葛 濤, 曹洪瑞, 張志剛

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,西安 710038; 2.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007)

目前，防爆墻是防護(hù)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已成為戰(zhàn)場(chǎng)臨時(shí)防護(hù)和重要目標(biāo)反恐防爆的有效措施。在重要目標(biāo)外一定距離設(shè)置防爆墻，將有效降低爆炸沖擊波和破片的破壞作用，降低裝備損失和人員傷亡概率?？焖倨囱b式防爆墻可以迅速在目標(biāo)外圍構(gòu)筑起防護(hù)屏障，通過(guò)直接反射爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波，自身變形及填料的飛散、摩擦吸收和消耗爆炸沖擊波能量來(lái)達(dá)到防護(hù)目的。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)研究[1-4]、理論分析[5-7]和數(shù)值計(jì)算[8-11]等方法對(duì)防爆墻進(jìn)行了大量研究。穆朝民等[12]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)爆炸沖擊波作用于防爆墻的荷載與沖擊波繞流規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了爆炸沖擊波繞流的內(nèi)在機(jī)理和防爆墻周?chē)鷽_擊波流場(chǎng)的分布規(guī)律；張耀等[13]利用AUTODYN軟件模擬了水體防爆墻和鋼筋混凝土防爆墻對(duì)地面爆炸沖擊波的削弱作用，對(duì)比了兩種防爆墻的消波性能，分析了沖擊波作用于兩種防爆墻時(shí)各物質(zhì)間能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律；洪武等[14]采用AUTODYN軟件研究了非直立剛性防爆墻墻后沖擊波超壓分布情況，指出不同傾斜情況的墻體消波效果相當(dāng)；丁娜娜等[15]采用LS-DYNA程序?qū)Ρ_擊波遇到懸臂式防爆墻時(shí)的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與無(wú)防爆墻時(shí)進(jìn)行了對(duì)比，得到了防爆墻墻后超壓的衰減率。

先前的研究多數(shù)采用數(shù)值模擬方法，已進(jìn)行的爆炸試驗(yàn)多為縮比例或小當(dāng)量近距離試驗(yàn)，目前關(guān)于快速拼裝式防爆墻的原型爆炸試驗(yàn)較少。本文對(duì)不同裝配形式的快速拼裝式防爆墻進(jìn)行炮彈靜爆試驗(yàn)，測(cè)得了防爆墻墻后沖擊波超壓分布規(guī)律，并與無(wú)墻時(shí)自由場(chǎng)超壓的CONWEP程序計(jì)算值對(duì)比，分析了快速拼裝式防爆墻的消波性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)構(gòu)件

快速拼裝式防爆墻墻體結(jié)構(gòu)單元由低碳鋼絲焊接形成骨架，通過(guò)螺旋鉸鏈組裝連接成可拆裝、可重復(fù)利用的鋼網(wǎng)，并內(nèi)襯高抗拉優(yōu)質(zhì)土工布，再經(jīng)填充砂、土、石子形成墻體，如圖1所示。炮彈采用122 mm、130 mm、152 mm殺爆彈戰(zhàn)斗部，其炸藥類(lèi)型為T(mén)NT，裝藥量分別為3.2 kg、3.5 kg、5.8 kg，如圖2所示。

圖1 防爆墻單元

圖2 試驗(yàn)炮彈

1.2 量測(cè)系統(tǒng)及設(shè)備

試驗(yàn)中采用壓力傳感器測(cè)量防爆墻迎爆面和墻后地面的沖擊波超壓，如圖3(a)、(b)所示。反射超壓傳感器選用不同量程的Kistler傳感器，輸出信號(hào)為電壓，該壓力傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、后續(xù)電路簡(jiǎn)單、零漂小、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。選用天奧SC56671便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為采集儀(如圖4所示)，采樣率使用2 MHz，負(fù)延時(shí)250 ms，采樣時(shí)間2 s。試驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用斷靶外觸發(fā)方式，在戰(zhàn)斗部上纏繞斷靶線，戰(zhàn)斗部起爆后繃斷斷靶線，數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得一個(gè)階躍信號(hào)(0～5 V)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(a) 迎爆面?zhèn)鞲衅鱮

(b) 墻后地面?zhèn)鞲衅?/p>

圖4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

1.3 試驗(yàn)布置

將不同規(guī)格防爆墻按照?qǐng)D5進(jìn)行布設(shè)。試驗(yàn)采用一爆多用的方法，每一發(fā)炮彈靜爆試驗(yàn)均對(duì)距爆心5 m、10 m和15 m的防爆墻進(jìn)行測(cè)試，墻體布置保證每組墻體墻面中心與爆炸中心在一條直線上，且保證爆炸波傳遞到所有墻體迎爆面上。防爆墻尺寸見(jiàn)表1所示。

表1 防爆墻單元尺寸

每發(fā)炮彈靜爆過(guò)程中分別測(cè)試1#、2#、4#、5#防爆墻迎爆面正中心處及正中心水平間隔1個(gè)防爆墻單元長(zhǎng)度處沖擊波超壓及其墻后0.5 m、1.5 m和3.0 m處的地面沖擊波超壓，超壓測(cè)點(diǎn)位置，見(jiàn)圖5所示。

試驗(yàn)依次在爆心處以雷管和起爆藥柱起爆的方式靜爆1發(fā)122 mm殺爆彈，1發(fā)130 mm殺爆彈，2發(fā)152 mm殺爆彈，其中1發(fā)152殺爆彈為淺埋狀態(tài)，彈丸水平放置，彈軸與1#墻平行，彈體最頂端距地面0.08 m，其余殺爆彈豎直放置在彈架上，爆心距地面均為1 m。

圖5 試驗(yàn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

目前，研究者針對(duì)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律主要采用沖擊波壓力、超壓峰值等參數(shù)來(lái)描述，而這些參數(shù)一般通過(guò)比例爆距來(lái)表達(dá)。比例爆距定義為：

(1)

式中:R為測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離，m；C為等效TNT藥量，kg。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)靜爆試驗(yàn)中防爆墻迎爆面和墻后測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了不同比例爆距下的沖擊波超壓時(shí)程曲線，圖6、圖7給出了部分比例爆距下沖擊波超壓時(shí)程曲線圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示122 mm殺爆彈靜爆條件下1#墻、130 mm殺爆彈靜爆條件下2#墻、152 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻、122 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻的沖擊波時(shí)程曲線。

圖6 迎爆面沖擊波超壓時(shí)程曲線

Fig.6 P-t waves of on Anti-blast Wall surface of attack

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 防爆墻周?chē)鷽_擊波流場(chǎng)

將不同比例爆距下防爆墻迎爆面和墻后沖擊波超壓峰值進(jìn)行對(duì)比，表2給出了部分比例爆距下超壓峰值試驗(yàn)結(jié)果，其中四種比例爆距下試驗(yàn)結(jié)果分別表示122 mm殺爆彈靜爆條件下1#墻、130 mm殺爆彈靜爆條件下2#墻、152 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻、122 mm殺爆彈靜爆條件下5#墻的沖擊波超壓峰值。

表2 沖擊波超壓峰值

2.2.1 防爆墻消波效應(yīng)

防爆墻對(duì)沖擊波的削弱作用直接決定了其防護(hù)性能的好壞，對(duì)于墻后重要目標(biāo)的安全設(shè)防研究具有重要意義。因此，定義快速拼裝式防爆墻超壓消波效應(yīng)系數(shù)WP，以此來(lái)分析快速拼裝式防爆墻的消波性能，消波效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

式中:ΔPb表示有防爆墻時(shí)墻后沖擊波超壓，ΔP0表示無(wú)防爆墻時(shí)自由場(chǎng)沖擊波超壓。由試驗(yàn)結(jié)果可知，防爆墻墻后沖擊波超壓與墻后比例距離有關(guān)?，F(xiàn)定義墻后比例距離為：

(3)

式中：R2為墻后測(cè)點(diǎn)距防爆墻背爆面的距離，m；C為炸藥裝藥量，kg。

圖7 墻后沖擊波超壓時(shí)程曲線

Fig.7 P-t waves back of Anti-blast Wall

由式(2)可知，有防爆墻時(shí)墻后沖擊波超壓ΔPb越小，快速拼裝式防爆墻的消波效應(yīng)系數(shù)越大，表明防爆墻消波性能越好。若通過(guò)爆炸試驗(yàn)，找到消波效應(yīng)系數(shù)WP的變化規(guī)律，結(jié)合爆炸沖擊波在自由場(chǎng)中的超壓和沖量經(jīng)驗(yàn)公式，則可根據(jù)消波效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式反算防爆墻后沖擊波超壓ΔPb，從而為確定墻后重要目標(biāo)和人員的設(shè)防安全距離提供依據(jù)。

為研究防爆墻對(duì)沖擊波超壓的消減效應(yīng)，利用CONWEP程序計(jì)算了對(duì)應(yīng)靜爆試驗(yàn)中無(wú)防爆墻時(shí)相同測(cè)點(diǎn)的爆炸沖擊波自由場(chǎng)超壓，表3給出了無(wú)防爆墻時(shí)炮彈靜爆試驗(yàn)的墻后測(cè)點(diǎn)沖擊波超壓峰值，其中爆距采用炸藥到防爆墻迎爆面的距離R1。

表3 自由場(chǎng)超壓峰值CONWEP程序計(jì)算值

圖8 WP隨墻后比例距離的變化曲線

(a) 墻后0.5 m

(b) 墻后1.5 m

(c) 墻后3 m

(a) 炸藥當(dāng)量C=3.2 kg

(b) 炸藥當(dāng)量C=3.5 kg

(c) 炸藥當(dāng)量C=5.8 kg

(4)

式中：H為防爆墻高度，m；C為炸藥裝藥量，kg。

3 結(jié) 論

(1) 作用于防爆墻迎爆面的反射超壓一般比墻后的最大繞射超壓大一個(gè)數(shù)量級(jí)，比例爆距和墻后測(cè)點(diǎn)距離對(duì)防爆墻繞射超壓有較大影響；

(3) 防爆墻消波性能受比例爆距和比例墻高共同影響，不能單純依靠比例爆距判斷墻體消波能力。