王長利，周剛，蔡宗義，唐玉志，趙生偉，李迅，林英睿，初哲

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安710024)

0 引言

帶殼裝藥在局部超強超快熱作用下，能量通過殼體耦合使內(nèi)部裝藥發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)部壓力在殼體的約束下發(fā)生積累，進而發(fā)生熱爆炸。爆炸后，帶殼裝藥殼體膨脹、向外飛散，消耗部分能量，剩余能量主要形成并支持空氣沖擊波［1－2］。對帶殼裝藥熱爆炸效果的評估可以作為判斷裝藥熱輸入響應(yīng)狀態(tài)的依據(jù)，為研究帶殼裝藥的熱爆炸規(guī)律和安全防護提供支持。評估帶殼裝藥的熱爆炸效果，僅通過實驗宏觀破壞效果和對帶殼裝藥破片分析所得結(jié)果不夠精確，而通過測量爆炸在周圍空氣中產(chǎn)生的壓力是較精確和易實現(xiàn)的方法。

目前，對帶殼裝藥爆炸超壓測量的相關(guān)研究比較多［3－4］，但對于熱爆炸條件下超壓的研究尚未見報道。本文對平硐爆室中帶殼裝藥的熱爆炸實驗過程中的超壓進行計算和測量，結(jié)合硐室結(jié)構(gòu)，對超壓的結(jié)果進行了分析。測量過程中，壓力信號歷程中出現(xiàn)了明顯的電磁輻射信號，文中對帶殼裝藥熱爆炸產(chǎn)生的電磁輻射信號和裸露炸藥進行了比對，并對電磁輻射信號的產(chǎn)生機理和特點進行了分析，這些結(jié)果對于熱爆炸模式下的超壓信號的測量和分析有一定的借鑒意義。

1 測量方法及系統(tǒng)組成

如圖1所示，帶殼裝藥熱爆炸實驗在平硐爆室中進行，實驗的控制、電源、監(jiān)控以及力學(xué)測量均采用遠程控制的方式，在距離爆室200 m 以外的測試間中進行，所有參試設(shè)備通過現(xiàn)場的光纖局域網(wǎng)連接在一起。超壓測量系統(tǒng)由壓力傳感器、電荷放大器、同軸電纜、高速數(shù)據(jù)紀錄儀(HDR)和控制計算機組成。HDR 系統(tǒng)的存儲量較大，可以實現(xiàn)長時間測量，對熱爆炸這種起爆時間不確定性較大的實驗較為適用。壓力傳感器為壓電式，量程為10 MPa［5－6］.

圖1 實驗簡圖Fig.1 Experimental set－up

爆室結(jié)構(gòu)如圖2所示，其長、寬、高尺寸分別為26 m、7 m、6.8 m，頂部為弧形，爆室整體為花崗巖加水泥噴漿結(jié)構(gòu)。帶殼裝藥為圓柱形結(jié)構(gòu)，底邊直徑380 mm，高度350 mm.殼體厚度均勻，材料為航空結(jié)構(gòu)鋼，可承受100 MPa 靜態(tài)水壓。帶殼裝藥外部粘貼壓電式加速度傳感器，水平放置在爆室中部的地面上，側(cè)面朝向傳感器。壓力傳感器通過絕緣支座固定在鋼管結(jié)構(gòu)支架上，距離帶殼裝藥9.5 m，高度1.5 m，在同一測點放置兩個壓力傳感器。信號電纜通過鋼管穿出，與廊道中的電荷放大器相連。

圖2 平硐爆室結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of explosion cave

實驗時，通過測量間的電源控制系統(tǒng)為爆室內(nèi)的設(shè)備加電，設(shè)備啟動后，通過控制計算機對HDR進行參數(shù)設(shè)置，實驗開始前，首先啟動HDR，裝藥受熱引爆后，關(guān)閉測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳出爆室，再將爆室內(nèi)的儀器電源關(guān)閉。

2 理論計算

實驗前，為確保安全和設(shè)置測試系統(tǒng)量程，首先對帶殼裝藥爆炸測量點的超壓進行了計算。帶殼裝藥為梯黑鋁炸藥，質(zhì)量30 kg，當(dāng)量約為45 kg TNT［7］.帶殼裝藥放置在爆室內(nèi)的地面上，地面為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)。對于炸藥在混凝土、巖石一類剛性地面爆炸時，可不考慮地面的變形，認為空氣沖擊波能量全部反射出去，這時不同距離的空氣沖擊波超壓，可近似看作2倍的裝藥在無限空氣中爆炸所造成的超壓。殼體的存在直接影響爆炸作用場，帶殼裝藥爆炸后，炸藥放出的能量一部分消耗于殼體的變形、破碎和破片的飛散，另一部分能量消耗于爆炸產(chǎn)物的膨脹和形成空氣沖擊波。由于不同的結(jié)構(gòu)對于當(dāng)量的等效公式不同，對于圓柱形帶殼裝藥，留給爆炸產(chǎn)物的能量當(dāng)量可由(1)式計算［8－9］。

軸對稱圓柱形帶殼裝藥

式中:ω 為裝藥質(zhì)量，取30 kg;ωbe為留給爆炸產(chǎn)物的當(dāng)量炸藥質(zhì)量;α 為裝填系數(shù)，取 0.30;γ 為炸藥的多方指數(shù)，約3.16［10］;r0為裝藥半徑，rm為破片達到最大速度時的半徑，rm/r0≈1.5.

該帶殼裝藥為軸對稱圓柱形結(jié)構(gòu)，將以上參數(shù)帶入公式(1)式，可得ωbe=0.32ω=9.8 kg.在距離帶殼裝藥 9.5 m 處的等效比距離(剛性地面爆炸時等效于2 倍藥量空中爆炸，梯黑鋁為1.5 倍TNT 當(dāng)量)。帶入沖擊波超壓計算公式［11］:

由計算可知，在距離帶殼裝藥r =9.5 m 處的超壓峰值Δpr約為0.078 MPa.

以上為理想剛性壁面條件下對帶殼裝藥爆炸超壓進行的估算，由于帶殼裝藥距離爆室兩側(cè)和頂部距離有一定距離，雖然不會對測點的超壓首波產(chǎn)生影響，但反射波在測量結(jié)果中必然會有所體現(xiàn)。

3 測量結(jié)果及分析

3.1 超壓結(jié)果

實驗過程中，利用強熱源對帶殼裝藥進行快速加熱，帶殼裝藥在受熱一定時間后，出現(xiàn)了熱爆炸現(xiàn)象，整個殼體結(jié)構(gòu)也遭到破壞。其機理為:熱源加熱金屬殼體，殼體進一步加熱與其接觸的炸藥，炸藥溫度升高，反應(yīng)加驟。當(dāng)反應(yīng)放熱超過熱擴散損失時，自持反應(yīng)發(fā)展，溫度急驟上升，導(dǎo)致炸藥的熱爆燃或熱爆炸［12］。對某一批次的實驗，帶殼裝藥熱爆炸產(chǎn)生的超壓測量結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 Experiment results

對實驗中首波的平均波速進行計算，平均波速和超壓的測量結(jié)果可以自洽。從現(xiàn)場實驗的效果和實驗結(jié)束后碎片的收集情況來看，帶殼裝藥均爆炸解體，金屬外殼破碎成一系列的碎片，碎片的平均質(zhì)量大于帶殼裝藥雷管引爆后所形成的平均碎片質(zhì)量，實驗后收集的碎片如圖3所示。

圖3 部分帶殼裝藥解體碎片F(xiàn)ig.3 Fragments of charge with shell

從實驗結(jié)果看，帶殼裝藥的熱爆延遲時間(熱源點火至帶殼裝藥爆炸解體)從20～28 s 不等，且超壓結(jié)果相差不大。對于有密閉金屬外殼的帶殼裝藥，由于熱爆炸過程從加熱到爆炸解體有20 s 以上的時間間隔，內(nèi)部裝藥反應(yīng)達到一定壓力后，導(dǎo)致金屬外殼破裂，可能由于同一批次的帶殼裝藥殼體結(jié)構(gòu)相同，破裂時的所需壓力相同導(dǎo)致的。

由于爆室的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，測量結(jié)果中出現(xiàn)了多次反射波，典型的超壓波形如圖4所示。可看出，超壓信號有著陡峭的上升前沿，波形中在10 ms 內(nèi)共有3 次明顯的超壓信號。

圖4 典型超壓波形Fig.4 Typical overpressure waveform

結(jié)合爆室的結(jié)構(gòu)尺寸，對典型信號進行分析，結(jié)果如表2所示。從帶殼裝藥爆炸開始，“1”信號為到達的超壓的首波，“2”為墻壁的反射波，由于墻壁周圍有沙墻作為防護，加上傳播距離較遠，所以衰減得比較明顯，“3”為爆室頂部的反射波，由于爆室頂部為弧形結(jié)構(gòu)，且為剛性壁面，其弧形結(jié)構(gòu)具有匯聚作用，因此沖擊波得到了加強。

3.2 電磁輻射

在帶殼裝藥熱爆炸超壓測量過程中，發(fā)現(xiàn)帶殼裝藥解體過程伴隨有較強的電磁輻射(EMR)，如圖5 所示。可看出，殼體外表面的加速度信號突然增強，直至傳感器脫落，同時壓力信號中也出現(xiàn)了電磁輻射信號，持續(xù)幾毫秒后消失。在加速度信號陡然增強并消失時，帶殼裝藥發(fā)生爆炸解體，電磁輻射信號的出現(xiàn)也正是帶殼裝藥發(fā)生解體的時刻。

表2 典型超壓結(jié)果分析Tab.2 Results of the typical overpressure

圖5 電磁輻射與加速度信號時間關(guān)聯(lián)Fig.5 Correlation of EMR and acceleration signal

在炸藥爆炸的初始，金屬殼體受爆炸高溫高壓沖擊，會發(fā)生變形、向外擴展、產(chǎn)生裂紋和裂縫，爆炸的氣體產(chǎn)物與固體產(chǎn)物將從裂縫中噴出。由于電動效應(yīng)和爆炸產(chǎn)物與破壞殼體的摩擦，使電荷發(fā)生分離，超前的氣體爆炸產(chǎn)物與落后的固體爆炸產(chǎn)物帶有不同符號的電荷，加之沖擊波從地面反射引起電荷的不對稱性，因此氣體和固體爆炸產(chǎn)物電荷在空間形成有效的電偶極子。由于帶電氣體產(chǎn)物、帶電固體產(chǎn)物以及帶電破片各自的速度變化及大小不同，存在著互相競賽的追趕過程，從而形成了一個變化的電磁脈沖輻射，基本原理如圖6所示［13－14］。

高能炸藥爆炸破壞其裝藥殼體期間會產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射的強度及持續(xù)時間與爆炸模式以及爆炸與金屬殼體的作用有一定的關(guān)系。如表3所示裸露炸藥爆炸時電磁輻射的持續(xù)時間和帶殼裝藥熱爆炸的統(tǒng)計對比結(jié)果，裸露炸藥實驗的當(dāng)量為噸級，引爆方式為雷管引爆，測試系統(tǒng)與帶殼裝藥沖擊波壓力測量系統(tǒng)相同。從表中可知，帶殼裝藥熱爆炸的電磁輻射的持續(xù)時間超過2 ms，由于電磁輻射信號的持續(xù)時間與彈體破裂及碎片的飛行速度相關(guān)，而熱爆炸時的爆速較低，所以電磁輻射信號的持續(xù)時間較長。如圖7所示兩種情況的電磁輻射波形對比，裸露炸藥爆炸時有一個明顯的馬鞍形電磁輻射信號，與裸露炸藥電磁輻射的情況相比，帶殼裝藥熱爆炸時產(chǎn)生的波形較為復(fù)雜，信號頻率較高，說明帶殼裝藥爆炸過程電磁輻射的產(chǎn)生過程更加復(fù)雜。

圖6 帶殼裝藥解體電磁輻射原理圖Fig.6 EMR during the breakdown of charge with shell

表3 帶殼裝藥和裸露炸藥爆炸電磁輻射持續(xù)時間對比Tab.3 EMR time contrast of charge with shell and bare detonator

電磁輻射作為測量過程中的干擾，必須加以考慮，如果傳感器距離爆心較近或者電磁輻射干擾時間過長時，會發(fā)生信號的混疊，對測量帶來影響。由于力學(xué)信號的到達時刻和電磁輻射信號有一定的時間間隔，通常這些電磁干擾對力學(xué)信號影響不大。從圖7可看出，帶殼裝藥熱爆炸的電磁輻射的頻率較高，和力學(xué)信號也有明顯的不同，可以區(qū)分。從另一個角度而言，電磁輻射信號對于測量來講，可以作為帶殼裝藥的爆炸時刻，帶殼裝藥爆炸解體同時產(chǎn)生電磁輻射。通過對電磁干擾信號的分析，可得到以下3 點:

1)電磁輻射的信號特征的持續(xù)時間可能受爆炸(解體)模式的影響，信號的復(fù)雜程度和持續(xù)時間會由于爆炸(爆轟)模式的不同而存在差別。

2)電磁輻射信號與力學(xué)信號波形特征不同，有時候可以在時間上分開，并可以將電磁信號的出現(xiàn)時刻作為帶殼裝藥爆炸的標志時刻。

3)電磁輻射信號與帶殼裝藥的裝藥、彈片的大小和速度密切相關(guān)，可以作為進一步分析帶殼裝藥解體情況的依據(jù)。

圖7 裸露炸藥及帶殼裝藥電磁輻射信號對比Fig.7 EMR contrast of bare detonator and charge with shell

4 結(jié)論

1)帶殼裝藥熱爆炸實驗超壓測量得到了完整的數(shù)據(jù)，通過結(jié)合實驗現(xiàn)象和破片收集，可以為帶殼裝藥熱爆炸效應(yīng)評估和安全防護提供依據(jù)。

2)帶殼裝藥爆炸時會產(chǎn)生電磁輻射，其存在的根本原因是炸藥爆炸時產(chǎn)生大量的電荷，且不同電荷分離和相互交錯造成的，對測量有利有弊，可以作為判斷帶殼裝藥爆炸的起始時刻，進一步的研究可以作為判斷爆炸模式和評估熱爆炸效應(yīng)參考。

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