李尚青，李芝絨，張玉磊，翟紅波

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

受約束空間的影響，戰(zhàn)斗部在船艙等密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的爆炸威力特性和規(guī)律與自由場有很大的差異，彈藥爆炸與結(jié)構(gòu)耦合作用更為復(fù)雜，不僅沖擊波效應(yīng)得到明顯增強，準(zhǔn)靜態(tài)壓力等毀傷方式也不可忽略。炸藥的內(nèi)爆能量包括爆轟和后燃燒過程釋放的能量[1]，沖擊波壓力表征了爆轟過程釋放的能量，但不能反映后燃燒過程釋放的能量。準(zhǔn)靜態(tài)壓力表征了爆炸的總能量[1]?，F(xiàn)有的炸藥內(nèi)爆威力評價方法有沖擊波超壓-沖量法、準(zhǔn)靜態(tài)壓力法、沖擊波沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力法、頂蓋舉起試驗等。

美國溫壓型M72單兵反坦克武器的裝藥選型將不同炸藥內(nèi)爆炸的沖擊波超壓峰值和50ms的沖量作為標(biāo)準(zhǔn)[2]。戰(zhàn)斧導(dǎo)彈的裝藥選型將準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為評價炸藥內(nèi)爆威力的唯一標(biāo)準(zhǔn)[3]。也有研究人員提出應(yīng)綜合考慮總能量和彈藥的應(yīng)用問題，采用沖擊波沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力兩個特征參量各分配一定權(quán)重進(jìn)行疊加的評價方法[4-5]。美國和國內(nèi)西安近代化學(xué)研究所基于炸藥內(nèi)爆炸作用下頂蓋的舉起位移和沖擊波超壓綜合評估內(nèi)爆炸威力[6-7]。

實戰(zhàn)中，戰(zhàn)斗部穿甲、破片穿孔等會形成孔洞，使得爆炸能量不能完全作用于結(jié)構(gòu)，會進(jìn)一步影響內(nèi)爆炸效應(yīng)。相比于完全密閉空間內(nèi)的爆炸，炸藥爆炸與結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)更為顯著，目標(biāo)結(jié)構(gòu)的影響更大，其內(nèi)爆炸威力評價存在特殊性。目前這方面的研究更多的是考慮沖擊波效應(yīng)[2-5]，缺乏綜合多種毀傷方式有效評價炸藥內(nèi)爆炸威力的方法。

本研究考慮破片穿孔作用，在密閉圓筒一端安裝預(yù)制條形孔的薄板，開展不同炸藥的內(nèi)爆炸試驗；在現(xiàn)有內(nèi)爆炸威力評價方法的基礎(chǔ)上，建立以TNT威力為基準(zhǔn)，以沖量-準(zhǔn)靜壓評價方法為基礎(chǔ)，增加結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)參量的綜合評價方法，以期為內(nèi)爆類型的戰(zhàn)斗部裝藥篩選提供技術(shù)依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

采用密閉圓筒爆炸試驗裝置。兩端面為均質(zhì)Q235鋼板，其中一端為圓形端蓋，鋼板厚12mm，設(shè)置有壓力傳感器安裝孔；另一端為薄板，厚1.5mm，幾何中心預(yù)制有56mm×6mm條形破口，薄板通過法蘭盤與筒壁連接。預(yù)制條形孔圓筒裝置可模擬存在破片穿孔的船艙，開展內(nèi)爆炸載荷傳播規(guī)律及艙室結(jié)構(gòu)毀傷特性研究。

1.2 試驗方法

圓筒筒壁中心點爆心距最小，其初始沖擊波壓力受到其他位置的反射沖擊波影響最小，可用來表征炸藥的空爆性能；靠近角隅處的沖擊波疊加匯聚現(xiàn)象最為突出，能較好地反映內(nèi)爆炸壓力特征；端蓋中心的壓力可用于表征作用于另一端預(yù)制孔薄板中心的壓力作用，綜合考慮選擇這3個測點安裝沖擊波壓力傳感器，表征炸藥在圓筒內(nèi)爆炸的沖擊波壓力效應(yīng)。在筒壁安裝準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器測量準(zhǔn)靜態(tài)壓力。圓筒裝置和測點布設(shè)見圖1。其中C1、C2為準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器，靈敏度為5V/MPa，量程0～1MPa，結(jié)果取兩側(cè)點均值；A1、B1、B2均為PCB壁面壓力傳感器。其中A1處采用PCB22型，量程0～34MPa，B1、B2處采用PCB24型，量程為0～6.8MPa。試驗使用Genesis數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)置采樣速率為1MS/s。

圖1 圓筒裝置和測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of cylinder device and measuring points

試驗樣品為5種長徑比約為1、質(zhì)量100g的圓柱形藥柱，直徑均為40mm。其中，TNT的編號為配方1；配方2、配方5是兩種不同配方的壓裝含鋁炸藥，組分分別為RDX/Al和HMX/Al；配方3、配方4是兩種不同配方的澆鑄含鋁炸藥，組分分別為RDX/Al和HMX/Al。藥柱通過支撐桿固定放置在圓筒中心，采用5gJH-14起爆藥。每種藥柱各進(jìn)行兩次工況一致的試驗，取兩次試驗的平均值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊波壓力結(jié)果分析

表1為沖擊波壓力測試結(jié)果。圖2為配方4在筒壁中心A1點的沖擊波壓力變化曲線。炸藥在圓筒裝置內(nèi)爆炸時，沖擊波會發(fā)生多次反射、疊加，導(dǎo)致獲取的壓力時程曲線出現(xiàn)顯著的多波峰現(xiàn)象。

表1沖擊波壓力試驗結(jié)果

Table 1 Test results of shock wave pressure

Formula No.Δpm/MPaI/(Pa·s)A1B1B2A1B1B215.902.153.001748.51541.52296.529.773.572.591621.01728.01189.038.773.082.532222.51368.51466.543.272.161.981554.01319.01313.059.442.963.561368.51438.01322.5

由表1可見，配方5各測點的沖擊波超壓峰值較高，配方4各測點幾乎均是最低的。沖量方面，A1測點的配方5沖量最小，配方3最高，TNT次之；B1測點的配方2沖量最高，配方4最?。籅2測點的TNT沖量最高，配方2最低?？傮w上，配方5的沖擊波超壓峰值要高，配方4的超壓和沖量較小。

圖2 配方4的A1測點沖擊波壓力曲線Fig.2 Shock wave pressure curve of formula 4 at A1 point

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓力結(jié)果分析

TNT的準(zhǔn)靜態(tài)壓力變化曲線見圖3。由圖3可知，TNT的準(zhǔn)靜態(tài)壓力持續(xù)時間長。采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器測得5種炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值依次為0.447、0.481、0.493、0.522、0.477MPa。配方4的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值最高，TNT的最低。

圖3 TNT的準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線Fig.3 Quasi-static pressure curve of TNT

2.3 薄板毀傷效應(yīng)

薄板在爆炸作用下發(fā)生塑性大變形，預(yù)制孔尺寸增大，孔直角處出現(xiàn)裂縫，如圖4所示。薄板的大撓度變形和裂縫不僅客觀反映了炸藥爆炸對結(jié)構(gòu)的作用，也反映了預(yù)制孔對圓筒裝置內(nèi)爆炸威力的影響。測得薄板中心點撓度和裂縫總長度值如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)中心點撓度和裂縫長度兩參量的一致性較差，是相互獨立的參數(shù)。

圖4 薄板的整體塑性變形及預(yù)制孔變形圖Fig.4 Plastic deformation of overall and prefabricated strip hole

表2 預(yù)制孔薄板變形結(jié)果

注：Dc為中心點撓度值；L為裂縫長度值。

2.4 炸藥內(nèi)爆炸威力的綜合評價

基于5種炸藥的試驗數(shù)據(jù)，采用沖擊波超壓-沖量法、準(zhǔn)靜態(tài)壓力法進(jìn)行內(nèi)爆炸威力評價。使用沖擊波超壓-沖量法時，配方4的沖擊波超壓、沖量都偏小，但準(zhǔn)靜態(tài)壓力是最大的，且配方4對應(yīng)薄板的撓度變形和裂縫大小規(guī)律各異，說明沖擊波超壓-沖量法既不能反映準(zhǔn)靜態(tài)壓力，不能衡量內(nèi)爆炸的總能量，也無法反映炸藥爆炸對目標(biāo)的毀傷效果。使用準(zhǔn)靜態(tài)壓力法時，配方4準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高，但對應(yīng)薄板中心點撓度最小，而裂縫長度卻最大；TNT的準(zhǔn)靜態(tài)壓力最小，對應(yīng)薄板中心點撓度幾乎最小，對應(yīng)的裂縫長度居中。說明單一的準(zhǔn)靜態(tài)壓力指標(biāo)不能表征炸藥對預(yù)制孔薄板的毀傷效應(yīng)，難以反映炸藥爆炸能量最終輸出作用于目標(biāo)的變形能。

本研究參考基于結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)評價爆炸威力的方法[6-8]，以沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力方法為基礎(chǔ)，選擇表征空爆性能、內(nèi)爆性能的沖量、準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值為主要評價特征參量，加入表征薄板變形能的塑性大變形和裂縫擴(kuò)展的毀傷效應(yīng)特征參量，綜合評價炸藥在預(yù)制孔密閉圓筒的內(nèi)爆炸威力。

評價方法以TNT結(jié)果為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)分100。由于炸藥的爆炸能量決定了對目標(biāo)的作用，所以沖擊波沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值兩個表征參量最為重要，各分配30%的權(quán)重，3個測點的沖量值各分配10%的權(quán)重。薄板中心點撓度和裂縫長度各分配20%的權(quán)重。由于基準(zhǔn)分為100，因此3個測點沖量項的系數(shù)各為10，準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值參量項的系數(shù)為30，薄板中心點撓度和裂縫長度參量項的系數(shù)各為20。計算不同得分，根據(jù)得分進(jìn)行排序，炸藥的得分越高，認(rèn)為其內(nèi)爆炸威力越大。評價公式如下：

(1)

式中：T為評價得分；IA1、IB1、IB2為筒壁中心、靠近角隅處和端蓋中心3個沖擊波測點的正壓區(qū)沖量；Δpqs為準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值；Dc為薄板中心點撓度；L為裂縫長度；IA1(TNT)、IB1(TNT)、IB2(TNT)、Δpqs(TNT)、Dc(TNT)、L(TNT)分別為采用TNT試驗的3個沖擊波測點的沖量、準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值、薄板中心點撓度和裂縫長度。

5種炸藥的評價得分如表3所示。表3中T1是采用沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力方法，只考慮沖擊波沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值兩個表征參量，各分配一半權(quán)重，基準(zhǔn)分60的評價得分。

表3 炸藥內(nèi)爆威力的綜合評價

根據(jù)沖量-準(zhǔn)靜態(tài)壓力方法，TNT在預(yù)制條形孔圓筒裝置內(nèi)爆威力要高于配方2、配方5壓裝含鋁炸藥和配方4澆鑄含鋁炸藥，僅低于配方3澆鑄含鋁炸藥，主要原因是TNT的沖量指標(biāo)得分最高。沖擊波主要反映了爆轟能量，體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)的整體破壞作用，試驗中雖然其他炸藥的沖量小，但配方2、配方5的中心點撓度均高于TNT，代表作用于目標(biāo)薄板的整體塑性變形能高于TNT。說明只考慮沖量、準(zhǔn)靜態(tài)壓力難以全面衡量炸藥內(nèi)爆輸出的能量，可以加入結(jié)構(gòu)變形能表征參量作為輔助指標(biāo)，更客觀和科學(xué)地評價炸藥內(nèi)爆炸威力。

根據(jù)本研究建立的評價方法，炸藥內(nèi)爆威力由高到低分別是：配方5﹥配方3﹥配方4﹥配方2﹥TNT。配方5炸藥雖然沖量值最低，但預(yù)制孔薄板整體塑性變形和裂縫變形值較大，說明沖擊波與結(jié)構(gòu)耦合作用的能量較高，最終對目標(biāo)毀傷效果更好，并且具備較高的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，所以得分第一。此外，4種含鋁炸藥的得分高于TNT，也反映了含鋁炸藥在有限空間內(nèi)爆炸時炸藥反應(yīng)更充分，會產(chǎn)生更高的爆熱和顯著的準(zhǔn)靜態(tài)效應(yīng)，從而釋放更高的爆炸能量的規(guī)律。評價結(jié)果說明，從能量的角度出發(fā)，以表征空爆性能和內(nèi)爆性能的參量為主要指標(biāo)、以表征結(jié)構(gòu)變形能的參量為輔助指標(biāo)的方法能較全面、客觀地評價炸藥在預(yù)制條形孔圓筒裝置的內(nèi)爆炸威力。

3 結(jié) 論

(1)利用預(yù)制條形孔密閉圓筒裝置進(jìn)行5種炸藥的內(nèi)爆炸試驗，得到了圓筒壁面和端蓋測點的沖擊波壓力、準(zhǔn)靜態(tài)壓力和結(jié)構(gòu)變形等特征參量結(jié)果。單獨對比了5種炸藥各參量試驗結(jié)果，并根據(jù)試驗結(jié)果分析了現(xiàn)有內(nèi)爆炸威力評價方法的缺陷。

(2)選取分別表征空爆性能、內(nèi)爆能量和結(jié)構(gòu)變形能的沖量、準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值、薄板中心點撓度和預(yù)制孔裂縫長度4個特征參量，分配不同的權(quán)重，建立炸藥的內(nèi)爆炸威力綜合評價方法。評價結(jié)果表明，在預(yù)制孔圓筒裝置內(nèi)爆炸，配方5的綜合得分最高，內(nèi)爆炸綜合表現(xiàn)最好，結(jié)果可為5種炸藥的對比提供參考。

(3)提出的綜合評價方法為戰(zhàn)斗部在有限空間內(nèi)爆炸威力評價和裝藥選型提供了一種可行的方法。