真空条件下炸药爆炸特性试验研究

张广华，李彪彪，沈 飞，王胜强，王 辉

(西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065)

通讯作者:王辉(1977-)，男，研究员，从事炸药爆轰性能试验与理论研究。E-mail:land_wind@163.com

引 言

随着高效毁伤技术的不断发展，将炸药或装载炸药的元器件用于高空或太空环境越来越成为一种可能。高空环境下由于缺少空气介质，炸药的释能特性及能量的传播方式与空气中爆炸有所不同。炸药在空气中爆炸后的能量释放是爆炸与毁伤研究领域的一个重要分支，国内外相关研究人员对其开展了大量研究，并基于试验结果提出了相应的经验公式，用于对炸药在空气中爆炸后的威力场进行分析。国内外关于炸药在真空环境下的释能特性研究起步相对较晚，但也取得了一些研究成果[1-2]。Silnikov等[3]对比了常压和高空环境下爆炸威力参量的变化规律，并分析了不同气压条件下爆炸冲击波对飞行器的破坏；Veldman等[4]研究了环境压力对反射冲击波超压及冲量的影响；李科斌等[5]通过数值模拟对不同真空度下爆炸近场特征参量的变化规律进行了分析；黄亚峰[6]、杨雄等[7]分别对真空环境下不同含铝炸药的爆炸场压力及温度进行了对比分析。

综上所述，国内外关于炸药在真空或低压条件下的能量释放特性及毁伤规律研究相对较多，但研究内容以数值模拟或十克量级炸药的释能特性为主，关于公斤级装药在真空条件下的爆炸特性研究相对较少。因此，本研究开展了公斤级装药在常压及真空环境下的爆炸试验，并对不同条件下的炸药爆炸威力进行了对比分析。

1 试 验

1.1 试验样品

试验样品主要由主药柱、扩爆药柱及雷管组成。主药柱为JO-8炸药，配方(质量分数)为：HMX，95%；黏结剂，5%，压装成型，密度1.81g/cm3，尺寸为Φ114mm×108mm，单发药柱质量2kg；扩爆药柱采用Φ25×25mm的JH-14C药柱，质量20g，中心带有雷管孔，采用8#军用电雷管端面起爆。试验用炸药均由西安近代化学研究所提供。

1.2 试验装置

试验在西安近代化学研究所的真空爆炸罐内进行。爆炸罐为胶囊形，如图1所示，直径2.6m，圆柱部长3.2m，其主体由抗爆承压层、隔音层及内衬装甲层组成，常压下抗爆当量为7kg TNT(球形装药，中心起爆)炸药，抽真空时(≤103Pa)的抗爆当量为10kgTNT(球形装药，中心起爆)炸药。

图1 真空爆炸罐整体图Fig.1 Overall picture of the vacuum explosion tank

罐体中心壁面均匀分布着4个法兰盘，用于安装传感器等测量装置。试验整体布局如图2所示，本试验中，在法兰盘1和法兰盘4上各安装2个冲击波压力传感器和准静态压力传感器，用于测量壁面反射压和准静态压力；为减小爆轰不均匀性带来的测量误差，两个法兰盘上所装传感器参数相同，处理数据时对2个测点的测试结果进行均值处理。冲击波压力传感器采用美国PCB公司生产的113B22型通用高频压力传感器，谐振频率大于500kHz，上升时间小于1μs，量程0～34.5MPa；准静态压力传感器采用昆山双桥公司生产的CYG508型压阻式压力传感器，测量精度0.5级，测试组件上升时间为0.24ms，量程0～5MPa；距离药柱0.8、1.2、1.6m处各安装1个自由场超压传感器，用于测量特征距离处的自由场超压，采用美国PCB公司生产的137B21型ICP“笔式”自由场超压传感器，谐振频率大于500kHz，上升时间小于4μs，灵敏度0.145mV/kPa。所有传感器的输出信号均经过信号适调器进行放大，信号试调器采用美国PCB公司生产的482C05型号，频率带宽1MHz。

图2 试验布局图Fig.2 Layout of the experiment

此外，在爆炸罐底部放置了LY12硬铝效应靶，如图3所示，效应靶受载区域为Φ300mm的圆形，靶厚3mm，通过效应靶的塑性变形来评估炸药的毁伤威力。

图3 效应靶Fig.3 Effect target

由于试验装置所限，难以将罐内压力抽至完全真空(0Pa)，而是将其抽至2.5kPa，为标准大气压的2.5%，共进行3发试验：第一发罐体内压力2.5kPa，药柱轴线与罐体轴线垂直；第二发罐体内压力2.5kPa，药柱轴线与罐体轴线平行；第三发罐体内压力为常压，药柱轴线与罐体轴线平行。第一发与第二发试验用于对比药柱摆放方式对压力参量及效应靶毁伤效果的影响，第二发与第三发试验用于对比不同气压条件对压力参量及效应靶毁伤效果的影响。

2 结果及分析

2.1 不同药柱摆放方式对毁伤效果的影响

2.1.1 爆炸场压力分析

第一发与第二发试验的压力测试结果如图4所示。图中，pw1、pw2分别表示第一、第二发试验的壁面反射压力，ps1、ps2分别表示第一、第二发试验的准静态压力，第二发试验时0.8m处自由场超压数据未采集到。

由图4(a)可以看出，药柱垂直布置时(第一发试验)，壁面反射压力峰值及准静态压力峰值分别为药柱水平布置(第二发试验)时的1.12倍和1.67倍。经过分析，这主要与爆炸产物的传播方向性有关。本组试验的罐内气体压力均为2.5kPa，空气已非常稀薄，因此，炸药爆炸后难以形成冲击波，能量主要是以爆炸产物向外膨胀的形式进行传播、扩散，且传感器所测压力也主要是由于爆炸产物对传感器敏感面的冲击所致。爆炸产物的传播具有明显的方向性，药柱水平布置时，爆炸产物的能量在爆炸罐径向是均匀分布的；而药柱竖直布置时，爆炸产物在爆炸罐径向并非均匀分布，由于药柱采用上端面起爆，所以爆炸产物主要向爆炸罐底部传播，壁面反射压及准静态压力传感器均安装在图2(c)所示爆炸罐底部两侧的法兰盘1与法兰盘4上，因此，使得药柱垂直布置时传播至传感器安装位置的爆炸产物能量要高于水平布置时，由此导致垂直布置时所测壁面反射压峰值及准静态压力峰值均高于水平布置时。

图4 压力测试结果Fig.4 Results of the pressure measurement

通过图4(c)和(d)还可看出，所测自由场冲击波超压信号曲线与常压下的典型超压曲线相差较大：真空下的超压信号曲线在零点附近表现出明显的震荡特性，而常压下的典型超压曲线呈现出突跃上升后又急剧衰减的特征，这是由于真空环境下由于缺少空气介质，因此无法形成冲击波，所测超压曲线的本质是由于爆炸产物掠过“笔式”超压传感器的敏感面所致，不仅使得所测超压信号曲线具有明显的震荡特性，并且还带有一定的随机性。因此，真空环境下所测自由场超压数据不足以真实表征自由场压力的传播及衰减特性。此外，药柱水平布置时，0.8m处超压传感器被打坏，没有测量到相关数据，而药柱竖直布置时的超压传感器完好，这是由于药柱水平布置时，超压传感器位于爆炸产物的主传播方向，而药柱竖直布置时，传感器处于爆炸产物主传播方向的侧面，该现象也证明了爆炸产物的传播具有明显的方向性。

2.1.2 效应靶动态响应分析

第一发试验在爆炸罐底部放置了两块效应靶：一块在药柱正下方，记为“效应靶1”，距药柱中心距离为1.2m，另一块紧挨效应靶1放置，记为“效应靶2”，距药柱中心距离为1.24m；第二发试验仅在药柱正下方放置1块效应靶。试验后的效应靶如图5所示。

通过图5可知，第一发试验中，效应靶1出现了严重的结构破坏，在与靶架接触的部位被完全剪切掉，效应靶2在受载区域产生了凹坑，经过测量，中心位置挠度为19mm；第二发试验在效应靶受载区域产生了挠度为60mm的凹坑。经分析，效应靶的变形及破坏是由于效应靶在爆炸产物作用下，与靶架接触的部位出现了“应力集中”，当所受载荷超过靶板的弹性极限时，会在效应靶边缘位置产生塑性角，进而导致靶板围绕塑性角逐渐发生塑性变形；当爆炸载荷高于靶板的抗剪强度时，便会在应力集中部位产生剪切破坏。通过图5还可以看出，第一发试验中，正对药柱放置的效应靶1的破坏效果要远高于紧挨其放置的效应靶2，再次证明了爆炸产物的传播具有明显的方向性。

图5 第一和第二发试验后的效应靶Fig.5 Effect target after No.1 and No.2 experiment

当效应靶未发生结构破坏时，根据其中心位置的挠度可估算出所受到的比冲量值ir[8]：

(1)

10-2·e-9.4×10-2Wf

(2)

式中：ρ为靶板密度；δ为靶板的厚度；Wf为板中心的挠度；R为受载区域半径；σy为材料的准静态屈服应力；σd为材料的动态屈服应力。本研究中：ρ=2.7g/cm3，δ=3mm，R=150mm，σy=165MPa，根据上述模型，计算出效应靶挠度Wf为19mm时，所受比冲量约为477Pa·s；挠度Wf为60mm时，所受比冲量约为1650Pa·s。

2.2 常压及真空环境对毁伤效果的影响

2.2.1 爆炸场压力分析

第二发(真空)与第三发(常压)试验的压力测试结果如图6所示，第三发试验中0.8m处的自由场超压数据未采集到，经过分析，这是由于该位置处超压峰值过大，将传感器破坏所致。

通过图6可知，常压下壁面反射压峰值是真空条件下的1.74倍，这是由于真空环境下缺少爆炸能量传播的载体，主要依靠炸药反应生成的产物膨胀推动能量的传播，因此爆炸压力的衰减相对较快；常压条件下，爆炸能量可以通过空气进行传播，爆炸产物压缩空气会在空气中形成冲击波，因此压力衰减相对较慢。常压下准静态压力峰值是真空条件下的5.17倍，这是由于常压下会有大量空气参与到爆炸反应中，空气与炸药爆炸后的气体产物摩尔量总和远高于真空环境下炸药爆炸后的气体产物摩尔总量[9]。

图6 真空(第二发)及常压(第三发)条件下的压力测试结果Fig.6 Pressure measurement results under vacuum (No.2) and atmospheric (No.3) conditions

(3)

(4)

由表1可知，实测冲击波超压峰值远高于计算值，这主要是由于以下原因造成的：(1)爆炸相似率及相关经验公式是基于球形装药在无限空气介质中爆炸这一基本假设的，本试验对象为柱形装药在密闭空间内的爆炸，因此，采用上述经验公式进行超压计算会存在一定误差；(2)测点位置的比距离相对较近，而爆炸近场的冲击波超压峰值与药柱形状、爆炸产物扩散、传感器与罐体共振等因素密切相关[12]，且传感器安装结构同时受到爆炸产物的强冲击及热作用，会产生“寄生效应”引起信号失真[13]，对传感器、电缆线等测量设备形成干扰，造成爆炸近场峰值超压“测不准”的现象；(3)经验公式是有相应适用范围的，即，当爆炸产物与冲击波分离后才适用，爆炸近场时并不适用。对于球形装药，爆炸产物传播至装药半径的10～15倍距离时与冲击波完全分离[14]，文献[5]中也指出，经验公式的适用范围一般为R>10～12R0，其中，R为传播距离，R0为装药半径，由于本研究采用的是柱形装药，传感器的布设位置正对爆炸产物传播方向，加之爆炸产物的传播具有明显方向性，因此，冲击波传播至传感器敏感面时还未与爆炸产物分离，所测压力信号应为爆炸产物与冲击波共同作用所致，而非单纯自由场超压。

将自由场超压曲线发生阶跃突变的时刻定义为爆炸产物传播至传感器对应位置的时间，通过对常压及真空条件下的自由场超压数据进行处理得出：真空环境下，爆炸产物从距爆心1.2m处传播至1.6m处需要83μs，将给定距离内的平均速度视作该距离中点处的瞬时速度，得到距爆心1.4m处的爆炸产物速度为4.82mm/μs；常压下，爆炸产物/冲击波从距爆心1.2m处传播至1.6m处需要138μs，由此得到常压下距爆心1.4m处的爆炸产物/冲击波速度为2.90mm/μs。综上所述，真空环境下的爆炸产物运动速度是常压下的1.66倍，这是由于真空条件下缺少空气介质，产物运动过程中所受阻力较小所致。

2.2.2 效应靶动态响应分析

第三发试验后的效应靶如图7所示，靶板局部产生了撕裂破坏。

图7 第三发试验后的效应靶Fig.7 Effect target after the No.3 experiment

对比图5(c)与图7可以看出，真空环境下效应靶发生了向下凹陷变形，但并未产生局部破坏，且效应靶表面有大量黑色小凹坑(直径mm量级)；常压下靶板局部出现了撕裂，但效应靶表面较为光洁，且没有发现小凹坑。通过上述现象判定炸药在常压下对目标的毁伤效果要高于真空环境，这主要是由于真空环境下，由于缺少空气介质，所以只能通过炸药爆炸产生的产物膨胀对外作功，并且由于JO-8属于负氧平衡炸药，真空条件下爆炸时仅能通过炸药自身提供的氧参与反应，因此，会存在反应不完全的现象，导致能量无法完全释放，爆炸产物中会有大量碳颗粒沉积，由此判断，效应靶表面的黑色小凹坑应为靶板受到爆炸产物中碳颗粒的直接作用所致，图5(a)所示第一发试验(真空环境)时的效应靶同样存在该现象；常压条件下，炸药爆炸后的爆炸产物通过压缩空气，会在空气中形成冲击波，并且空气中的氧气也会参与到炸药的反应当中，使炸药能量充分释放。本试验中药柱半径为57mm，效应靶距药柱中心1.2m，且效应靶布设位置并未正对爆炸产物传播方向，由此推测，冲击波传播至效应靶中心时已与爆炸产物完全分离，因此，冲击波是常压条件下导致效应靶发生毁伤的主要原因，产物与效应靶之间有空气间隙的存在，加之常压下炸药反应更加充分，能量释放更加完全，所以使效应靶产生了更为严重的破坏且表面未见任何碳颗粒作用后留下的痕迹。

3 结 论

(1)真空环境下，爆炸产物的传播具有明显的方向性，正对爆炸产物传播方向所测壁面反射压峰值、准静态压力峰值分别是侧向的1.12倍及1.67倍，且正对爆炸产物传播方向的效应靶变形也远高于侧向效应靶变形。

(2)与常压相比，真空环境下由于缺少空气介质，炸药爆炸后主要依靠生成的产物膨胀推动能量的传播，因此能量衰减迅速；常压下所测壁面反射压峰值、准静态压力峰值分别是真空条件下的1.74倍及5.17倍，且效应靶变形情况也强于真空条件下。