装药埋深对地表空气冲击波影响的试验研究

杨 峰,翟红波,苏健军,李尚青,肖 洋,刘 伟

(1.西安近代化学研究所,陕西 西安 710065;2.军事科学院防化研究院,北京 102205)

引 言

地雷和钻地弹等侵彻武器在土中爆炸时产生冲击波,会对人员与建筑目标等造成严重毁伤。冲击波的强度和威力特性可用来衡量武器的威力特性以及评估对目标的破坏程度。当炸药在近地表爆炸时,其冲击波分布规律除了与诸多自身因素相关外,还与炸药当量、埋深以及起爆方式等很多外部因素相关。研究土壤中装药埋深对地表爆炸冲击波传播规律的影响,可为摸清弹药爆炸威力以及预估弹药毁伤效能提供参考。

为摸清冲击波的传播特性,美国、德国以及俄罗斯等国都在研究浅埋土中爆炸,通过采用理论分析、数值模拟与试验研究等手段,开展了大量研究工作,并取得了丰富成果[1-17],为准确预估弹药毁伤效果提供了科学依据。Bergeron等[18]采用自制装置进行了浅埋爆炸试验,研究了100g的C4炸药分别在0、3和8cm的埋深爆炸,分析了炸药在正上方30、70、110、150和190cm处空气波的传播规律。刘琦等[19]通过黄土中接触爆炸和半埋爆炸试验,得到了不同比例爆距上地面空气冲击波超压。赵振宇等[20]通过爆炸试验系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播过程,发现浅埋爆炸在空气中产生冲击波的传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度。徐其鹏等[21-22]通过研究坡度角与壕沟对地面爆炸空中冲击波传播规律的影响,发现了冲击波峰值压力和冲量随着坡度角的增加而增大,并随着爆距的增大而减小,给出了不同宽度的壕沟、不同测点的冲击波峰值压力与冲量的变化规律。王桂林等[23]依托重庆市某地下综合管廊试点工程,模拟了浅埋管廊泄漏甲烷气体爆炸冲击管廊本体结构和围岩的过程,研究了爆炸作用下地面压强的响应特性。穆朝民等[24]利用自由场试验研究了饱和土在不同埋设深度条件下的爆炸问题,得到了相应的爆炸破坏效应的宏观特征和压力实测波形,并对测试结果进行了分析,得到了饱和土中爆炸波传播规律。吴祥云等[25]研究了岩石中装药埋深对地表空气冲击波超压的影响,给出了不同埋深爆炸地表空气冲击波的预估方法。

目前土中爆炸相关领域研究尚不完善,未涉及到土壤中装药埋深对地表空气冲击波的影响,未给出相关的经验模型。本研究通过爆炸试验研究埋深变化对地表掠过冲击波传播规律的影响,对所得数据进行对比分析,并拟合出冲击波峰值压力及冲量与埋深、比例距离相关的经验模型,以期为实际工程应用提供一定参考。

1 试 验

1.1 试验样品

试验采用圆柱形TNT炸药,质量为5kg,密度为1.56g/cm3,尺寸为Φ190mm×112mm。传爆药柱均使用100g的JH-14炸药,尺寸为Φ40mm×40mm。起爆雷管选用8号电雷管,采用上端部中心起爆方式。试验所用TNT与传爆药柱样品如图1所示。

图1 试验样品Fig.1 The test samples

1.2 试验工况

爆炸试验时,确定好爆心,根据试验工况在爆心处挖好坑洞。将TNT竖直放进挖好的坑洞里,与洞壁之间的缝隙用土壤填充,并进行夯实,达到原状土状态,避免炸药周围土壤变化对试验产生影响。图2为炸药布设位置示意图。

图2 炸药布设位置Fig.2 Placement of explosives

炸药埋深是浅埋爆炸试验的关键参数,直接影响冲击波超压峰值、冲量以及形成的爆坑尺寸。为了更好地进行对比分析试验工况,将具体试验参数列于表1中。

表1 浅埋爆炸试验参数Table 1 Parameters of shallow buried explosion test

1.3 试验布置

爆炸试验在某靶场进行,在平坦的地面上,以爆心为原点按照不同比例距离布设压电传感器,测量爆炸时地面掠过的冲击波。每次试验沿同一方向布设7路压力传感器,传感器布设比例距离Z分别为:1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5以及4.0m/kg1/3,从左到右依次编号为1～7,并保证传感器的上表面与地面平齐。在距离爆心安全距离200米外布置一台高速动态分析仪,观察爆炸过程的实时状态。试验场地布设简图如图3所示;试验现场传感器布设位置示意图如图4所示。

图3 试验场地布设简图Fig.3 Schematic diagram of test layout

图4 现场传感器布设图Fig.4 Field sensor layout diagram

1.4 测试系统

该试验测试系统由3部分组成:压电传感器、信号调理器和数据采集仪。

试验采用PCB公司的113系列压电传感器,其性能指标满足:谐振频率大于500kHz,非线性度小于1%,上升时间小于1μs。PCB公司的482C05型适调仪可用于压电传感器的动态解调,其输出信号直接连接数据采集仪。试验中采用HBM数据采集仪器采样测试数据,单通道冲击波采样速率不低于1MS/s;单通道记录长度不小于100kS。

2 结果与讨论

2.1 爆炸过程

高速摄像机捕捉到的埋深为0.108m工况的爆炸过程如图5所示。从图5中可看出,一团火光从地面喷射而出,这是起爆过程中产生的高温高压爆轰产物。随着爆炸的进行,爆轰产物冲破炸药上方土壤,向外喷射,此时火光四周弥漫着很多尘土,瞬间火光湮灭在灰黑色的尘土与爆轰产物中。

图5 埋深为0.108m工况下的爆炸过程Fig.5 The explosion process under the buried depths of 0.108m

爆炸结束后,爆轰产物和尘土散去,爆心位置产生一个圆形爆坑,如图6所示爆坑周围形成一个圆环的隆起,里面有很多回填土。

图6 爆炸后形成的爆坑Fig.6 The crater formed after an explosion

2.2 冲击波实测波形

埋深为0.108和0.228m的压力实测波形如图7所示。从图7中可以明显看出,随着埋深增加,冲击波峰值压力呈指数规律递减;冲击波到达测点时,极短时间达到峰值,然后缓慢减小,出现负压,最后稳定在0MPa附近;距离爆心越近的测点,压力峰值越大,波峰越陡,衰减速度越快;埋深越小的工况,相同测点的冲击波达到时间越早。

图7 埋深分别为0.108和0.228m的实测波形图Fig.7 Measured overpressure waveform with buried depth of 0.108 and 0.228m

2.3 试验结果合理性分析

我国国防设计规范中规定的空爆冲击波超压计算公式为:

(1)

根据能量相似原理,将触地爆炸药量换算为TNT在无限介质中的装药量:

we=1.8w

(2)

用上面公式对触地爆炸工况试验结果进行可靠性验证,试验值与经验公式计算值的比较见表2。

表2 试验结果与经验公式计算结果的对比Table 2 Comparison of experimental values and the values of empirical formulas

从表2中可以看出,试验值与计算公式偏差不是很大。存在偏差的原因有两点:经验公式采用的是球形药,而试验采用的是柱形药,装药形状对试验值有一定影响;试验场地土壤参数的变化以及测试系统的测试误差等都有一定影响。但总体上,试验数据与经验公式符合较好。

2.4 埋深对冲击波影响因素

2.4.1 埋深对冲击波峰值压力的影响

(1)水平爆心距对冲击波峰值压力的影响

不同埋深工况下7个测点冲击波峰值压力如图8所示。从图8中可以看出,随着爆心距增加,峰值压力呈指数衰减,且衰减系数随着埋深的增加而有所减小。试验中发现,比例距离从1到4测点处,触地爆炸时峰值压力衰减率为96.76%,埋深为0.108、0.228以及0.85m时峰值压力衰减率依次为74.98%、70.12%和62.13%。由此可见,相同质量的装药浅埋爆炸时,峰值压力不仅与埋深有关,还与水平爆心距有关。

图8 峰值超压随埋深及爆心距的变化关系Fig.8 The variation of peak pressure with buried depth and distance from detonation center

(2)埋深对冲击波峰值压力的影响

为了更好地分析埋深对冲击波峰值压力的影响,以触地爆炸冲击波峰值压力为基准,采用α来定义折减系数:α=pL/p0,pL为有埋深的冲击波峰值压力(MPa);p0为触地爆炸冲击波峰值压力(MPa)。不同埋深下折减系数随比例距离变化的关系如图9所示。

图9 折减系数随埋深及爆心距的变化关系Fig.9 Reduction coefficient varies with buried depth and distance from detonation center

从图9中可以看出,当埋深一定时,折减系数随比例距离增加呈增大趋势;当比例距离一定时,折减系数随埋深的减小呈增大趋势。当埋深为0.108、0.228和0.85m时,比例距离为1的测点处冲击波峰值压力分别是触地爆炸的8.7%、4.0%和2.5%;比例距离为4的测点处冲击波峰值压力分别是触地爆炸的67.2%、37.0%和12.7%。由此可见,相同质量的装药浅埋爆炸时,随爆心距增加,埋深对冲击波峰值的影响减弱。

为了更直观地观测埋深对冲击波峰值压力的影响,将比例距离为1.5、2.0和2.5测点处4个不同埋深的峰值压力呈现在图10中。从图10中可以看出,比例距离一定时,冲击波峰值压力随埋深呈指数递减,且随着比例距离增加,递减速度呈减小趋势。

图10 峰值压力随埋深及比例距离的变化关系Fig.10 The variation of peak pressure with buried depth and scaled distance

(3)冲击波峰值压力经验公式

由上述分析可知,相同质量的装药浅埋爆炸时,随着埋深增加,峰值压力衰减,其衰减系数不仅与埋深有关,还与爆距有关。不同埋深工况下的冲击波峰值压力可以表示为触地爆炸相应值与衰减系数的函数:

pL=αp0

(3)

首先对触地爆炸的冲击波峰值压力试验数据进行多项式拟合,得到公式(4):

p0=0.5301-3.9173Z-1+9.2412Z-2-4.0747Z-3

1≤Z=R/W1/3≤4

(4)

式中:Z为比例距离(m/kg1/3);R为爆距(m);W为装药质量(kg)。

再结合埋深分别为0.108、0.228和0.85m的试验数据分析,得到α为:

α=0.111+0.171Z-1.647L+0.006Z2+

1.833L2-0.206ZL

1≤Z≤4,-0.093≤L≤0.85

(5)

式中:L为埋深(m)。

2.4.2 埋深对冲击波冲量的影响

(1)水平爆心距对冲量的影响

4种不同埋深工况下7个测点处冲击波冲量大小的比较如图11所示。从图11中可以看出,不同埋深试验条件下,随着爆心距增加,冲量呈减小趋势,随着埋深增加也减小。试验中发现,比例埋深从1到4,触地爆炸时冲量衰减率为74.71%,埋深为0.108、0.228和0.85m时冲量衰减率分别为28.12%、36.89%和69.16%。可以得出,当埋深一定时,冲量随爆心距的增加呈指数递减,埋深越大,冲量衰减速率越慢。

图11 冲量随埋深及爆心距的变化关系Fig.11 The variation of impulse with buried depth and distance from detonation center

(2)埋深对冲量的影响

为了更好地分析埋深对冲击波峰值压力的影响,以触地爆炸冲击波峰值压力为基准,采用β来定义折减系数:β=IL/I0,IL为有埋深的冲击波冲量(MPa·s);I0为触地爆炸冲击波冲量(MPa·s)。不同埋深条件下冲量折减系数随比例距离变化的关系如图12所示。

图12 折减系数随埋深及爆心距的变化关系Fig.12 Reduction coefficient varies with buried depth and distance from detonation center

从图12中可以看出,当埋深一定时,冲量衰减速率随比例距离增加呈减小趋势。当埋深为0.108、0.228和0.85m时,测点1处的冲击波冲量分别是触地爆炸的20.4%、13.9%和4.6%;测点4处的冲击波冲量分别是触地爆炸的58.2%、35.8%和5.3%。由此可见,相同质量的装药浅埋爆炸时,冲量折减系数随埋深的增加呈减小趋势,随比例距离增加呈增大趋势。

为了更直观地观察埋深对冲击波冲量的影响,将比例距离为1.5、2.0和2.5处4个不同埋深的冲量呈现在图13中。从图13中可以看出,比例距离一定时,冲量随埋深呈指数递减;且随着比例距离增加,递减速度呈减小趋势。与峰值压力不同,冲量衰减速度要小很多,峰值压力对埋深的变化更为敏感。

图13 冲量随埋深及比例距离的变化关系Fig.13 The change of impulse with buried depth and scaled distance

(3)冲击波冲量经验公式

由上述分析可知,相同质量的装药浅埋爆炸时,随着埋深增加,峰值压力衰减,其折减系数不仅与埋深有关,还与爆心距有关。不同埋深工况下的冲击波峰值压力可以表示为触地爆炸相应值与折减系数的函数:

IL=βI0

(6)

首先对触地爆炸的冲击波冲量试验数据进行多项式拟合,得到公式(7):

I0=30.1-11.52Z-1+331.1Z-2-198.1Z-3

1≤Z=R/W1/3≤4

(7)

式中:Z为比例距离(m/kg1/3);R为爆距(m);W为装药质量(kg)。

再结合埋深分别为0.108、0.228和0.85m的试验数据分析,得到β为:

β=0.153+0.224Z-1.238L-0.018Z2+

1.184L2-0.165 7ZL

1≤Z≤4,-0.093≤L≤0.85

(8)

式中:L为埋深(m)。

2.4.3 埋深对冲击波正压作用时间的影响

触地爆炸和埋深为0.85m的试验工况下其7个测点冲击波正压作用时间长短的比较如图14所示。从图14中可以看出,两种工况的正压作用时间呈现不同走势,触地爆炸的正压作用时间随爆心距增加呈指数增加,埋深为0.85m的爆炸试验其正压作用时间呈对数增加。比例距离从测点1到4,触地爆炸的正压作用时间增加了3.24ms,增长率为208.7%,后者正压作用时间增加了0.76ms,增长率为67.9%。这意味着相同质量的装药爆炸时,冲击波正压作用时间与埋深和爆心距密不可分。

图14 正压作用时间随埋深及爆心距的变化关系Fig.14 The change of positive pressure time with burial depth and distance from detonation center

3 结 论

(1)当装药埋深从地表向下增加时,埋深越大,地表空气冲击波峰值压力越小,且峰值压力随爆心距的增大呈指数减小。埋深为0.108m时,比例距离为1处的冲击波峰值压力是触地爆炸的8.7%。触地爆炸比例距离为4处的峰值压力是1处的3.24%,埋深为0.108m的爆炸试验,比例距离为4处的峰值压力是1处的25.02%。

(2)冲量随着埋深的增加呈减小趋势,随爆心距增加呈指数递减。通过5kg浅埋爆炸试验发现,比例距离从1到4,触地爆炸时冲量衰减率为74.71%,埋深为0.108m时冲量衰减率为28.12%。埋深为0.108m时,比例距离为1的测点处冲量是触地爆炸的20.44%。

(3)在本研究范围内,触地爆炸的正压作用时间随爆心距增加呈指数增加,埋深为0.85m的爆炸试验其正压作用时间呈对数增加。触地爆炸比例距离为4处的正压作用时间比1处增加了3.24ms,埋深为0.85m时,比例距离为4处的正压作用时间比1处增加了0.76ms。

(4)通过对试验值进行拟合,分别建立了5kg TNT在不同埋深条件下地表空气冲击波峰值压力与冲量的工程计算模型,可用于实际工程计算。但选取的装药量和埋深范围具有一定的局限性,在更大范围内对爆炸冲击波的影响仍需继续研究。