不同炸药在圆筒装置内爆炸冲击波载荷传播规律与分布特性*

王梓昂，翟红波，李芝绒，袁建飞，张玉磊

(西安近代化学研究所， 西安 710065)

0 引言

舰船舱室是一个密闭环境，冲击波在舱室内的传播规律与自由场环境有很大不同。冲击波在舱室内会发生多次反射，难以用理论准确描述[1]，因此多基于内爆炸试验开展研究。侯海量等[2]通过船舱内爆炸试验分析内爆炸冲击波与自由场冲击波的区别；陈君等[3]通过舰船内爆试验发现冲击波在舱内多次反射，流场远比自由场复杂；文献[4-7]中发现由于舱室结构的影响，舱内爆炸冲击载荷远比自由场复杂；孔祥韶[8]开展了不同药量在舱室内爆炸的实验研究，分析了舱室内爆炸载荷以及冲击波在角隅处的汇聚情况。

在已有相关研究中大多针对TNT装药，而温压装药在反舰导弹中应用越来越广泛，内爆环境中二者能量输出结构差异很大。因此，温压炸药的内爆效应不能简单依据理想爆轰炸药的表征方法。舱室内冲击波载荷的分布特性很复杂，难以直接深入研究，因此将舱室简化成圆筒结构，减少影响因素，掌握圆筒型结构内爆炸冲击波载荷的传播规律和分布特性，在此基础上再开展方形舱室内爆冲击波研究。

文中基于圆筒装置开展TNT炸药和温压炸药内爆炸试验，研究冲击波在圆筒装置内的传播规律，并对比分析两种炸药在圆筒装置内的冲击波载荷分布特性，对反舰战斗部在舰船舱室内的毁伤效应研究具有重要意义。

1 试验

1.1 试验装置

圆筒型爆炸装置示意图如图1所示。圆筒为无缝钢管，内径φ800 mm、壁厚12 mm、长度1 670 mm；钢管左侧安装了两个法兰盘，法兰盘之间夹持了Q235板，钢管右侧安装了端盖，形成密封结构，圆筒壁面和端盖上设有传感器安装孔。按照炸药高度确定支撑杆长度，保证爆心处于圆筒几何中心。

图1 圆筒型爆炸装置结构示意图

1.2 试验装药

试验样品为TNT和温压炸药药柱，质量均为80 g，长径比均为1。TNT为熔铸药柱，密度1.58 g/cm3；温压炸药为压制药柱，主要成分为铝粉、高氯酸铵(AP)、RDX和塑性黏结剂，密度1.81 g/cm3。起爆药为1g的C4炸药，使用8#工业铜质电雷管在药柱上端面中心起爆。

1.3 冲击波压力测试系统

冲击波压力信号用PCB公司的ICP型高频响应压力传感器测量，量程为6.9 MPa和34 MPa。压力传感器测点布局如图2所示，在壁面和端盖上均布置了4个测点，各测点的爆心距如表1所示。

图2 冲击波超压测点布局

测点编号爆心距/m测点编号爆心距/mA10.40B10.80A20.45B20.82A30.57B30.90A40.72B41.00

2 试验结果与分析

2.1 爆炸冲击波传播规律分析

2.1.1 密闭空间内爆炸冲击波叠加原理

为了分析冲击波遇到壁面的反射现象，引入镜像爆心[9]的概念，镜像爆心与爆心的位置关于壁面对称，产生的冲击波强度相等，如图3所示。结构壁面任意点处的内爆炸载荷由爆炸冲击波对测点的直接作用和经壁面反射后的冲击波对测点的作用共同组成。经壁面反射后冲击波的作用可看作是爆心关于壁面对称的镜像爆心爆炸冲击波对测点的作用，爆心和所有镜像爆心爆炸冲击波的耦合作用即为测点上总的内爆炸载荷。

以端盖上的B4测点为例，图4为圆筒装置内的冲击波传播示意图。图中S为爆心，S1和S2为爆心关于壁面对称的镜像爆心，S的爆炸冲击波在壁面上A点和B点处反射后向B4处传播，等效为镜像爆心S1和S2的爆炸冲击波对B4的作用。直接作用的爆炸冲击波叠加上镜像爆心对B4作用的冲击波即为B4处总的冲击波波形。

图3 镜像爆心及其冲击波传播示意图

图4 圆筒装置内冲击波传播示意图

2.1.2 圆筒内冲击波传播规律分析

80 gTNT炸药和温压炸药在圆筒装置内爆炸冲击波超压曲线如图5和图6所示。从图中可以看出在同一测点处两种炸药内爆炸的冲击波波形基本一致。

图5 80 g TNT炸药爆炸冲击波超压曲线

图6 80 g WY炸药爆炸冲击波超压曲线

两种炸药爆炸冲击波第一波峰到达时间如表2所示，第一波峰和第二波峰峰值与爆心距的关系如图7所示。

由表2可知两种炸药爆炸冲击波的第一波峰到达时间均随爆心距的增加而增加，且由图7可知第一波峰峰值随爆心距增加而减小，符合冲击波的衰减规律，由此可判断第一波峰为冲击波直接传播至测点处形成的波峰；而后续波峰则是冲击波遇到结构的壁面或端盖后发生反射，传播至测点处叠加而成。对比第二波峰峰值可知，爆炸冲击波遇到壁面或端盖反射后形成的叠加效应随着爆心距的增大而显著增强，叠加后的冲击波峰值显著增大(*装药的不均匀性造成B3测点处温压炸药爆炸冲击波第二峰值偏小，故未在图中标出)。

表2 两种炸药爆炸冲击波第一波峰的到达时间

图7 两种炸药爆炸冲击波峰值与爆心距关系

综合以上结果可知：多波形叠加是圆筒装置内爆炸冲击波的特征，冲击波的衰减使得第一波峰随着爆心距的增加呈减小的趋势，经装置反射后形成的冲击波叠加效应随爆心距的增加呈增强趋势。

2.2 圆筒内冲击波分布特性对比分析

2.2.1 冲击波超压波峰分布特性对比分析

冲击波超压最大峰值与爆心距的关系如图8所示。温压炸药爆炸冲击波超压最大峰值的均值比TNT增加了11.9%。壁面上爆心距较小，冲击波直接作用起主导作用，随着爆心距的增加，冲击波超压峰值总体呈现下降趋势；端盖上爆心距较大，冲击波直接作用不起主导作用，壁面反射后冲击波的叠加效应加强，使得超压峰值呈增长趋势。

由图7可知，两种炸药爆炸冲击波的第一波峰峰值和第二波峰峰值随爆心距的变化规律基本一致。随着爆心距的增加，相比于TNT，温压炸药爆炸冲击波超压的第一波峰峰值衰减更慢，经壁面反射后冲击波叠加效应的增强趋势更明显。

图8 两种炸药爆炸冲击波最大峰值与爆心距关系

对比两种炸药爆炸冲击波第一波峰的脉宽。由于端盖上测点处的第一个波峰下降沿后半段被第二波峰叠加，不能完整显示其脉宽，因此仅对比壁面上的4个测点，如表3所示。

表3 壁面上冲击波第一波峰脉宽对比

温压炸药爆炸冲击波第一波峰脉宽均大于TNT炸药，这是由于铝粉后燃反应释放的能量延长了冲击波超压的持续时间，使得冲击波衰减变慢。

综合对比两种炸药爆炸冲击波的峰值和脉宽，相对于TNT，温压炸药在密闭空间具有更强的破坏力。

2.2.2 冲击波冲量分布特性对比分析

图9描述了线弹性系统对应变化的瞬态压力脉冲和持续时间的曲线。曲线上的点表示不同的冲击波正压持续时间，而这些持续时间可以由弹性系统的自振周期比较得到。例如在A点对应于系统自振周期的1/5。当冲击波正压持续作用时间比弹性系统自振周期1/5还短时，结构响应仅取决于脉冲的冲量；当冲击波正压持续作用时间比弹性系统的自振周期的两倍还长时，结构响应取决于峰值压力；当冲击波正压持续时间处于上述两种情况的中间状态，结构响应对冲量和峰值压力都敏感。

Q235板的一阶振频为16.5 Hz，自振周期的1/5约为12 ms，自振周期的2倍约为120 ms，冲击波正压持续时间处于中间状态，圆筒装置对峰值压力和冲量都敏感，因此对两种炸药爆炸冲击波在同一时段定时积分冲量的分布特性作进一步分析。

图9 压力脉冲与峰值压力和冲量关系

定时积分冲量与爆心距的关系如图10所示，温压炸药在结构壁面和端盖上的定时积分冲量均高于TNT炸药，冲量均值比TNT增加了20.3%，这个增幅约为冲击波峰值均值增副的2倍，这是由于温压炸药后燃烧过程中二次释放能量，可以明显增加圆筒装置内冲击波过后的压力，从而增加装置内壁所受冲量。在密闭环境中，对于符合冲击波冲量毁伤准则的目标，温压炸药毁伤效果优于TNT。

图10 两种炸药爆炸冲击波定时积分冲量与爆心距的关系

随着爆心距的增大，冲量总体呈现先增大后减小的规律，温压炸药的这种规律更加明显。从图5和图6中B2点的冲击波超压曲线可以看出虽然该点处的冲击波峰值不是最大，但波形后面出现较多峰值较小的反射波，并且准静压值较大，因此该测点处的冲量最大。A1和B4点处虽然冲击波峰值很大，但在A1处未出现明显的反射冲击波，准静压较低，故冲量较小；B4处出现了比较明显的反射冲击波，该处冲量较小可能是圆筒装置的结构造成的，该处紧靠端盖与圆筒的连接处，爆炸后预紧螺栓会不同程度松动，结构内部压力大于外部气压，导致连接处漏气，使得B4处的准静压较小，从而无法形成较大冲量。

3 结论

基于同质量TNT和温压炸药在圆筒装置中的内爆炸试验，对比分析了两种炸药在圆筒装置内爆炸冲击波的传播规律和载荷分布特性，主要得出以下结论。

1)多波形叠加是圆筒装置内爆炸冲击波的特征，随着爆心距的增加，冲击波的衰减使得第一波峰呈减小趋势，壁面冲击波叠加后的峰值显著增大，叠加效应显著增强；

2)在圆筒装置内随着爆心距的增加，温压炸药爆炸冲击波第一波峰的衰减幅度小于TNT炸药，冲击波的叠加效应比TNT炸药更加明显；冲击波第一波峰脉宽大于TNT炸药，冲击波衰减较慢，在密闭空间具有更强的破坏力。

3)由于温压炸药后燃烧过程中二次释能，同质量温压炸药在结构壁面和端盖上的定时积分冲量均高于TNT炸药，均值增幅约为冲击波峰值均值增幅的2倍；随着爆心距的增加，两种炸药冲量总体呈现先增大后减小的趋势，温压炸药的这种规律更加明显，且其冲量值更有利于毁伤目标。