炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.020 炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响* 孟龙，黄瑞源王銚，秦健二刘就1 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 摘 要在2 mx2 mx2 m水箱中分别采用两种引爆方式对2. 5 g、5 g和10 g圆柱形装药TNT进行了水 下爆炸实验，得到了不同工况下冲击波和气泡脉动的压力时程曲线以及相应的气泡脉动过程。实验结果表 明使用电雷管对主装药进行引爆时，炸药并未完全起爆，冲击波峰值压力均小于经验公式计算得到的理论 值，二者间平均误差为25.92；而使用电雷管以及传爆药柱对主装药进行引爆后，炸药完全起爆，冲击波峰 值压力与经验公式间的平均误差降低至4. 37 ,且整体较为稳定。在此基础上，对比两种引爆方式下的各 项爆炸特性，发现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有所减小，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并不明显。 关键词水下爆炸；引爆方式；冲击波；气泡脉动；传爆药柱 中图分类号TQ560.72 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0124-10 Effect of Incomplete Detonation of Explosives on its Underwater Explosion Characteristics MENG Lo ng1, HUANG Rui-yuan1, WANG Jin-xiang1, QIN Jian12 ,UU Liang-t ao1 1. Na t io n a l Key La bo r a t o r y o f Tr a n sien t Phy sic s, Na n jin g Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy,Na n jin g 210094,Chin a； 2. Na va l Resea r c h Ac a d emy, Beijin g 100161, Chin a Abstract Ina2mx2mx2m water tank, two detonation s were used to conduct underwater explosion ex periments on 2.5 g,5 g and 10 g cylindrical TNT charges. The pressure-time history curves with corresponding respon ses of shock wave and bubble pulsation under different working conditions were obtained. The experimental results showed that when the main charge was detonated by an electric detonator,the explosive was not completely detonated, and the peak pressure of the shock wave was less than the theoretical value calculated by the empirical ula, with the average error of 25.92 among them. After the main charge detonated by an electric detonator and a booster grain, the explosive was completely detonated, and the average error between of the peak shock pressure obtained from the ex periment and the empirical ula was reduced to 4. 37 , which was relatively stable overall. Comparing the data of the two detonation s, it is found that when the explosive is not fully detonated, the bubble pulsation period and the maximum bubble expansion radius are reduced, and the peak wave pressure, shock wave energy and bubble energy are decreased obviously,but the effect on the peak pressure of bubble pulsation is not obvious. Key Words underwater explosion ； detonation ； shock wave ； bubble pulsation ； booster grain 收稿日期2020-10-08 作者简介孟 龙1995 -,男，硕士研究生，主要从事水下爆炸及 冲击动力学研究,E-mail 18205177651 163. como 通讯作者黄瑞源1984 -，男，博士、讲师，主要从事水下爆炸及冲 击动力学研究，E-mail ryhuang njust. edu. cn□ 基金项目国家自然科学基金⑴402266、11672138、11802001；装备 预研基金项目61426040403162604005 . 61426040 4021801；中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞研究 中心开放基金20190303 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旧］O 在实验方面，炸药能够稳定的完全起爆是探究 第38卷第1期孟 龙，黄瑞源,王金相，等 炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响125 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［810］o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⑴⑷，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 x 2 m x 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 gPETN水下爆炸的气泡脉动 过程以及水射流过程［⑷。冯淞等同样在2 m X 2 mx 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［⑸。王秋 实等使用电雷管和传爆药柱，对1.2 k g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 T冲击波峰值压力、冲击波能和气泡能等爆炸特性 的规律E o赵继波等则在0.5 mx 0.5 mx 0.5 m 的水箱中使用PETN传爆药柱对0. 3 k g 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［⑺。而对于大当量炸药,在水下条件下往往难 以实现完全起爆［⑻。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 2mx 2mx 2m的水箱中进行的，水箱壁面厚度为 1 c m,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 go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 mo 在炸药 0.3 m、0. 4 m、0. 5 m、0. 6 mA0. 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 c m,量程为34.475 MPa ,并在 每个传感器正下方悬挂配重为1.5 k g的秤舵，高速摄 像机距炸药1.3 mo实验装置原理图如图1所示。 表1炸药尺寸 Ta bl e 1 Size o f ex pl o sives 炸药 当量/g 密度/g・cnT‘直径/mm 高度/mm 2.5 11.5 TNT 5.0 1.654 15.0 18.0 10.0 0.3 4x0.1 0.3 experimental holder 20.4 cold lig ht source of LED o CM 0 一气护叶 pressure explosive sensor charg e hig h-speed camera 2 2.0 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 21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。 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 126爆破2021年3月 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。 表2实验安排 Table 2 Experimental arrang ement 序号 炸药当量4 传爆药柱允传感器位置/m 125-0.3/0.4/0.5/0. 6/0.7 225-0.3/0.4/0.5/0. 6/0.7 325-0.3/0.4/0.5/0. 6/0.7 425-0.3/0.4/0.5/0.6/0.7 525-0.3/0.4/0.5/0. 6/0.7 650-0.4/0.5/0.6/0.7 750-0.4/0.5/0.6/0.7 8100-0.4/0.5/0.6/0.7 9250.30.3/0.4/0.5/0. 6/0.7 10500.30.4/0.5/0.6/0.7 111000.30.4/0.5/0.6/0.7 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/so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 图2传感器测得的压力时程曲线 Fig. 2 Pressure histories measured by sensor 对于自由场中水下爆炸冲击波的传递,Co l e在 早期通过对大量实验数据的整理，总结了水下爆炸 冲击波经验公式口卯，并得到广泛认可,Za my shl y a y ev 在其基础上改进为［型 PW （1） f0. 45/0r0-45 x I O-3 3. 5 /呂厂 - 0. 9 e ,6 W 厂 W 12 ,12 W 厂 W 240 ,厂 W 30 ,r 30 ⑵ ⑶ 4 I 5768 x網爭广9 式中W为炸药当量,k g；＜9为冲击波的指数衰 减时间常数,指冲击波压力峰值几1衰减到Pmi/ e所 需的时间，s；人为测点到爆心的距离,m；仇为炸药 初始半径，m；为水的声速，常温淡水一般取 1460 m/s；r 为 R/ R；I 为比冲量，N ・ s/m2o 图3冲击波压力时程曲线 Fig. 3 Pressure histories of shock wave 表3给出了实验测得的冲击波峰值压力P说与 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）。 第38卷第1期孟龙，黄瑞源,王金相，等炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响127 表3实验测得P”】与经验公式之间的误差 Table 3 Error between e eriment and onpirical fomrnla of 弘 序号R/m 实验值/ MPa 经验公式/ MPa 误差/ 平均 误差/ 0.316.0821.3824.79 0.49.9115.4535.86 10.57.9612.0133.7231.16 0.66.679.7731.73 0.75.778.2129.72 0.315.4021.3827.97 0.411.0515.4528.48 20.5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 P祗、气泡脉动峰值压力P沁、冲击波能址、气泡能 d、气泡脉动周期T和气泡膨胀最大半径丘“的实 验结果。其中，水下爆炸距离炸药中心R处的冲击 波能量按公式（5）计算,气泡能Eb按公式（6） 计算M O 而0诚 ⑸ ⑹ Es pwcwW x 0. 6842/f p打 -r x io6- 式中E为距离装药中心R处的比冲击波能, MJ/k g廻为比气泡能,MJ/k g；T为气泡脉动周期, s；P“为水的密度，常温淡水一般取1000 k g/m3 ；ta为 冲击波到达时间，S；T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；耳为炸药中心处静水压和试验时当地大 气压之和,Pa。 128 爆破 2021年3月 表4实验结果 Table 4 Experimental result 序号R/ mP”/MPaP 沁/MPaE,/MJ・kg码/MJ kg1 T/ ms Rma/cin 0.316.082.300.92 0.49.911.660.87 10.57.961.250.491.7637.0019.37 0.66.671.010.69 0.75.770.840.68 0.315.402.160.94 0.411.051.691.00 20.5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。 130爆破2021年3月 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。 5 Booster grain 0.40.5 R/m a2.5g 6 . 6 . 2 8 4 2 8 4 L O. O. L O. O. O O 0.5 0.6 R/m b5g 0.7 1.6r 厂1.2 - 二 0.8 - 矗 0.4 - 0.4 0 0.40.5 0.6 R/m c10g 0.7 图6冲击波能对比 Fig. 6 Comparison of shock wave energy ■ Detonator Booster grain 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1 02.55.0 7.510.0 12.5 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 19. 7 msJRma x 19.50 c m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心吐21.39 c m，气泡内 压力最小;当二39. 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。 第38卷第1期孟 龙，黄瑞源,王金相，等 炸药的不完全起爆对其水下爆炸特性的影响131 a 0 msb 0.5 msc 4.9 ms d 19.7 ms e 33.0 ms f 37.7 ms 图8电雷管实验气泡脉动图像 Fig. 8 Electric detonator experimental pictures of bubble pulse b 0.5 msc 4.9 msa 0 ms d 20.2 mse 33.5 msf 39.2 ms 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［川 T 2. 11 x -r h 10 尸 R Lma x 3. 5 x w y h 10/ ⑻ 式中山为水深,Hl。 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 132爆破2021年3月 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 mx 2 mx 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。 65 ■ Detonator 60■ Booster grain ▲ Empirical ula 55- 5 50 ▲ 45 40 ft 35 1 . 25 20 ■ Detonator Booster grain 0 2.55.0 7.510.0 炉/g a数值 a Value 5 - I 0*- 2.55.0 7.5 10.0 炉/g b误差 b Error 图10气泡脉动周期对比 Fig. 10 Comparison of bubble pulsation period 34 32 30 28 飞26 y 24 22 20 18 ■ Detonator Booster grain ▲ Empirical ula 16 2.5 5.0 7.510.0 a数值 a Value 12 | 8 4 0 2.5 5.0 7.5 10.0 盹 b误差 b Error Detonator Booster grain 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。 参考文献References [1] LIU M B,LIU G R,LAM K Y,et al. 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