无人机爆炸覆土灭火试验与仿真研究

■ 胡智航 成远矿业开发股份有限公司

■ 刘万通 辽宁科技大学

■ 孟强 白爽 何茂林 成远矿业开发股份有限公司

Luccioni B[1]和崔溦等[2]通过模拟对爆炸成坑进行了数值分析，土体密度对爆坑直径影响较大，剪切模量影响较小。穆朝民等[3]研究炸药在不同深度下爆炸成坑和应力波传播规律，得出半封闭状态下爆坑半径经验公式。贾永胜等[4]和范一锴等[5]研究了药量、深度、距离对爆坑成型规律。徐干成等[6]和岳松林等[7]通过模拟得出爆炸成坑相似规律。张宇等[8]利用Autodyn模拟爆炸成壕构建单兵掩体和实物实验做对比，证明数值模拟的可靠性。景彤等[9]利用ANSYS/LS-DYNA 有限元软件模拟低速侵彻土壤，在土质参数准确的情况下数值模拟具有一定可靠性

本文主要研究无人机投弹重力侵彻土壤，土中爆炸抛撒土颗粒灭火与爆炸成坑形成隔离带阻隔灭火研究。

一、数值模型建立

本文数值模拟采用SPH 算法，一种特殊的拉格朗日数值计算方法，离散化过程不需要网格划分，进而不会出现网格缠结和网格单元畸变影响计算结果。SPH 算法最早应用于天体物理研究，后广泛应用于大型变问题、冲击破坏等。

SPH 算法通过质点的积分方程进行求解，同样需要守恒方程与材料本构方程。该算法将特定空间离散成一系列的粒子，粒子之间没有固定连接，每个粒子有质量、内能、速度、坐标等。采用SPH 方法离散的质量、动量和能量守恒控制方程如式下[10]：

式中：P 为压力；V 为相对比容；E 为单位体积的内能。弹体材料采用STEEL 4340，用 Shock 状态方程和 Johnson Cook 强度模型。参数见表1、表2。

表1 4340 钢参数

表2 TNT 的JWL 状态方程参数

投弹某靶场的土质为松软的黄土，数值计算采用Autodyn 中的Sand[11]模型，选用线性压实状态方程，强度模型采用颗粒强度模型，该模型考虑了不同土介质的强度，同时可以描绘密度强化效应、剪切模量与密度的关系，该模型可以有效地描述爆坑壁密度变化[12]。

二、弹体侵彻与爆炸覆土

弹体侵彻土壤经验公式别列赞公式：

由上述公式可知弹体侵彻土壤主要受到土壤介质的阻力作用，阻力的大小于弹体口径、速度、结构、侵彻介质性质有关。

（一）弹头形状对侵彻影响

建立侵彻初速度为20m/s、动能相同的三种重力侵入模型，分析弹头形状侵入土体作用过程，以及弹头形状对重力侵入土体深度的影响规律.

三种不同形状弹体依靠重力侵入土体作用过程图，弹体以20m/s 的速度垂直侵彻土壤介质，在弹体侵入过程中，靠近弹头的土体介质受到很强的冲击，产生很大的径向应力和切向应力，其值远远大于土壤的动态抗拉强度和抗压强度，弹体周围土体受到强烈压缩；随着弹体继续侵入，周围土壤持续向外部挤压作用，土体被不断压密，侵彻耗能增加，故而在后期弹体动能急剧减少，侵彻速率降低。弹头形状的侵彻深度数据见表3。

表3 弹头形状的侵彻深度数据表

半球形弹头的侵彻深度相比于卵形弹头和圆锥形弹头侵彻深度较浅，主要是由于半球形弹头在最初的接触面积较大，侵彻过程受力面积较大，土壤压实面积较大，单位时间内耗能过快，导致侵彻深度较小。圆锥弹头与卵形弹头在侵彻过程中的受力较小，在实际实验中可将弹头设计为圆锥形弹头或者卵形弹头，重力侵入效果会更好。

（二）投弹高度的影响

投弹高度影响弹体侵彻土壤的初始速度，该速度直接影响侵彻深度，随着侵彻深度增加，爆坑体积也在增加，但是达到有利深度后爆坑体积会减少。民用无人机飞行高度会有一定限制，研究投弹高度对侵彻影响，可以为后期实物实验提供指导。以卵形弹头作为侵彻模型，观察弹体重力侵彻土壤，分析投弹高度对重力侵入深度的影响规律，为了简化计算过程，忽略空气阻力，弹体按自由落体运动计算接触初始速度，具体工况安排如表4。

表4 投弹高度下侵彻初速度数据表

图1 速度位移变化时程曲线

（三）不同侵彻深度下爆炸覆土模拟

深度依次间隔0.5m，分析一定药量下侵入深度对爆炸鼓包、抛掷、成坑及覆土范围的影响。

根据实验现象可以观测到随着侵彻深度的增加，成坑深度呈上升趋势，但上升速率逐渐减小，下部土体受到爆炸作用逐渐密实，导致成坑深度的增加速率逐渐减小。成坑开口和覆土范围随着深度的增加呈现上升后下降的趋势，侵彻深度较小时，炸药能量部分作用于空气，范围较小；侵彻深度逐渐增加，爆炸抛掷土体增加，范围逐渐增大；侵彻深度的进一步增大，炸药爆炸导致土体鼓包运动，抛掷较少土体，导致两者范围下降。

综上所述，弹头形状与投弹高度会影响直接影响侵彻深度，装药量一定条件下侵彻深度会影响爆坑直径与爆炸覆土范围。覆土范围与覆土量会影响后期灭火效果，爆坑同时可以充当隔离沟，阻隔火体蔓延。

三、覆土灭火实验

（一）静爆覆土灭火实验

为研究爆炸覆土灭火效果，在某场地进行实物实验，土壤以碎石土壤为主，人为制造火场，创造侵彻深度，分别设计两种不同工况。弹头形状的侵彻深度数据见表5。

表5 弹头形状的侵彻深度数据表

引爆后岩土被抛撒而出，土颗粒经过抛撒最终周向覆盖火圈，覆土面积大于火圈面积，火源半径1m、2m 的火场均被扑灭，且无复燃现象。爆炸覆土可以有效扑覆土范围内的火源，静爆实验证明爆炸覆土灭火的可行性。

（二）投弹灭火实验

实物试验微观现象无法观测，在相同工况下进行模拟。（见图2）模拟仿真同样使用Autodyn 建立10m9m 土域，填充粒子数为800000，炸药尺寸、位置与实物试验一致。

图2 观测点密度、速度变化曲线

爆轰产物与爆生气体迅速对爆坑底部土壤压缩，炸药附近的土壤密度与速度迅速增加到最值，爆坑底部土壤不断被压实，后期坑底土壤密度变化很小；随着爆炸载荷施加于爆坑侧壁，侧壁土壤同样被迅速压缩，速度、密度不断增大，后期两侧土壤部分被抛撒而出，密度开始减少，被抛撒而出的土颗粒速度短时间保持一定速度周向飞散，由于周向的土壤阻挡，未被抛撒出的土壤速度不断减少，最终两壁侧土壤速度趋近于0，表明土体不断被压缩，直至被压实。

图3 压力云图与密度云图

根据实验现象可以观测到爆坑深度与爆坑直径不断增加，爆坑深度在14ms 时增长趋于平缓，最终稳定于1m；爆坑直径在17ms 时增长趋于平缓，最终稳定于2.25m。开始时大部分爆炸载荷用于压缩坑底，爆坑深度增加明显，随着时间的增加，爆炸载荷开始用于抛撒与压缩壁侧土壤，爆坑直径增加明显，爆坑深度趋于稳定。

实物试验（来源于山东特种工业集团）在某靶场进行，土质为松软沙土，装药为4.3kg 的TNT，装药尺寸为Φ0.09m×0.41m，弹体侵彻土壤0.5m 后引爆。最终形成半径为1.2m，深度为0.9m，覆土范围约3.2m。（见图4）

图4 实物投弹爆炸覆土

如表6 所示，数值计算得到的爆坑直径与爆坑深度与实物试验比较一致，最大误差为10%，表明数值建模方法与计算方法合理可靠。

表6 计算值与实际值对比

（三）组合投弹

建模与上述一致，装药距离为1m，装药情况与观测点设置如图5，观测点间隔为10cm。30ms 后形成爆坑直径为3.3m，爆坑深度为0.82m，组合投弹可以有效增大爆坑直径。应用于森林火灾可以在迅速形成防火沟（阻火隔离带）。

图5 组合投弹模拟

四、结语

1. 弹体形状、投弹高度会影响侵彻深度，侵彻深度会影响爆坑尺寸与爆炸覆土范围。

2.SPH 算法可以形象描述爆炸抛撒土体颗粒飞散，爆坑内土体密度。数值模拟仿真与实物试验误差较小，比较合理。

3. 组合投弹不仅可以扩大爆坑尺寸，同时可以迅速形成阻火隔离带。