负压环境对炸药爆炸冲击波影响的实验研究

李志敏，汪旭光，汪 泉，陆军伟，林朝键，刘文震

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001；3.北京矿冶研究总院，北京 102628；4.安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南 232001)

引 言

炸药在空气中爆炸时，爆轰波在初始分界面上形成空气冲击波。作为能量的传播介质，空气密度影响冲击波传播的速度、强度等特征参量，满足萨克斯比例定律[1-2]。负压是低于一个标准大气压的气体压力状态，研究负压环境对炸药爆炸冲击波的影响具有重要现实意义。

炸药在高海拔或稀薄气体条件下爆炸，研究初始环境对爆炸波传播的影响规律，可以丰富炸药爆炸冲击波相关理论。在爆炸加工领域，利用抽真空技术可以提高炸药能量利用率[3-4]。真空环境下炸药爆炸后，以冲击波传播形式无用的能量减少，而爆炸作功的能量增加，相应的猛度数值提高。关于爆炸能量分配问题需结合负压环境下炸药爆炸冲击波传播特性而确定。

目前，国内外已有一些负压环境下炸药爆炸冲击波研究的相关成果。Silnikov[5]对高空和常压下的爆炸冲击波参数进行了对比分析；Vedman[6]研究了环境压力对爆炸冲击波的影响；Jack[7]模拟了高空爆炸试验，得出不满足萨克斯定律的冲击波性质；李科斌[8]对不同真空度下空中爆炸近场进行了数值模拟研究；张广华[9]进行了真空条件下的炸药特性试验研究；张玉磊[10]分析了初始压力对TNT密闭空间爆炸温度的影响；黄亚峰[11-13]分析了真空环境下炸药爆炸的特性；谢雪腾[14]对高原环境爆炸冲击波传播特性进行了数值模拟与实验研究；宋水舟[15]对不同真空度下结构内爆炸冲击波进行了数值模拟。然而上述针对冲击波的研究是在单一负压环境下或不同负压环境下的数值模拟，缺少以实验为基础不同负压环境对爆炸波影响规律的系统研究。

本研究在自制的小型爆炸容器内，进行多组不同负压环境下的爆炸实验，对比分析负压环境梯度变化对爆炸冲击波超压、速度等参数的影响，为建立完备的负压环境爆炸冲击波理论提供系统化实验支撑和分析结论。

1 实 验

自行研制的小型爆炸实验容器主体为不锈钢罐体，罐体高43.3cm，内径37.5cm，外径38.7cm。测试系统由数显真空表、PCB压力传感器(113B24)和信号调理仪、Lecroy示波器组成。实验装置及测试系统示意图如图1所示。

图1 实验装置及测试系统示意图

实验爆炸源采用8号工业电雷管，爆炸当量为1.07g TNT，将其固定在容器轴线某点，雷管聚能穴指向罐底部。传感器固定在容器轴线上爆源的正上方，通过螺杆上下可调，其敏感面与容器轴线垂直。采用真空泵抽气和数显真空表观测，实现爆炸容器内不同初始负压环境。在相同爆心距点测试炸药在0、-20、-40、-60、-80、-90、-99kPa等不同负压环境下罐体内爆炸冲击波反射超压数据，获得超压时程曲线。

2 结果及讨论

2.1 负压环境下冲击波超压时程曲线

保持传感器敏感面中心到雷管爆炸中心的距离29.0cm不变，设定容器内不同负压环境，进行多组爆炸实验。实验选用PCB压力传感器(113B24)，测量值为冲击波在其敏感面上反射压力值，文中图表所示冲击波超压值均为测点的反射超压值。由于入射冲击波和反射冲击波超压变化趋势一致，以测点反射超压数据分析超压变化，不影响研究爆炸冲击波超压变化规律的目的。

图2和表1是测点典型冲击波超压时程曲线及超压测试结果。

图2 不同负压环境下冲击波超压时程曲线

表1 不同负压条件下冲击波超压

由图2可以看出，与雷管在无限空中爆炸情况对比，本研究负压环境下超压时程曲线具有多个压力峰值，这是冲击波在容器内部多次反射的结果。第二个压力峰值相较于其他压力峰值异常高。曲线后段有不规则负压区，同时伴有后面波峰高于前面波峰的情况。

第一个压力峰值p1为爆炸后冲击波未经任何壁面反射直接垂直作用于传感器敏感面的超压。第二个压力峰值p2是冲击波首次在容器底部正反射后垂直作用于传感器敏感面上的超压。实验设定的雷管中心到容器底面距离4.1cm，罐体半径为18.8cm，则爆炸冲击波首次经底面正反射到达传感器的超压早于首次经容器某环向壁面斜反射到达传感器上的超压。

由表1可以看出，第二压力峰值异常高，原因是：(1)实验雷管底部有聚能穴，爆炸后冲击波主要沿中心轴线向下汇聚，其他方向冲击波能量较低；(2)冲击波在容器底部发生正反射，根据正反射近似理论，反射冲击波压力可增强至入射冲击波压力的2～8倍[1]。由表1可知，在爆心距不变的前提下，随着爆炸环境负压的降低，测点冲击波超压减小，第一和第二峰值之间的时间间隔减小。

2.2 环境负压对冲击波超压的影响

图3是根据表1得到的冲击波超压随环境负压变化的折线，表2是根据表1得到的冲击波超压减小百分比情况。

图3 冲击波超压随环境负压变化折线

表2 环境负压降低引起冲击波超压减小情况

由图3和表2可知，环境负压由0降到-20kPa，测点冲击波超压减小缓慢，折线倾斜平缓。两峰值压力时间间隔减小8.2%。环境负压由-20kPa降到-40kPa，测点冲击波超压锐减，第一压力峰值、第二压力峰值分别减小了43.4%、46.6%，折线明显倾陡。两峰值压力时间间隔减小8.9%。环境负压沿-40、-60、-80、-90kPa变化时，测点冲击波超压减小平缓，甚至出现小幅回弹，折线小倾角变化，第二峰值压力折线有上扬段。两压力峰值时间间隔在连续三段变化中减小幅度较大，分别为25.5%、31.6%、27.2%。环境负压由-90kPa降到-99kPa，测点冲击波超压显著减小，第一压力峰值减小40.5%，第二压力峰值减小24.5%。两压力峰值时间间隔反而略有增加，增加7.2%。

根据实验结果分析，在爆炸当量和爆心距不变条件下，冲击波超压随爆炸环境负压的降低而降低。第一峰值降低幅度大于第二压力峰值。存在两个超压压力降低剧烈的负压环境，定义为超压敏感负压pcr和pa0。本实验条件下，pcr为近-40kPa区域内某个值，pa0为近绝对真空理想值-100kPa。

2.3 环境负压对冲击波速度的影响

用v1和v2表示爆源和传感器之间未经任何壁面反射的一次冲击波平均速度和首次经底面正反射的二次冲击波平均速度。图4为爆炸容器内冲击波传播波系示意图。

对于凝聚态炸药，爆炸过程的巨大威力及其定向作用都不可能利用外部因素来控制[16]，则爆炸初始冲击波参数与负压环境几乎无关。实验雷管主要装药为RDX，密度1.57g/cm3，爆速8089m/s。由于初始冲击波速度与炸药爆速接近，实验取初始冲击波速度Dx为8089m/s。

图4 爆炸容器内冲击波传播波系示意图

在爆源和容器底面之间传播的初始冲击波(包括反射波)，尚未脱离爆轰产物(L2<30r0，雷管半径r0=3.5mm)，波速高，路径短，略去波速衰减近似计算经历时间ta。强冲击波在刚性平面发生完全正反射时，入射波速度近似为反射波速度的3倍[16]。

(1)

(2)

(3)

式中:t1、t2是从起爆到传感器检测到第一、第二峰值压力的时间。对起爆时间(0时刻)进行修正标定，可得到的时间间隔t1、t2。

根据式(1)、(2)、(3)计算出爆源和传感器之间的爆炸冲击波平均速度v1和v2，如图5所示，可分析冲击波速度随负压环境的变化趋势：(1)冲击波速度随环境负压的降低而升高；(2)在近真空环境冲击波速度又略有下降，这是由于在近真空环境爆炸冲击波随爆炸生成气体(传播介质)而传播，过度膨胀的气体形成过度稀疏(惯性)，产物区能量密度下降(形成另一个负压区)，衰减爆炸波的传播速度。

图5 不同负压环境下冲击波速度

由表2、图3和图5可知,环境负压由0到-40kPa，冲击波超压降低幅度大而冲击波速度提高不明显；环境负压由-40kPa到-90kPa，冲击波超压降低幅度小而冲击波速度提高幅度大。可见，环境负压在一定的区间变化，冲击波超压降低和冲击波速度提高无相关性。

2.4 气体产物对冲击波传播的影响

实验雷管主要装药RDX的爆炸方程式为：

(4)

则1.07g TNT当量的实验雷管爆炸产生气体的量：

(5)

实验发现，无论爆炸容器内初始负压设定何值，每次爆炸前后稳定的真空表示数差值均在3kPa左右，即容器内气压增量值约为3kPa。爆炸容器容积为34.8L，根据理想气体状态方程，容器内增加的气体量为：

(6)

表3为实验雷管在不同负压环境下爆炸时爆炸容器内气体摩尔增量值。

表3 容器内气体摩尔增量值

理论计算和实验所测爆炸后气体生成量十分接近，说明负压环境不影响实验雷管爆炸气体产物的量。由表3可知，初始环境负压越低，爆炸产生气体的量相对原有容器内气体的量百分比越大。在环境负压由-90kPa降到-99kPa时，容器内气体摩尔增量由27.10%提高到271.97%，表明爆炸气体产物对冲击波的传播影响剧烈。

2.5 真空环境下的爆炸冲击波

炸药在理想气体环境中爆炸，冲击波初始参数爆炸产物质点速度vx和波速Dx之间有如下关系[1]：

(7)

式中：ka为未扰动气体的等熵指数，强冲击波取1.2。

显然，在有气体作为传播介质的非真空环境中，冲击波初始波速Dx大于气体运动速度vx，最终冲击波脱离爆炸产物区，向前传播。真空环境下，Dx≤vx，冲击波速度提高受限于爆轰产物运动的速度，一次冲击波不能与爆轰产物脱离，与爆炸气体产物同期到达测点。图6为爆炸冲击波在空气和真空中传播示意图。以实验室爆炸容器内负压-99kPa近似模拟绝对真空环境，得到近似真空环境下冲击波超压时程曲线，如图7所示。

图6 爆炸冲击波在空气和真空中传播示意图

图7 近真空条件下冲击波超压时程曲线

由图6和图7可知，在近似真空环境，爆炸冲击波强度较弱，作用时间短，两峰值之间时间间隔短，波形迅速衰减，继而振荡消失。测点的最大峰值压力也无法达到强冲击波的标准，只能称之为压力波，爆炸冲击波主要以爆炸气体产物作为传播介质，而其量太少、太稀薄，不足以承载、传递爆炸产生的高能量冲击波，使得炸药爆炸瞬间以冲击波传播形式释放的能量份额减少，转以其他形式(热能、电磁辐射等)释放能量，亦或提高爆炸作功效能，所以真空环境下的炸药爆炸冲击波强度弱，衰减迅速。

3 结 论

(1)在爆炸当量和爆心距不变条件下，冲击波超压随爆炸环境负压的降低而降低，实验存在两个冲击波超压降低敏感的环境负压。爆炸冲击波速度大小与传播介质密度相关，即环境负压越低，气体越稀薄，冲击波传播越快。环境负压在一定的区间变化，冲击波超压降低和波速提高二者无相关性。

(2)负压环境不改变爆炸气体产物的生成量。炸药爆炸所处环境负压越低，爆炸产生气体的量相对原有容器内气体的量比值越大，对冲击波传播的影响越大。

(3)在近似真空环境下，爆炸冲击波主要以爆轰产物作为传播介质，波速提高受限于爆轰产物运动速度，强度弱，衰减迅速。