徐小輝,邱艷宇,王明洋,邵魯中

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210007)

近年來(lái),巨型鉆地武器和小型鉆地核導(dǎo)彈的研制和使用受到高度重視,其爆炸效應(yīng)與大當(dāng)量地下淺埋爆炸現(xiàn)象相似,揭示大規(guī)模地下爆炸效應(yīng)的規(guī)律和破壞特征,可為地下防護(hù)工程的優(yōu)化和鉆地武器戰(zhàn)斗部的研發(fā)提供參考。

對(duì)于大當(dāng)量地下爆炸的研究對(duì)象----天然巖體而言,爆炸作用下巖石拋擲彈坑的形成受到爆炸當(dāng)量、爆炸源能量的高密度、核彈圍巖的特性以及巖塊和地質(zhì)構(gòu)造的影響,對(duì)于這樣復(fù)雜的物理過(guò)程,通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬完成爆炸作用力學(xué)參數(shù)的計(jì)算還存在很大困難,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地實(shí)驗(yàn)也受到場(chǎng)地、人力物力的限制難以開(kāi)展系統(tǒng)研究。采用相似物理模擬實(shí)驗(yàn)的方法可以研究地下爆炸過(guò)程中各種影響因素對(duì)彈坑和鼓包形成的影響,實(shí)驗(yàn)成本低、周期短,是目前條件下獲取鉆地核爆和大當(dāng)量地下爆炸過(guò)程影響因素量化指標(biāo)的有效手段。

當(dāng)前關(guān)于地下淺埋爆炸的物理模擬實(shí)驗(yàn)主要采用土工離心機(jī)爆炸模擬裝置和真空室爆炸模擬裝置,土工離心機(jī)盡管在小當(dāng)量、淺埋深爆炸模擬方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),但是造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)成本高,受到離心機(jī)加速度和模擬裝藥當(dāng)量的限制,模擬比尺有限,只適用于一定規(guī)模的地下爆炸效應(yīng)研究[1-3]。真空室爆炸模擬裝置最早由前蘇聯(lián)地球物理研究所的M.A.Sadovskii等[4]和V.V.Adushkin等[5-6]報(bào)道,他們研制了用于研究核爆炸和化學(xué)爆炸拋擲成坑的真空室模擬裝置,該裝置直徑2.3 m、高3 m、體積12 m3,模擬比尺從1:100到1:1 000,真空室內(nèi)置1～10個(gè)爆炸源,可瞬時(shí)爆炸或延遲爆炸,爆源裝置采用球形鎳鉻絲金屬柵格內(nèi)置薄壁橡膠氣囊做成,通過(guò)低壓電流加熱鎳鉻絲燒裂橡膠球達(dá)到釋放壓縮氣體的目的。但是,這種起爆方式不僅鎳鉻絲的加熱時(shí)間長(zhǎng)短不可控,對(duì)于多組爆源的延期起爆也無(wú)法做到精確起爆控制,而且橡膠氣囊很可能隨機(jī)地從某處開(kāi)一裂口造成噴出氣體的不均勻,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。20世紀(jì)90年代,Y.S.Vakhrameev[7]和I.M.Blinov等[8-9]發(fā)展了自然重力場(chǎng)中大當(dāng)量拋擲爆炸的真空室實(shí)驗(yàn)技術(shù),研究了拋擲爆炸彈坑及疏松鼓包的形成機(jī)制,其爆源采用的是0.2 g微型炸藥,但是如何制作毫克級(jí)微型炸藥并保證其性能穩(wěn)定是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

綜上所述,國(guó)內(nèi)尚未有大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)報(bào)道,國(guó)外此類裝置盡管起步早,但是整套裝置自動(dòng)化程度低,量測(cè)技術(shù)落后,爆源裝置的起爆控制也有待升級(jí)改進(jìn)。本文中以大當(dāng)量地下爆炸真空室模擬方法為基礎(chǔ),自主設(shè)計(jì)研制用于地下淺埋爆炸拋擲成坑效應(yīng)縮比模擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),提出一種新型爆源裝置,采用柔性導(dǎo)爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式實(shí)現(xiàn)爆源的精確起爆控制。

1 設(shè)計(jì)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置以化爆實(shí)驗(yàn)中建立的拋擲巖石爆炸能量轉(zhuǎn)移機(jī)制為物理模擬基礎(chǔ),把大當(dāng)量地下爆炸成坑過(guò)程看作爆炸氣狀生成物推出碎裂巖石的結(jié)果,主要模擬與彈坑形成和巖石移動(dòng)相關(guān)的氣體加速階段和慣性拋擲階段,而沖擊波作用階段已經(jīng)結(jié)束,此時(shí)已知爆炸腔體的大小,腔體周圍巖石受到破壞,模型的初始參數(shù)為爆腔的大小和腔體氣體能量。地下爆炸彈坑的主要特征參數(shù)包括：彈坑半徑R、深度H、體積V、拱頂最大質(zhì)點(diǎn)速度vm以及氣體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間tm。該模型的支配參數(shù)為爆炸源、破碎巖石介質(zhì)和外部環(huán)境的特性,爆源的關(guān)鍵參量為空腔半徑rn、腔體氣體能量E(或壓力P)、裝藥埋深h、絕熱線參數(shù)χ；對(duì)于巖石的拋擲過(guò)程,忽略介質(zhì)的壓縮性,破碎巖石的關(guān)鍵參數(shù)為密度ρ、巖塊間的摩擦因數(shù)kT、破碎巖塊脫離母巖的內(nèi)聚力c；外部環(huán)境參數(shù)包括重力加速度g和自由面大氣壓Pa。根據(jù)相似理論量綱分析法[10],M.A.Sadovskii等[4]最早給出了描述彈坑形成發(fā)展過(guò)程與拋擲巖石初始條件和特性間的關(guān)系式為：

(1)

根據(jù)相似準(zhǔn)數(shù)恒定的要求,各物理量相似常數(shù)之間的關(guān)系為：

(2)

設(shè)線性幾何比尺αh=αrn=1/N,采用與原型材料相等密度的模擬材料,如果實(shí)驗(yàn)在慣性力場(chǎng)中進(jìn)行,即αρ=1,αg=N,由關(guān)系式(2)得：

(3)

如果實(shí)驗(yàn)在自然重力場(chǎng)中進(jìn)行,即αρ=1,αg=1,由關(guān)系式(2)得：

(4)

由關(guān)系式(1)可知,當(dāng)忽略重力對(duì)拋擲彈坑的影響時(shí),即不考慮參數(shù)E/(ρgh4),就得到了爆炸幾何相似律,即爆炸能量比尺是線性比尺的3次方,其必要條件為ρgh與Pa和c相比數(shù)值要小,屬于小當(dāng)量淺埋爆炸情形；當(dāng)爆炸當(dāng)量增大時(shí),蘊(yùn)含能量的主要參數(shù)是E/(ρgh4),該參數(shù)的作用將隨著爆炸當(dāng)量的增大而增大,此時(shí)爆炸能量比尺是線性比尺的4次方(式(4))。錢七虎[11]通過(guò)拋擲爆破原型實(shí)驗(yàn)與模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析指出,重力在大型爆破特別是軟弱巖層形成漏斗坑時(shí)起決定性作用。為了在模型實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)大當(dāng)量拋擲爆炸,當(dāng)材料密度變化不大時(shí),有兩種方式實(shí)現(xiàn)模型和實(shí)物中各量綱的對(duì)等關(guān)系,其中一種就是利用離心機(jī)使實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中的慣性加速度增加到重力加速度的N倍,而模擬材料采用原型材料。另一種方式就是使用相似材料,讓模型中自由面氣壓變?yōu)榇髿鈮毫Φ?/N,內(nèi)聚力為原型材料的1/N,從而使參數(shù)E/(Pah3)和E/(ch3)的影響降至最低,保證了支配參數(shù)E/(ρgh4)的決定性作用。

以上述相似理論為基礎(chǔ),在大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬裝置的設(shè)計(jì)中,爆炸源采用充有一定體積壓縮氣體的空腔模仿真實(shí)條件下充滿氣狀生成物的地下爆炸腔體。通過(guò)對(duì)密閉容器抽真空,降低模型材料自由面的大氣壓力Pa,采用與原型材料密度相近的散體材料如細(xì)石英砂,減小模擬材料的內(nèi)聚力值c。這樣將石英砂放置在真空室中,石英砂內(nèi)一定深度處放置充有壓縮氣體的球殼,當(dāng)球殼破裂后,釋放的壓縮氣體把石英砂推擠出去,形成飛散彈坑,整個(gè)拋擲過(guò)程由高速攝影機(jī)記錄。整套裝置的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置研制

根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)原理,自主研制了大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置(見(jiàn)圖2～3),主要由容器罐體、快開(kāi)門密閉機(jī)構(gòu)、爆源系統(tǒng)、真空泵組、量測(cè)控制系統(tǒng)組成,其中爆源系統(tǒng)為整個(gè)裝置的核心。

2.1 容器罐體

容器罐體為整個(gè)裝置的主體,是樣品試件和其他系統(tǒng)的搭載平臺(tái),主要包括基座、罐體和輔助設(shè)備?；钦麄€(gè)裝置的支撐部件,為保證容器罐體的整體穩(wěn)定性,基座基礎(chǔ)由鋼筋混凝土澆筑而成。罐體主體結(jié)構(gòu)采用臥式設(shè)計(jì),尺寸為?3.0 m×3.93 m,由不銹鋼板和Q345R容器板組成的復(fù)合鋼板加工而成。罐體外部纏繞隔音材料和玻璃鋼層,內(nèi)部放置模型沙箱,罐體一端有直徑為1.5 m的法蘭盤,法蘭盤中心有直徑為20 cm的觀察窗口,用于樣品的進(jìn)出和高速攝影的觀察。輔助設(shè)備包括軌道、護(hù)欄和各類標(biāo)準(zhǔn)法蘭接管,用于測(cè)控線纜、起爆線纜的進(jìn)出。罐體的承壓指標(biāo)為：絕對(duì)氣壓0.2 MPa,絕對(duì)水壓0.3 MPa。

2.2 快開(kāi)門密閉機(jī)構(gòu)

快開(kāi)門密閉機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)容器罐體的快速開(kāi)啟和密閉,由法蘭盤、移動(dòng)小車、旋轉(zhuǎn)卡箍、伸縮氣缸和空壓機(jī)等組成(見(jiàn)圖3)。法蘭盤置于移動(dòng)小車上,通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)法蘭盤與容器罐體的分開(kāi)和閉合。采用齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)法蘭盤和容器罐體的密閉連接。旋轉(zhuǎn)卡箍?jī)啥伺c氣動(dòng)伸縮桿相鉸連,氣動(dòng)伸縮桿的另一端固定在基座上,并通過(guò)換向電磁閥、氣管與空壓機(jī)相連。旋轉(zhuǎn)卡箍和法蘭盤外圓周方向上有均勻分布的楔塊,兩者楔塊的傾斜方向相反,當(dāng)空壓機(jī)壓力達(dá)到一定值時(shí),氣動(dòng)伸縮缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡箍轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,法蘭盤楔塊和卡箍楔塊之間利用斜面摩擦自鎖原理實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卡箍的鎖緊和錯(cuò)開(kāi),達(dá)到容器罐體密閉和承壓的功能要求,旋轉(zhuǎn)卡箍旋轉(zhuǎn)角度的大小由氣動(dòng)伸縮桿的伸縮行程控制。

2.3 爆源系統(tǒng)

2.3.1 爆源初始參數(shù)設(shè)計(jì)

本裝置物理模擬方法中,采用空腔氣體壓力P膨脹到自由面氣體壓力Pa時(shí)的勢(shì)能A來(lái)表征氣體拋擲破碎巖石的能量[13],其與空腔氣體能量E、壓力P、空腔體積Vn和氣體絕熱指數(shù)χ之間的關(guān)系為：

(5)

不同巖石中地下爆炸空腔氣體勢(shì)能A的計(jì)算表達(dá)式[13]見(jiàn)表1,其中ηw為巖石的含水量,ηCO2為巖石的含氣量,ηm為巖石的混合含氣量。

表1 地下爆炸空腔氣體勢(shì)能計(jì)算表達(dá)式Table 1 Formula for the energy of the gas potential energy of the cavity in underground explosion

這樣,不同巖石中地下爆炸空腔大小rn和氣體生成物能量A就作為模型實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)已知參數(shù)。當(dāng)采用半徑為r的球殼模擬爆炸空腔時(shí),模擬比尺為N=rn/r,根據(jù)能量比尺關(guān)系確定模型中的氣體勢(shì)能(A)M=(A)P/N4(下標(biāo)P表示實(shí)物中的參數(shù),下標(biāo)M表示模型中的參數(shù)),利用式(5)就可以確定模型中球殼內(nèi)氣體的壓力(P)M。

2.3.2 爆源裝置研制

爆源裝置由玻璃球罩、柔性導(dǎo)爆索、電雷管、起爆器、空壓機(jī)、真空泵、電磁閥以及密封連接構(gòu)件組成(見(jiàn)圖4),各部件連接設(shè)計(jì)原理如圖5所示。采用薄壁玻璃球罩模擬爆炸空腔(見(jiàn)圖6),玻璃球中心處內(nèi)置一定長(zhǎng)度的螺旋狀柔性導(dǎo)爆索,利用導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生的沖擊波擊碎玻璃球罩,從而達(dá)到釋放壓縮氣體的目的。為了減少導(dǎo)爆索爆生氣體對(duì)玻璃球內(nèi)部氣體能量的影響,柔爆索與不銹鋼管的穿入端進(jìn)行了密封處理。當(dāng)模擬比尺較大時(shí),由地下爆炸的能量比尺關(guān)系(4)可知,玻璃球罩中的壓力可能低于大氣壓,因此也配置了小型真空泵。

2.3.3 爆源適用性分析

為了檢驗(yàn)玻璃球罩爆破的球形度,并證明爆源裝置的可靠性和其力學(xué)效應(yīng)的相似性,分別在空氣、沙和水三種介質(zhì)中開(kāi)展了玻璃球罩爆炸的高速分幅攝影實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2,其中玻璃球罩水中爆炸的情形分別選取長(zhǎng)度為20 cm和10 cm螺旋狀導(dǎo)爆索。通過(guò)玻璃球罩爆破過(guò)程高速攝影鏡頭(見(jiàn)圖7)以及回收的玻璃碎片(見(jiàn)圖8)可以看出,玻璃球罩碎片的膨脹運(yùn)動(dòng)是球形的,盡管柔爆索入口處玻璃球罩爆破的球形度稍差,當(dāng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)微秒的傳播后,球形度就變得很好,以球形面的長(zhǎng)軸直徑和短軸直徑的相對(duì)差別定義的不對(duì)稱度小于5%,此外玻璃碎片的尺寸大小對(duì)壓縮氣體的釋放過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生影響。采用10 cm長(zhǎng)的螺旋狀柔性導(dǎo)爆索中心起爆比采用20 cm長(zhǎng)的可以減少其自身爆炸對(duì)玻璃球罩內(nèi)氣體能量的影響,爆破效果滿足大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬裝置的功能設(shè)計(jì)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爆源起爆的精確控制。

為了評(píng)估柔爆索爆炸對(duì)拋擲成坑的影響,在石英砂中開(kāi)展了模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法如下,玻璃球罩和沙箱容器中均不抽真空,即沒(méi)有所謂的高壓氣體,將玻璃球埋置在10 cm深的石英砂中,之后起爆柔爆索,由高速攝像機(jī)記錄石英砂自由面變化情況。通過(guò)回收的玻璃碎片及回填實(shí)驗(yàn)結(jié)果(玻璃球罩和漏斗沙坑的體積均為480 cm3)可以看出(見(jiàn)圖9),玻璃球罩的碎片較大,并且布滿了裂紋,柔爆索的爆炸能量主要用于擊碎玻璃球罩,石英砂自由面并無(wú)觀察到隆起和拋擲現(xiàn)象,只是形成了漏斗沙坑。由此可見(jiàn),采用10 cm長(zhǎng)的螺旋狀柔性導(dǎo)爆索中心起爆對(duì)拋擲成坑的影響微乎其微。

表2 爆源球形度實(shí)驗(yàn)Table 2 Sophericity experiments for the detonation device

2.4 真空泵組

真空泵組主要為容器罐體提供真空環(huán)境,由旋片泵、羅茨泵和各類連接管道和截止閥組成。真空泵組的技術(shù)性能為極限壓力0.05 Pa、抽速1 200 L/s、總功率33.5 kW,可在0.5 h內(nèi)使容器罐體內(nèi)部的真空度達(dá)到100 Pa。整個(gè)容器罐體(容積為30 m3)的真空度指標(biāo)為10～105Pa。

2.5 量測(cè)控制系統(tǒng)

量測(cè)控制系統(tǒng)主要是相似散體材料基本力學(xué)性能參數(shù)測(cè)量、拋擲飛散介質(zhì)的動(dòng)態(tài)追蹤和整套裝置的聯(lián)動(dòng)控制。相似模擬材料的內(nèi)聚力值和內(nèi)摩擦因數(shù)采用FT4多功能粉末流動(dòng)性測(cè)試儀的剪切盒測(cè)試模塊測(cè)得。飛散介質(zhì)的動(dòng)能參數(shù)主要通過(guò)高速攝影機(jī)、LED投光燈、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及分析軟件測(cè)得,采集速度一般為2 000 s-1。操控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)快開(kāi)門密閉機(jī)構(gòu)、光源、真空泵組、高速攝像機(jī)和爆源裝置的聯(lián)動(dòng)控制。

表3 不同當(dāng)量淺埋地下拋擲爆炸成坑效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)Table 3 Key parameters for the simulation of large-scale underground cratering explosions

2.6 裝置模擬指標(biāo)

基于真空室爆炸模型實(shí)驗(yàn)方法[4]以及爆源初始參數(shù)設(shè)計(jì)方法,對(duì)已有的大當(dāng)量淺埋地下核爆炸拋擲成坑原型實(shí)驗(yàn)[13]計(jì)算給出了模型實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)(見(jiàn)表3),由表3可知,對(duì)于裝藥當(dāng)量0.1～100 kt范圍內(nèi)的原型地下核爆炸,該裝置的主要模擬指標(biāo)參數(shù)如爆源小球壓力、容器罐體的真空度等均可在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn),在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),可以通過(guò)調(diào)整爆源小球的幾何大小改變模擬比尺,進(jìn)而調(diào)整小球壓力和容器罐體真空度以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件。

3 大當(dāng)量爆炸拋擲成坑模擬實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

以美國(guó)火山凝灰?guī)r中的大當(dāng)量拋擲爆炸Neptun實(shí)驗(yàn)為例,進(jìn)行真空室模型實(shí)驗(yàn)。該爆炸等效TNT裝藥當(dāng)量q=0.115 kt,埋設(shè)在坡度為30°的傾斜山坡中,埋深為30.5 m,爆炸空腔rn=7.3 m,用于拋擲破碎巖石的能量A=62.31 GJ,爆炸結(jié)果形成了半徑為33 m、深為10.5 m、體積為17 000 m3的拋擲彈坑。該地區(qū)凝灰?guī)r的主要物理特性為：密度ρ=2 000 kg/m3,縱波速度cP=2 200 m/s,抗壓強(qiáng)度極限σ*=360 MPa,抗拉強(qiáng)度極限為σP=12 MPa,泊松系數(shù)ν=0.12,巖石含氣屬性為ηm=0.153。

模型實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)：玻璃球罩半徑r= 5 cm、模擬比尺N=rn/r=146、玻璃球罩中氣體壓力P=135.219 kPa、埋設(shè)深度h=21 cm、容器罐體真空度Pa=686 Pa,采用平均粒徑為0.3 mm的干石英砂作為模擬材料,其密度ρ=1.4 g/cm3,利用FT4多功能粉末流動(dòng)性測(cè)試儀的剪切盒測(cè)試模塊測(cè)得試樣的剪切強(qiáng)度參數(shù)[12]：內(nèi)聚力c=92 Pa,內(nèi)摩擦因數(shù)kT=0.8,內(nèi)摩擦角為38.6°,其中內(nèi)摩擦角符合破壞巖石天然坡度角的變化范圍(36°～45°)。對(duì)關(guān)系式(1)中包含能量的量綱一組合參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,有：

(6)

本模型實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)作用力之間的關(guān)系為：P/ρgh=47,P/Pa=197,P/c=1 470,由此可見(jiàn),本模型實(shí)驗(yàn)參數(shù)大氣壓力和內(nèi)聚力與模擬材料的重力相比小1～2個(gè)量級(jí),突出了支配參數(shù)E/ρgh4的決定性作用,符合大當(dāng)量地下爆炸拋擲成坑效應(yīng)模擬的相似條件。爆源裝置及實(shí)驗(yàn)布置如圖10所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

一般的拋擲彈坑的構(gòu)造可以分出可視彈坑、真實(shí)彈坑和巖石堆置物(見(jiàn)圖11)。可視彈坑的大小反映了拋擲巖石的有效性,Rr為彈坑頂部半徑,比真實(shí)彈坑半徑R大,堆置物由碎裂巖石形成,它們通過(guò)爆炸被掀起到空中,然后落到彈坑以外的自由面上(外邊堆置物)和彈坑底部(內(nèi)部堆置物),其中y為堆置物距離地表的最大高度,RP為巖塊飛散的最遠(yuǎn)距離。

按照實(shí)驗(yàn)參數(shù),將玻璃球罩中心埋設(shè)在距離石英砂自由面21 cm處,開(kāi)啟控制柜,為裝置各系統(tǒng)供電,開(kāi)啟移動(dòng)小車,利用旋轉(zhuǎn)卡箍將法蘭盤鎖緊,開(kāi)啟LED投光燈,將高速攝像采集系統(tǒng)調(diào)試到位；啟動(dòng)真空泵組,當(dāng)容器罐內(nèi)達(dá)到額定真空度時(shí),關(guān)閉容器罐體截止閥；對(duì)玻璃球罩進(jìn)行充氣加壓,當(dāng)達(dá)到指定壓力135 kPa時(shí),關(guān)閉電磁閥；同時(shí)啟動(dòng)高速攝像機(jī)和起爆器,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行記錄。由于容器罐體容量大,真空度低于1 kPa時(shí),罐內(nèi)真空度穩(wěn)定時(shí)間很短,起爆瞬時(shí)罐內(nèi)真空度的實(shí)際值為740 Pa,略高于額定值。

表4 模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of blasting crater

由表3可知,模型實(shí)驗(yàn)的彈坑半徑比原型相似計(jì)算結(jié)果大13.3%,而彈坑深度比原型小12.5%,成坑體積小約20%,拋擲指數(shù)的相對(duì)誤差為20%,從原型和模型實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析結(jié)果可知,大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展的拋擲爆炸模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原型現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,利用該裝置可以開(kāi)展不同規(guī)模的地下爆炸拋擲成坑實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在的誤差,究其原因一方面由于原型Neptun爆炸發(fā)生在坡度為30°的傾斜山坡上,由于彈坑上翼的倒塌,彈坑底部和下部被覆埋,對(duì)彈坑的形態(tài)及幾何尺寸造成了影響；另一方面此裝置的物理模擬基礎(chǔ)是把大當(dāng)量地下爆炸看作是爆炸空腔氣體推動(dòng)破碎巖石拋擲運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,采用柔性導(dǎo)爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式雖然保證了爆腔的破裂效果,解決了爆源的起爆控制難題,但是玻璃球罩內(nèi)部10 cm長(zhǎng)度的導(dǎo)爆索爆炸可能對(duì)爆腔內(nèi)的初始準(zhǔn)靜態(tài)氣體壓力造成影響,從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,此外,模擬相似材料石英砂的密度比原型凝灰?guī)r的密度略小,忽略相似材料石英砂的內(nèi)聚力,容器罐體的低真空度值穩(wěn)定時(shí)間很短等因素均可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差。

4 結(jié) 論

對(duì)大當(dāng)量地下爆炸拋擲成坑物理過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化,基于大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模型實(shí)驗(yàn)方法,研制了考慮重力影響的淺埋地下爆炸拋擲成坑效應(yīng)縮比模擬實(shí)驗(yàn)裝置,并進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論：

(1)研制的大當(dāng)量地下爆炸效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括容器罐體、快開(kāi)門密閉機(jī)構(gòu)、爆源系統(tǒng)、真空泵組、量測(cè)控制系統(tǒng)等,主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)(爆源氣體壓力、容器罐體真空度值)可調(diào)可控,通過(guò)調(diào)整模擬比尺,能夠模擬0.1～100 kt、埋深20～400 m范圍內(nèi)不同比尺的地下爆炸拋擲成坑現(xiàn)象;

(2)采用齒嚙式卡箍連接結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)法蘭盤和容器罐體的快速開(kāi)啟和密閉連接,不僅承壓密閉性能好,而且操作方便、自動(dòng)化程度高;

(3)建立了考慮彈藥圍巖特性的爆源初始參數(shù)的計(jì)算方法,提出的柔性導(dǎo)爆索傳爆震碎玻璃球罩的新型爆源裝置,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)精確起爆控制,安全可控,而且柔爆索爆炸對(duì)拋擲成坑的影響很小,提高了模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性;

(4)相比于爆炸離心機(jī)動(dòng)輒幾千萬(wàn)甚至上億的制造成本,本裝置造價(jià)成本低,無(wú)需提供額外的加速度,在模擬大當(dāng)量地下淺埋爆炸拋擲成坑現(xiàn)象時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì),可為鉆地核武器地下爆炸成坑毀傷機(jī)制和大型工程爆破效果的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面的科學(xué)研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。