0 引言
爆炸冲击波作为战斗部爆炸过程中重要毁伤元之一,常用于表征实战条件下的弹药威力。爆炸冲击波威力场受多种因素影响,包括土质、气压和埋深等外部因素,以及装药量、长径比以及装药类型等诸多内部因素。目前常用的装药类型有三硝基甲苯(TNT)[1-3]、HMX/RDX基炸药(B炸药、H-6炸药、XX等)[4-7]、CL-20[8]/DNTF基炸药等,不同类型装药的爆炸冲击波有明显区别,摸清不同装药在浅埋爆炸下的爆炸效应具有很重要的现实意义。
在工程上将有限岩土介质中的爆炸,按埋深分为松动爆破和抛掷爆破,二者的区别在于抛掷爆破有爆坑形成。本文重点关注抛掷爆破,即爆炸发生时,土壤喷射形成爆坑,且爆轰产物和冲击波在空气中传播。目前,为摸清浅埋爆炸时空气冲击波的传播特性,诸多国家机构展开相关研究,并取得了丰富成果[9-13],为准确预估弹药毁伤效果提供了科学依据。刘琦等[14]设置了不同埋深的爆炸试验,发现通过改变炸药自身的爆速以及爆压,地面空气冲击波的峰值压力和冲量都得到增大。赵振宇等[15]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。吴祥云[16]通过浅埋爆炸试验,系统分析了岩石中常规装药埋深对地表空气冲击波超压峰值传播规律的影响,发现装药埋深与地表空气冲击波超压峰值呈反比,埋深越小,峰值压力越大,提出了地表空气冲击波超压峰值影响系数概念,并建立了不同埋深条件下地表空气冲击波峰值压力的预估公式。
上述文献主要考虑了装药量、长径比、土体性质和埋深等因素对爆炸冲击波载荷的作用,而在实战条件下,冲突各方使用的弹药类型千差万别,然而这方面的研究却很少。目前新型炸药的爆热等特征参数达到TNT的1.8～2.0倍;且与理想爆轰的TNT不同,新型炸药为非理想爆轰体系,导致其能量释放、传播、衰减过程与TNT具有显著差异,因此需要专门加以研究。
研究不同装药的毁伤效能、地表爆炸冲击波的传播规律,尤其是野外实战条件下装药类型对冲击波威力场的影响,有助于完整表征实战条件下弹药威力和准确预估弹药毁伤效果,对提高野外防御工事以及人员防护效果具有重要现实意义。本文通过土中浅埋爆炸试验,研究实战场景下装药类型对爆炸冲击波传播规律的影响。通过对不同工况的浅埋爆炸形貌以及地表掠过的空气冲击波进行对比分析,揭示不同装药类型条件下浅埋爆炸的基本特性,为装填温压炸药弹药的威力表征、设计与使用提供依据,也为野外工事、装甲车辆以及人员的防护提供参考。
1 浅埋爆炸试验设置
1.1 试验样品及仪器
本次试验采用的装药类型为TNT与某温压炸药[17],其具体参数如表1所示。温压炸药中RDX含量为53%,铝粉含量为30%,其他成分为助燃剂。传爆药柱均使用JH-14炸药,质量为12.5 g,尺寸为φ20 mm×20 mm,起爆雷管选用8号电雷管,采用上端面中心起爆方式。图1是爆炸试验采用的炸药样品。
表1 浅埋爆炸试验参数
Table 1 Parameters of shallow buried explosion test
试验编号炸药类型质量/kg直径/mm高度/mm密度/(g·cm-3)埋深/m1温压炸药198721.840.12TNT198851.600.13温压炸药198721.840.34TNT198851.600.3
图1 试验采用的炸药样品
Fig.1 Explosive samples used in the test
冲击波压力测试装置由压电传感器、ICP信号适配器和数据采集仪组成。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500 kHz;非线性度小于1%;上升时间小于1 μs。PCB公司的482C05型适调仪可用于ICP传感器的动态解调,输出信号直接连接数据采集仪。数据采集采用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1 MS/s,单通道记录长度不小于100 kS。
1.2 试验布置
进行爆炸试验时,先确定好爆心位置,根据试验工况在爆心处挖好坑洞。将炸药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,避免炸药周围土壤力学性质变化对试验产生影响。图2是试验现场炸药布设位置示意图。
图2 炸药布设位置
Fig.2 Explosive placement position
在靶场平整地面上根据试验工况确定爆心位置,以爆心为原点布设7路压电传感器,测量掠过地表的爆炸冲击波。布设压电传感器时,将地表面与传感器上表面保持平齐,测点布设比例距离分别为:1、1.5、2、2.5、3、3.5以及4(比例距离为Z,Z=R/W1/3(m/kg1/3);R为爆心距(m);W为装药量(kg)。图3是试验场地布设简图,图4是试验现场传感器布设位置示意图。
图3 试验场地布设简图
Fig.3 Layout diagram of test site
图4 试验现场传感器布设位置示意图
Fig.4 Schematic diagram of sensor layout position in test site
1.3 土样检测
采用取土器对试验场地进行采样,对土样进行4个方面的检测:天然状态指标、液塑限、固结指标和剪切指标,检测标准采用GB/T 50123—2019土工试验方法。检测采用的工具主要有分析天平、量筒、烘箱、比重瓶、液塑限联合测定仪、固结仪和直剪仪等。检测结果如表2所示。
表2 土壤参数
Table 2 Soil parameters
天然状态指标密度/(g ·cm-3)含水量/%孔隙比比重液塑限指标塑限/%液限/%塑性指数液性指数固结指标压缩系数/MPa-1压缩模量/MPa剪切强度指标粘聚力/kPa内摩擦角/(°)2.1021.20.52.6020.835.214.40.030.207.1537.012.0
2 浅埋爆炸试验结果
2.1 爆坑形貌
装药爆炸后,爆炸波由药包中心向四周传播,土壤产生向外的径向运动,此时土壤受到拉伸应力作用,此拉伸应力大于土壤的抗拉伸极限强度,使药包周围土壤遭到破坏。当炸药爆炸释放的能量超过装药上方土壤的阻力时,被破碎的土壤就以喇叭状向上抛掷,并在爆炸中心与地面之间形成一个抛掷漏斗坑。图5、图6对比了埋深为0.1 m 2次浅埋爆炸试验产生的爆坑,左列是清理前,右列是清理后。爆坑顶部高于地表面,在爆坑四周形成一凸起圆环,该环形土十分松软,由爆炸过程中向四周喷射的土壤回落造成。爆坑边上的土质含有诸多裂缝,这是由于药包释放的能量超过了土壤的抗拉伸极限强度,故而破坏了土壤的力学性质。爆坑内部也有部分回填土,里面土壤间隙很大,对爆坑里的回落土进行清理,发现温压炸药产生的爆坑直径、深度明显大于TNT爆炸产生的爆坑。此外,清理后的爆坑底部光滑且十分坚硬,这是因为药包爆炸释放的能量对底部土壤进行了压缩,使其密度变大。同时爆坑底部的土壤出现了碳化,有明显的火药灼烧痕迹,这是由于炸药爆炸释放的大量热量,蒸干了土壤内部的水分。通过对比试验1、2产生的爆坑,发现温压炸药产生的爆坑底部十分圆滑且更为紧实,产生的碳化面积更大,且碳化痕迹更为明显。
图5 试验1产生的爆坑形貌
Fig.5 Test-1 generated crater
图6 试验2产生的爆坑形貌
Fig.6 Test-2 generated crater
2.2 冲击波波形对比分析
压力信号采集采用外触发方式,以炸药起爆时刻为时间零点。图7、图8分别是埋深为0.1 m的温压炸药和TNT炸药的压力实测波形。
图7 温压炸药实测波形
Fig.7 Measured waveform of thermobaric explosive
图8 TNT炸药实测波形
Fig.8 Measured waveform of TNT
从图7、图8中可以明显看出:装药类型不同,相同测点处冲击波达到时间有明显差别,温压炸药产生的冲击波传播速度更快;相同测点处,温压炸药产生的冲击波峰值压力比TNT更大;随着爆心距增加,温压炸药和TNT的冲击波峰值压力都呈指数形式衰减;接近爆心的测点,压力峰值变大,波峰陡峭,衰减速度更快,正压作用时间缩短;温压炸药和TNT在比例距离1处都出现了明显的负压,但温压炸药产生的负压值更大。从波形中可以明显看出,相同当量的温压炸药其爆炸威力远大于TNT,其完成爆炸过程耗时较短。
3 分析与讨论
3.1 装药类型对爆坑尺寸的影响
1) 爆坑尺寸测量方法。清除爆坑表面、四周以及爆坑中的松土,采用钢卷尺和标杆对清理后的爆坑进行测量(已去除回填土),具体测量方法如下:
① 爆坑直径测量:从坑口表面测量相互垂直的2个直径,取其平均值;
② 爆坑深度测量:将标杆立在爆坑中央最深处,以爆坑底部为基准,用钢卷尺测出爆坑深度。
③ 爆坑体积测量:用标杆测量爆坑深度时,把爆坑分为6等分,在标杆上做标记,测量各位置直径。
2) 爆坑体积计算方法。
① 爆坑半径计算方法为
(1)
式(1)中:rj为爆坑各位置半径的平均值, φ1j、φ2j为爆坑各位置2个相互垂直的爆坑直径(m)。
② 爆坑体积计算方法为
(2)
式(2)中:V为爆坑直径,r1～r7为从爆坑平面至坑底取7个间隔断面圆的半径平均值,h为爆坑深度数值(m)。
3) TNT和温压炸药对爆坑尺寸的影响。测得爆坑的具体参数如表3所示。
表3 爆坑参数
Table 3 Blasting pit parameter
试验编号装药类型装药埋深/m爆坑直径/m爆坑深度/m爆坑体积/m31温压炸药0.11.20.510.2162TNT0.11.10.470.1793温压炸药0.31.90.770.7044TNT0.31.30.640.306
通过对爆坑直径、深度以及体积进行比较,分析得出:当埋深相同时,温压炸药产生的爆坑参数更大;随着埋深增加,试验3与试验4产生的爆坑参数都大幅度增加,其中温压炸药产生的爆坑增长幅度更明显,尤其是爆坑体积,增加了2倍左右,这是因为埋深增加,更多的能量作用于周围土壤,使得更多的土壤被抛射出去。在装药埋深为0.1 m时,温压炸药与TNT产生的爆坑体积差距不大,当埋深为0.3 m时,温压炸药产生的爆坑体积是TNT的2.3倍,随着埋深增加,装药类型对爆坑参数的影响更为明显。
3.2 装药类型对冲击波峰值压力的影响
图9给出了不同工况下7个测点冲击波峰值压力。从图9中可以看出:随着比例距离增加,峰值压力呈指数衰减,衰减速度减小;随着比例距离增加,相同测点处的峰值压力差值不断缩小,当比例距离达到某个临界值时,4种工况的峰值压力最终稳定在大气压附近;埋深相同时,相同测点处温压炸药比TNT炸药产生的冲击波峰值压力大,衰减速度快。以试验1为例(比例距离为2.5的测点处,试验过程中线路断开,未测到有效数据),比例距离从1到4,其冲击波峰值压力衰减率为80.48%,试验2、3、4的衰减率依次为76.34%、82.69%和85.63%。不难发现:埋深相同时,随着比例距离增加,冲击波峰值压力呈现大幅度衰减,温压炸药的衰减量大于TNT,但装药类型对衰减率的影响并不是很明显;随着埋深增加,温压炸药衰减率对埋深的敏感度较低,变化幅度很小,而TNT衰减率对埋深的敏感度较高,随埋深增加而增大。
图9 峰值压力与比例距离的关系
Fig.9 Relationship between peak pressure and proportional distance
为了更好的分析温压炸药与TNT 2种装药类型对冲击波峰值压力的影响,定义冲击波峰值压力比值α=ΔP温压/ΔPTNT,其中ΔP温压为温压炸药的峰值压力,ΔPTNT为TNT的峰值压力。图10是峰值压力比值α随装药类型变化关系。以温压炸药在各测点的峰值压力为基准,分析埋深不同对冲击波峰值压力的影响。当埋深为0.1 m时,比例距离为1、2、3、4处温压炸药产生的冲击波峰值压力分别是TNT的2.16、1.86、1.77、1.79倍;当埋深为0.3 m时,比例距离为1、2、3、4处温压炸药产生的冲击波峰值压力分别是TNT的1.41、1.61、1.74、1.68倍。由此可见:埋深为0.1 m时,随着比例距离增加,冲击波峰值压力比值α逐渐减小,趋于稳定在1.8倍;埋深为0.3 m时,随着比例距离增加,冲击波峰值压力比值α逐渐增大,趋于稳定在1.7倍。
图10 峰值压力比值随装药类型变化关系
Fig.10 Relationship between peak pressure ratio and charge type
3.3 装药类型对冲击波冲量的影响
图11给出了不同工况下7个测点冲击波冲量。将不同工况的冲量数据连接起来,可看到为4条走势相同的折线。试验1、试验3、试验4的数据曲线十分光滑,但试验2的数据出现了震荡,比例距离2处的冲量出现反常,较比例距离1处的值大,这可能是该处传感器在爆炸过程中受到空气冲击波与土壤抛撒物的双重作用。
图11 冲量与比例距离的关系
Fig.11 Relationship between impulse and proportional distance
从图11中可直观看出:随着爆心距增加,冲量逐渐减小;当埋深相同时,温压炸药产生的冲量大于TNT。当埋深为0.1 m时,相同测点处温压炸药的冲量几乎是TNT的2倍,但当埋深为0.3 m时,两者之间的冲量差距相对较小。不难看出,埋深对冲量影响很大,埋深越大,冲量越小。与TNT相比,温压炸药对埋深的敏感度更高。
表4是冲量随比例距离增加的具体数值变化。从表4中可明显看出:比例距离从1～4,试验1的冲量衰减量最大,但衰减率最小;试验4与试验1恰恰相反,其衰减量最小,但衰减率最大。这是由于埋深较大时,比例距离1处测得的冲量初始值就较小,其后的衰减量相对于埋深较小的工况而言变化不大,比例距离4处测得的冲量也相对小,因此埋深较小的工况其冲量衰减量较小但其衰减率较大。从表4中可以得出:比例距离对不同装药类型、不同埋深工况的冲量衰减量影响不大,但对冲量衰减率有较大影响;当埋深增加时,不同工况的冲量衰减量变化不大,但衰减率却成倍增加。
表4 冲量变化
Table 4 Impulse parameter
试验工况ΔIZ=1(10-5MPa·s)ΔIZ=4(10-5MPa·s)比例距离1～4冲量衰减量(10-5 MPa·s)比例距离1～4冲量衰减率/%17.395.072.3231.3323.551.931.6245.6332.250.631.5272.0941.620.321.3080.25
为了更好地分析温压炸药与TNT 2种装药类型对冲击波冲量的影响,定义冲量比值β=ΔI温压/ΔITNT,其中ΔITNT为TNT的冲量,ΔI温压为温压炸药的冲量。图12是冲量比值β随装药类型变化关系。以温压炸药在各测点的冲量为基准,分析埋深不同对冲击波冲量的影响。当埋深为0.1 m时,比例距离为1、2、3、4处温压炸药产生的冲击波冲量分别是TNT炸药的2.08、2.01、2.07及2.63倍。当埋深为0.3 m时,比例距离为1、2、3、4处TNT炸药产生的冲击波冲量分别是温压炸药的1.39、1.74、1.93及1.97倍。由此可见:装药埋深越小,冲量比值β越大,装药类型不同对冲量的影响更为明显。
图12 冲量比值随装药类型变化关系
Fig.12 Relationship between impulse ratio and charge type
4 结论
本文通过浅埋爆炸试验,系统分析了TNT和温压炸药2种炸药在爆坑形貌和地表空气冲击波波形方面的区别,探讨了装药类型对地表空气冲击波的影响,得出以下结论:
1) 相同工况的浅埋爆炸,温压炸药产生的爆坑直径、深度以及体积都大于TNT,装药埋深为0.1 m和0.3 m时,温压炸药产生的爆坑体积分别是TNT的1.2倍和2.3倍,随着埋深增加,装药类型对爆坑参数的影响更为明显。
2) 测点比例距离从1到4,试验1、2、3、4的冲击波峰值压力衰减率依次为80.48%、76.34%、82.69%和85.63%。埋深相同时,随着比例距离增加,温压炸药的衰减量大于TNT,但TNT和温压炸药对峰值压力衰减率的影响并不明显。温压炸药峰值压力衰减率对埋深的敏感度较低,TNT峰值压力衰减率对埋深的敏感度较高,随埋深增加而增大。
3) 当埋深为0.1 m时,比例距离为1、2、3、4处温压炸药产生的冲击波冲量分别是TNT炸药的2.08、2.01、2.07及2.63倍。当埋深为0.3 m时,比例距离为1、2、3、4处TNT炸药产生的冲击波冲量分别是温压炸药的1.39、1.74、1.93及1.97倍。装药埋深越小,装药类型对冲量的影响更为明显。
[1] 宋浦,杨凯,梁安定,等.国内外TNT炸药的JWL状态方程及其能量释放差异分析[J].火炸药学报,2013,36(2):42-45.SONG Pu,YANG Kai,LIANG Anding,et al.JWL equation of state and energy release difference analysis of TNT explosive at home and abroad[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2013,36(2):42-45.
[2] 李金河,汪斌,王彦平,等.不同装药形状TNT水中爆炸近场冲击波传播的实验研究[J].火炸药学报,2018,41(5):461-464,500.LI Jinhe,WANG Bin,WANG Yanping,et al.Experimental study on near-field shock wave propagation of TNT in water explosion with different charge shapes[J].Chinese Journal of Explosives &PropellantS,2018,41(5):461-464,500.
[3] 张宏亮,黄风雷.RDX/TNT、HMX/TNT炸药Dn(κ)关系研究[J].爆炸与冲击,2012,32(5):495-500.ZHANG Hongliang,HUANG Fenglei.Study on the Dn(κ) relation for the RDX/TNT and HMX/TNT ratesticks[J].Explosion and Shock Waves,2012,32(5):495-500.
[4] 张亚坤,智小琦,李强,等.RDX基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算[J].火炸药学报,2014,37(1):39-43.ZHANG Yakun,ZHI Xiaoqi,LI Qiang,et al.Measurement and numerical calculation of the critical temperature of thermal initiation of RDX-based explosive[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2014,37(1):39-43.
[5] 沈飞,王辉,袁建飞,等.铝含量对RDX基温压炸药驱动能力的影响[J].火炸药学报,2013,36(3):50-53.SHEN Fei,WANG Hui,YUAN Jianfei,et al.Influence of aluminum content on driving capacity of RDX based aluminum-containing explosive[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2013,36(3):50-53.
[6] 王新颖,王树山,徐豫新,等.RDX基PBX的做功能力及JWL状态方程参数确定[J].爆炸与冲击,2016,36(2):242-247.WANG Xinying,WANG Shushan,XU Yuxin,et al.Power capacity of RDX based PBX and parameter determination of JWL state equation[J].Explosion and Shock Waves,2016,36(2):242-247.
[7] 丁彤,裴红波,郭文灿,等.RDX基温压炸药爆轰波结构实验研究[J].爆炸与冲击,2022,42(6):14-21.DING Tong,PEI Hongbo,GUO Wencan,et al.Experimental study on detonation structure of RDX based aluminum-containing explosive[J].Explosion and Shock Waves,2022,42(6):14-21.
[8] 吕中杰,高晨宇,赵开元,等.铝质量分数对CL-20基炸药驱动筒壁能量输出结构影响[J/OL].北京理工大学学报,2023,43(1):27-35.LYU Zhongjie,GAO Chenyu,ZHAO Kaiyuan,et al.Effect of aluminum mass fraction on the energy outputstructure of CL-20 based explosive driving cylinder wall[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2023,43(1):27-35.
[9] 赵红玲,侯爱军,童怀峰,等.石灰岩中不同埋深爆炸自由场直接地冲击参数的预计方法[J].爆炸与冲击,2011,31(3):290-294.ZHAO Hongling,HOU Aijun,TONG Huaifeng,et al.Prediction method of direct impact parameters of explosive free field at different buried depths in limestone[J].Explosion and Shock Waves,2011,31(3):290-294.
[10] 叶亚齐,任辉启,李永池,等.砂质黏土中不同深度爆炸自由场地冲击参数预计方法研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(9):1918-1923.YE Yaqi,REN Huiqi,LI Yongchi,et al.Study on prediction method of blast free field impact parameters at different depths in sandy clay[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(9):1918-1923.
[11] YU Q,LIU W J.Research progress of modification and regeneration technology of desulfurization activated carbon fiber[J].Journal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition),2022,39(3):33-40.
[12] XIAO W,ANDRAE M,GEBBEKEN N.Influence of charge shape and point of detonation of high explosive cylinders detonated on ground surface on blast-resistant design[J].International Journal of Mechanical Sciences,2020,181(4):75-84.
[13] MUSSA M H,MUTALIB A A,HAMID R,et al.Assessment of damage to an underground box tunnel by a surface explosion[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2017,66(6):64-76.
[14] 刘琦,翟超辰,张跃飞,等.地面和埋置爆炸土中地冲击作用分区数值模拟及试验研究[J].爆炸与冲击,2022,42(8):3-21.LIU Qi,ZHAI Chaochen,ZHANG Yuefei,et al.Numerical simulation and experimental study on ground shock subzones in soil of ground and buried explosion[J].Explosion and Shock Waves,2022,42(8):3-21.
[15] 赵振宇,周贻来,任建伟,等.浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应[J].爆炸与冲击,2022,42(4):52-64.ZHAO Zhenyu,ZHOU Yilai,REN Jianwei,et al.Explosion morphology and impacting effects of shallow-buried explosives[J].Explosion and Shock Waves,2022,42(4):52-64.
[16] 吴祥云,曲建波,李宝宝,等.岩石中装药埋深对地表空气冲击波超压的影响[J].防护工程,2013(4):23-26.WU Xiangyun,QU Jianbo,LI Baobao,et al.Effect of charge depth in rock on overpressure of surface air shock wave[J].Protection Engineering,2013(4):23-26.
[17] 王安勇,王良全.某温压炸药与TNT爆炸火球几何尺寸对比分析[J].国外电子测量技术,2022,41(4):134-138.WANG Anyong,WANG Liangquan.Comparative analysis of geometric dimensions of an aluminum-containing explosive and TNT explosive fireball[J].Foreign Electronic Measurement Technology,2022,41(4):134-138.