炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响*

孟 龙，黄瑞源，王金相，秦 健,2，刘亮涛

(1.南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 210094；2.海军研究院，北京 100161)

水下爆炸可分为装药爆轰、冲击波的产生与传播和气泡脉动三个阶段[1-3]。国内外的许多专家学者围绕水中爆炸现象、传播规律、结构破坏效应、实验技术及应用等方面开展了大量的研究工作[4-7]。

在实验方面，炸药能够稳定的完全起爆是探究爆炸机理和载荷规律的前提。由于水和空气两种介质间存在较大的差异，炸药在不同介质中的引爆方式也有所不同[8-10]。对于小当量炸药在空气中一般采用电雷管引爆主装药就可以使炸药完全起爆[11-13]，而在水下条件下则需要传爆药柱和电雷管共同引爆主装药才能实现炸药的完全起爆。汪斌等在2 m×2 m×2 m的水箱中，采用高速摄影技术得到1.5 g、3.0 g和4.5 g PETN水下爆炸的气泡脉动过程以及水射流过程[14]。冯凇等同样在2 m×2 m×2 m的水箱中对5g CL-20基炸药和CL-20基含铝炸药进行了水下爆炸实验，对其冲击波压力历程、气泡周期和气泡脉动图像进行了探究[15]。王秋实等使用电雷管和传爆药柱，对1.2 kg左右CL-20基浇注含铝炸药进行了大量的水下爆炸实验，探究了冲击波峰值压力、冲击波能和气泡能等爆炸特性的规律[16]。赵继波等则在0.5 m×0.5 m×0.5 m的水箱中使用PETN传爆药柱对0.3 kg TNT炸药进行了水下爆炸实验，通过对高速摄影图像进行数字化分析，得到了柱形装药TNT近场的轴向压力衰减规律[17]。而对于大当量炸药，在水下条件下往往难以实现完全起爆[18]。通常在大当量水下爆炸实验前人们会采用相同的引爆方式和引爆条件对传感器的灵敏度系数进行标定，并依据标定系数对后续的实验结果进行规律性探究和分析，而对某一引爆方式下炸药的起爆效率和爆轰程度缺乏进行相应的讨论。同时由于炸药不完全起爆后其爆轰程度存在一定的随机性，使得实验人员在对实验结果的有效性进行判断时变得更加困难。

因此，探究小当量炸药在水下条件下的不完全起爆对其各项爆炸特性的影响，不仅可以为大当量炸药水下爆炸实验的有效性验证提供参考，同时对实际的工程应用也具有重要的借鉴意义。

通过对不同当量的TNT炸药展开两种不同引爆方式的水下爆炸实验，得到炸药在不同工况下爆炸后的各项特性参数，通过对比两种引爆方式下的冲击波峰值压力与经验公式间的误差，判断炸药是否能够完全起爆。并在此基础上，将炸药未完全起爆和完全起爆时的各项特性参数进行对比，分析炸药的不完全起爆对不同当量炸药爆炸后的气泡脉动峰值压力、冲击波能、气泡能、气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径等水下爆炸特性的影响。

1 炸药及水下爆炸实验条件

水下爆炸实验是在江苏永丰机械有限责任公司2 m×2 m×2 m的水箱中进行的，水箱壁面厚度为1 cm，壁面材料为Q235钢，实验炸药采用工业8号电雷管进行引爆，主发药柱为TNT炸药，具体尺寸及参数见表1，其中装药误差小于0.02 g。传爆装置外部使用3M防水胶带进行缠结，在固定药柱的同时可实现短时间段的防水。水箱内水的表面的高度为1.8 m，炸药悬挂在水箱中心，距水面1.0 m。在炸药0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m处沿直线放置5个PCB公司生产的138A06水下爆炸压力传感器(位置误差小于1 cm)，量程为34.475 MPa，并在每个传感器正下方悬挂配重为1.5 kg的秤砣，高速摄像机距炸药1.3 m。实验装置原理图如图1所示。

表 1 炸药尺寸Table 1 Size of explosives

图 1 实验装置原理图(单位：m)Fig. 1 Schematic diagram of experimental equipment(unit:m)

2 水下爆炸实验

2.1 采用电雷管对主装药直接进行引爆

首先采用8号工业电雷管对3种不同当量的TNT炸药直接进行引爆。其中，为防止冲击波压力超出量程范围从而破坏传感器，在5 g和10 g炸药实验时撤去了距爆源0.3 m处的水下压力传感器，具体实验安排见表2。

表 2 实验安排Table 2 Experimental arrangement

以3号实验中2.5 g TNT炸药水下爆炸为例，图2显示了距爆源不同距离处的水下压力传感器测得的压力时程曲线。从图中可以看到，冲击波传播至传感器后，压力迅速达到峰值然后迅速衰减；37.7 ms时，气泡第一次脉动结束，传感器受气泡脉动波作用出现小的峰值。68.9 ms时，第二次气泡脉动结束，气泡脉动峰值压力较第一次气泡脉动有所减小。95.82 ms时，第三次气泡脉动结束，气泡脉动峰值压力再次减小，几乎可以忽略不计。

图3为距爆源不同距离处冲击波的压力时程曲线。从图中可以看到，从冲击波到达0.3 m处的传感器时开始计时，0.069 ms后冲击波到达距爆源0.4 m处的传感器，因此冲击波在水中的传播速度约为1450 m/s。对比不同爆距下各测点处的冲击波峰值压力，发现随着爆距的增加，冲击波的峰值压力呈指数衰减。

图 2 传感器测得的压力时程曲线Fig. 2 Pressure histories measured by sensor

图 3 冲击波压力时程曲线Fig. 3 Pressure histories of shock wave

对于自由场中水下爆炸冲击波的传递，Cole在早期通过对大量实验数据的整理，总结了水下爆炸冲击波经验公式[19]，并得到广泛认可，Zamyshlyayev在其基础上改进为[20]

P(t)=Pm1e-t/θ

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：W为炸药当量，kg；θ为冲击波的指数衰减时间常数，指冲击波压力峰值Pm1衰减到Pm1/e所需的时间，s；R为测点到爆心的距离，m；R0为炸药初始半径，m；Cw为水的声速，常温淡水一般取1460 m/s；r为R/R0；I为比冲量，N·s/m2。

表3给出了实验测得的冲击波峰值压力Pm1与经验公式之间的误差。从表中可以看到，用电雷管对主装药直接进行引爆时，3种不同当量TNT水下爆炸后测得的冲击波峰值压力均小于使用经验公式计算得到的理论值，且二者间误差为8.51%～50.45%。同时，对比炸药当量为2.5 g的5次实验，发现实验的平均误差波动较大，其中1～3号实验平均误差在30%左右，而4、5号实验的平均误差为20%左右；炸药当量为5 g的2次实验的平均误差分别为11.95%和47.22%；炸药当量为10 g时，平均误差为19.45%。

2.2 采用电雷管加传爆药柱对主装药进行引爆

由于使用电雷管对主装药直接进行引爆会导致炸药起爆不完全，所以为了使得炸药完全起爆，在之前实验的基础上改变炸药的引爆方式，增设0.3 g直径为5 mm的RDX-8701传爆药柱(装药误差小于0.02 g)，利用电雷管和传爆药柱共同对主装药进行引爆。其中，对3种当量的TNT炸药各进行一次水下爆炸实验，具体实验安排见表2(序号9～11)。

表 3 实验测得Pm1与经验公式之间的误差Table 3 Error between experiment and empirical formula of Pm1

表3(序号9～11)给出了增设传爆药柱后实验测得的冲击波峰值压力Pm1与经验公式之间的误差。可以看到，相较于直接使用电雷管进行引爆，增加传爆药柱后实验各测点处测得的冲击波峰值压力与经验公式计算得到的理论值间的误差较小，平均误差为4.37%。

炸药在不完全起爆的情况下，由于其爆轰作用不完全会导致冲击波峰值压力明显小于经验公式计算得到的理论值，并且其爆轰程度存在一定的随机性，因此，判断炸药完全起爆的标准是：(1)在同种工况下需进行多次实验，且实验测得炸药的冲击波峰值压力与经验公式计算值间的平均误差小于10%；(2)各实验值间较为稳定且没有较大的波动。对比两种工况下的实验数据可以发现，炸药在使用电雷管直接引爆时冲击波峰值压力会明显小于经验公式计算得到的理论值，二者间误差均大于10%，并且在同种工况下的多次实验中冲击波峰值压力的波动较大，炸药未能完全起爆；而使用传爆药柱和电雷管共同引爆主装药后，其冲击波峰值压力与经验公式计算得到的理论值间的误差均小于10%，并且同种工况下的各次实验测得的爆炸特性参数相对稳定，炸药已完全起爆。

3 实验结果及分析

3.1 实验结果

表4给出了使用电雷管引爆主装药以及使用传爆药柱引爆主装药的11发实验的冲击波峰值压力Pm1、气泡脉动峰值压力Pm2、冲击波能Es、气泡能Eb、气泡脉动周期T和气泡膨胀最大半径Rmax的实验结果。其中，水下爆炸距离炸药中心R处的冲击波能量Es按公式(5)计算，气泡能Eb按公式(6)计算[11]。

表 4 实验结果Table 4 Experimental result

(5)

(6)

式中：Es为距离装药中心R处的比冲击波能，MJ/kg；Eb为比气泡能，MJ/kg；T为气泡脉动周期，s；ρw为水的密度，常温淡水一般取1000 kg/m3；ta为冲击波到达时间，s；τ为水中冲击波的时间衰减常数，为冲击波时程曲线上从峰值压力下降到其1/e的时间，s；Ph为炸药中心处静水压和试验时当地大气压之和，Pa。

3.2 炸药的不完全起爆对水下爆炸特性的影响

3.2.1 冲击波峰值压力与气泡脉动峰值压力

图4给出了2.5 g、5 g和10 gTNT水下爆炸后距爆源不同距离处水下压力传感器测得的冲击波峰值压力与经验公式的对比及二者之间的误差。从图中可以看到，当炸药当量为2.5 g时，实验1～5为使用电雷管引爆主装药，其冲击波峰值压力均小于经验公式计算得出的理论值，且误差为15%～37%，但采用传爆药柱对TNT炸药进行引爆时(实验6)，冲击波峰值压力与经验公式吻合较好，二者之间误差约为6%。同样，当炸药当量为5 g和10 g时，相较于直接用电雷管引爆主装药，增设传爆药柱后对主装药进行起爆，测得的冲击波峰值压力与经验公式吻合的更好，误差更小。

图 4 冲击波峰值压力对比Fig. 4 Comparison of shock wave peak pressure

图5给出了不同当量TNT水下爆炸后距爆源不同距离处水下压力传感器测得的气泡脉动峰值压力。从图中可以看到，气泡脉动峰值压力随爆距的增加而减少。当炸药当量为2.5 g时，相较于直接用电雷管引爆主装药，增设传爆药柱后气泡脉动峰值压力没有明显的增加或减小；同样，当炸药当量为5 g和10 g时，增设传爆药后气泡脉动峰值压力的变化并不明显。

图 5 气泡脉动峰值压力对比Fig. 5 Comparison of bubble pulsation peak pressure

因此，对于小当量TNT水下爆炸，冲击波峰值压力对炸药是否完全起爆较为敏感，且炸药未完全起爆时冲击波峰值压力会明显降低，而炸药是否完全起爆对气泡脉动峰值压力的影响较小。

3.2.2 冲击波能和气泡能

图6和图7给出了使用电雷管或传爆药柱对不同当量的TNT进行引爆时，炸药爆炸后的冲击波能和气泡能的对比。其中，黑色点划线以及黑点分别是使用电雷管进行引爆的情况下利用公式(5)、(6)计算得到的冲击波能和气泡能，而红色点划线和红点分别为使用传爆药柱进行引爆得到的冲击波能和气泡能。对比两种引爆方式下得到的冲击波能和气泡能，发现在3种炸药当量下，使用雷管直接引爆所产生的冲击波能和气泡能均小于使用传爆药柱进行引爆时产生的冲击波能和气泡能。所以对于小当量TNT水下爆炸，其爆炸后产生的冲击波能和气泡能的大小取决于炸药是否完全起爆，当炸药不完全起爆时，冲击波能和气泡能会相应地减小。

图 6 冲击波能对比Fig. 6 Comparison of shock wave energy

图 7 气泡能对比Fig. 7 Comparison of bubble energy

3.2.3 气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径

图8显示了3号实验的气泡生成、膨胀和收缩过程。当气泡半径达到最大值(t=19.7 ms，Rmax=19.50 cm)时，气泡内压力最小，气泡半径在t=37.7 ms时最小，在整个气泡运动过程中，爆炸产物从气泡表面逸出。

图9显示了增加传爆药后2.5 g TNT水下爆炸后气泡的生成、膨胀和收缩过程。当t=20.2 ms时，气泡半径达到最大值(Rmax=21.39 cm)，气泡内压力最小；当t=39.2 ms时第一次气泡脉动结束。对比图8中直接采用电雷管进行起爆可以发现，增设传爆药柱对主装药进行起爆后，气泡的脉动周期和气泡膨胀最大半径有所增大。

图 8 电雷管实验气泡脉动图像Fig. 8 Electric detonator experimental pictures of bubble pulse

图 9 传爆药柱实验气泡脉动图像Fig. 9 Booster grain experimental pictures of bubble pulse

在TNT炸药的水下爆炸中，对于气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径有以下经验公式[21]

(7)

(8)

式中：h为水深，m。

图10和图11分别给出了不同当量TNT水下爆炸实验测得的气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径与经验公式间的对比以及实验值与经验公式间的误差，其中，黑点为电雷管引爆主装药时的实验值，红色为使用传爆药柱引爆主装药时的实验值，而蓝点为经验公式计算得到的理论值。从图中可以看到，当炸药当量为2.5 g时，用电雷管直接引爆主装药，气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径与经验公式间误差分别在5%和9%左右，而采用传爆药柱对TNT炸药进行引爆时，气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径与经验公式之间误差分别为0.85%和0.14%；当炸药当量为5 g和10 g时，相较于直接用电雷管引爆主装药，采用传爆药柱进行引爆时，气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径有所增加，与经验公式间的误差减小。但从整体来看，随着炸药当量的增加，炸药的不完全起爆对气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径的影响逐渐减少，而实验值与经验公式间误差逐渐变大。通过分析可知，由于经验公式的适用范围是无限水域，而实验是在2 m×2 m×2 m的有限水域中进行的，气泡的脉动会受到四周壁面反射的冲击波的影响，导致气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径的实验值小于理论值。

图 10 气泡脉动周期对比Fig. 10 Comparison of bubble pulsation period

图 11 气泡膨胀最大半径对比Fig. 11 Comparison of maximum radius of bubble expansion

4 结论

通过对2.5 g、5 g、10 g圆柱形装药TNT开展两种引爆方式的水下爆炸实验，得到了炸药在不同工况下的冲击波和气泡脉动压力时程曲线以及气泡脉动过程，对比两种引爆方式下的各项参数，得到以下结论：

(1)对于小当量TNT水下爆炸，使用电雷管直接引爆主装药会导致炸药的起爆不完全，而使用电雷管加传爆药柱共同引爆主装药可以达到完全起爆的效果。

(2)炸药的不完全起爆会导致其爆炸后的冲击波峰值压力、冲击波能以及气泡能明显降低，但对气泡脉动峰值压力的影响较小。

(3)炸药的不完全起爆会导致其爆炸后的气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径变小。同时，随着炸药当量的增加，炸药的不完全起爆对气泡脉动周期和气泡膨胀最大半径的影响逐渐减小。