空气层对RDX水下爆炸性能影响的实验研究

黄亮亮，王林桂，张西良，马宏昊,4，张中雷，杨海涛，陈亚建，沈兆武，陈继平，王奕鑫

(1.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230026；2.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316021；3.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司，安徽 马鞍山 243000；4.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026)

随着社会经济和水下爆破技术的不断发展，水下爆破被广泛运用于港口建设、船坞码头建设和水利发电站等国防和民生工程领域。在促进社会发展的同时，水下爆破也会带来一些负面效应，主要有水下冲击波、地震波、水面涌浪等危害[1-2]。由于水的压缩性较小，自身发生形变时消耗较少的能量，水下冲击波的传播速度和影响范围比陆地上大[3-4]。因此，研究消除水下爆破的负面效应具有重要意义。

在实际水下爆破作业中，为了降低水下冲击波危害，需要采取一些控制和防护措施。杨东旭[5]采用延时爆破技术，保证了水下爆破施工时码头用岸边建筑物的安全，虽能满足消除水下爆破的负面效应，却降低了一次最大起爆药量，限制了工程使用范围。张志波等[6]采用气泡帷幕技术，当水下爆破产生的冲击波到达气泡帷幕时，冲击波大部分的能量被气泡吸收而降低，从而减少其对水下建筑物的影响，但在运行过程中，空气压缩机需要消耗大量电力，机器运转的费用较高[7]。

樊自建等[8]研究发现空气隔层不仅可以削弱水中冲击波峰值压力，而且可以有效减少冲击波的总能量。寇晓枫等[9]利用AUTODYN软件建立计算模型，从理论上分析空气隔层对水下冲击波具有一定的缓冲效应，并且跟空气隔层厚度和位置有关。汪泉等[10]通过水下爆炸实验，研究了有机玻璃-空气层结构，发现空气层可以有效降低水下爆炸振动速度，从而降低地震波对地基的振动影响。

笔者利用PVC管向RDX药柱添加空气，制作出一种空气层装药结构。对添加不同体积空气的RDX装药进行水下爆炸实验，得到这种装药结构的爆炸参数。基于此，本文提出一种简便易行的冲击波调节方式，给冲击和防护领域研究带来一种新的加载方式，并总结出经验公式指导相关工程设计。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

RDX，白色粉末，自然堆积密度0.8～0.9 g/cm3；石蜡，白色粒状固体，密度0.88～0.92 g/cm3、平均粒径0.150 mm；石墨，黑色粉状固体，平均粒径0.045 mm(见图1)。

图1 实验试剂Fig.1 Experimental reagents

BSA223S-CW型电子天平，德国赛多利斯公司；GZX-9030-MBE型电热恒温鼓风干燥箱，上海博讯实业有限公司；QW-100型手动油压千斤顶，上海江南机械厂；压药模具，自制；PCB W138-A25-ICP型水下压力传感器，美国PCB Piezotronics公司；PCB 482A22型恒流源，美国PCB Piezotronics公司；Tektr-onix 7401型示波器，美国泰克公司。

1.2 实验设计

首先，将石蜡按质量比例2∶100加入到RDX中，混合后放置在90 ℃恒温干燥箱，保温约15 min后，取出搅拌均匀待用。接着，通过模具和压力装置对钝化后的RDX进行压药操作，添加石墨以降低药柱退模时的摩擦，每次压药时压力装置提供的压力均是相同的且维持5 min，以保证药柱处于相同的机械环境[11]。如图1d所示，得到质量m=3.0 g、外径Da=15.0 mm、高度h=10.4 mm的RDX待用药柱。

对于空气层，本文忽略RDX药柱上下两部分冲击波影响，仅研究传感器平面冲击波大小。为此，使用空气径向装药结构，即在RDX药柱径向周围添加空气层，可以通过直径大小不同的PVC管来实现(见表1)。PVC管的高度由RDX待测药柱高度确定。

表1 PVC管内径

将RDX待测药柱固定在PVC管中心，类似于同心圆，对其进行加固和密封处理，并使用水进行气密性检测，最后得到待测的空气层装药(见图2)。

图2 空气层装药结构Fig.2 Air layer charge structure

1.3 实验装置

水下爆炸实验是一种研究爆炸参数的重要方法[12]，实验在一个直径D=5 m(壁厚5 cm)、高H=5 m的圆柱体且上端开口的爆炸容器罐中进行(见图3)。其中，待测装药和PCB压力传感器均放置在水面以下3 m处，安装2个距离不同的传感器，传感器1距圆柱体中心距离R1=0.8 m，传感器2距圆柱体中心距离R2=1.2 m。在相同的条件下，每组样品实验重复3次[13]。

图3 水下爆炸实验装置Fig.3 Experimental device of underwater explosion

2 结果与讨论

为了方便描述炸药与空气层的关系，本文采用K进行描述，如式(1)：

(1)

式中：K为不耦合系数，K≥1。

2.1 水下爆炸实验结果

RDX空气层装药结构的水下冲击波峰值压力可以直接从压力-时程(p-t)变化曲线中读出，具体如表2所示。

表2 峰值压力实验结果

水下冲击波的冲量I是压力对时间的积分，可以由式(2)计算得到[14]：

(2)

式中：p(t)为冲击波压力，Pa；θ为冲击波衰减时间常数，数值大小是峰值压力pm降低到pm/e的时间差。

比冲击波能Es可由式(3)计算得到[14]：

(3)

式中：R为传感器距离样品中心的距离，m；m为炸药样品的质量，kg；ρw为水的密度，取103kg/m3；Cw为水中声速，取1 460 m/s。

比气泡能Eb可以由式(4)得到[14]：

(4)

式中：Tb为第一次气泡脉动周期，s；C和K1为实验条件的常数，可以由式(5)、式(6)分别求出：

C=b/a2

(5)

(6)

式中：a、b可以由式(7)计算得到[15]，分别取a=0.285，b=-0.075；ph为样品在水深h处的总静水压，Pa。

(7)

水下爆炸总能量Et由式(8)得到[16]：

Et=kf(μEs+Eb)

(8)

式中：kf为样品形状系数，对于球形药包取1.00，对于非球形取1.02～1.10，本文样品形状较好，取1.02；μ为衰减系数，表示冲击波在水中传播损失，可以通过式(9)计算得到[17]：

(9)

式中：pCJ为爆轰反应中的CJ压力，GPa，可由式(10)计算得[19]：

(10)

式中：ρ为待测样品的密度，kg/m3；D为待测样品的爆轰速度，m/s，考虑到本实验中用到的空气层对RDX爆速影响较小，代入RDX原始爆速进行计算。计算得到各组样品的水下爆炸参数，随不耦合系数的分布如图4所示。

图4 各组样品水下爆炸参数的分布Fig.4 Distribution of underwater detonation parameters of each sample

2.2 水下爆炸实验分析

选取R1=0.8 m处的水下爆炸参数(见表3)，进一步研究不耦合系数K对水下爆炸参数的影响。从图4a可以看出，R1=0.8 m处的峰值压力具有明显的下降趋势。利用Origin 2019软件，采用最小二乘法对数据进行拟合，得到RDX不耦合装药峰值压力在R1处、不耦合系数K在1～7的经验公式，如式(11)所示：

表3 不同K值下RDX水下爆炸参数

lnpm=—0.11K+2.36

(11)

式中：pm为峰值压力，MPa；R2=0.990 2。

由式(1)、式(11)可知，在实验条件下，通过改变K可以调节水下冲击波峰值大小。K每增加1，RDX药柱在R1处取自然对数后的峰值压力降低0.11 MPa，且上述式(11)的R2值为0.990 2，说明在R1处lnpm与K函数关系拟合效果较好。

值得注意的是，目前尚未有空气层调节水下冲击波的报道，这是一项全新的实验技术。同时，利用该方法可以获得特定的冲击波峰值压力，给冲击和防护领域研究带来一种新的加载方式。

由表3可以看出，与不添加空气层的RDX药柱(K=1.0)相比，随着K的增加，添加空气柱的RDX药柱的冲量变化不明显，表明冲量不受空气层影响。然而，峰值压力、比冲击波能、比气泡能和水下爆炸总能量均有降低。当K从2.0增加到4.5时，RDX药柱峰值压力、比冲击波能、比气泡能、水下爆炸总能量分别降低21.08%、7.07%、12.94%、9.98%；当K从4.5增加到7时，峰值压力、比冲击波能、比气泡能、水下爆炸总能量出现显著降低，分别降低了26.41%、25.00%、11.26%、18.26%。此外，从图4c可以看出，在相同的K值下，R1、R2处的比气泡能大小近似相等，由式(4)可知，比气泡能仅与炸药产生的爆生气体的气泡脉动时间(Tb)有关，与冲击波传播的距离无关。

2.3 空气层衰减机理分析

根据波阻抗理论，水下冲击波传播到两种不同介质的界面时，会出现波的反射和透射现象[18]。根据连续条件和牛顿第三定律，经反射和透射后的质点速度和应力相等，则：

σi+σr=σt

(12)

υi+υr=υt

(13)

式中：σ为波的应力；υ为质点运动速度；i表示入射波；r表示反射波；t表示透射波。

由波阵面动量守恒，得：

σi=ρ1CP1υi，σr=-ρ1CP1υr，σt=ρ2CP2υt

(14)

将式(14)代入式(13)，得：

(15)

式中：ρ1、ρ2分别为介质Ⅰ、Ⅱ的密度，kg/m3；CP1、CP2分别为在介质Ⅰ、Ⅱ的传播速度，m/s。

由式(12)、式(15)，得：

(16)

采用空气层装药时，由于空气的波阻抗远小于炸药，即ρ1CP1>ρ2CP2，则反射系数R<0，透射系数0

另一方面，爆炸产物在被压缩时是一个消耗能量的过程，随着K增加，空气层增多，需要消耗更多的能量去压缩[19]。同时，空气在水下爆炸反应中作为一种“惰性”气体，不参加反应，却消耗能量用以提高自身温度，进一步降低了水下爆炸总能量输出。

由表3可知，K由2.0增加到4.5时，主要是降低比气泡能来降低水下爆炸总能量，而当K从4.5增加到7.0时，比冲击波能成为影响水下爆炸总能量的主要因素，峰值压力pm明显下降(见图4)。宏观上表现为：随着K增加，RDX的水下爆炸参数下降明显。当K取7.0时，峰值压力、比冲击波能、比气泡能、水下爆炸总能量分别降低了46.62%、42.98%、37.26%、40.03%。在实际使用环境下，可以通过改变K值对水下冲击波进行调节，为水下爆破相关防护应用领域提供一定的参考价值。

3 结论

1)通过空气层对水下爆炸参数进行调节时，不同间距处的炸药比气泡能大小近似相等，仅与炸药产生的爆生气体有关，与冲击波传播的距离无关。提出了一种空气层衰减水下冲击波的新加载方式，其具有调节方便高效、成本低廉和灵活性强等优点，可为水下爆破相关防护应用领域提供一定的参考价值。

2)在R1=0.8 m处、不耦合系数K为1～7时，RDX的峰值压力经验公式为：lnpm=-0.11K+2.36。

3)从空气衰减机理来看，主要是两方面作用：一方面是空气的波阻抗远小于炸药，冲击波从炸药进入空气中会发生反射现象，同时使透射波的强度低于入射波甚至不产生透射波，衰减了冲击波大小；另一方面是空气在水下爆炸反应中，作为一种“惰性”气体，不参与反应却被压缩消耗能量，降低了水下爆炸输出总能量，随着K的不断增大，消耗能量的作用更加明显。

4)水下爆炸实验数据表明，RDX爆炸性能随K的增加出现明显降低，当K取7时，峰值压力、比冲击波能、比气泡能、水下爆炸总能量分别降低了46.62%、42.98%、37.26%、40.03%。