密闭空间内爆炸冲击波超压特性试验研究

邢存震，唐恩凌，梁德刚，董 兴

密闭空间内爆炸冲击波超压特性试验研究

邢存震1,2，唐恩凌1，梁德刚2，董 兴2

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159；2.辽沈工业集团有限公司，沈阳 110045)

为探索实战条件下冲击波超压对水面舰艇舱室内人员的杀伤效果，采用穿爆试验对封闭空间内的爆炸冲击波超压宏观特性进行研究，对比和分析了舱内△Pm-t曲线形态及超压分布规律。结果表明:运动装药在水面舰艇舱内的爆炸冲击波△Pm-t曲线尖峰脉冲明显多于其他爆炸试验装置；随着装药运动速度增加，冲击波超压明显增强；起爆点距测试点越远与典型爆炸冲击波△Pm-t曲线相似度越高。

带壳装药；舱室；冲击波超压

装药在舰船、机库等高价值、封闭性空间内部爆炸形成的冲击波效应与无限空间相比差异较大。在封闭空间内，爆炸冲击波与目标壁面耦合，使超压-时间曲线呈现多峰形态，在极短时间内可对目标形成多次毁伤。国内外学者对封闭空间内冲击波特性进行了大量的理论和试验研究，认为与无限空间的主要差异源于冲击波与目标壁面的多次反射作用，其研究方向多为封闭空间内冲击波载荷(超压)的分布和反射[1-2]。在超压峰值经验公式拟定[3-4]、对人员毁伤及安全标准[5-6]等方面，也进行了大量的试验研究。在实战化毁伤效能评估方面，文献[7]依据77艘水面舰艇舱室内爆试验结果，认为:超压大于0.07693MPa时，舰船结构及内部设备的造成严重破坏；超压介于(0.029～0.039)MPa时，可对舰船结构及内部设备造成中等程度的破坏；但是，该项研究并未给出测试方法和毁伤评估标准。

为向某型装药研制论证提供必要依据，在多次对靶船射击试验的基础上，通过带壳装药对舰艇模拟舱的穿-爆试验，对实战条件下，水面舰船舱室内的爆炸冲击波宏观特性进行了试验研究。揭示爆炸冲击波在舰船内部的载荷分布情况，并初步分析了装药运动、起爆位置对冲击波超压分布的影响。

1 模拟舰船舱室内爆炸试验

1.1 装药、舱体

试验的目标靶为某型水面舰艇钢质模拟舱，见图1。

图1 某型水面舰艇钢质模拟舱实物

舱体结构等比复制某轻型护卫舰，内尺寸为4m×3m×2.5m，壁板厚10mm，壁板加强筋为10号球扁钢。左侧壁板加工测压孔，位置如图2所示。

试验用3发结构相同的类柱形带壳装药。壳体内部压装高能含铝炸药，装药底部安装独立起爆装置。为便于分析，按式(1)[8]将带壳装药重量换算成无壳装药重量(等效裸装药重量)，即忽略壳体破裂所消耗的炸药质量。装药的具体参数见表1。

(1)

式中:ωe为爆炸产物的当量炸药质量(kg)；ω为TNT炸药装药质量(kg)；α为弹丸装填系数；r0为炸药装药半径；rm为破片达到最大速度时的半径(cm)，钢质弹壳rm≈1.5r0；γ为爆炸产物的绝热指数，TNT炸药γ=3.16。

表1 装药参数

1.2 测试方法与系统

假设装药相对于反射体静止，由装药几何中心起爆，冲击波以球形传播。遇反射体(如地面等刚性反射面)后的非规则传播情况如图3[9-10]所示。冲击波与反射体接触并产生反射波，反射波与入射波同时向外部扩展传播并在C、D、E点交汇，此时，C、D、E点连线下方将形成水平推进的马赫波(马赫杆)。随着入射波及反射波的传播，三波点相对于反射体不断抬高，最终合成单峰波。按照此原理，设计如图4所示的超压测试系统，并在左侧舱壁测压孔中，安装壁面压力传感器，按表2选定的起爆点分别测试带壳装药在封闭空间内入射波超压和马赫波超压。为降低数据处理难度，在炮口处设置测试系统触发控制装置，以炮口点为测试零点，采集舱体内冲击波超压。

图3 冲击波的非规则反射传播规律

1.3 试验流程

正式试验前，预先进行3组(每组7发)独立起爆装置的起爆性能摸底试验并以高速摄影机记录装药起爆点位置和并换算装药在舱内的存速及速度下降量。试验时，带壳装药由火炮按照表2顺序分别发射，自模拟舱A侧穿入舱体(如图2所示)；在预定位置起爆后形成冲击波，由测试系统对冲击波超压进行定点采集。

图4 测试系统示意图

2 结果与分析

2.1 试验结果

经对3发装药的冲击波超压采集及处理，得到△Pm-t曲线，如图5～7所示。各发装药的试验测试数据如表3所示。

表2 起爆点与测试点位置关系

表中:a、b、c为传感器位置参数；r为起爆点距传感器安装壁面的垂直距离；e为起爆点距传感器安装壁面水平斜距；d、H为装药起爆位置参数。

表3 试验数据

图5 d=1m处超压△Pm-t曲线

图6 d=2m处超压△Pm-t曲线

图7 d=3m处超压△Pm-t曲线

图8 试验效果

2.2 结果分析

在d=1m处，起爆位置距测点1的距离f1=1.58m>d，起爆位置距测点2的距离f2=2.58m>d。按照波阵面到达两测压点时刻及距离算得:测点1处的冲击波速度为3160m/s，测点2处的冲击波速度为629.3m/s，不符合冲击波速度形成及衰减规律。因此，测点1第一峰值为爆轰产物准静压，测点1第二峰至868.5ms时刻峰值为入射及反射波超压。868.5ms时刻后，装药运动向前运动2.52m，测点1被覆盖于稀疏波区域，形成稀疏波负压。测点2处△Pm-t曲线与无限空间内爆炸冲击波△Pm-t曲线形态相似，在舱体振荡、弹体破片及舱内其他飞散物干扰下，曲线尖峰脉冲较多。

在d=2m处，起爆位置距测点1的距离f1=1.86m

在d=3m处，起爆位置距测点1的距离f1=1md。装药在318ms起爆后，冲击波到达测点2较测点1提前28ms，测点2处超压值较测点1提高0.01MPa，冲击波超压沿装药速度矢量方向前移不显著。测点1处超压曲线与图5b相似，为入射、反射波的叠加波形。

3 结论

通过不同速度的带壳装药对舰船模拟舱室的穿-爆试验，对封闭空间内的冲击波超压特性进行了研究，基于“三波点”原理设计了冲击波超压测试系统，测得类柱形装药在舰艇模拟舱室中的冲击波超压曲线。试验结果表明:封闭舱体内，各发装药爆炸冲击波超压均达到0.2MPa量级，峰值超压具有方向性，峰值、爆轰产物在封闭空间内沿装药速度方向“前冲”，且随装药存速增加而增加；冲击波△Pm-t曲线随fi(i=1,2)的增大而与开放空间内爆炸冲击波越相似；与文献[10]、[11]、[12]相比，运动装药在水面舰艇舱内的爆炸△Pm-t曲线尖峰脉冲明显多于钢混结构及爆炸罐。

由于试验样本量较小、测点位置较少，无法准确分析运动状态下装药爆炸冲击波入射波、反射波及马赫波间叠加关系，封闭空间内爆轰产物流场及形成的准静压目前也无法准确、定量分析。因此，仍需通过合理方法对该问题开展进一步研究。

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(责任编辑: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,硕士研究生；通讯作者:唐恩凌(1971—),男,教授,研究方向:终点弹道毁伤理论。

1003-1251(2017)01-0033-05

TJ410.33

A