孔 霖，蘇健軍，李芝絨，王勝?gòu)?qiáng)，姬建榮

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，坑道等防御工事內(nèi)主要用于人員的安置和儀器的放置。當(dāng)裝藥在坑道入口附近爆炸時(shí)，會(huì)在坑道中產(chǎn)生爆炸沖擊波，對(duì)坑道中的人員和設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此研究坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律具有非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)李秀地[1]對(duì)長(zhǎng)坑道中的爆炸沖擊波進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出由于受到坑道壁面的約束作用，炸藥爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波進(jìn)入坑道后，會(huì)在坑道壁面之間來回反射。當(dāng)入射波與壁面的夾角達(dá)到一定值時(shí)反射波與入射波疊加形成了馬赫桿，在傳播一定距離后，較為混亂的流場(chǎng)逐漸成為較為穩(wěn)定的平面沖擊波。穆朝民[2]對(duì)復(fù)雜坑道內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)的坑道進(jìn)行了爆炸沖擊波強(qiáng)度對(duì)比，提出了提高坑道工事抗常規(guī)炸藥破壞能力的方法。

國(guó)外學(xué)者也指出，當(dāng)裝藥在坑道入口附近爆炸時(shí)，會(huì)在坑道中產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短且峰值壓力很高的爆炸沖擊波，在坑道壁面的約束作用下，坑道中的沖擊波峰值壓力將降低得很慢，而持續(xù)時(shí)間增加得很快[3-4]。

本文主要對(duì)長(zhǎng)坑道內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，并觀察不同裝藥的爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，用于評(píng)估不同裝藥在坑道內(nèi)爆炸作用的毀傷威力，為坑道防護(hù)設(shè)計(jì)、毀傷破壞能力提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

裝藥在坑道入口內(nèi)爆炸后形成沖擊波。在坑道壁面上安裝壓力傳感器，沖擊波信號(hào)經(jīng)傳輸電纜傳給信號(hào)適配器后，由數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)記錄，如圖1所示。

圖1 沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of shock pressure test system

1.2 試驗(yàn)裝藥

試驗(yàn)裝藥為 2kgTNT、2kgWY-1和 2kgWY-2。WY-1和WY-2是含鋁量不同的溫壓炸藥。

起爆雷管選用8#工業(yè)銅質(zhì)電雷管，用工業(yè)雷管起爆器起爆。試驗(yàn)時(shí)，爆炸源在模型坑道出入口內(nèi) 2m處爆炸，炸高為1.25m，利用安裝在坑道壁面上的壓力傳感器捕捉坑道中的沖擊波信號(hào)。每打完1發(fā)后坑道內(nèi)通風(fēng)30min，并將殘留在傳感器表面的爆炸產(chǎn)物擦除干凈，以免影響下一發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 坑道模型

試驗(yàn)用坑道布局如圖2所示。

圖2 坑道布局Fig.2 Layout in the tunnel

坑道壁面共安裝8個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，前3個(gè)離爆心的距離分別為2.0m、4.3m、8.0m，往后每隔5m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)與爆心在同一水平面上。

1.4 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

使用 PCB公司的壓電式壓力傳感器捕捉超壓信號(hào)，傳感器安裝在側(cè)壁上，其壓力敏感面與坑道壁面齊平。利用GENESIS數(shù)據(jù)采集儀器采集數(shù)據(jù)。因試驗(yàn)環(huán)境比較惡劣，信號(hào)傳輸線采用帶金屬屏蔽的低噪聲電纜。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測(cè)沖擊波超壓波形

WY-1在坑道頭部爆炸測(cè)得的沖擊波波形如圖 3所示?？梢钥闯?，沖擊波到達(dá)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間隨測(cè)點(diǎn)離爆心距離的增大而增大，峰值超壓隨測(cè)點(diǎn)離爆心距離的增大而減小，正壓持續(xù)時(shí)間隨測(cè)點(diǎn)離爆心距離的增大而增大。

圖3 WY-1爆炸測(cè)得的沖擊波波形Fig.3 Shock wave of WY-1 explosion

2.0m測(cè)點(diǎn)處離爆心較近，前端沖擊波陣面壓力信號(hào)基本沒有受到其它干擾因素的影響，波形正常，但正壓作用后的信號(hào)由于熱效應(yīng)的影響，傳感器前端膜片被加熱膨脹引起壓電轉(zhuǎn)換元件即石英晶體片預(yù)載荷減載，壓力傳感器產(chǎn)生負(fù)躍變信號(hào)，一段時(shí)間后膜片全部被加熱，載荷增加，信號(hào)逐漸歸零，但不影響峰值超壓與正壓持續(xù)時(shí)間的判讀。

從8.0m測(cè)點(diǎn)處往后沖擊波峰值超壓降低得很慢，這是因?yàn)檠b藥在坑道入口內(nèi)2.0m處爆炸后，初始沖擊波在坑道壁面上發(fā)生多次反射，到一定遠(yuǎn)的距離處，多個(gè)反射沖擊波與入射沖擊波疊加，逐漸形成穩(wěn)定的平面波在坑道內(nèi)傳播。

2.2 不同裝藥的爆炸沖擊波傳播規(guī)律

對(duì)于裸露的TNT球形裝藥在無限空氣中爆炸，我國(guó)國(guó)防工程設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的正壓區(qū)峰值超壓計(jì)算公式[5]為：

用式（1）計(jì)算出2kgTNT球形裝藥在無限空氣中爆炸后各測(cè)點(diǎn)距離處的峰值超壓，并與3種裝藥在相同測(cè)點(diǎn)上的超壓值進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖4 不同裝藥爆炸沖擊波峰值對(duì)比Fig.4 The peak value contrast of shock wave from different explosives

由圖4可見，2.0m測(cè)點(diǎn)處的沖擊波峰值超壓差距較大，WY-2的峰值最高，說明近場(chǎng)的峰值超壓與裝藥種類有關(guān)。裝藥在無限空氣中爆炸，沖擊波峰值超壓衰減很快，在8.0m測(cè)點(diǎn)處就已經(jīng)衰減至0；裝藥在坑道中爆炸，8.0m測(cè)點(diǎn)處峰值超壓依然有0.14MPa，并在繼續(xù)傳播過程中衰減得越來越慢，說明坑道中裝藥種類對(duì)足夠遠(yuǎn)處的爆炸沖擊波峰值超壓影響較小，沖擊波衰減到一定程度后穩(wěn)定地往坑道內(nèi)部繼續(xù)傳播，衰減量很小。

溫壓炸藥是在燃料空氣炸藥的基礎(chǔ)上研制出來的，其特點(diǎn)[6]是：在炸藥中加入過量的鋁、鈹、鈦等金屬粉末，初期無氧爆轟階段主要是炸藥分子內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)，以及其反應(yīng)產(chǎn)物與還原性較強(qiáng)的金屬粉末發(fā)生氧化還原反應(yīng)，釋放能量；鋁粉顆粒與氣態(tài)爆炸產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)受分子碰撞頻率、碰撞能量等多方面因素的影響，這些二次反應(yīng)的速度較慢，它們釋放的能量來不及補(bǔ)充到?jīng)_擊波陣面上，因此使得爆炸沖擊波持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)比不同裝藥爆炸沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間，如圖5所示，可以看出溫壓炸藥在不同測(cè)點(diǎn)的沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間都比TNT要長(zhǎng)。

將以上3種正超壓曲線對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，得到正壓區(qū)比沖量值，見表1。

圖5 不同裝藥爆炸沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間對(duì)比Fig.5 The lasting time contrast of shock wave positive pressure from different explosives

表1 正壓區(qū)比沖量值Tab.1 Impulse value of positive pressure

對(duì)比能判讀的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)點(diǎn)距離的增大，3種裝藥爆炸沖擊波比沖量值也都增大，并且從13.0m測(cè)點(diǎn)處往后，沖擊波超壓峰值基本不變，但其正壓持續(xù)時(shí)間不斷增大，說明在一定遠(yuǎn)距離處傳播的沖擊波其殺傷能力越來越強(qiáng)。WY-2裝藥的爆炸沖擊波殺傷能力最強(qiáng)。

2.3 結(jié)果分析

沖擊波超壓對(duì)人員的損傷閾值[5]如表2所示。

表2 沖擊波超壓對(duì)人員的損傷Tab.2 The damage to people from shock wave over-pressure

測(cè)試結(jié)果說明坑道中裝藥爆炸對(duì)人員的殺傷能力比無限空氣中更強(qiáng)，在33.0m甚至更遠(yuǎn)的距離處人員依然能受到極嚴(yán)重的損傷。普通裝藥的爆炸火焰以及溫壓炸藥的后燃燒效應(yīng)對(duì)坑道中人員和儀器的熱毀傷作用有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）爆炸初始沖擊波在坑道壁面上發(fā)生多次反射，到一定遠(yuǎn)的距離處，逐漸形成穩(wěn)定的平面波在坑道內(nèi)傳播，并且在一定距離內(nèi)其比沖量越來越大，殺傷能力越來越強(qiáng)。

（2）坑道中裝藥種類對(duì)近場(chǎng)的爆炸沖擊波峰值超壓影響較大，對(duì)足夠遠(yuǎn)處的影響較小。

（3）溫壓炸藥的特性決定了它在不同測(cè)點(diǎn)的沖擊波正壓持續(xù)時(shí)間都比TNT要長(zhǎng)。

[1] 李秀地,鄭穎人,等.長(zhǎng)坑道中化爆沖擊波壓力傳播規(guī)律的數(shù)值模擬[J].爆破器材,2005,34(5):4-7.

[2] 穆朝民,任輝啟,等.爆炸沖擊波在復(fù)雜坑道內(nèi)傳播規(guī)律的數(shù)值研究[J].爆破器材,2008,37(5):1-4.

[3] Ann-Sofie L.E.Forsberg. Blast waves-unnecessary expense or vital components in structure hardening[C]//Proceeding of the 9th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Mclean Virgina:1999.

[4] H.J.Hader. Design and application of reinforced concretearmoured doors[C]// Proceeding of the 2th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Panama City Beach:1985.

[5] 隋樹元,王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2000.

[6] 嚴(yán)家佳.溫壓炸藥爆炸后燃燒過程的觀察[D].西安:西安近代化學(xué)研究所,2009.