温压弹在有限空间内爆炸的超压测试和分析.pdf

4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 8 卷第5 期 温压弹在有限空间内爆炸的超压测试和分析。 陈昊陶钢 南京理工大学动力工程学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要】文章测试了开阔空间和有限空间条件下冲击波的超压，对比分析了冲击波的波形变化规律，从而得到 有限空间的冲击波传播特点和影响杀伤效果的因素。 [ 关键词] 温压弹冲击波超压有限空间测试 [ 分类号] 0 3 4 7 ．5 1 引育 1 9 世纪，W ．J ．M ．R a n k i n e 和H ．J ．H u g o n i o t 建立 了冲击波的状态方程，由此奠定了冲击波的理论研 究基础。二战期间，核武器的出现使人们认识到了 冲击波的强大破坏力。 对于爆炸冲击波的研究主要是通过大量的试验 数据进行对比分析，从而得到各种条件下爆炸冲击 波的传播规律和经验方程。N ．H ．E t h r l d g e 【l 】结合实 验数据给出了理想爆炸冲击波在空气中的衰减方 程。S ．G l a s s t o n e 【2 1 则提出冲击波在刚性壁面上发生 正反射后，反射波超压与入射波的强弱有关，最大可 以达到人射波强度的8 倍。E ．M a t h 【3 1 在1 8 7 7 年就 指出斜反射存在一个临界角 取决于冲击波强度 ， 超过该角度后人射冲击波和反射波会合并形成第三 个冲击波，即马赫波。这些理论成为了研究爆炸冲 击波传播的基础。 2 0 世纪8 0 年代出现的温压弹是基于空气燃烧 弹发展而成的新型武器，2 0 0 1 年被美军首次用于阿 富汗战场，其主要杀伤手段是高温和冲击波。其中 冲击波对于有限空间内的生物杀伤效果尤为明显， 这主要是因为爆炸产生的冲击波会因为墙壁和其他 表面产生多次反射，在相同作用距离下与开放空间 相比，封闭空间内的人员遭受冲击波作用的强度和 作用时间都会增加H 。】。 试验针对轻型温压弹，分别在开阔空间和有限 空间内对其爆炸产生的冲击波进行测试，通过得到 的冲击波超压曲线进行对比分析，希望得出温压弹 在有限空间爆炸后的冲击波波形特点和不同空间结 构对冲击波的影响。 2 开阔空间的冲击波超压测试及分析 在开阔空间进行的试验中，温压药采用固体压 装成型装药，装药质量0 ．7 1 5k g ，放在铝制的战斗部 中，离地高度为0 ．6m 。测试压力传感器为K I S - T I E R 公司生产的2 1 1 8 5 型，采用的是地面布置传 感器的方法。瞬态数据记录仪是D E W E T B O N 公司 生产的2 0 1 0 型。摄像采用的是P H O T R O N 公司生 产的A P X 高速摄像系统。药柱两边2 ．5m 处立有 标记杆，高度为3m ，用于标定火球大小。爆炸场景 见图l 。 图1 温压弹在开阔空间的爆炸试验 由两横杆标记可看到，火球高度超过3m ，直径 约5m 。冲击波的超压测试结果见图2 。 图2 开阔空间2 ．5 m 处的超压曲线 由图2 可见，温压弹在空旷地爆炸产生的冲击 波超压在达到峰值后会迅速衰减，随后长时间都处 于负压的区域。需要注意的是，炸药在空气中爆炸 时，冲击波以球对称状向外传播。当冲击波与地面 收稿日期2 0 0 9 - 0 3 - 2 0 基金项目国家自然科学基金 1 0 s 0 2 0 3 s 作者简介陈吴 1 9 8 0 一 ．男，博士研究生，主要从事爆炸及其相互作用研究。b t l l t l l ；e , h e n l m 0 1 0 1 9 ．．8 0 s o h u ．硼 万方数据 2 0 0 9 年l O 月温压弹在有限空间内爆炸的超压测试和分析陈吴等 5 相碰时，产生了冲击波的地面反射。冲击波的地面 反射可以分为规则反射、过渡反射、非规则反射和半 球反射四种№j 。非规则反射的特征是反射波阵面 和入射波阵面的交点离开地面，交点的下面是马赫 杆波阵面。它的底部垂直于地面。该交点通常称为 。三波点”。三波点的位置和马赫杆的高度随时间 和距离而变，相应的三波点轨迹是一条上凹的曲 线L 7 J 。爆炸冲击波阵面的示意图见图3 。 ．| Ⅳ o 传感器 图3 冲击渡传播与传感器布置图 实际测量时，如果压力传感器布放在三波点之 上，可测得入射波和反射波两个波峰，如果压力传感 器布放在三波点之下，所测压力为马赫杆波阵面的 超压。 对于试验的测试结果，首先需要确定爆炸冲击 波的反射类型，因为温压药等效的T N T 装药1 1 0 1 ．2 6k g ，爆炸高度H 0 ．6m ，可得 近H 立叠0 ．6 - 1 ．8 由此根据文献查出马赫反射的临界角‰ 4 0 。【7 1 。在试验中，2 ．5 m 处的入射角钆 a r c t a n 2 ．5 ／0 ．6 7 6 ．5 。，显然铷 ‰，因此试验2 ．5 m 处测得的冲击波超压属于马赫反射。 下面用理论计算对上述分析进行验证。设一装 药埘在地面爆炸，由于地面阻挡，冲击波不是向整 个空间传播，而只向一半空间传播，被冲击波带动的 空气量减少一半，因此可看作是两倍的装药在元限 空间爆炸，并考虑到地面的吸收作用，可得超压计算 公式【。】 卸曲 1 ．0 3 孚 3 ．9 9 孚 2 1 2 ．6 半 3 1 其中，需满足下列约束条件 l ≤- s r 卢 1 0 ．1 5 V w 式中A p 曲装药在地面爆炸时冲击波的超压， 1 0 5 P a ； 埘哪盯装药，k g ； ，到爆炸中心的距离，m 。 由于传感器测得的是马赫反射压力，因此压力’ 值应为 却_ 却面 1 嗽‰ 2 在试验中，温压药等效的耵盯装药埘 1 ．3k g ， 传感器距爆心的距离， 2 ．5 7 m ，入射角仇 7 6 ．5 。。将上述数据带人方程 1 、 2 可得非马赫 反射压力值△p 由 2 0 6 k P a ，马赫反射压力值△p ． 2 4 7 k P a 。与试验测得的压力峰值2 3 6 k P a 的误差分 别为1 2 ．7 ％和4 ．7 ％，可见上述对试验结果的分析 是正确的。 3 有限空间的冲击波超压测试和分析 有限空间的超压试验在一个封闭的房间内进 行。温压药柱质量为0 ．7 1 5l 【g ，位于5X6 3 穹 9 0 m 3 房间的正中央，离地有0 ．6m 。测量仪器与开 阔空间的相同。具体的试验场地布置见图4 。 a 试验场地布置； b 传感器的布置 图4 有限空间布置图 由于有限空间内存在固壁反射，以及各反射波 会相互作用，因此实际的波系非常复杂。图5 是各 测试点获得的超压波形。超压峰值结果见表l 。 图5 且 和 e 的l 。和3 。传感器在地面，第一个 超压峰值为马赫波，后面跟随两个小峰为正面墙壁 和侧面墙壁的反射波，反射波峰值很小。 图5 b 和 d 的2 。和4 ‘传感器在距地面1 ．5l i D ． 高的壁面上，超压曲线存在两个较高峰值，第一峰值 万方数据 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 8 卷第5 期 霍 00 ．0 3O ．0 6O ．0 9O ．1 2 t ／s a 2 8 0 董 ．1 4 0 2 0 0 定1 0 0 鼍 o ．1 0 0 00 ．0 30 ．0 60 ．0 90 ．1 2 t ／s C o 00 ．0 30 ．0 60 ．0 90 ．1 2 t ／s c ，，s d 0 ．0 3o ．0 60 ．0 90 ．1 2 t ／s D a l ’传感器超压测试； b 2 ‘传感器超压测试； c 3 。传感器超压测试； d 4 。传感器超压测试； e 5 。传感器超压测试； t 6 。传感器超压测试 图5 有限空间传感器的超压测试 表1 温压炸药的超压测试率，而对生物等软目标的损伤则主要取决于冲击波 为人射冲击波，第二峰值为反射冲击波和稀疏波的 合成波。 图5 e 和 f 的5 。和6 。传感器在屋内拐角地 面上，第一峰为马赫波，第二、三峰值超过第一峰值， 它们均为合成马赫反射波。 由测试结果可知，多峰值超压是有限空间的特 征。有限空间拐角处的第二、三超压峰值超过第一 峰值。与开阔空间相比，在相同的距离2 ．5m 处，如 果位置相同，如有限空间中的3 。和开阔空间的传感 器都在地面，则测得的最大超压峰值是相似的，只是 有限空间的超压曲线会因为空间结构的影响出现多 峰；如果位置不同，如有限空间中的2 。在墙上，其波 形和超压峰值都与开阔空间有很大的不同。而且通 过超压曲线可以看出有限空间负压在⋯1 0 0 2 0 0 k P a 左右，远大于开阔空间最大一6 0k P a 的负压。 有证据说明【9 】，负压也是造成杀伤的重要因素。 研究表明，冲击波对目标毁伤破坏效应主要依 赖于峰值压力和压力持续时间。其中对建筑物等硬 目标的破坏主要取决于峰值压力和物体的固有频 持续时间[ 5 】。在简化研究中认为冲击波间断面前 后物质的密度、速度等参量在间断面上发生了突变， 但实际上间断面是个有限厚度的过渡层，这个厚度 就是冲击波的宽度，它直接决定了冲击波的持续作 用时间。在同一介质中，冲击波的宽度随冲击波强 度的增大而减小。根据物质守恒、动量守恒和能量 守恒，再考虑到内摩擦和导热性的约束，可以得到有 关冲击波厚度的公式m 】 艿‰ 3 O 2 1 L j J p 2 _ p 1 等 卯 式中a 与声吸收系数有关的参数； y 比容； p 。、p 分别是冲击波前后的压力。 由气体动力学的理论可得口．∥c 2 ，掣． 印 附，p 俨一c 2 ，c 为声速，z 为冲击波中平均气温的分 子自由程。因此可得到以下关系 6 一Z 即冲击波宽度与介质的平均分子自由程是同一量级 的。 在试验中，开阔空间2 ．5m 处的脉冲宽度为1 ．3 h i s ，有限空间同距离处的宽度为1 ．0m s 和1 ．1i n s 。 而在有限空间中，尽管传感器的位置不同，但脉冲宽 度基本上随距爆心距离的增加而增加，可见外部空 间的结构对脉冲宽度基本无影响。综上所述，冲击 万方数据 2 0 0 9 年1 0 月 温压弹在有限空间内爆炸的超压测试和分析陈吴等 7 波的宽度主要由介质特性和冲击波强度决定，并非 由空间结构等外界因素决定。 4 结论 有限空问中的冲击波传播比较复杂，它与空问 结构和密闭程度有很大的关系。就试验超压测试结 果来说，具有以下特征 1 多峰值超压是有限空间的特征。其中墙壁 上存在第二峰值，但小于第一峰值；地面上只存在一 个较大峰值，为马赫波；有限空间拐角处的第二、三 峰值超过第一峰值。 2 有限空间负压远远大于开阔空间，负压也 是杀伤的因素之一，但如何准确标定还是个问题。 3 冲击波的脉冲宽度并不因外部空间的不同 而有变化，主要由介质特性和激波强度决定。在有 限空间中脉冲宽度的总体趋势是距爆心越远，因为 强度的下降宽度越大。 温压弹在有限空间爆炸产生的冲击波超压与在 开阔地相比，在空间结构复杂的地方如墙壁和拐角 处不但强度加大，而且产生了多峰现象，后者对于杀 伤作用的效果有显著的增强【l l 】，但目前还没有一个 定量的标准，需要进一步研究。 参考文献 【1 】N ．H ．E t b r i d 伊．AP r o c e d u l 七f o rR e a d i n ga n ds m o o t h i ．g P r e e s u r e - 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