水中爆炸的殉爆试验方法 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001- 8352. 2014. 03. 006 水中爆炸的殉爆试验方法 磁 胡宏伟 ① 鲁忠宝② 郭 炜① 宋 浦① 张立建① ①西安近代化学研究所(陕西西安,710065) ②水下信息与控制国防科技重点实验室(陕西西安,710075) [摘 要] 为了研究弹药水中爆炸的安全性,依据水中爆炸的特点,建立了一种利用冲击波峰值压力和气泡周期 判断水中殉爆的试验方法,可以确定炸药的殉爆距离、殉爆安全距离以及被发装药的殉爆反应程度,通过水中爆炸 试验进行了验证。 结果表明主发装药为带壳 1. 5 mm 铝壳的 GUHL- 1 装药、被发装药为带壳 1. 0 mm 铝壳的 RS211 装药时,殉爆距离 L100约为60 mm,殉爆安全距离 L0约为 120 mm。 根据水中爆炸的冲击波压力和气泡周期 可以可靠地判断被发装药是否发生殉爆,并可以定量估算被发装药的反应程度。 [关键词] 水中爆炸;殉爆;殉爆距离;反应程度;冲击波;气泡周期 [分类号] TQ56;O383 引言 殉爆反映了弹药在爆轰产物、冲击波和破片等 作用下的安全性。 随着反鱼雷武器的发展,殉爆成 为了摧毁水中兵器的作用方式之一 [1- 2] ,因此,如何 判断战斗部水下爆炸时导致另一水中兵器发生殉 爆,对于反鱼雷和水中兵器战场环境的安全性设计 具有重要的意义。 空气介质中,判断被发装药殉爆的方法主要是 依据被发装药放置地点有无残药或残留外壳、见证 板的破坏情况以及冲击波压力来确定。 水下殉爆试验可以通过水箱法及水中爆炸法来 实现。 采用水箱法时,殉爆可以使用空气介质中殉 爆试验的判别方法 [3- 5] ,即被发装药放置地点有无残 药或残留外壳、见证板的破坏情况来确定;但水箱法 操作复杂、试验费用昂贵。 利用爆炸水池进行殉爆 试验是一种较为经济、可行的方法,然而依然存在被 发装药的残药或残留外壳、见证板难以回收的问题; 虽然可以利用冲击波峰值压力判断被发装药的殉爆 情况,但被发装药发生半爆或爆燃时的可靠性不高。 而且上述两种方法只能进行定性的判断,被发装药 反应程度无法量化。 本文依据水中爆炸的特点,建立了一种采用水 下爆炸冲击波峰值压力和气泡周期来判断弹药殉爆 现象的试验方法,并通过试验进行了验证。 该方法 费用较低、操作简单、可靠性较高,不仅可以判断被 发装药是否发生殉爆,还可定量估算被发装药的反 应程度。 1 试验原理 1. 1 水中殉爆的判别方法 炸药装药水中爆炸殉爆示意如图 1 所示。 A - 主发装药;B - 被发装药;C - 水 图 1 炸药装药水中爆炸殉爆示意图 Fig. 1 Sympathetic detonation diagram of explosive charge blasting in water 图 1 中,L 为两个装药的边距。 殉爆距离为主 发装药爆轰时使被发装药 100%发生殉爆的两装药 间的最大距离,以 L100表示;殉爆安全距离为主发装 药爆轰时,使被发装药 100%不发生殉爆的最小距 离,以 L0表示。 当两个装药与测点的距离相同时,单个主发炸 药水中爆炸的冲击波峰值压力为 pm1,气泡周期为 tb1;当被发装药殉爆时,水中爆炸的冲击波峰值压力 为 pm2,气泡周期为 tb2;当被发装药 B 半爆(即被发 522014 年 6 月 水中爆炸的殉爆试验方法 胡宏伟,等 磁 收稿日期2013- 10- 16 基金项目 水下信息与控制国防科技重点实验室基金项目(705JHC2012- 6. 1) 作者简介 胡宏伟(1982 ~ ),男,硕士,工程师,主要从事爆炸力学和战斗部技术研究。 E- mailhhw505@163. com 通信作者 宋浦(1973 ~ ),男,研究员。 主要研究方向为爆炸力学和战斗部技术研究。 E- mailsongpu73@163. com 装药未完全爆轰、熄爆的现象)时,测量到冲击波峰 值压力 pm3和气泡脉动周期为 tb3。 殉爆现象的判据 如下 1)殉爆pm2> pm1,tb2> tb1; 2)半爆pm2> pm3> pm1,tb2> tb3> tb1; 3)未殉爆pm2= pm1,tb2= tb1。 1. 2 殉爆反应程度的计算 两个装药很近时,忽略气泡融合对气泡周期的 影响,被发装药殉爆的反应程度(即被发装药发生 熄爆时,发生反应的炸药质量占被发装药总质量的 比例)可通过气泡周期来确定,气泡周期的计算公 式如下 1)无限水域气泡周期的计算公式 [6] tb= km 1 / 3 / (h + pi/ 101. 325 10. 33) 5 / 6。 (1) 2)有边界效应水域气泡周期的计算公式 [7] tb= k1m 1/ 3 + k2m 2/ 3。 (2) 式(1)和式(2)中m 为炸药质量,kg;tb为气泡周 期,ms;h 为装药深度处静水压力,Pa;pi为试验时的 大气压,kPa;k 是与炸药种类和装药位置有关的常 数;k1、k2为根据试验水池、装药量和装药位置确定 的常数。 对于无限水域,式(1)中 k 值只与炸药的种类 有关,以主发装药的气泡周期为基础,可计算出式 (1)中 k 值。 将 k 值代入式(1)中,即可估算被发装药发生 反应的质量,即反应率。 对于有边界效应水域,通过试验确定 k1、k2,依 据测量的气泡周期即可估算被发装药的反应程度。 不同种类炸药可使用主发装药的爆炸当量 (Dw)来表示 Dw= Qj/ Qi。(3) 式中Qi为主发装药的爆热,kJ/ kg;Qj被发装药的 爆热,kJ/ kg。 被发装药的反应率可通过下式计算 mf= (m- m1)Dw;(4) η= mf/ m2。(5) 式中m 为炸药质量,kg;m1为主发装药的质量,kg; m2为被发装药的质量,kg;mf为发生反应的被发装 药质量,kg;η为被发装药反应程度,%。 2 试验条件 2. 1 试验样品 主发装药为 GUHL- 1 药柱,配方组分为 RDX/ AP / Al/ HTPB,密度1. 817 g/ m 3,尺寸 饱 90 mm 90 mm,质量1. 0 kg,包裹 1. 5 mm 的铝壳;被发装药为 RS211,配方组分为 RDX/ TNT/ Al/ Wax,密度 1. 637 g/ m 3,尺寸 饱 90 mm 90 mm,质量 1. 0 kg,包裹有 1. 0 mm的铝壳。 主发装药采用 8 号铜壳电雷管端 面起爆。 2. 2 试验布局 试验水池 饱 12m 10m,池底和池壁衬有钢板。 试验时,用固定支架将主、被发装药之间的距离确定 为 L,然后使用2 mm 的钢丝绳将主发装药、被发装 药悬吊在水池中心,入水深度5. 0 m,可近似为无限 水域 [8] 。 在同一水平面内距主发装药和被发装药 距离(R)均为 2. 5 m 处布放 2 个水下压力传感器。 采用兰利法 [9- 12] 调整两个装药之间的距离 ,用于获 得其殉爆距离和殉爆安全距离 [13- 16] 。 水下殉爆试 验布局如图 2 所示。 (a)正视图 (b)俯视图 图 2 水下殉爆试验布局图 Fig. 2 Layout of sympathetic detonation test in water 2. 3 测试系统 测试系统包括美国 PCB 公司的 138A 型水下激 波传感器和 482A 型信号适配器,国产微测公司的 高速采集仪。 冲击波信号的采样频率为 20 MHz,气 泡脉动信号的采样频率为 100 kHz。 3 试验结果与讨论 通过水中爆炸后记录得到的压力时间波形, 由软件处理得到冲击波峰值压力和气泡周期,即可 分辨出被发装药是否发生了殉爆。 62 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第3 期 水中爆炸的压力时间波形见图 3,气泡脉动 周期波形见图 4。 图 3 冲击波压力时间曲线 Fig. 3 Pressure- time curve of shock wave 图4 气泡脉动周期与冲击波压力的关系 Fig. 4 Relationship between period of bubble pulsation and shock wave pressure 水中殉爆的试验结果见表 1。 试验时大气压 99. 6 kPa,冲击波峰值压力和气泡周期值为 3 发试 验的平均值。 表1 水中殉爆的试验结果 Tab. 1 Experimental data of sympathetic detonation in water 装药L/ mmpm/ MPatb/ ms状态 GUHL- 116-. 27322. 9空白试验 RS211 160贩16-. 32323. 6否 RS211 120贩16-. 33323. 4否 RS211 100贩16-. 46341. 6半爆 RS211 80牋15-. 71345. 1半爆 RS211 60牋24-. 62381. 7爆 RS211 40牋23-. 58385. 4爆 由表 1 可知,被发装药为 RS211,两个装药的间 距为160 mm 和120 mm 时,测点处的冲击波峰值压 力和气泡周期与单个 1 kg 的 GUHL- 1 装药一致, RS211 炸药没有殉爆;两个装药的间距为 80 mm 和 100 mm 时,测点处的冲击波峰值压力与单个 1 kg 的 GUHL- 1 装药的冲击波峰值压力基本一致,但气 泡周期大于单个 1 kg 的 GUHL- 1 装药,被发装药发 生了半爆;两个装药的间距为 40 mm 和 60 mm 时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期都大于单个 1 kg 的 GUHL- 1 装药的冲击波峰值压力和气泡周期, 被发装药发生了殉爆。 由表1 可以看出,主发装药为 GUHL- 1 炸药时, 在水介质中,RS211 的殉爆距离为 60 mm,当距离 ≤60 mm 时,被发装药 100%发生爆轰;殉爆安全距 离为 120 mm,当距离≥120 mm 时,被发装药 100% 不发生爆轰;60 ~ 120 mm 的范围为一个临界区域, 被发装药可能未完全爆轰,产生熄爆现象;半爆的区 域较大可能是因为主发装药和被发装药壳体与装药 匹配精度的影响,裸装药的试验效果应该更好。 以主发装药的气泡周期为基础,可计算出式 (1)中 k 值等于 3. 096。 当两个装药之间的距离为 80 mm 时,被发装药发生了半爆现象。 GUHL- 1 的 爆热8142 kJ/ kg,RS211 的爆热6197 kJ/ kg。 依据式 (1)计算,可得其试验炸药质量相当于 1. 256 kg 的 GUHL- 1,其中主发装药 1. 0 kg,被发装药 RS211 发 生反应的炸药质量约为 0. 256 1. 31 = 0. 335 kg,约 335 g 的 RS211 发生了反应,被发装药的反应率为 33. 5%。 被发装药完全殉爆时,通过计算可得,相当 于1. 728 kg GUHL- 1 爆炸,其中主发装药1. 0 kg,被 发装药 RS211 发生反应的炸药质量大约为 0. 728 1. 31 = 0. 953 kg,大约953 g 左右的 RS211 发生了反 应,被发装药的反应率为 95. 3%,误差仅为 4. 7%。 因此,水中爆炸的冲击波压力和气泡周期不仅能够 可靠地判别被发装药是否殉爆,还可以定量估算被 发装药的反应程度。 4 结论 1)主发装药为带壳 1. 5 mm 铝壳 GUHL- 1 装药 时,被发装药为带壳1. 0 mm 铝壳的 RS211 装药时, 二者的殉爆距离 L100约为 60 mm,安全距离 L0约为 120 mm。 2)水中爆炸的冲击波压力和气泡周期不仅能 够可靠地判别被发装药是否殉爆,还可以定量估算 被发装药的反应程度。 参 考 文 献 [1] 崔绪生. 国外鱼雷技术进展综述[J]. 鱼雷技术, 2003, 11(1)6- 11. 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The of Sympathetic Detonation Experiment in Water HU Hongwei ①,LU Zhongbao②,GUO Wei①,SONG Pu①,ZHANG Lijian① ①Xi摧 an Modern Chemistry Research Institute(Shaanxi Xi摧an, 710065) ②National Key Laboratory of Science and Technology on Underwater Information and Control (Shaanxi Xi摧 an,710075) [ABSTRACT] In order to study the safety of ammunition explosion in water , according to the characteristics of under - water explosion, a novel use of shock wave peak pressure and bubble period from underwater explosion tests can determine transmission distance, safety distance of sympathetic detonation and reaction degree of sympathetic detonation .The results indicate that the donor charge with 1. 5 mm aluminum shell GUHL - 1 and the acceptor charge with 1. 0 mm aluminum shell RS211 result in about 60 mm transmission distance (L100) and about 120 mm safety distance of sympathetic detonation (L0).Not only the sympathetic detonation could be determined reliably , but also the reaction degree of acceptor charge be estimated quantitatively, by shock wave pressure and explosive bubble period of underwater explosion . [KEY WORDS] underwater explosion; sympathetic detonation; transmission distance; extent of reaction; shock wave; bubble period 82 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第3 期