JH-14装药水中爆炸特征研究❋

周 明 赵云涛 李万全 郗文博 韩魏勐

西安物华巨能爆破器材有限责任公司(陕西西安，710061)

引言

装药在水中爆炸时，通常产生冲击波、气泡和后续压力波，三者都能使目标受到一定程度的破坏[1]。水中冲击波爆炸峰值压力是衡量水中兵器威力大小的重要指标，通常由试验确定超压系数后，再采用经验公式计算。水中兵器(鱼雷、水雷、深水炸弹等)的爆炸威力与炸药的性能、工艺以及作用方式等息息相关，梯黑铝炸药及其他典型炸药在水下兵器中得到了广泛的应用和研究，有经验公式和数值可供参考[2-3]；而JH-14装药作为主装药，在水下爆炸冲击波性能尚不明确。

本文中，从评估JH-14装药在水中的爆炸威力出发，测试了不同水深和作用距离处的冲击波峰值压力，拟合出水下爆炸冲击波超压系数k和α的值，并分析了JH-14装药在水下爆炸时峰值压力与作用距离和水深的变化规律。

1 理论计算

1.1 峰值压力系数k和α的理论值

k和α是炸药在水中爆炸冲击波的峰值压力系数(也叫超压系数)，与炸药物理化学性质有关，其大小由试验确定。常采用公式近似计算出k值和α值，再估算水中兵器爆炸时的峰值压力、比冲量及能量密度等，然后根据试验进行精准测定，确定出水下兵器的威力。由爆炸相似原理进行换算，可以得出本试验中所用的JH-14装药水中冲击波超压系数k。其计算公式如式(1)所示[4]。

式中：ki为某炸药的k；kT为 TNT炸药的k；QvT为TNT 爆热，kJ/kg，按ρ0＞1.52 g/cm3的状态值[5]，取4 226 kJ/kg；Qvi为某炸药爆热，kJ/kg；N为爆轰波的形状参数，球形波时为1，柱面波时为2；α为TNT炸药的α值。

kT是TNT炸药的经验值，行业内计算TNT炸药水中爆炸自由场冲击波的峰值压力时，选取的k为52.2，α为1.13(此时压力单位为MPa)[6-8]。

试验中的主装药为JH-14，其组分为96.5%(质量分数)的黑索今和3.5%(质量分数)的添加剂[9]。按混合炸药爆热的经验公式计算其爆热，如式(2)所示[5]。

式中：mi为混合炸药各组分的质量分数；Qoi为各组分的特征热值，kJ/kg；Bi为各组分的的密度修正系数；ρT为混合炸药的理论密度，g/cm3，JH-14的理论密度为1.82 g/cm3；ρ为混合炸药的实际装药密度，g/cm3，JH-14装药的密度取1.70 g/cm3。

由式(2)计算可得，JH-14装药的爆热为5 795 kJ/kg。将计算出的JH-14装药的爆热代入式(1)中，可得出k为58.78。

α与炸药爆轰波的波形参数、爆热和爆轰压力有关，需要进行大量测试得到。根据前人的试验结果，α的数值波动不大，在计算峰值压力的理论值时，借用TNT的经验值1.13作为JH-14装药峰值压力系数α的估算值。

1.2 冲击波峰值压力计算

爆炸冲击波在传播过程中，其压力峰值随传播距离的增加而迅速衰减，根据爆炸相似率，其压力峰值与距离及药量的经验计算式如式(3)所示。

式中：R为炸药距爆心距离，m；ω为TNT药量，kg；pm为冲击波峰值压力，MPa；k为超压系数，用式(1)计算出的理论值为58.78；α为超压系数，取TNT炸药的经验值1.13。

试验中的JH-14装药以黑索今为主体，药量200 g，约为1.2倍的TNT当量[10]，按爆炸相似率，将式(1)计算出的k值和TNT的α值代入经验公式(3)，可计算不同作用距离处冲击波峰值压力pm，理论值如表1所示。

表1 冲击波峰值压力理论值Tab.1 Theoretical value of shock wave pressure

按照王中黔[11]的分析，△p≤0.3 kg/cm2(换算为0.03 MPa)，可作为水下爆炸冲击波作用于人体而不至于受伤的安全标准。

2 试验

测试JH-14装药在水下的冲击波压力分布，测试系统主要由JH-14装药、冲击波压力传感器、传输电缆、数据采集系统组成。

当冲孔施工作业深度达到护筒下方5m的情况下，应使用抽渣筒针对钻孔实施必要的抽渣清理工作。应综合考虑作业区域的实际情况，保证抽渣没有明显的粗颗粒。要想确保抽渣质量满足标准要求，应在抽渣的时候，对泥浆水分以及黏土之间的比重进行适当地调整，只有这样才能够确保抽渣的效果。

2.1 试验方案

由表1可知，不计水深影响，在距爆心50 m的作用距离处，JH-14装药水中爆炸后的冲击波压力为0.413 MPa，与安全距离处的压力值0.030 MPa相比，有很大的裕量；据此确定最大测试半径为50 m，最大水深15 m。制定的设计测试方案见表2。

表2 试验布置Tab.2 Test layout

2.2 试验条件

试验水池为椭圆形，长轴约130 m，短轴约80 m，最深处直径约为60 m，水深h为25 m。装药半径r0为30 mm，装药沉深H最小为5 m。研究表明，当在水深h与装药半径r0之比大于10～20、装药沉深H与装药半径r0之比大于5～10的深水中爆炸时，水中冲击波峰值压力基本不受自由水面和水底反射的影响，装药与无限水介质中爆炸时相同或相近，可视为装药在无限水介质中爆炸[12]。

测压传感器采用32通道瞬态信号记录仪，每通道采样率1M/s，精度±0.05%，通过计算机软件监测压力传感器采集数据。

试验样弹为圆柱形，壳体尺寸为∅60 mm×60 mm，壳体厚度1.5 mm。装填炸药为JH-14，药量200 g，装药密度为1.70 g/cm3，采用引信中心起爆形式。测试样弹放在水下5 m及以下位置处，满足冲击波能和气泡能对于水域几何尺寸的最小限度和压力传感器位置的测试要求[13-14]。样弹参数如表3所示。

试验设施主要包括支架与绞盘、钢索、绳索。试验样弹(JH-14装药)用吊放设施投放。试验样弹位于水池的中心位置。试验样弹与压力传感器均位于水下同一深度处。示意图见图1。

图1 试验设施布置示意图Fig.1 Layout diagram of the test facility

表3 样弹参数表Tab.3 Parameters of the sample

2.3 试验测试

试验样弹与冲击波压力测点之间距离分别为10、15、20、25、50 m，通过在试验水池池面钢索上的悬挂位置来确定。水深分别为5、10、15 m，由试验样弹与传感器悬吊绳带上的标记来确定。按图1布置试验样弹和压力传感器。为了减少介质对测试的影响，每一次爆炸试验前，均对水下部分进行水密处理。

4次爆炸测试过程中，传感器都采集到了压力曲线，如图2所示。因4次爆炸的压力曲线图类似，故以第1发爆炸压力曲线为例进行分析。

通过整理4次试验测试得到的压力-时间曲线，可得到距爆心不同作用距离处爆炸冲击波的峰值压力数据。其中，第1发、第3发、第4发在距爆心10 m的作用距离处，未设置测量点；第2发在距爆心25 m的作用距离处，只测得一个数据。数据见表4所示。

图2 第1发样弹爆炸压力曲线Fig.2 Explosive pressure curve of the first sample

3 试验结果分析

从表4的试验数据上可以看出，小药量JH-14装药在水中不同作用距离(距爆心的距离)处爆炸时，冲击波峰值压力随着作用距离的增大而减少，数据分析见图3。小药量JH-14装药在不同水深处爆炸时，同一作用距离处测试的冲击波峰值压力变化不大，即水深对冲击波峰值压力的影响较小。数据分析见图4。这与鲁忠宝的仿真计算结果一致[15]。

表4 冲击波峰值压力测试结果统计Tab.4 Statistics on peak pressure test results of shock waves MPa

图3 不同水深处的峰值压力Fig.3 Peak pressure at the different depth

图4 不同作用距离处的峰值压力Fig.4 Peak pressure at the same operating distance

实际上，水下爆炸冲击波峰值压力受很多因素的影响，使用经验公式计算出的k和α只能提供参考范围。炸药特性不同，相应的系数k和α不同，k的大小影响炸药冲击波的幅度，k越大，幅度越高。α则反映了冲击波在传播过程中变化的快慢程度，α越大，说明冲击波衰减越快[16]。

对式(3)两边取对数，整理后的计算式如式(4)所示。

从式(4)可以看出，该公式就是以ln(ω1/3/R)为自变量，以lnpm为因变量的线性函数。其变量关系可以用一元线性回归模型进行分析。根据表4的数据，做出的一元线性回归趋势线如图5所示。

图5 线性回归模型拟合图Fig.5 Fitting graph of linear regression model

拟合出的公式为y=1.130 7x＋4.043 2，线性拟合程度R2=0.995 7，截距4.043 2就是lnk的值，经计算，k为57.01，斜率α为1.131。由试验计算出的k和α与理论值存在一定的偏差，这是因为爆炸相似理论对水中冲击波压力峰值的计算公式进行了简化。实际上，装药在水下爆破产生的冲击波受到诸如壳体材料及厚度[17]、爆炸深度[18]、爆炸角度[19]、装药密度等诸多因素的影响。

由试验确定出的超压系数k为57.01，α为1.131，可作为JH-14类装药产品设计在水中爆炸压力计算的依据。

4 结论

经验公式(3)忽略了壳体材料及厚度、爆炸深度、爆炸角度、装药密度等对峰值压力的影响，仅能作为产品设计时的初步参考，测算不同种类的炸药在水中的爆炸威力时，仍需由试验来确定超压系数k与α。对于本次试验可以得出如下结论：

1)同一作用距离处，小药量JH-14装药在水深5～15 m的范围内爆炸时，水深对峰值压力的影响很小，可以忽略。

2)对于小药量JH-14装药而言，用水下爆炸冲击波峰值压力公式计算时，可取k为57.01，α为1.131。