两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2014. 05. 006 两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究 ❋ 沈 飞 王 辉 余 然 张 磊 西安近代化学研究所陕西西安,710065 [摘 要] 为揭示 RS211 和 GUHL 两种含铝炸药水中爆炸近场冲击波的传播特性,采用高速扫描相机和阴影照相 技术记录了近场冲击波沿柱形装药轴向的传播轨迹,结合 Rankine-Hugoniot 关系推算出了近场冲击波传播速度及 阵面压力随传播距离的衰减规律,并与 TNT 炸药的结果进行了对比。 同时,还结合近场冲击波的初始参数和 Goranson 关系式计算出了炸药的爆压值。 结果表明,初始冲击波阵面压力由大到小的顺序为 RS211、TNT、GUHL, 在压力的衰减过程中,铝粉的反应使得冲击波的压力衰减速率得到降低,且 GUHL 炸药近场冲击波阵面压力的衰 减最为平缓。 [关键词] 爆炸力学;含铝炸药;水中爆炸;近场冲击波;高速扫描相机 [分类号] TD235. 2 +1 O389 引言 水中爆炸的近场冲击波对于目标的破坏具有重 要作用,尤其是在精确打击过程中,能产生较强的毁 伤效果,因此近场冲击波的传播特性成为水中兵器 设计人员关注的一个重要因素[1]。 由于水中爆炸近场的压力较高,超出一般压力 传感器的测量范围,且测试结果也会受到较大的干 扰,所以这方面的试验研究较少。 目前主要采用高 速扫描或分幅相机、锰铜计、PVDF 压力计等开展这 方面试验工作,如 Kira 等[2]利用高速扫描相机观测 了球形 SEP 炸药水中爆炸近场冲击波轨迹线; Dorsett 等[3]利用分幅和扫描相机获得了含铝炸药 水中爆炸时清晰的图片及冲击波阵面的运动轨迹; Itoh 等[4]采用扫描相机研究了柱形装药水中爆炸时 沿径向的近场冲击波传播特性;赵继波等[5-6]利用转 镜式高速相机观测了圆柱形 TNT 及 RDX/ Al 体系 炸药水中爆炸时冲击波沿药柱轴向的传播轨迹,并 推导出其近场阵面压力沿轴向的衰减规律;池家春 等[7]尝试利用锰铜计和 PVDF 压力计测量了 B 炸药 水中爆炸近场冲击波的阵面压力。 而对于水中兵器 常采用的 RDX/ TNT/ Al 及 RDX/ AP/ Al 体系的炸 药,这方面的研究却鲜见报道。 本研究针对这两种体系中的 RS211 RDX/ TNT/ Al/ Wax60. 8/19/17/3. 2和 GUHLRDX/ AP/ Al/ 黏结剂35/32/23/10炸药均以质量比,采用 高速扫描相机观察水中爆炸近场冲击波的传播轨 迹,并分析了这两种炸药近场冲击波阵面压力衰减 规律的差异。 此外,作为参照,对 TNT 炸药进行了 类似的试验研究。 1 试验部分 1. 1 样品准备 试验样品为 TNT、RS211 和 GUHL 柱形装药,其 质量均为 215 g, 底面直径为 50 mm, 长径比为 1. 2 1. 4︰1。 TNT 药柱为铸装,密度为 1. 59 g/ cm3,RS211 和 GUHL 药柱均为浇注成型,其密度分 别为 1. 74 g/ cm3和 1. 82 g/ cm3。 传爆药为 JH-14 压装药柱,尺寸为 25 mm 25 mm,密度为 1. 67 g/ cm3,将传爆药柱粘接在主装药上方的中心位置处。 1. 2 光学测试原理 炸药在水中爆炸以后产生的冲击波在传播过程 中,由于水介质受到较大压力,导致冲击波阵面所到 之处,水的密度增大,而使得透明度大大降低。 此 时,若在水箱的后面设置一个很强的闪光源,则随着 冲击波的传播,移动的暗层能在高速扫描相机的底 片上留下相应的轨迹,该轨迹即为水中冲击波传播 的轨迹。 1. 3 试验装置及布局 试验在400 mm 400 mm 400 mm 的正方体水 箱中进行,为保证试验底片的清晰度,在水箱的制作 过程中尽可能选用厚度小的玻璃,但同时也要使其 62 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期 ❋ 收稿日期2014-02-24 基金项目 国家安全重大基础研究项目 作者简介 沈飞1983 ,男,硕士,工程师,主要从事炸药爆轰性能试验与理论研究。 E-mail shenf02@163. com 能够承受水的静态压力。 采用两根细铁丝将药柱悬 挂在水箱的盖板上,调节盖板,使得药柱处于水箱的 中部,且药柱轴线与水面垂直,药柱全部没入水中。 试验所用相机为 SJZ-15 型转镜式高速扫描相机,速 度定为 3 mm/ μs,采用 200 mm 300 mm 氩气弹 作为试验的照明设备。 试验时,相机的狭缝对准药 柱的轴线,氩气弹放置于水箱后方,其轴线与相机光 轴重合。 试验布局及照片如图 1 所示。 此外,为了 获得试验底片的放大比,可在水箱前端玻璃上粘贴 一个标尺,然后采用高速相机拍摄静止圆孔像,起爆 前将标尺取回。 a示意图 b试验装置 图 1 试验测试布局 Fig. 1 Layout of test 2 结果与讨论 2. 1 数据处理 通过对冲击波传播迹线的扫描底片其典型形 状如图2所示,横向表示时间,纵向表示传播距离 进行数字化判读,并结合图像的放大比及相机扫描 速度,便得到冲击波传播距离随时间变化的一系列 数据点其曲线如图3所示,然后对其进行拟合。 图 2 典型扫描迹线GUHL Fig. 2 Typical scanning beam GUHL 图 3 冲击波传播距离随时间变化的曲线 Fig. 3 Distance-time curves of shock wave 本研究采用一种非线性函数对试验数据进行拟合, 其具体形式如下[4] y = ∑ n i =1Ai[1 - exp - Bit] + c0t。 1 式中y 为冲击波沿装药轴向的传播距离,mm;c0为 水中的声速,1. 483 mm/ μs;t 为时间,μs;Ai、Bi均为 拟合参数。 将式1对时间 t 求导,可获得冲击波的 传播速度 us us= ∑ n i =1AiBiexp - Bit + c0。 2 从式2可以看出,随着 t 的增大,冲击波的传 播速度不断下降,且逐渐趋向于 c0,这也符合冲击波 在水中的传播规律。 在数据处理过程中,一般 n =2 时,就具有很好的拟合精度,其具体拟合系数列于表 1 中。 表 1 拟合系数 Tab. 1 Fitting coefficients 炸药 A1/ mm B110 -1 / μs -1 A2/ mm B210 -3 / μs -1 TNT35. 2161. 03876. 2673. 950 RS211 35. 3161. 096110. 8783. 710 GUHL 28. 3300. 98440. 5279. 560 2. 2 近场冲击波参数的变化 由于狭缝方向与冲击波阵面垂直,则 us为波阵 面上的法向速度。 根据水的冲击绝热方程及动量守 恒关系,可以获得冲击波的阵面压力 ps[2] us= c0+25. 306lg1 + up/5. 19;3 ps= ρw0usup。4 式中up为冲击波后的粒子速度,mm/ μs;ρw0表示水 的初始密度,取 1. 0 g/ cm3。 此外,该试验所得数据 还可以根据 Goranson 公式5计算出被测炸药的爆 压 pCJ pCJ= 1 2 up0ρw0us0+ ρ0D。5 式中us0和 up0分别表示 y = 0 时水中的初始冲击波 722014 年 10 月 两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究 沈 飞,等 传播速度和波后的粒子速度;ρ0为炸药的密度, g/ cm3;D 为炸药的爆速,mm/ μs。 结合式1 式5,可计算出水中爆炸近场范 围内,轴向冲击波的传播速度及冲击波阵面压力的 变化曲线,分别如图 4 和图 5 所示,而初始参数及炸 药的爆压则列于表 2 中。 图 4 冲击波传播速度随距离变化的曲线 Fig. 4 Propagation velocity of shock wave as a function of distance 图 5 冲击波阵面压力随距离变化的曲线 Fig. 5 Shock front pressure as a function of distance 表 2 水中爆炸近场冲击波的初始参数 Tab. 2 Initial parameters of near-field shock wave by underwater explosion 炸药 D/ mm μs -1 us0/ mm μs -1 up0/ mm μs -1 ps0/ GPa pCJ/ GPa TNT6. 865. 442. 2512. 2418. 38 RS2117. 685. 762. 4714. 2423. 64 GUHL6. 624. 661. 748. 1014. 52 注ps0为水中初始冲击波阵面压力。 水中冲击波的初始阵面压力主要与炸药的爆压 有关,而传播速度则主要是由阵面压力的由大到小 决定的。 由于这 3 种炸药爆压的由大到小顺序为 RS211、TNT、GUHL,所以它们在水中爆炸初期,其冲 击波阵面压力和传播速度的大小顺序也是一样的 图 4 和图 5。 此外,在冲击波的传播过程中,波阵 面上存在不可逆的能量损耗,主要是冲击波部分动 能转换成了介质的热能,且冲击波的阵面压力越大, 能量的不可逆损失量越大[8],这也使得阵面压力衰 减速率存在较大的差异图 6。 图 6 阵面压力衰减速率随距离变化的曲线 Fig. 6 Pressure attenuation rate of shock front as a function of distance 从图 4、图 5 和图 6 中可以看出,GUHL 炸药由 于含有大量的 AP,其爆速和爆压相对较低,导致其 初始冲击波压力及传播速度较低,但这也降低了传 播过程中的热损失能,且该炸药的铝氧比约为 0. 4, 其水中爆炸的冲击波能在 RDX/ AP/ Al 体系的炸药 中相对较高[9-10],铝粉与爆轰产物的后续反应为冲 击波的传播提供了持续的能量补充,使得冲击波阵 面压力的衰减相对平稳、缓慢。 虽然 TNT 炸药的初始冲击波压力比 GUHL 高 一些,但是其传播过程中的热损失能也相应增加,且 后续缺乏能量补充,导致冲击波传播速度及压力衰 减较快,在传播距离约为 80 mm 时,其阵面压力已 下降至 0. 48 GPa,传播速度下降至 1. 99 mm/ μs,而 该距离处 GUHL 炸药产生的冲击波阵面压力为0. 42 GPa,传播速度为 1. 93 mm/ μs,两者差距已较小。 RS211 炸药中的 RDX 和 TNT 成分比例相对较 高,其初始冲击波压力达到 14. 24 GPa,在冲击波传 播初始阶段,衰减速率相对较快,与 TNT 炸药比较 接近,但由于铝粉的后续反应,使得其传播至 60 mm 后,压力的衰减速率比 TNT 明显变慢,而逐渐与 GUHL 接近,这一点从图 4 的冲击波传播速度曲线 可以更清晰地看出,传播至80 mm 后,RS211 和 TNT 的波速曲线之间的差距变化较小。 虽然 RS211 炸 药水中爆炸的近场冲击波阵面压力高于 GUHL 炸 药,但文献[9]的试验结果显示,RS211 炸药的水中 爆炸冲击波能仅为 1. 35 倍 TNT 当量,而铝氧比约 为 0. 4 的 RDX/ AP/ Al 体系炸药约达到 1. 7 倍 TNT 当量。 这也表明 AP 的加入可以使 GUHL 炸药中的 铝粉反应更充分、持续释能时间更长,使得冲击波在 传播至一定距离后,其压力甚至可能高于 RS211 炸 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 5 期 药,这方面的试验研究可以通过增大相机的观测视 场或者采用压力传感器进行。 3 结论 1水中冲击波的初始阵面压力及传播速度主 要与炸药的爆压有关,其由大到小的顺序均为 RS211、TNT、GUHL。 2在冲击波的传播过程中,其阵面压力迅速衰 减,但由于含铝炸药中的铝粉与爆轰产物存在后续 反应,从而减缓了阵面压力的衰减速率。 GUHL 炸 药同时还含有大量的 AP,使得其反应周期较长,铝 粉反应更充分,其衰减速率比 RS211 和 TNT 更为缓 慢。 参 考 文 献 [1] 李金河, 赵继波, 谭多望, 等. 不同起爆方式对含铝 炸药水中爆炸近场冲击波压力的影响[J]. 高压物理 学报, 2012,263 289-293. 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Furthermore, with the initial parameters of shock wave the detonation pressures of these explosives were calculated based on Goranson relation. The results show the decreased initial pressures of shock wave in the order of RS211, TNT and GUHL, decreased speed of front pressure attenuation due to the reaction of aluminum which is minimal in GUHL. [KEY WORDS] explosion mechanics; aluminized explosive; underwater explosion; shock wave at close-field; high speed scanning camera 922014 年 10 月 两种含铝炸药水中近场冲击波传播规律研究 沈 飞,等