不同装药形状TNT水中爆炸近场冲击波传播的实验研究

李金河，汪 斌，王彦平，黄学义，畅里华，王 旭

(1. 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621999； 2. 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999)

引 言

随着精确制导技术的发展，现代鱼雷等水中兵器战斗部对舰船、潜艇等目标的毁伤以近距离爆炸冲击波作用为主。在近场范围内，装药形状以及起爆方式对冲击波的传播有很大的影响。特别是水中兵器战斗部通常采用柱形装药，端面起爆时其在轴向上的输出压力和能量有所增强。通过水中爆炸近场冲击波特性的研究，可为水中兵器战斗部的设计、威力评估和舰船的抗爆设计提供必要的依据。

近场冲击波特性的研究是随着测试技术与试验条件而发展起来的，近年受到了广泛重视。Murata等[1]采用VDF-TFE含氟聚合物将水中爆炸冲击波压力测量能力提高到400MPa以上，并能得到持续的压力脉冲；池家春等[2]采用锰铜压力计和PVDF计相结合的方法将冲击波压力测试范围拓展到1≤R/R0≤10范围内，其中，R为测点到爆心的距离，R0为炸药半径；Kira等[3]采用扫描相机对球形炸药水中爆炸近场冲击波轨迹进行了观测，采用非线性拟合技术得到了冲击波峰值压力随距离的变化曲线；Dorsett等[4-5]采用分幅相机观测了ALEX和PBXW115炸药水中爆炸冲击波的发展变化历程；Liddiard等[6]采用高速扫描相机和铌酸锂压力传感器研究了Pentolite球形炸药冲击波特性，根据高速扫描相机分析所得压力与压力传感器测得的压力符合得较好；赵继波、李金河等[7-9]采用锰铜计、PVDF压力计、扫描相机和分幅相机相结合的方法研究了含铝炸药水中爆炸近场冲击波特性。

以上研究虽然应用了多种测试技术，但各种测试技术都是独立进行的，关联性不强。有关装药形状对近场冲击波影响的研究报道很少[10]。本研究应用自行研制的同时分幅扫描超高速光电摄影系统[11]研究装药形状对TNT炸药水下爆炸近场冲击波的影响，实现了在一发实验中同时获得高速分幅图像和扫描图像，得到比单一高速分幅相机或高速扫描相机更丰富的数据信息，可以极大地减少试验数量，节约实验成本。此外，分幅图像和扫描图像可以直接对比，有利于实验数据的分析，以期为更深入研究炸药水下爆炸近场冲击波的传播提供参考。

1 实 验

实验布局见图1。将炸药悬挂在400mm的玻璃水箱中央。水箱的前方为同时分幅扫描超高速光电摄影系统，后方为氙灯照明光源。

图1 实验布局示意图Fig.1 Schematic layout of experiment

实验用TNT炸药密度为1.60g/cm3，设计了3种结构尺寸：Φ60mm×66mm圆柱形，Φ25mm×50mm圆柱形和SR35mm球形。其中柱形炸药采用端面起爆方式，球形炸药采用中心起爆方式(非严格意义的中心)，装药结构示意图见图2。

图2 3种装药形状的TNT炸药Fig.2 TNT explosive with three kinds of charge shapes

本实验所用同时分幅扫描超高速光电摄影系统[11]具有摄影频率可调、曝光时间短、幅间隔可调、动态范围大、可用于弱光探测等优点。在一次试验中可以获得6幅离散时间的分幅图像，同时可以获得水平和竖直两个方向的一维空间上时间连续的扫描图像。分幅拍摄的区域约为Φ300mm，分幅拍摄的时间可以根据需要任意设置，结合试验研究范围以及照明条件，一般设置在100μs以内，扫描设置的时长为100μs。

2 结果与讨论

2.1 分幅扫描结果分析

典型的Φ60mm×66mm圆柱形TNT炸药的分幅摄影图像见图3。

图3 典型分幅摄影结果(Φ60mm×66mm)Fig.3 Typical framing photography results (Φ60mm×66mm)

由图3可知，分幅图像清晰地获得了冲击波以及爆轰产物的发展过程。

图4为不同装药形状冲击波传播演化发展过程的数字化图像。

由图4可看出，不同装药形状TNT炸药爆炸后，其水中冲击波逐渐向外扩散，直至球形化。在球形化的过程中，冲击波的中心逐渐向炸药的质心位置移动。因此，当球形化完成后，冲击波的中心应位于炸药的质心处。由此说明，水中爆炸远场冲击波的中心位于炸药的质心位置，远场冲击波的传播与起爆方式及装药形状无关。对于不同长径比的炸药，长径比越大，初始冲击波越细长，更接近椭球形。可见炸药的长径比对初始冲击波的形状及发展演化过程有较大的影响。

图4 不同装药形状TNT水下爆炸近场冲击波演化情况Fig.4 Evolution of the near-field shock wave of underwater explosion of TNT with different shapes

2.2 轴向扫描结果分析

Φ60mm×66mm圆柱形装药的扫描摄影结果见图5。将图5结果进行数字化处理，可得相应的冲击波传播距离与时间的关系曲线，见图6。图6中分幅结果和扫描结果能够较好地吻合，说明实验分析结果准确合理。

图5 Φ60mm×66mm圆柱形装药的典型扫描摄影结果Fig.5 Typical scan photography result of Φ60mm×66mm cylinder charge

图6 扫描结果数字化分析图Fig.6 Digital analysis map of scanning results

将数字化结果用式(1)进行拟合[7]

(1)

式中：D为爆速，km/s，TNT爆速取6.95km/s；C0为水中传播的声速，取1.647km/s。

根据拟合得到的冲击波轨迹，对时间求导，即为冲击波的速度变化情况，结合水介质的状态方程，计算炸药水中爆炸冲击波的粒子速度变化情况。水介质的状态方程见式(2)，该状态方程在0～45GPa范围内适用[12]。

(2)

式中：Dw为水中冲击波速度，km/s；uw为水介质的运动速度，km/s。

根据计算的冲击波速度和粒子速度可以进一步计算冲击波的压力pw，见式(3)

pw=ρwDwuw

(3)

式中：pw为水介质的压力，GPa；ρw为水介质的密度，g/cm3。

图7为不同装药形状TNT炸药水下爆炸近场冲击波压力随距离的变化曲线。

由图7中SR35mm球形炸药及Φ60mm×66mm圆柱形炸药的轴线方向压力变化曲线可知，在距炸药表面约2倍装药半径范围内，端面起爆方式柱形装药的粒子速度和压力比中心起爆方式球形炸药要高，即在近场一定范围内，端面起爆方式沿起爆方向的能量有明显的定向增益效应。Φ25mm×50mm炸药轴向冲击波压力随距离的衰减最快，这主要是由于Φ25mm×50mm炸药装药量小，总能量低，在初始压力一致的情况下，在逐步球形化的过程中，单位体积上的能量必然更低，因此，压力下降更快。

图7 不同装药形状TNT水下爆炸冲击波压力变化曲线Fig.7 Shock wave pressure curves of underwater explosion for TNT charge with different shapes

另外，由于初始冲击波能量分布不均匀，在能量的均匀化过程中，长径比越大，也可能使冲击波压力下降更快。

令:

(4)

图8 不同炸药形状压力随比距离的变化情况Fig.8 Changing situation of the pressure of different shape of TNT with ratio distance

由图8可知，球形炸药近场冲击波压力随比距离的衰减速率最慢，Φ25mm×50mm柱形炸药近场冲击波压力的衰减速率最快。可见，在近场范围内，起爆方式及装药形状对冲击波的传播与衰减均具有很大的影响。以比距离为参量分析炸药近场冲击波峰值压力的衰减具有更普遍的意义。

3 结 论

(1)利用自行研制的同时分幅扫描超高速光电摄影系统，开展了不同装药形状的TNT炸药水中爆炸近场冲击波传播实验研究。同时分幅扫描技术可以同时获取炸药水中爆炸冲击波传播的时空信息，是研究炸药水中爆炸近场冲击波传播规律的有效方法。

(2)冲击波演化发展过程中，球形化的球心位于装药的中心。

(3)柱形炸药端面起爆时，沿起爆轴线方向2倍装药半径范围内，近场冲击波压力更高，具有明显的定向增益。装药量越小，长径比越大，近场冲击波衰减越快。