繆玉松,李曉杰,王小紅,閆鴻浩,陳 翔

(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

爆轟波碰撞的聚能效應(yīng)*

繆玉松,李曉杰,王小紅,閆鴻浩,陳 翔

(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

利用兩高爆速導(dǎo)爆索對(duì)稱布置于藥卷兩側(cè)，起爆后炸藥爆轟波在對(duì)稱線處匯聚碰撞，當(dāng)碰撞角度達(dá)到一定值時(shí)，發(fā)生馬赫反射，使爆轟壓力成倍增加，形成高壓、高能量密度區(qū)域的聚能效應(yīng)。本文在爆轟波傳播碰撞理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)炸藥做功能力和猛度試驗(yàn)驗(yàn)證爆轟波碰撞的聚能效果。做功能力試驗(yàn)結(jié)果表明爆轟波碰撞能夠增加炸藥能量利用率；猛度試驗(yàn)結(jié)果表明采用對(duì)稱起爆技術(shù)下的爆轟波碰撞能夠改變爆轟波在特定方向上的擴(kuò)散作用。試驗(yàn)結(jié)果與爆轟波入射角的幾何關(guān)系表明，當(dāng)高爆速起爆藥條與主裝藥爆速比例在1.15倍以上時(shí)，爆轟波碰撞能夠達(dá)到一定的聚能效果。

爆轟波;聚能效應(yīng);馬赫反射;鉛壔法;鉛柱壓縮法

爆轟波碰撞聚能效應(yīng)是利用對(duì)稱高爆速炸藥條帶動(dòng)低爆速主裝藥爆轟，使爆轟波在中心線上發(fā)生匯聚碰撞，產(chǎn)生馬赫反射且爆轟壓力成倍提高的現(xiàn)象。自爆轟波反射被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科研工作者便開始通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等對(duì)爆轟波傳播過(guò)程進(jìn)行研究[1-2]。馮其京等[3]采用二維有限差分法歐拉程序?qū)勰苎b藥的爆轟波形成、傳播及相互作用過(guò)程進(jìn)行模擬；秦健飛等[4]運(yùn)用瞬時(shí)爆轟理論對(duì)雙聚能爆轟的散射面進(jìn)行分析，求得炸藥的有效利用率；趙長(zhǎng)嘯等[5]利用LS-DYNA 3D有限元軟件對(duì)多點(diǎn)起爆時(shí)爆轟波碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在碰撞位置出現(xiàn)超壓現(xiàn)象；劉建青等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究不同起爆點(diǎn)數(shù)對(duì)爆炸成型彈丸性能的影響；曹雄等[7]得出在保證時(shí)間同步的情況下，增加起爆點(diǎn)有利于提高環(huán)形傳爆藥柱輸出的壓力；韋祥光[8]在分析爆轟波傳播碰撞的基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋁板壓縮試驗(yàn)，從客觀上反映了爆轟波碰撞爆壓增強(qiáng)的現(xiàn)象；王宇新等[9]運(yùn)用物質(zhì)點(diǎn)法模擬爆轟波傳播及碰撞過(guò)程，驗(yàn)證了爆轟波碰撞導(dǎo)致爆壓增強(qiáng)的現(xiàn)象。本文中以爆轟波碰撞理論為基礎(chǔ)，通過(guò)炸藥做功能力和猛度試驗(yàn)驗(yàn)證爆轟波碰撞的聚能效應(yīng)。

1 爆轟波碰撞相關(guān)理論

根據(jù)C-J理論和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程，炸藥爆轟壓力可由下式[10]求解：

(1)

式中：ρ0為炸藥的裝藥密度；D為炸藥爆速。k為炸藥多方指數(shù)，對(duì)于裝藥密度大于1.0 g/cm3的炸藥，其值可由下式[11]求解得到：

(2)

聯(lián)立(1)和(2)式可得，對(duì)于密度為1.47 g/cm3、爆速為6 500 m/s的導(dǎo)爆索等高能炸藥，其爆轟壓力為16 GPa；而對(duì)于密度為1.0 g/cm3、爆速為3 600 m/s的硝酸銨類工業(yè)炸藥，其爆轟壓力為4 GPa，僅為上述炸藥爆轟壓力的25%。因此，若能將普通硝銨類工業(yè)炸藥的爆轟壓力提高到高能炸藥爆轟壓力的水平，擴(kuò)大炮孔破碎區(qū)的范圍，對(duì)提高爆破效果有重要意義。

根據(jù)爆轟波反射理論[10]，當(dāng)兩爆轟波發(fā)生正碰撞時(shí)，可認(rèn)為其中一條爆轟波與剛壁面發(fā)生正反射，反射后與反射前的爆轟壓力比β1與炸藥多方指數(shù)k之間的關(guān)系式為：

(3)

對(duì)于k=2.8的導(dǎo)爆索等高能炸藥，碰撞造成的壓力增長(zhǎng)比為2.4；即使對(duì)于k=1.5的低密度硝酸銨類工業(yè)炸藥，碰撞造成的壓力增長(zhǎng)比僅為2.5?？梢?jiàn)正反射爆轟的超壓對(duì)k值并不敏感。然而，隨著爆轟波碰撞角度的增大，兩爆轟波將以斜入射的方式發(fā)生反射。此時(shí)，爆轟壓力比β2可由下式求得：

(4)

式中：φ為爆轟波反射角；θ為斜入射后爆轟波的偏轉(zhuǎn)角，其值可由下式求解得到：

(5)

式中：φ為爆轟波入射角。根據(jù)文獻(xiàn)[10]爆轟波入射角φ與反射角φ的關(guān)系為：

(6)

圖1 爆轟波碰撞形成馬赫反射示意圖Fig.1 Mach reflection results from detonation wave collision

圖2 炸藥做功能力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.2 Test field of explosive-determination of power

聯(lián)立(2)和(4)～(6)式，對(duì)于密度1.0 g/cm3的炸藥，可求得爆轟波發(fā)生斜反射時(shí)的爆壓增長(zhǎng)比β2=2.41～2.61。當(dāng)入射角達(dá)到46.4°時(shí)，若繼續(xù)增大，此時(shí)反射角φ無(wú)解，說(shuō)明反射波已經(jīng)脫離固壁，產(chǎn)生馬赫反射現(xiàn)象，如圖1所示。根據(jù)斜沖擊波馬赫反射理論，若將馬赫反射爆轟波釋放的能量近似的認(rèn)為與正常爆轟相同時(shí)，則馬赫反射后的爆壓與正常爆壓的比β3可用下式表述：

(7)

至此，在柱狀截面兩側(cè)對(duì)稱起爆時(shí)，爆轟波首先在中心線處發(fā)生正碰撞，隨后以斜入射的方式發(fā)生反射,當(dāng)入射角度達(dá)到46.4°時(shí)，則產(chǎn)生馬赫反射，使爆壓升高達(dá)到3.22倍，遠(yuǎn)超過(guò)正碰撞和斜反射的2.41～2.61倍。由此可見(jiàn)，通過(guò)爆轟波碰撞能夠達(dá)到爆壓增強(qiáng)的目的。

2 炸藥做功能力試驗(yàn)

2.1 爆轟波聚能炸藥做功能力測(cè)試方法

鉛壔法作為一種傳統(tǒng)的炸藥做功能力檢測(cè)方法，由于其不需要特殊的設(shè)備，操作流程簡(jiǎn)便，已成為國(guó)際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法。根據(jù)鉛壔法試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[12]，設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)：(1)對(duì)稱分離式導(dǎo)爆索起爆(簡(jiǎn)稱分離式)，用于驗(yàn)證爆轟波碰撞的聚能效果；(2)電雷管起爆，用于模擬正常爆破作業(yè)；(3)中心并攏式雙導(dǎo)爆索(簡(jiǎn)稱并攏式)，用于形成對(duì)比試驗(yàn)，觀察中心連續(xù)起爆效果；(4)僅雙導(dǎo)爆索，用于修正導(dǎo)爆索的做功能力。試驗(yàn)時(shí)，稱取等質(zhì)量(10 g)的炸藥并用模具壓至相同的密度(1.0 g/cm3)進(jìn)行試驗(yàn)。為減少誤差，每組試驗(yàn)進(jìn)行2次平行試驗(yàn)取均值，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)溫度為-14 ℃，利用插值法確定體積修正為+12%，試驗(yàn)數(shù)值如表1所示。從表1可知，銨油炸藥在電雷管起爆下的擴(kuò)容體積為229.25 ml，利用分離式導(dǎo)爆索起爆的擴(kuò)容體積與并攏式相當(dāng)，比電雷管起爆的擴(kuò)容體積提高13.06%。對(duì)爆破后的3組鉛壔孔深度變化進(jìn)行測(cè)量，分離式導(dǎo)爆索起爆后的孔深增加值為18 mm，比并攏式起爆提高16.13%，比電雷管起爆提高80%。這表明運(yùn)用分離式起爆能夠?qū)崿F(xiàn)爆轟波的碰撞，達(dá)到提高炸藥能量利用率和局部聚能的目的。

表1 炸藥做功能力試驗(yàn)結(jié)果

3 炸藥猛度試驗(yàn)

3.1 猛度試驗(yàn)測(cè)試方法

圖3 炸藥猛度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)Fig.3 Test field of explosive-determination of brisance

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)猛度試驗(yàn)測(cè)試方法[13],為了驗(yàn)證不同爆速炸藥的對(duì)稱起爆聚能效果，分別選取蓬松硝酸銨、乳化炸藥和黑索金3種炸藥，每種炸藥又分分離式、電雷管、并攏式3種起爆形式，每種起爆形式進(jìn)行不少于2組的平行試驗(yàn)。制作藥卷時(shí)，分別稱取(50±0.1)g炸藥，用模具將每組炸藥壓至相同的密度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)后,分別測(cè)量并計(jì)算鉛柱的壓縮高度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用分離式高爆速導(dǎo)爆索起爆低爆速蓬松硝酸銨的平均壓縮值較乳化炸藥高44.25%。相對(duì)于另外2種起爆方式，分離式起爆的壓縮值較電雷管起爆降低8%，較并攏式起爆提高5.9%。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，分離式和并攏式起爆并沒(méi)使炸藥猛度值提高，反而有所降低。主要原因是分離式起爆時(shí)，高爆速炸藥爆轟后形成的高壓氣體空腔，加速了爆轟波的釋放。但爆轟波在中心位置的碰撞，使得釋放的爆轟波得到部分補(bǔ)償；并攏式起爆時(shí)，爆轟波從藥柱中心往上沖出，使下向爆轟波發(fā)生衰減，極大地減少了作用在鋼板上的爆轟壓力，使鉛柱壓縮值大幅下降。然而，對(duì)于與高爆速起爆藥條導(dǎo)爆索爆速相當(dāng)?shù)暮谒鹘饋?lái)說(shuō)，并攏式起爆較電雷管起爆鉛柱壓縮值僅降低1.2%，且在分離式起爆黑索金時(shí)，由于爆轟波碰撞作用使爆壓強(qiáng)度的增大，致使鉛柱在中心發(fā)生劈裂。說(shuō)明此時(shí)，爆轟波擴(kuò)散和傳播的速度相當(dāng)，爆轟空腔并沒(méi)有使爆轟波能量大范圍釋放。

李曉杰等[14]指出當(dāng)高爆速炸藥為低爆速炸藥爆速的1.15倍以上時(shí)的爆轟波碰撞，才會(huì)產(chǎn)生斜反射或馬赫反射現(xiàn)象。該結(jié)果與導(dǎo)爆索起爆低爆速炸藥蓬松硝酸銨和乳化炸藥時(shí)猛度降低的現(xiàn)象吻合。同時(shí)，也為導(dǎo)爆索在起爆與其爆速相當(dāng)?shù)暮谒鹘饡r(shí)不能達(dá)到聚能效果提供了試驗(yàn)支持。

表2 炸藥猛度試驗(yàn)結(jié)果

注：編號(hào)()中的數(shù)字對(duì)應(yīng)圖3中試驗(yàn)后鉛柱上的標(biāo)號(hào)。

4 結(jié) 論

在爆轟波傳播發(fā)生正碰撞、斜碰撞和馬赫反射理論的基礎(chǔ)上，開展炸藥做功能力和猛度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，驗(yàn)證爆轟波碰撞的聚能效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)高爆速導(dǎo)爆索起爆低爆速炸藥，使爆轟波在中心線處匯聚碰撞。當(dāng)發(fā)生正規(guī)碰撞時(shí)，爆壓可達(dá)到爆轟壓力的2.4倍，隨后產(chǎn)生爆轟波的斜反射，當(dāng)爆轟波入射角增大至46.4°時(shí)(密度1.0 g/cm3的炸藥)，產(chǎn)生馬赫反射，爆壓可增加至3.22倍，達(dá)到爆壓增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)聚能效應(yīng)的目的。

(2)炸藥做功能力試驗(yàn)結(jié)果表明，分離式與并攏式導(dǎo)爆索起爆做功能力基本相同，比雷管起爆做功能力提高13.06%；但試驗(yàn)后分離式導(dǎo)爆索起爆的孔深卻比并攏式起爆提高16.13%，比雷管起爆提高80%。說(shuō)明采用分離式起爆技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)爆轟波碰撞，達(dá)到提高炸藥做功能力的目的。

(3)炸藥猛度試驗(yàn)結(jié)果表明，只有當(dāng)高爆速炸藥條與低爆速主裝藥達(dá)到一定爆速比例時(shí)，才能達(dá)到較好的聚能效果。驗(yàn)證了欲使爆轟波達(dá)到碰撞聚能的效果，高爆速起爆藥條的爆速至少應(yīng)為低爆速主裝藥爆速的1.15倍。

[1] Dunne B. Mach reflection of detonation waves in condensed high explosivesⅡ[J]. Physics of Fluids, 1964,7(10):1707-1712.

[2] Bohr H, Courant R, Stoker J J. Supersonic flow and shock waves[M]. New York: Interscience Publishers, 1948:331-346.

[3] 馮其京,何鵬程,杭義洪,等.聚能裝藥的歐拉數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊,2008,28(2):138-143. Feng Qijing, He Pengcheng, Hang Yihong, et al. Eulerian numerical simulation of a shaped charge[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(2):138-143.

[4] 秦健飛.雙聚能預(yù)裂與光面爆破技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2014:45-48.

[5] 趙長(zhǎng)嘯,龍?jiān)?紀(jì)沖,等.多點(diǎn)起爆下藥型罩表面壓力分布規(guī)律研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2013,27(1):83-89. Zhao Changxiao, Long Yuan, Ji Chong, et al. Distribution law of pressure on linear surface under multi-point initiation[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2013,27(1):83-89.

[6] 劉建青,顧文彬,徐浩銘,等.多點(diǎn)起爆裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)尾翼EFP成型的研究[J].含能材料,2014,22(5):594-599. Liu Jianqing, Gu Wenbin, Xu Haoming, et al. Effects of multi-point initiation charge configuration parameters on EFP with fins formation[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2014,22(5):594-599.

[7] 曹雄,劉瑛,胡雙啟,等.環(huán)形傳爆藥柱多點(diǎn)起爆數(shù)值模擬及威力測(cè)試[J].火工品,2005,12(5):16-18. Cao Xiong, Liu Ying, Hu Shuangqi, et al. Numerical simulation and power test on the annular booster initiated by multi-point explosive circuit[J]. Initiation Pyrotechnics, 2005,12(5):16-18.

[8] 韋祥光.爆轟波聚能爆破的技術(shù)基礎(chǔ)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2012:40-43.

[9] 王宇新,李曉杰,閆鴻浩,等.爆轟波碰撞聚能無(wú)網(wǎng)格MPM法數(shù)值模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2014,31(2):223-227. Wang Yuxin, Li Xiaojie, Yan Honghao, et al. Simulation on assembling energy of detonation wave by using MPM[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2014,31(2):223-227.

[10] 孫新利.內(nèi)爆沖擊動(dòng)力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2011:37-50.

[11] 趙錚,陶鋼,杜長(zhǎng)星.爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程應(yīng)用研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2009,23(4):277-282. Zhao Zheng, Tao Gang, Du Changxing. Application research on JWL equation of state of detonation products[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2009,23(4):277-282.

[12] 中華人民共和國(guó)機(jī)械電子工業(yè)部.炸藥做功能力試驗(yàn)-鉛壔法:GB 12436-90[S].1991:1-4.

[13] 中華人民共和國(guó)機(jī)械電子工業(yè)部.炸藥猛度試驗(yàn)-鉛柱壓縮法:GB 12440-90[S].1991:1-10.

[14] 李曉杰,李瑞勇,馬玉磬,等.工業(yè)炸藥線型聚能切割器的研制[J].工程爆破,2004,10(2):5-8. Li Xiaojie, Li Ruiyong, Ma Yuqing, et al. Development of a linear shaped charge loaded with an industrial explosive[J]. Engineering Blasting, 2004,10(2):5-8.

(責(zé)任編輯 張凌云)

Munroe effect of detonation wave collision

Miao Yusong, Li Xiaojie, Wang Xiaohong, Yan Honghao, Chen Xiang

(StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DepartmentofEngineeringMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

The Mach reflection occurs when two high-detonation-velocity detonating cords are arranged symmetrically on both sides of the cartridge. After the detonation the explosive’s detonation waves converge and collide along the line of symmetry, multiplying the detonation pressure and forming a Munroe effect region with high pressure and high energy density when the collision angle reaches a certain value. In this paper, explosive-determination of power and brisance tests were conducted based on the theory of detonation wave collision and reflection. The results from the test of the explosive-determination of power show that the detonation wave collision can improve the efficiency of the explosive energy utilization, and those from the test of the brisance show that the symmetrical initiation of the detonation can change its distribution in a particular direction. The geometrical relationship of the experimental results with the incidence angle of the detonation wave shows that, when the initiating explosive velocity is above 1.15 times that of the main charge, the detonation wave collision will produce a certain degree of Munroe effect.

detonation wave; Munroe effect; Mach reflection; lead block test; lead cylinder compression test

10.11883/1001-1455(2017)03-0544-05

2015-09-22；

2015-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10972051,11272081)

繆玉松(1986— )，男，博士研究生; 通信作者: 李曉杰,dalian03@qq.com。

O389 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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