炸药在预制条形孔圆筒装置内爆炸威力的评价方法

李尚青，李芝绒，张玉磊，翟红波

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

受约束空间的影响，战斗部在船舱等密闭结构内部的爆炸威力特性和规律与自由场有很大的差异，弹药爆炸与结构耦合作用更为复杂，不仅冲击波效应得到明显增强，准静态压力等毁伤方式也不可忽略。炸药的内爆能量包括爆轰和后燃烧过程释放的能量[1]，冲击波压力表征了爆轰过程释放的能量，但不能反映后燃烧过程释放的能量。准静态压力表征了爆炸的总能量[1]。现有的炸药内爆威力评价方法有冲击波超压-冲量法、准静态压力法、冲击波冲量-准静态压力法、顶盖举起试验等。

美国温压型M72单兵反坦克武器的装药选型将不同炸药内爆炸的冲击波超压峰值和50ms的冲量作为标准[2]。战斧导弹的装药选型将准静态压力作为评价炸药内爆威力的唯一标准[3]。也有研究人员提出应综合考虑总能量和弹药的应用问题，采用冲击波冲量和准静态压力两个特征参量各分配一定权重进行叠加的评价方法[4-5]。美国和国内西安近代化学研究所基于炸药内爆炸作用下顶盖的举起位移和冲击波超压综合评估内爆炸威力[6-7]。

实战中，战斗部穿甲、破片穿孔等会形成孔洞，使得爆炸能量不能完全作用于结构，会进一步影响内爆炸效应。相比于完全密闭空间内的爆炸，炸药爆炸与结构耦合效应更为显著，目标结构的影响更大，其内爆炸威力评价存在特殊性。目前这方面的研究更多的是考虑冲击波效应[2-5]，缺乏综合多种毁伤方式有效评价炸药内爆炸威力的方法。

本研究考虑破片穿孔作用，在密闭圆筒一端安装预制条形孔的薄板，开展不同炸药的内爆炸试验；在现有内爆炸威力评价方法的基础上，建立以TNT威力为基准，以冲量-准静压评价方法为基础，增加结构毁伤效应参量的综合评价方法，以期为内爆类型的战斗部装药筛选提供技术依据。

1 试 验

1.1 试验装置

采用密闭圆筒爆炸试验装置。两端面为均质Q235钢板，其中一端为圆形端盖，钢板厚12mm，设置有压力传感器安装孔；另一端为薄板，厚1.5mm，几何中心预制有56mm×6mm条形破口，薄板通过法兰盘与筒壁连接。预制条形孔圆筒装置可模拟存在破片穿孔的船舱，开展内爆炸载荷传播规律及舱室结构毁伤特性研究。

1.2 试验方法

圆筒筒壁中心点爆心距最小，其初始冲击波压力受到其他位置的反射冲击波影响最小，可用来表征炸药的空爆性能；靠近角隅处的冲击波叠加汇聚现象最为突出，能较好地反映内爆炸压力特征；端盖中心的压力可用于表征作用于另一端预制孔薄板中心的压力作用，综合考虑选择这3个测点安装冲击波压力传感器，表征炸药在圆筒内爆炸的冲击波压力效应。在筒壁安装准静态压力传感器测量准静态压力。圆筒装置和测点布设见图1。其中C1、C2为准静态压力传感器，灵敏度为5V/MPa，量程0～1MPa，结果取两侧点均值；A1、B1、B2均为PCB壁面压力传感器。其中A1处采用PCB22型，量程0～34MPa，B1、B2处采用PCB24型，量程为0～6.8MPa。试验使用Genesis数据采集系统，设置采样速率为1MS/s。

图1 圆筒装置和测点示意图Fig.1 Schematic diagram of cylinder device and measuring points

试验样品为5种长径比约为1、质量100g的圆柱形药柱，直径均为40mm。其中，TNT的编号为配方1；配方2、配方5是两种不同配方的压装含铝炸药，组分分别为RDX/Al和HMX/Al；配方3、配方4是两种不同配方的浇铸含铝炸药，组分分别为RDX/Al和HMX/Al。药柱通过支撑杆固定放置在圆筒中心，采用5gJH-14起爆药。每种药柱各进行两次工况一致的试验，取两次试验的平均值进行分析。

2 结果与讨论

2.1 冲击波压力结果分析

表1为冲击波压力测试结果。图2为配方4在筒壁中心A1点的冲击波压力变化曲线。炸药在圆筒装置内爆炸时，冲击波会发生多次反射、叠加，导致获取的压力时程曲线出现显著的多波峰现象。

表1冲击波压力试验结果

Table 1 Test results of shock wave pressure

Formula No.Δpm/MPaI/(Pa·s)A1B1B2A1B1B215.902.153.001748.51541.52296.529.773.572.591621.01728.01189.038.773.082.532222.51368.51466.543.272.161.981554.01319.01313.059.442.963.561368.51438.01322.5

由表1可见，配方5各测点的冲击波超压峰值较高，配方4各测点几乎均是最低的。冲量方面，A1测点的配方5冲量最小，配方3最高，TNT次之；B1测点的配方2冲量最高，配方4最小；B2测点的TNT冲量最高，配方2最低。总体上，配方5的冲击波超压峰值要高，配方4的超压和冲量较小。

图2 配方4的A1测点冲击波压力曲线Fig.2 Shock wave pressure curve of formula 4 at A1 point

2.2 准静态压力结果分析

TNT的准静态压力变化曲线见图3。由图3可知，TNT的准静态压力持续时间长。采用准静态压力传感器测得5种炸药的准静态压力峰值依次为0.447、0.481、0.493、0.522、0.477MPa。配方4的准静态压力峰值最高，TNT的最低。

图3 TNT的准静态压力曲线Fig.3 Quasi-static pressure curve of TNT

2.3 薄板毁伤效应

薄板在爆炸作用下发生塑性大变形，预制孔尺寸增大，孔直角处出现裂缝，如图4所示。薄板的大挠度变形和裂缝不仅客观反映了炸药爆炸对结构的作用，也反映了预制孔对圆筒装置内爆炸威力的影响。测得薄板中心点挠度和裂缝总长度值如表2所示。可以发现中心点挠度和裂缝长度两参量的一致性较差，是相互独立的参数。

图4 薄板的整体塑性变形及预制孔变形图Fig.4 Plastic deformation of overall and prefabricated strip hole

表2 预制孔薄板变形结果

注：Dc为中心点挠度值；L为裂缝长度值。

2.4 炸药内爆炸威力的综合评价

基于5种炸药的试验数据，采用冲击波超压-冲量法、准静态压力法进行内爆炸威力评价。使用冲击波超压-冲量法时，配方4的冲击波超压、冲量都偏小，但准静态压力是最大的，且配方4对应薄板的挠度变形和裂缝大小规律各异，说明冲击波超压-冲量法既不能反映准静态压力，不能衡量内爆炸的总能量，也无法反映炸药爆炸对目标的毁伤效果。使用准静态压力法时，配方4准静态压力最高，但对应薄板中心点挠度最小，而裂缝长度却最大；TNT的准静态压力最小，对应薄板中心点挠度几乎最小，对应的裂缝长度居中。说明单一的准静态压力指标不能表征炸药对预制孔薄板的毁伤效应，难以反映炸药爆炸能量最终输出作用于目标的变形能。

本研究参考基于结构毁伤效应评价爆炸威力的方法[6-8]，以冲量-准静态压力方法为基础，选择表征空爆性能、内爆性能的冲量、准静态压力峰值为主要评价特征参量，加入表征薄板变形能的塑性大变形和裂缝扩展的毁伤效应特征参量，综合评价炸药在预制孔密闭圆筒的内爆炸威力。

评价方法以TNT结果为基准，基准分100。由于炸药的爆炸能量决定了对目标的作用，所以冲击波冲量和准静态压力峰值两个表征参量最为重要，各分配30%的权重，3个测点的冲量值各分配10%的权重。薄板中心点挠度和裂缝长度各分配20%的权重。由于基准分为100，因此3个测点冲量项的系数各为10，准静态压力峰值参量项的系数为30，薄板中心点挠度和裂缝长度参量项的系数各为20。计算不同得分，根据得分进行排序，炸药的得分越高，认为其内爆炸威力越大。评价公式如下：

(1)

式中：T为评价得分；IA1、IB1、IB2为筒壁中心、靠近角隅处和端盖中心3个冲击波测点的正压区冲量；Δpqs为准静态压力峰值；Dc为薄板中心点挠度；L为裂缝长度；IA1(TNT)、IB1(TNT)、IB2(TNT)、Δpqs(TNT)、Dc(TNT)、L(TNT)分别为采用TNT试验的3个冲击波测点的冲量、准静态压力峰值、薄板中心点挠度和裂缝长度。

5种炸药的评价得分如表3所示。表3中T1是采用冲量-准静态压力方法，只考虑冲击波冲量和准静态压力峰值两个表征参量，各分配一半权重，基准分60的评价得分。

表3 炸药内爆威力的综合评价

根据冲量-准静态压力方法，TNT在预制条形孔圆筒装置内爆威力要高于配方2、配方5压装含铝炸药和配方4浇铸含铝炸药，仅低于配方3浇铸含铝炸药，主要原因是TNT的冲量指标得分最高。冲击波主要反映了爆轰能量，体现在对结构的整体破坏作用，试验中虽然其他炸药的冲量小，但配方2、配方5的中心点挠度均高于TNT，代表作用于目标薄板的整体塑性变形能高于TNT。说明只考虑冲量、准静态压力难以全面衡量炸药内爆输出的能量，可以加入结构变形能表征参量作为辅助指标，更客观和科学地评价炸药内爆炸威力。

根据本研究建立的评价方法，炸药内爆威力由高到低分别是：配方5﹥配方3﹥配方4﹥配方2﹥TNT。配方5炸药虽然冲量值最低，但预制孔薄板整体塑性变形和裂缝变形值较大，说明冲击波与结构耦合作用的能量较高，最终对目标毁伤效果更好，并且具备较高的准静态压力，所以得分第一。此外，4种含铝炸药的得分高于TNT，也反映了含铝炸药在有限空间内爆炸时炸药反应更充分，会产生更高的爆热和显著的准静态效应，从而释放更高的爆炸能量的规律。评价结果说明，从能量的角度出发，以表征空爆性能和内爆性能的参量为主要指标、以表征结构变形能的参量为辅助指标的方法能较全面、客观地评价炸药在预制条形孔圆筒装置的内爆炸威力。

3 结 论

(1)利用预制条形孔密闭圆筒装置进行5种炸药的内爆炸试验，得到了圆筒壁面和端盖测点的冲击波压力、准静态压力和结构变形等特征参量结果。单独对比了5种炸药各参量试验结果，并根据试验结果分析了现有内爆炸威力评价方法的缺陷。

(2)选取分别表征空爆性能、内爆能量和结构变形能的冲量、准静态压力峰值、薄板中心点挠度和预制孔裂缝长度4个特征参量，分配不同的权重，建立炸药的内爆炸威力综合评价方法。评价结果表明，在预制孔圆筒装置内爆炸，配方5的综合得分最高，内爆炸综合表现最好，结果可为5种炸药的对比提供参考。

(3)提出的综合评价方法为战斗部在有限空间内爆炸威力评价和装药选型提供了一种可行的方法。