邢存震，唐恩凌，梁德剛，董 興

密閉空間內(nèi)爆炸沖擊波超壓特性試驗研究

邢存震1,2，唐恩凌1，梁德剛2，董 興2

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159；2.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽 110045)

為探索實戰(zhàn)條件下沖擊波超壓對水面艦艇艙室內(nèi)人員的殺傷效果，采用穿爆試驗對封閉空間內(nèi)的爆炸沖擊波超壓宏觀特性進行研究，對比和分析了艙內(nèi)△Pm-t曲線形態(tài)及超壓分布規(guī)律。結(jié)果表明:運動裝藥在水面艦艇艙內(nèi)的爆炸沖擊波△Pm-t曲線尖峰脈沖明顯多于其他爆炸試驗裝置；隨著裝藥運動速度增加，沖擊波超壓明顯增強；起爆點距測試點越遠與典型爆炸沖擊波△Pm-t曲線相似度越高。

帶殼裝藥；艙室；沖擊波超壓

裝藥在艦船、機庫等高價值、封閉性空間內(nèi)部爆炸形成的沖擊波效應(yīng)與無限空間相比差異較大。在封閉空間內(nèi)，爆炸沖擊波與目標(biāo)壁面耦合，使超壓-時間曲線呈現(xiàn)多峰形態(tài)，在極短時間內(nèi)可對目標(biāo)形成多次毀傷。國內(nèi)外學(xué)者對封閉空間內(nèi)沖擊波特性進行了大量的理論和試驗研究，認為與無限空間的主要差異源于沖擊波與目標(biāo)壁面的多次反射作用，其研究方向多為封閉空間內(nèi)沖擊波載荷(超壓)的分布和反射[1-2]。在超壓峰值經(jīng)驗公式擬定[3-4]、對人員毀傷及安全標(biāo)準[5-6]等方面，也進行了大量的試驗研究。在實戰(zhàn)化毀傷效能評估方面，文獻[7]依據(jù)77艘水面艦艇艙室內(nèi)爆試驗結(jié)果，認為:超壓大于0.07693MPa時，艦船結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備的造成嚴重破壞；超壓介于(0.029～0.039)MPa時，可對艦船結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備造成中等程度的破壞；但是，該項研究并未給出測試方法和毀傷評估標(biāo)準。

為向某型裝藥研制論證提供必要依據(jù)，在多次對靶船射擊試驗的基礎(chǔ)上，通過帶殼裝藥對艦艇模擬艙的穿-爆試驗，對實戰(zhàn)條件下，水面艦船艙室內(nèi)的爆炸沖擊波宏觀特性進行了試驗研究。揭示爆炸沖擊波在艦船內(nèi)部的載荷分布情況，并初步分析了裝藥運動、起爆位置對沖擊波超壓分布的影響。

1 模擬艦船艙室內(nèi)爆炸試驗

1.1 裝藥、艙體

試驗的目標(biāo)靶為某型水面艦艇鋼質(zhì)模擬艙，見圖1。

圖1 某型水面艦艇鋼質(zhì)模擬艙實物

艙體結(jié)構(gòu)等比復(fù)制某輕型護衛(wèi)艦，內(nèi)尺寸為4m×3m×2.5m，壁板厚10mm，壁板加強筋為10號球扁鋼。左側(cè)壁板加工測壓孔，位置如圖2所示。

試驗用3發(fā)結(jié)構(gòu)相同的類柱形帶殼裝藥。殼體內(nèi)部壓裝高能含鋁炸藥，裝藥底部安裝獨立起爆裝置。為便于分析，按式(1)[8]將帶殼裝藥重量換算成無殼裝藥重量(等效裸裝藥重量)，即忽略殼體破裂所消耗的炸藥質(zhì)量。裝藥的具體參數(shù)見表1。

(1)

式中:ωe為爆炸產(chǎn)物的當(dāng)量炸藥質(zhì)量(kg)；ω為TNT炸藥裝藥質(zhì)量(kg)；α為彈丸裝填系數(shù)；r0為炸藥裝藥半徑；rm為破片達到最大速度時的半徑(cm)，鋼質(zhì)彈殼rm≈1.5r0；γ為爆炸產(chǎn)物的絕熱指數(shù)，TNT炸藥γ=3.16。

表1 裝藥參數(shù)

1.2 測試方法與系統(tǒng)

假設(shè)裝藥相對于反射體靜止，由裝藥幾何中心起爆，沖擊波以球形傳播。遇反射體(如地面等剛性反射面)后的非規(guī)則傳播情況如圖3[9-10]所示。沖擊波與反射體接觸并產(chǎn)生反射波，反射波與入射波同時向外部擴展傳播并在C、D、E點交匯，此時，C、D、E點連線下方將形成水平推進的馬赫波(馬赫桿)。隨著入射波及反射波的傳播，三波點相對于反射體不斷抬高，最終合成單峰波。按照此原理，設(shè)計如圖4所示的超壓測試系統(tǒng)，并在左側(cè)艙壁測壓孔中，安裝壁面壓力傳感器，按表2選定的起爆點分別測試帶殼裝藥在封閉空間內(nèi)入射波超壓和馬赫波超壓。為降低數(shù)據(jù)處理難度，在炮口處設(shè)置測試系統(tǒng)觸發(fā)控制裝置，以炮口點為測試零點，采集艙體內(nèi)沖擊波超壓。

圖3 沖擊波的非規(guī)則反射傳播規(guī)律

1.3 試驗流程

正式試驗前，預(yù)先進行3組(每組7發(fā))獨立起爆裝置的起爆性能摸底試驗并以高速攝影機記錄裝藥起爆點位置和并換算裝藥在艙內(nèi)的存速及速度下降量。試驗時，帶殼裝藥由火炮按照表2順序分別發(fā)射，自模擬艙A側(cè)穿入艙體(如圖2所示)；在預(yù)定位置起爆后形成沖擊波，由測試系統(tǒng)對沖擊波超壓進行定點采集。

圖4 測試系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

經(jīng)對3發(fā)裝藥的沖擊波超壓采集及處理，得到△Pm-t曲線，如圖5～7所示。各發(fā)裝藥的試驗測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 起爆點與測試點位置關(guān)系

表中:a、b、c為傳感器位置參數(shù)；r為起爆點距傳感器安裝壁面的垂直距離；e為起爆點距傳感器安裝壁面水平斜距；d、H為裝藥起爆位置參數(shù)。

表3 試驗數(shù)據(jù)

圖5 d=1m處超壓△Pm-t曲線

圖6 d=2m處超壓△Pm-t曲線

圖7 d=3m處超壓△Pm-t曲線

圖8 試驗效果

2.2 結(jié)果分析

在d=1m處，起爆位置距測點1的距離f1=1.58m>d，起爆位置距測點2的距離f2=2.58m>d。按照波陣面到達兩測壓點時刻及距離算得:測點1處的沖擊波速度為3160m/s，測點2處的沖擊波速度為629.3m/s，不符合沖擊波速度形成及衰減規(guī)律。因此，測點1第一峰值為爆轟產(chǎn)物準靜壓，測點1第二峰至868.5ms時刻峰值為入射及反射波超壓。868.5ms時刻后，裝藥運動向前運動2.52m，測點1被覆蓋于稀疏波區(qū)域，形成稀疏波負壓。測點2處△Pm-t曲線與無限空間內(nèi)爆炸沖擊波△Pm-t曲線形態(tài)相似，在艙體振蕩、彈體破片及艙內(nèi)其他飛散物干擾下，曲線尖峰脈沖較多。

在d=2m處，起爆位置距測點1的距離f1=1.86m

在d=3m處，起爆位置距測點1的距離f1=1md。裝藥在318ms起爆后，沖擊波到達測點2較測點1提前28ms，測點2處超壓值較測點1提高0.01MPa，沖擊波超壓沿裝藥速度矢量方向前移不顯著。測點1處超壓曲線與圖5b相似，為入射、反射波的疊加波形。

3 結(jié)論

通過不同速度的帶殼裝藥對艦船模擬艙室的穿-爆試驗，對封閉空間內(nèi)的沖擊波超壓特性進行了研究，基于“三波點”原理設(shè)計了沖擊波超壓測試系統(tǒng)，測得類柱形裝藥在艦艇模擬艙室中的沖擊波超壓曲線。試驗結(jié)果表明:封閉艙體內(nèi)，各發(fā)裝藥爆炸沖擊波超壓均達到0.2MPa量級，峰值超壓具有方向性，峰值、爆轟產(chǎn)物在封閉空間內(nèi)沿裝藥速度方向“前沖”，且隨裝藥存速增加而增加；沖擊波△Pm-t曲線隨fi(i=1,2)的增大而與開放空間內(nèi)爆炸沖擊波越相似；與文獻[10]、[11]、[12]相比，運動裝藥在水面艦艇艙內(nèi)的爆炸△Pm-t曲線尖峰脈沖明顯多于鋼混結(jié)構(gòu)及爆炸罐。

由于試驗樣本量較小、測點位置較少，無法準確分析運動狀態(tài)下裝藥爆炸沖擊波入射波、反射波及馬赫波間疊加關(guān)系，封閉空間內(nèi)爆轟產(chǎn)物流場及形成的準靜壓目前也無法準確、定量分析。因此，仍需通過合理方法對該問題開展進一步研究。

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(責(zé)任編輯:王子君)

Study on the Characteristics of Shockwave Overpressure in Enclosed Space

XING Cunzhen1,2，TANG Enling1，LIANG Degang2，DONG Xing2

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoshen Industrial Group Co.,Shenyang 110045,China)

To explore the wounding effects of the overpressure of shockwave in naval ship under the real warfare,the macro property was studied by the armor-pirecing and blasting test in the enclosed space,and the curve of △Pm-tand the distribution of overpressure were compared and analysed.The results showed that the peak pulse of moving charge was obviously more than the other test device；With velocity increasing，the overpressure was enhanced obviously；The curve similarity of △Pm-trises with the increase of the distance between initiation point and test point in this test.

charge with case;compartment;overpressure of shockwave

2016-01-08

邢存震(1981—),男,碩士研究生；通訊作者:唐恩凌(1971—),男,教授,研究方向:終點彈道毀傷理論。

1003-1251(2017)01-0033-05

TJ410.33

A