多点同步内爆炸下典型舱室的毁伤特性
2018-02-10翟红波李芝绒苏健军张玉磊姬建荣
翟红波， 李芝绒， 苏健军， 张玉磊， 姬建荣
(西安近代化学研究所，西安 710065)
多点起爆、多个弹药同时爆炸是作战使用中的一种常见现象[1]。炸药点起爆后，产生的冲击波将以起爆点为中心以球面波形式传播，同时起爆两个不同位置处的装药，形成的两个球面波在一定时间后将相遇并相互叠加[2-3]。一定情况下的冲击波相互叠加可使作用区域内的压力显著增强，有助于提高弹药的爆炸威力，增强对目标的破坏能力[4]。因此，研究多点爆炸下的冲击波性能对于弹药设计和毁伤评估具有重要的应用价值。
近年来，众多学者围绕弹药多点聚集爆炸效应开展了广泛深入的研究。陈志林[5]研究了空气中的两点聚集爆炸，发现在装药当量相同时，多点聚集爆炸冲击波的地面破坏杀伤范围大于单点爆炸。林大超等[6]通过实验研究了地面附近爆炸时地面竖向振动幅值特性并得到了地面竖向振动速度，国胜兵等[7]基于爆炸地震波的非平稳随机过程模型，建立了两点和多点(微差)爆炸地震波实用模拟方法，模拟多点爆炸后形成的复合地震效应。顾文彬等[8]对浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟进行了研究，研究发现冲击波相互作用的叠加或多次冲击作用大大提高了爆炸威力。李旭东等[9]研究了三点同时爆炸时冲击波在水泥砂浆板中聚集效应的特点和规律，结果表明，由于聚集效应的影响，正应变在聚集区域内发生强烈的非线性激增，并且在距离爆炸点更长的距离内维持高应力状态。张世豪等[10]分别从爆炸应力波和爆炸能量角度研究了多点爆炸能量聚集效应，结果表明，多点爆炸应力波在装药对称位置发生相互作用压力叠加，造成混凝土变性能密度及内能密度较单点爆炸时显著下降，从而导致多点起爆毁伤区域较单点爆炸时增大。胡宏伟等[11]研究了多点同步地面爆炸冲击波的相互作用，计算了冲击波相互叠加区域的压力和冲量，研究发现多个装药同步爆炸时，冲击波超压和冲量都显著增加，大大提高了装药爆炸威力。王龙侃等[12]研究了水下爆炸作用对加筋板架结构的毁伤效应，分析了加筋板架结构的破坏模式。
尽管多点聚集爆炸领域取得了很多研究成果，但多是针对爆炸效应的研究，较少涉及内爆炸环境下多点爆炸的耦合效应，关注船舱毁伤效果的研究更少。因此，研究内爆炸环境多点同步内爆炸的爆炸效应特征，为多点同步内爆炸的深入研究提供基础，具有重要的学术价值。本文基于某舰船舱室的1∶8等效缩比模型，通过双点装药同步内爆炸试验，对比分析双点装药同步内爆炸和单点装药内爆炸的爆炸效应特征，研究两种条件对舱室的毁伤效果。
1 试验设计
由于实装目标爆炸试验存在成本高、周期长等不足，缩比模型试验是一个较为常用的替代方案。缩比模型设计，采用几何统一缩比的方法，即舱室的几何尺寸(长、宽、高、壁厚)采用相同的比例进行缩比，这带来两个问题：①原型舱室结构材料较难获取；②舱壁厚度缩比后，厚度很小，既降低舱壁刚度，又增大了加工难度。因此，引入强度等效原则，在模型舱室中采用较厚的低强度钢代替原型舱室的高强度钢，使其结构强度一致，同时可增强舱壁整体刚度，提高其与原型舱室毁伤效应的一致性。对某舰典型舱室进行缩比，设计了缩比比例为1∶8的缩比舱室，如图1所示。模型几何尺寸如表1所示。
图1 舱室结构模型Fig.1 The model of some ship cabin
表1 模型的几何尺寸
为了分析多装药在舱室内爆炸的作用特点和对舱室的毁伤效果，设计两组试验条件，一是在舱室几何中心处悬挂30 g药柱，二是在几何中心两侧0.22 m分别悬挂两个15 g药柱并同时起爆，如表2所示。
表2 试验条件
试验炸药为TNT药柱，密度1.58 g/cm3，如图2所示。传爆药柱为JH-14炸药，药量为5 g，尺寸为φ15×17，用于起爆TNT装药，起爆雷管选用8号电雷管。
图2 试验用炸药和传爆药柱Fig.2 The charge and the booster charge of the test
试验包含两种条件：A，缩比舱室单点内爆炸；B，缩比舱室双点内爆炸。其试验方案如下所述：
条件A：将典型舱室模型放置在平坦地面上，试验药柱垂直悬挂于爆炸舱室内部的几何中心，在模型壁面上安装压力传感器测量内爆炸冲击波波形(见图3)。在距离爆心安全距离100 m外正交2个方向上布置高速动态分析仪(见图4)，观察内爆炸作用下模型的实时变化状态。爆炸结束后观察模型变化情况并记录试验数据。试验装置布局示意图如图5所示。
条件B：试验布置同条件A，将单点爆炸药量的1/2(15 g)作为多点内爆炸药量，将两药柱分别悬挂于距离单点爆心0.22 m处，二点连线为舱室中线，舱室模型试验药量依次为2×15 g，爆炸结束后观察并记录舱壁破坏情况，与单点内爆炸破坏情况对比分析。
图3 舱室Fig.3 The cabin
图4 高速动态分析仪Fig.4 High speed dynamic analyzer
图5 试验装置现场布局Fig.5 Field layout of the test
2 双点同步内爆炸载荷特征简要分析
炸药在空气中爆炸时，冲击波以球对称状向外传播。当冲击波与壁面相碰时，产生了冲击波的壁面反射。通常，冲击波壁面反射可以分为规则反射、过渡反射、非规则反射和半球反射四种[13]。
当入射冲击波的入射角超过一个临界角(取决于冲击波强度)后，反射波阵面和反射波阵面的交点会离开地面，二者合成第三个冲击波，即马赫波。这个交点也被称作“三波点”，交点的下面为马赫杆波阵面，它的底部垂直于壁面。三波点的位置和马赫杆的高度随时间和距离而变，相应的三波点轨迹是一条上凹的曲线，如图6所示。实际上，马赫杆并不是均匀的平面冲击波，而是带有某种轻微弯曲的波[14]。
图6 马赫波示意图Fig.6 The sketch map of Mach wave
在该舱室模型中，爆心高度H=0.175 m。
对于条件A，等效TNT装药ω=0.03 kg，有
由此，可根据计算公式得到马赫反射临界角φ0c=40°。以B2点为例，φ0=arctan(0.55/0.175)=72.4°，显然φ0>φ0c，因此B2点处的冲击波超压属于马赫反射。
对于条件B，等效TNT装药ω=0.015kg，有
由此，可根据计算公式得到马赫反射临界角φ0c=39.2°。B2点，φ0=arctan(0.59/0.175)=73.5°，显然φ0>φ0c，因此B2点处的冲击波超压属于马赫反射。
在船舱模型中，需要关注的是侧舱壁(代表实船的横隔壁与侧舷)的毁伤，B2点即处于侧舱壁的中心区域。通过分析发现，在A、B两种条件下，B2点均处于马赫反射区内。在B条件下，双点装药的同步爆炸会在B2点附近形成叠加冲击波，加入双点起爆的同步性很好，相位差小于冲击波正压作用时间，那么B2点处冲击波峰值和冲量都会出现叠加增大；否则，B2处的超压峰值变化不大，但冲击波冲量会有叠加增大。
爆炸冲击波毁伤船舱目标结构时，一般来说有三种毁伤准则：①当t
3 舱室变形
以起爆时刻为0时刻，通过高速录像获得舱室不同时刻的形态演变，图7给出了条件B的爆炸实时分幅照片。从高速摄影观察，2个条件舱室变形过程基本相同：t=0 ms时，炸药起爆；t=3 ms时，舱室上表面中部开始出现鼓包，如(b)所示；此后，鼓包从上表面中部向边缘扩散，高度逐渐降低，形成一个斜坡，整个上表面向外膨胀变形，到t=8 ms时，舱室上表面变形达到最大，如(c)所示；随后，舱室上表面中部鼓突部分开始向里运动，大约经过4～5 ms时间，上表面又开始向外运动，在4～5 ms时间后，上表面再次向内运动，在此后的较长一段时间内，上表面呈现周期性振荡，周期约为8～10 ms；在t=50 ms时，振荡幅度开始减缓，最后上表面呈现中间鼓突的“四斜坡形”变形。
图7 舱室变形过程(条件B双点内爆试验)Fig.7 The cabin deformation process (the double-point charge explosion test of working condition B)
内爆炸作用后，舱室四周壁面无明显变形，上下壁面中间均出现了不同程度的鼓突，呈“四斜坡形”变形，如图8所示。将起爆口所在侧记为“前侧”，对舱室上壁面各侧变形进行测量，各侧变形量如表3所示。
图8 舱室变形Fig.8 The cabin deformation
进行的2种条件的舱室内爆试验中，舱室均未破裂，四周壁面也没出现明显的变形，但是舱室上壁面出现了明显的塑性变形，这主要原因可能是因为舱室高度比较低，爆轰产物和冲击首先到达上下壁面，其中壁面中部是塑性变形最大的区域，从高速录像可以看出，中部也是最开始出现变形的区域，到最后上壁面中部鼓突，呈现“四坡顶形”变形；从试验结果可知，30 g药量的舱室单点内爆试验舱室上壁面平均变形量为22.5 mm，2×15 g药量的舱室双点内爆炸试验舱室上壁面平均变形量为35.25 mm。由此可知，舱室内爆试验中，装药量相同时，双点爆炸舱室的变形量更大。从毁伤的角度出发，合适位置处的双点爆炸更利于毁伤。
表3 舱室变形量
4 内爆炸压力
压力传感器位于模型A、B、C面(图8)，经过信号线连接至信号调理器与数据采集器，具体测点布局，如图9所示。
图9 舱室各面测点布局Fig.9 Layout of measurement points
由于密闭舱室内存在固壁反射，且各反射波会相互作用，因此实际的波形非常复杂。典型的壁面压力曲线如图10所示，读取压力曲线，获得不同测点的超压、冲量，如表4所示。图10(a)的B2点在横舱壁的中心处，超压曲线存在两个较高峰值，第一峰值为马赫波的反射，第二峰值为其它壁面反射波和稀疏波的合成波；图10(b)的C11点在舱内上甲板的角隅处，第一峰为马赫波，第二峰值超过第一峰值，为合成马赫反射波。
图11是测点C21-C25(与双点装药的轴线平行)在两种条件下的冲击波压力峰值和冲量的对比图。从图中可以看出，条件A冲击波峰值衰减很快，在舱室中心C24点峰值超压约等于条件B的1.4倍，在C22点峰值小于条件B。对于冲量载荷，3 ms时间内，舱室几何中心位置处的冲量条件A大于条件B。条件B的冲量呈现马鞍形，双点装药中心面上(C24点)的冲量最大，趋于角隅位置(C21点)冲量次之，中间位置冲量最小，冲量趋于匀化速度比较快。
图10 压力曲线Fig.10 Pressure curve
图11 两种条件下冲击波压力峰值和冲量对比Fig.11 Pressure peak and impulse with two working condition
表4 舱室压力测试数据
图12给出了双点中心面上B2和C34点(即双点爆炸加强区)的冲量对比图，表5给出了测点B2在两种条件下的冲量对比。从中可以发现，横隔壁和上下甲板的中心面上，同等药量双点爆炸比单点爆炸产生的冲量效应大，即在此部位产生爆炸冲量加强区。在3 ms时刻(该模型符合冲量准则的五分之一周期，此时的冲量对舱室毁伤有效)，条件B的冲量比单点爆炸大35.8%。说明对该种缩比舱室，双点装药爆炸的毁伤效果比同等药量单点爆炸要好。
图12 同等药量两种条件下冲量图Fig.12 The impulse with two working condition
之所以造成这种状况，是由于双点装药同时起爆时，冲击波同时到达双点的中心面(B2和C34点)，并在其上形成叠加，叠加后的冲击波正压作用时间较单点爆炸时大，峰值较单点爆炸时稍低，综合作用的冲量(3 ms时刻)比单点爆炸时大35.8%。此后，冲击波在舱室内开始趋于匀化，逐步形成准静压，两种条件下的B2点冲击波冲量的差距随时间增加而逐步减小(如表5)。
该船舱舱壁结构的自振周期T为14.9 ms，T/5=3.0 ms，大于该条件下的冲击波作用脉宽，适用冲量准则。T/5(3.0 ms)内的冲击波冲量对舱室的毁伤有效，所以选取3.0 ms时刻的冲量进行对比。与之相对应的是，条件B的舱室变形量比条件A大57%。
表5 同等药量不同条件下中心面B2冲量表
5 结 论
通过等效缩比舱室模型的内爆炸试验，研究了双点装药同步内爆炸的爆炸效应特征，对比分析了双装药同步爆炸和同质量单装药爆炸对舱室毁伤效果的差异。研究发现，在总装药质量相同时，双点爆炸下横隔壁处的冲量比单点爆炸时大35.8%，上板变形量比单点爆炸时大57%。相比同等装药质量单点爆炸，双点装药爆炸时冲击波在装药中心区域上相互叠加，可增大该处的冲击波冲量，有效提高对该类缩比舱室的毁伤能力。
[ 1 ] 邓国强, 龙汗, 周早生, 等. 钻地弹砂土中聚集爆炸地冲击试验与预测[J]. 防护工程, 2001(3): 24-28.
DENG Guoqiang, LONG Han, ZHOU Zaosheng, et al. Shock test and firecast of the gathering explosion for the earth penetrator in sandy soil [J]. Protection Engineering, 2001(3): 24-28.
[ 2 ] 陈朗, 鲁建英, 冯长根. 多点起爆炸药形成平面波数值模拟分析[J]. 含能材料, 2004, 12: 493-496.
CHEN Lang, LU Jianying, FENG Changgen. Numerical simulation of multi-point initiation of explosives to form planar shock waves[J]. Energetic Materials, 2004, 12: 493-496.
[ 3 ] 张洋溢, 龙源, 纪冲, 等. 冲击波叠加效应对组合式多爆炸成型弹丸成形的影响研究[J]. 振动与冲击, 2012, 31(1): 56-60.
ZHANG Yangyi, LONG Yuan, JI Chong, et al. Superposition effect of shock waves on formation of a grouped multiple explosive formed projectile [J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(1): 56-60.
[ 4 ] 孙百连, 顾文彬, 蒋建平, 阳天海. 浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟研究[J]. 爆炸与冲击, 2003, 23(5): 460-465.
SUN Bailian, GU Wenbin, JIANG Jianping, et al. Numerical simulation of explosion shock wave interaction in shallow-layer water[J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(5): 460-465.
[ 5 ] 陈志林. 关于多点爆炸效应的初步探讨[C]. 爆炸作用及其防护学术交流会和学组会成立会. 洛阳: 总参工程兵科研三所, 1988.
[ 6 ] 林大超, 白春华, 张奇. 爆炸地震地面竖向振动的幅值特性[J]. 北京理工大学学报, 2001, 21(2): 173-176.
LIN Dachao, BAI Chunhua, ZHANG Qi. Amplitude characteristics of vertical ground surface vibration caused by explosion seism[J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2001, 21(2): 173-176.
[ 7 ] 国胜兵, 潘越峰, 高培正, 等.爆炸地震波模拟研究[J]. 爆炸与冲击, 2005, 25(4): 335-340.
GUO Shengbing, PAN Yuefeng, GAO Peizheng, et al. Numerical simulation of explosion seismic waves[J]. Explosion and Shock Waves, 2005, 25(4): 335-340.
[ 8 ] 顾文彬, 孙百连, 阳天海, 等. 浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2003, 4(6): 64-68.
GU Wenbin, SUN Bailian, YANG Tianhai, et al. Numerical simulation of explosive shockwave interaction in shallow-layer water[J]. Journal of PLA University of Science and Technology, 2003, 4(6): 64-68.
[ 9 ] 李旭东, 刘凯欣, 张光升, 文尚刚, 谭福利, 叶琳. 冲击波在水泥砂浆板中的聚集效应[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2008, 48(8): 1272-1275.
LI Xudong, LIU Kaixin, ZHANG Guangsheng, et al. Focusing of shock waves in cement mortar plates[J]. Journal of Tsinghua University of Science and Technology, 2008, 48(8): 1272-1275.
[10] 张世豪,韩晶,王华,等.混凝土中多点同步爆炸能量聚集效应分析[J]. 爆破, 2014, 31(1): 19-24.
ZHANG Shihao, HAN Jing, WANG Hua, et al. Energy gathering effect of muti-point simultaneous explosion in concrete[J]. Blasting, 2014, 31(1): 19-24.
[11] 胡宏伟, 宋浦, 郭炜, 等. 地面爆炸冲击波的相互作用[J]. 高压物理学报, 2014, 28(3): 353-357.
HU hongwei, SONG Pu, GUO Wei, et al. Interaction of shock waves in ground burst[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(3): 353-357.
[12] 王龙侃, 张之凡, 郎济才, 等. 基于LS-DGF-DG方法的船体板架结构近场水下爆炸毁伤特性研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(16): 64-71.
WANG Longkan, ZHANG Zhifan, LANG Jicai, et al. Damage characteristics of hull grillage subjected to near-field underwater explosion based on an LS-DGF-DG method [J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(16): 64-71.
[13] 顾平安, 卫海鹰, 肖昌炎. FAE云雾爆轰冲击波压力测试技术研究[J]. 爆炸与冲击, 2001, 21(4): 311-314.
GU Pingan, WEI Haiying, XIAO Changyan. Studies of the shock-wave measuring technology in the FAE test[J]. Explosion and Shock Waves, 2001, 21(4): 311-314.
[14] 张宝坪, 张庆明, 黄凤雷. 爆轰物理学[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2001： 85-87.
