炸药空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系.pdf

火炸药学报第3 1 卷第4 期10C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s8 P r o p e l l a n t s2 o o8 年8 月炸药空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系宋浦，肖川，梁安定，袁宝慧，李广嘉，方浩(西安近代化学研究所，陕西西安7 1 0 0 6 5)摘要：通过经验公式分析及模拟实验研究，对炸药装药空中与水中爆炸产生的冲击波超压换算关系进行了研究。结果表明。当比例距离F=R W”3 的取值范围在1 5 2 5 时。炸药装药宅中与水中爆炸冲击波超压有定量的换算关系。并拟合出确定的换算公式。通过理论和经验数据分析，得出其他装药水中冲击波超压T N T 当量的换算方法。冲击波参数T N T 当量，赶根据炸药水中爆炸的冲击波能进行换算。通过对比证明，根据冲击波参数T N T 当量修正后的经验公式计算结果精度可以满足t 程设计使用。关键词：爆炸力学；水中爆炸；空中爆炸；换算关系；超压中图分类号：T J 5 5；0 3 8 9文献标志码：A文章编号：1 0 0 7 7 8 1 2(2 0 0 8)0 4 0 0 1 0 0 4C o n v e r s i o nR e l a t i o no fS h o c kW a v eO v e r p r e s s u r ea b o u tU n d e r w a t e rE x p l o s i o na n dA i rB l a s tS O N GP u X l h OC h u a n。L I A N GA n d i n g，Y U A NB a o h u i，L 1G u a n g j i a，F A N GH a o(X i a nM o d e r nC h e m i s t r yR e s e a r c hI n s t i t u t e，X i7 a n7 1 0 0 6 5，C h i n a)A b s t r a c t：B yt h es t u d yo fe x p e r i e n c ef o r m u l aa n ds i m u l a t e de x p e r i m e n t，t h es h o c kw a v eo v e r p r e s s u r ec o n v e r s i o nr e l a t i o nb e t w e e na i rb l a s ta n du n d e r w a t e re x p l o s i o nw a ss t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es h o c kw a v eo v e r p r e s S u r eo fa i rb l a s ta n du n d e r w a t e re x p l o s i o nh a saq u a n t i t a t i v er e l a t i o nw h e ns c a l e dd i s t a n c e s 于=R W 17 3 w e r ev a r i e dw i t h i n1 5 2 5。a n dt h ec o n v e r s i o nf o r m u l ad e s c r i b i n gt h er e l a t i o nw a sf i to u t B yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m p i r i c a ld a t aa n a l y s i s，t h ec o n v e r s i o nm e t h o do fT N Te q u i v a l e n to fs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r eo fo t h e rc h a r g e sw a so b t a i n e d。t h ec o n v e r s i o no fT N Te q u i v a l e n to fs h o c kw a v ep a r a m e t e r ss h o u l db eb a s e do nt h es h o c kw a v ee n e r g yo fe x p l o s i v eu n d e r w a t e re x p l o s i o n s B yc o n t r a s t，i tw a sc e r t i f i e dt h a tc a l c u l a t e dr e s u l t sb ye x p e r i e n c ef o r m u l a r e v i s e dw i t hT N Te q u i v a l e n tO fs h o c kw a v ep a r a m e t e r sm e e tt h en e e d so fp r e c i s i o ne n g i n e e r i n gd e s i g n K e yw o r d s：e x p l o s i o nm e c h a n i c s；u n d e r w a t e re x p l o s i o n；a i rb l a s t；c o n v e r s i o nr e l a t i o n；o v e r p r e s s u r e引言水介质的密度约为空气介质的一千倍，并具有很强的不可压缩性，因而导致水中爆炸呈现出与空气中爆炸截然不同的特性，即同样药量下，水中爆炸产生的初始冲击波压力要比空气中的冲击波高出一个数量级以上；冲击波波阵面脉冲宽度小，仅为空气中的1 3 9 一-1 1 0；水中冲击波传播速度很快，是空气中的4 倍左右。传播距离比空气中的远，但随距离衰减也很快，最终衰减成声波。由于水中冲击波超压高、持续时间短、比冲量大等特点，在强大的冲击波作用下，水中目标会产生屈服变形、屈曲、破孔、甚至断裂等与空气中迥然不同的破坏现象H 。由于水中爆炸实验需要较为理想的水域环境、测试系统复杂且测试难度大，因而导致水中爆炸实验耗资巨大。对于水雷、鱼雷等大型战斗部的水中爆炸威力实验，目前一般采用空中爆炸的形式进行威力相对检测，因此，炸药装药在空中与水中爆炸的威力换算关系研究就显得极为重要。由于许多因素的制约，文献报道较少，本实验针对炸药装药空中与水中爆炸的冲击波超压换算关系进行了初步研究。1计算分析大量实验表明2|，在水深d 与装药半径h 之比收稿日期：2 0 0 8 0 5 一l l；修回日期：2 0 0 8 0 6 1 1基金项目：国家安全重大基础研究项目作者简介：宋浦(1 9 7 3 一)男博士，主要从事战斗部设计及毁伤效应研究。万方数据第3 1 卷第4 期宋浦，肖川，梁安定，等：炸药空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系1 1大于2 0，装药沉深H 与装药半径r。之比大于1 0 的深水中爆炸时，水中冲击波的峰值压力基本不受自由水面和水底反射的影响，与在无限水介质中爆炸相同或相近，可视为在无限水介质中爆炸。库尔公式是装药水中爆炸冲击波超压计算的经典公式，其表达式为引：A p。t e r=等(1)而根据原子爆炸的经验，装药在无限空气介质中爆炸时超压可用式(2)计算“：A p 栅=学+学+学(2)式(1)和式(2)中称为比例距离。一R w 1 3(3)式中：R 为距装药中心的距离，m；W 为装药质量(T N T 当量)，k g。根据上述经典公式，在不同比例距离条件下炸药装药空中与水中爆炸的冲击波超压计算值对比如表1 所示。表1不同比例距离炸药在空中与水中爆炸的冲击波超压计算值T a b l e1C a l c u l a t e dr e s u l t so fs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r eo fa i rb l a s ta n du n d e r w a t e re x p l o s i o na td i f f e r e n ts e a l e dd i s t a n c e s2 2实验验证根据上述分析设计实验，对T N T 药柱在空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系进行了研究。水中爆炸实验中，水池的周壁由1 0 m m 厚钢板围成，直径3 m、水深2 4 m。实验用药柱为压装T N T药柱。尺寸为0 3 0 m m 3 0 m m，质量为3 2 9。测试设备为华太W A T C H E RH C 一1 2 1 0 型数据采集仪，传感器采用美国P C B l 3 8 A 型水下激波传感器，各实验器材均在有效使用期内。通过水下激波传感器和数据采集仪组成的测试系统可以准确测得水中的冲击波超压。实验时，将药柱采用棉线垂直悬吊在水深的2 3处，从而抵消水面和水池底部反射波。传感器与药柱中心的水平距离分别为0 8、0 9 和1 0 m，换算成比例距离后分别为2 5 2、2 8 3 和3 1 5 m k g 3。水中爆炸实验布置示意图见图l(a)。空中爆炸实验时，实验用药柱与水中爆炸用药柱状态相同，且为同一批次产品。传感器采用美国P C B l 3 7 型超压传感器，测试设备为华太w A T C H E RH C 一1 2 1 0 型数据采集仪，各类型实验器材均在有效使用期内。通过超压传感器和数据采集仪组成的测试系统可以准确测得空中冲击波超压。实验中药柱与传感器距离地面的垂直高度大于1 2 m。考虑到传感器支架较大，对冲击波传播场将产生扰动，故传感器围绕药柱布置，避免近距离处传感器支架对远距离传感器的测试产生影响。传感器与药柱中心的水平距离分别为0 8、0 9 和1 0 I T l，换算成比例距离后分别为2 5 2 1 2 8 3 和3 1 5 m k g“3。空中爆炸实验布置示意图见图1(b)。水雷管昌起爆端)二传感器药柱1-。0 9r f l、08 m。10 m(a)水中爆炸压水面(b)空中爆炸田1 水中(a)和空中(b)爆炸实验布置示意图F i g 1S c h e m eo fu n d e r w a t e re x p l o s i o n(a)a n da i rb l a s t(b)t e s t图2(a)和图2(b)分别为水中和空中爆炸实验时测得的典型冲击波的户一曲线。空中和水中爆炸实验分别取得了6 组和7 组实验数据，表2 中数据为各自的平均值。表2 中尹为0 5 0、1 O O、1 5 0、2 0 0、2 5 0 和3 0 0 m k g 吉的户栅实验数据来自文献E 5 3，A p，。，实验数据来自文献 6 。万方数据1 2火炸药学报第3 1 卷第4 期由实验结果可见，当比例距蔚为1 5 3 O m k g i l时，实验换算关系值与表1 中的计算值较为吻合。若以实验值为基准，则计算值的相对误差不超过6。考虑实验误差等相关因素，其换算关系基本一致。f，s(b)空中爆炸图2 水中和空中爆炸实验典型冲击波的户一f 曲线F i g 2T y p i c a ls h o c kw a v e 户一tc u r v eo fu n d e r w a t e re x p l o s i o n(a)a n da i rb l a s t(b)t e s t表2 不同比例距离炸药装药空中与水中爆炸冲击波超压的实验值T a b l e 2E x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs h o c kw a v eo v e r p r e s s u r eo fa i rb l a s ta n du n d e r w a t e re x p l o s i o na td i f f e r e n ts c a l e dd