉴意义。

1 测量方法及系统组成

如图1所示，带壳装药热爆炸实验在平硐爆室中进行，实验的控制、电源、监控以及力学测量均采用远程控制的方式，在距离爆室200 m 以外的测试间中进行，所有参试设备通过现场的光纤局域网连接在一起。超压测量系统由压力传感器、电荷放大器、同轴电缆、高速数据纪录仪(HDR)和控制计算机组成。HDR 系统的存储量较大，可以实现长时间测量，对热爆炸这种起爆时间不确定性较大的实验较为适用。压力传感器为压电式，量程为10 MPa［5－6］.

图1 实验简图Fig.1 Experimental set－up

爆室结构如图2所示，其长、宽、高尺寸分别为26 m、7 m、6.8 m，顶部为弧形，爆室整体为花岗岩加水泥喷浆结构。带壳装药为圆柱形结构，底边直径380 mm，高度350 mm.壳体厚度均匀，材料为航空结构钢，可承受100 MPa 静态水压。带壳装药外部粘贴压电式加速度传感器，水平放置在爆室中部的地面上，侧面朝向传感器。压力传感器通过绝缘支座固定在钢管结构支架上，距离带壳装药9.5 m，高度1.5 m，在同一测点放置两个压力传感器。信号电缆通过钢管穿出，与廊道中的电荷放大器相连。

图2 平硐爆室结构Fig.2 Schematic diagram of explosion cave

实验时，通过测量间的电源控制系统为爆室内的设备加电，设备启动后，通过控制计算机对HDR进行参数设置，实验开始前，首先启动HDR，装药受热引爆后，关闭测试系统，数据通过网络传出爆室，再将爆室内的仪器电源关闭。

2 理论计算

实验前，为确保安全和设置测试系统量程，首先对带壳装药爆炸测量点的超压进行了计算。带壳装药为梯黑铝炸药，质量30 kg，当量约为45 kg TNT［7］.带壳装药放置在爆室内的地面上，地面为硬质结构。对于炸药在混凝土、岩石一类刚性地面爆炸时，可不考虑地面的变形，认为空气冲击波能量全部反射出去，这时不同距离的空气冲击波超压，可近似看作2倍的装药在无限空气中爆炸所造成的超压。壳体的存在直接影响爆炸作用场，带壳装药爆炸后，炸药放出的能量一部分消耗于壳体的变形、破碎和破片的飞散，另一部分能量消耗于爆炸产物的膨胀和形成空气冲击波。由于不同的结构对于当量的等效公式不同，对于圆柱形带壳装药，留给爆炸产物的能量当量可由(1)式计算［8－9］。

轴对称圆柱形带壳装药

式中:ω 为装药质量，取30 kg;ωbe为留给爆炸产物的当量炸药质量;α 为装填系数，取 0.30;γ 为炸药的多方指数，约3.16［10］;r0为装药半径，rm为破片达到最大速度时的半径，rm/r0≈1.5.

该带壳装药为轴对称圆柱形结构，将以上参数带入公式(1)式，可得ωbe=0.32ω=9.8 kg.在距离带壳装药 9.5 m 处的等效比距离(刚性地面爆炸时等效于2 倍药量空中爆炸，梯黑铝为1.5 倍TNT 当量)。带入冲击波超压计算公式［11］:

由计算可知，在距离带壳装药r =9.5 m 处的超压峰值Δpr约为0.078 MPa.

以上为理想刚性壁面条件下对带壳装药爆炸超压进行的估算，由于带壳装药距离爆室两侧和顶部距离有一定距离，虽然不会对测点的超压首波产生影响，但反射波在测量结果中必然会有所体现。

3 测量结果及分析

3.1 超压结果

实验过程中，利用强热源对带壳装药进行快速加热，带壳装药在受热一定时间后，出现了热爆炸现象，整个壳体结构也遭到破坏。其机理为:热源加热金属壳体，壳体进一步加热与其接触的炸药，炸药温度升高，反应加骤。当反应放热超过热扩散损失时，自持反应发展，温度急骤上升，导致炸药的热爆燃或热爆炸［12］。对某一批次的实验，带壳装药热爆炸产生的超压测量结果如表1所示。

表1 实验结果Tab.1 Experiment results

对实验中首波的平均波速进行计算，平均波速和超压的测量结果可以自洽。从现场实验的效果和实验结束后碎片的收集情况来看，带壳装药均爆炸解体，金属外壳破碎成一系列的碎片，碎片的平均质量大于带壳装药雷管引爆后所形成的平均碎片质量，实验后收集的碎片如图3所示。

图3 部分带壳装药解体碎片Fig.3 Fragments of charge with shell

从实验结果看，带壳装药的热爆延迟时间(热源点火至带壳装药爆炸解体)从20～28 s 不等，且超压结果相差不大。对于有密闭金属外壳的带壳装药，由于热爆炸过程从加热到爆炸解体有20 s 以上的时间间隔，内部装药反应达到一定压力后，导致金属外壳破裂，可能由于同一批次的带壳装药壳体结构相同，破裂时的所需压力相同导致的。

由于爆室的结构较为复杂，测量结果中出现了多次反射波，典型的超压波形如图4所示。可看出，超压信号有着陡峭的上升前沿，波形中在10 ms 内共有3 次明显的超压信号。

图4 典型超压波形Fig.4 Typical overpressure waveform

结合爆室的结构尺寸，对典型信号进行分析，结果如表2所示。从带壳装药爆炸开始，“1”信号为到达的超压的首波，“2”为墙壁的反射波，由于墙壁周围有沙墙作为防护，加上传播距离较远，所以衰减得比较明显，“3”为爆室顶部的反射波，由于爆室顶部为弧形结构，且为刚性壁面，其弧形结构具有汇聚作用，因此冲击波得到了加强。

3.2 电磁辐射

在带壳装药热爆炸超压测量过程中，发现带壳装药解体过程伴随有较强的电磁辐射(EMR)，如图5 所示。可看出，壳体外表面的加速度信号突然增强，直至传感器脱落，同时压力信号中也出现了电磁辐射信号，持续几毫秒后消失。在加速度信号陡然增强并消失时，带壳装药发生爆炸解体，电磁辐射信号的出现也正是带壳装药发生解体的时刻。

表2 典型超压结果分析Tab.2 Results of the typical overpressure

图5 电磁辐射与加速度信号时间关联Fig.5 Correlation of EMR and acceleration signal

在炸药爆炸的初始，金属壳体受爆炸高温高压冲击，会发生变形、向外扩展、产生裂纹和裂缝，爆炸的气体产物与固体产物将从裂缝中喷出。由于电动效应和爆炸产物与破坏壳体的摩擦，使电荷发生分离，超前的气体爆炸产物与落后的固体爆炸产物带有不同符号的电荷，加之冲击波从地面反射引起电荷的不对称性，因此气体和固体爆炸产物电荷在空间形成有效的电偶极子。由于带电气体产物、带电固体产物以及带电破片各自的速度变化及大小不同，存在着互相竞赛的追赶过程，从而形成了一个变化的电磁脉冲辐射，基本原理如图6所示［13－14］。

高能炸药爆炸破坏其装药壳体期间会产生电磁辐射，电磁辐射的强度及持续时间与爆炸模式以及爆炸与金属壳体的作用有一定的关系。如表3所示裸露炸药爆炸时电磁辐射的持续时间和带壳装药热爆炸的统计对比结果，裸露炸药实验的当量为吨级，引爆方式为雷管引爆，测试系统与带壳装药冲击波压力测量系统相同。从表中可知，带壳装药热爆炸的电磁辐射的持续时间超过2 ms，由于电磁辐射信号的持续时间与弹体破裂及碎片的飞行速度相关，而热爆炸时的爆速较低，所以电磁辐射信号的持续时间较长。如图7所示两种情况的电磁辐射波形对比，裸露炸药爆炸时有一个明显的马鞍形电磁辐射信号，与裸露炸药电磁辐射的情况相比，带壳装药热爆炸时产生的波形较为复杂，信号频率较高，说明带壳装药爆炸过程电磁辐射的产生过程更加复杂。

图6 带壳装药解体电磁辐射原理图Fig.6 EMR during the breakdown of charge with shell

表3 带壳装药和裸露炸药爆炸电磁辐射持续时间对比Tab.3 EMR time contrast of charge with shell and bare detonator

电磁辐射作为测量过程中的干扰，必须加以考虑，如果传感器距离爆心较近或者电磁辐射干扰时间过长时，会发生信号的混叠，对测量带来影响。由于力学信号的到达时刻和电磁辐射信号有一定的时间间隔，通常这些电磁干扰对力学信号影响不大。从图7可看出，带壳装药热爆炸的电磁辐射的频率较高，和力学信号也有明显的不同，可以区分。从另一个角度而言，电磁辐射信号对于测量来讲，可以作为带壳装药的爆炸时刻，带壳装药爆炸解体同时产生电磁辐射。通过对电磁干扰信号的分析，可得到以下3 点:

1)电磁辐射的信号特征的持续时间可能受爆炸(解体)模式的影响，信号的复杂程度和持续时间会由于爆炸(爆轰)模式的不同而存在差别。

2)电磁辐射信号与力学信号波形特征不同，有时候可以在时间上分开，并可以将电磁信号的出现时刻作为带壳装药爆炸的标志时刻。

3)电磁辐射信号与带壳装药的装药、弹片的大小和速度密切相关，可以作为进一步分析带壳装药解体情况的依据。

图7 裸露炸药及带壳装药电磁辐射信号对比Fig.7 EMR contrast of bare detonator and charge with shell

4 结论

1)带壳装药热爆炸实验超压测量得到了完整的数据，通过结合实验现象和破片收集，可以为带壳装药热爆炸效应评估和安全防护提供依据。

2)带壳装药爆炸时会产生电磁辐射，其存在的根本原因是炸药爆炸时产生大量的电荷，且不同电荷分离和相互交错造成的，对测量有利有弊，可以作为判断带壳装药爆炸的起始时刻，进一步的研究可以作为判断爆炸模式和评估热爆炸效应参考。

References)

［1］ Sparks M.Theory of laser heating of solids metals［J］.Journal of Applied Physics，1976，47(3):837－849.

［2］ 王伟平，张可星，刘绪发.激光对金属壳密封装药点火的研究［J］.强激光与粒子束，1998，10(4):547－551.WANG Wei－ping，ZHANG Ke－xing，LIU Xu－fa.Study on ignition of metal enveloped explosive by laser beam［J］.High Power Laser and Patical Beams，1998，10(4):547－551.(in Chinese)

［3］ 梁斌，卢永刚，陈忠富.不同材料壳体装药在空气中爆炸威力实验研究［J］.现代防御技术，2008，36(5):26－31.LIANG Bin，LU Yong－gang，CHEN Zhong－fu.Experimentation investigation of blast effect of explosive charge with different shell material in air［J］.Modern Defence Technology，2008，36(5):26－31.(in Chinese)

［4］ 张玉明，白春华，张奇.带壳弹药触地爆炸效应分析［J］.弹箭与制导学报，2001，21(4):56－59.ZHANG Yu－ming，BAI Chun－hua，ZHANG Qi.Explosion effect analysis of ammunition with shell detonating on the ground［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2001，21(4):56－59.(in Chinese)

［5］ 黄正平.爆炸与冲击电测技术［M］.北京:国防工业出版社，2006:21－36.HUANG Zheng－ping.Electric measurement technical of detonation and impact ［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006:21－36.(in Chinese)

［6］ 孙承纬，卫玉章，周之奎.应用爆轰物理［M］.北京:国防工业出版社，1999:184－187.SUN Cheng－wei，WEI Yu－zhang，ZHOU Zhi－kui.Application detonation physics［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1999:184－187.(in Chinese)

［7］ 第五机械工业部第204 研究所.火炸药手册(第一分册:单质炸药和混合炸药)［M］.西安:第五机械工业部第204 研究所，1981:200－201.Fifth Machine Industry 204 Institute.Explosives handbook (first volume:elemental mixture of explosives and explosives)［M］.Xi’an:Fifth Machine Industry 204 Institute，1981:200－201.(in Chinese)

［8］ 北京理工大学八系.爆炸及其作用［M］.北京:国防工业出版社，1979.Eighth Department of Beijing Institute of Technology.Explosion and its action ［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1979.(in Chinese)

［9］ 段卓平，黄风雷.地下弹药库爆炸产生的地面空气冲击波的估算与数值模拟［J］.安全与环境学报，2001，1(4):45－49.DUAN Zhuo－ping，HUANG Feng－lei.Calculation and numerical simulation about air shock－wave on ground caused underground magazine blast［J］.Journal of Safety and Environment，2001，1(4):45－49.(in Chinese)

［10］ 张宝平，张庆明，黄风雷.爆轰物理学［M］.北京:兵器工业出版社，2001:162－163.ZHANG Bao－ping，ZHANG Qing－ming，HUANG Feng－lei.Detonation physics［M］.Beijing:The Publishing House of Orolnance Industry，2001:162－163.(in Chinese)

［11］ 张守中.爆炸基本原理［M］.北京:国防工业出版社，1988:401－405.ZHANG Shou－zhong.Fundamental of explosion［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1988:401－405.(in Chinese)

［12］ SUN Cheng－wei，WANG Zuo－ni.Laser initiation of explosives and its applications［C］∥Proceedings of 17th International Pyrotechnics Seminar Combined with 2nd ISPE.Beijing:ISPE，1991.

［13］ Trinks H.Electromagnetic radiation of projectiles and missiles during free flight，impact and breakdown:physical effects and applications［C］∥4th International Symposium on Ballistics.Monterey.California:IBC，1978.

［14］ Boronin A P，Kapinos V N，Krenev S A.Physical mechanism of electromagnetic field generation with explosion of condensed exlosive charges［J］.Combustion，Explosion，and Shock Waves，1990，26(5):603－609.