有机玻璃-空气隔层结构对水下爆炸能量输出的影响

张 军，汪 泉,2，汤有富，李志敏，李 瑞

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材与技术工程实验室，安徽 淮南 232001)

随着科技的进步，时代的发展，水下爆破工程逐渐增多，海上军事防护亦愈发重要。为了防止水下冲击波对建筑、舰船等造成破坏，需要采取一些保护措施[1]。水下爆破工程中，常采用气泡帷幕法[2-3]来抑制冲击波的传播。

虽然气泡帷幕对于水下爆炸冲击波的传播有一定的抑制作用，但此技术需要投入大量的人力物力，且不适用于较窄的作业面，且由于目前气泡生成技术的局限性，导致此法的应用及成效并不理想。另外，气泡帷幕衰减作用仅对水中爆炸振动中频部分能量较为明显，对低频和高频区间能量的衰减作用较弱[4-5]。

正因如此，贾虎等[6]提出利用纤维爆炸索制造气泡形成气泡帷幕的方法，从而达到衰减水下爆炸能量的目的，并发现此法对于水下爆炸冲击波低频区间的抑制作用较为明显。樊自建等[7-8]利用单车内胎充气得到的空气隔层来研究对水下冲击波的抑制效果，实验结果表明此法能够明显衰减爆炸峰值压力。但此法中的轮胎为橡胶制品，易因压力变化而产生形变，导致其中的空气分布不均，对实验结果产生影响，不利于研究冲击波衰减规律。

基于上述原因，本文选择不易发生形变的有机玻璃作为制作隔层结构的材料，采用水下爆炸实验方法，研究其对水下爆炸能量输出的影响。

1 基础理论

炸药于水中瞬时爆轰生成高温高压爆轰产物，产物急速膨胀，对水进行挤压从而形成冲击波，此过程消耗一部分爆轰能量。另一部分能量则用于爆轰产物完成气泡脉动[9]。有限水域中，脉动次数较少，且第1次脉动所耗能量最大。一般认为水下爆炸的总能量约为冲击波能与第1次振荡的气泡能二者相加[10]。

1)最大气泡半径Rm可由下式[11]得到：

(1)

式中：Rm为最大气泡半径，m；Qv是炸药爆热值，MJ/kg；m为药量，kg；h为装药深度，m。

2)水下爆炸比冲击波能Es可由下式[12]得到：

(2)

式中：ρ0为常压下水介质密度，kg/m3；C0为水中音速，m/s；m为药量，kg；d为传感器与装药间距，m；k为仪器的放大因子；θ为冲击波压力由pm衰减至pm/e经历的时间(e=2.718)，s；p(t)为冲击波压力，MPa；t为时间，s。

3)比气泡能Eb可由下式[13]计算而得：

(3)

其中，标准气泡脉动周期Tb计算公式：

(4)

式中：Tb为标准状况下的理论气泡振荡周期，ms；tb为实测气泡振荡周期，ms；pH为装药所处位置的实际静水压强，Pa；pH0为装药所处位置的标准压强，Pa。

4)水下爆炸总能量Et计算表达式[14]如下：

Et=kf(μEs+Eb)

(5)

式中：kf为装药校正因子，取1；μ为冲击波损失系数，取1.92。

5)水下爆炸冲击波正压区冲量I按下式[15]计算：

(6)

式中：I为冲击波正压区冲量，kPa/s。

2 实验部分

2.1 实验材料与仪器

实验共设计4种尺寸的有机玻璃-空气隔层结构：φ160 mm、φ120 mm、φ80 mm、φ40 mm。所选材质为有机玻璃，中心管壁厚1 mm，隔层结构厚2 mm，装药中心与结构中心处在同一水平位置，如图1所示。实验爆炸水池直径5.5 m，高3.62 m。

图1 空气隔层结构

2.2 实验过程

实验以8#工业雷管作为爆炸源，在爆炸水池中进行水下爆炸实验，获得不同测试距离下水下冲击波参数。水下爆炸测试系统如图2所示，装药中心与W138A05型ICP传感器(美国PCB公司)的敏感元件入水深度均为2.4 m，1#传感器距装药中心0.3 m，2#传感器距装药中心0.5 m。装药爆炸后产生压力，由传感器采集并转换为电信号输入F482A05型恒流源(美国PCB公司)，再由LeCroy HDO4034型存储示波器(美国力科公司)记录波形。

图2 水下爆炸压力测试系统

实验共分3种工况：工况1使用单发雷管；工况2将单发雷管加入空气隔层结构；工况3将单发雷管装入充满水的隔层结构。欲实现对空气隔层影响水下爆炸能量的定量分析，必须考虑雷管破碎壳体所耗能量，故设工况3以作对照，对比同条件下工况2、3所得数据差值，即可得出空气隔层消耗的能量。

3 结果与分析

3.1 边界效应分析

一般认为，炸药距池底需超出2倍的最大气泡半径，距池壁不小于5倍的最大气泡半径[16]。本实验爆炸源采用单发8#工业雷管，装药量按1.07 gTNT当量进行计算[17]，爆热值为4.225 8 MJ/kg，入水深度2.4 m。

根据式(1)计算得出Rm=0.168 m，而装药距池底h=1.22 m > 2Rm，装药距池壁d=2.75 m > 5Rm。因此，本文实验无需考虑池底池壁的边界效应，实验工况可视为无限水域。

3.2 实验数据处理与分析

实验获得典型的水下冲击波波形(工况2，空气隔层φ40 mm，0.3 m处)，如图3所示。其中，pms为冲击波峰值压力；pmb为二次峰值压力(又称第1次气泡脉动压力)。

图3 φ40 mm时0.3 m处实测波形

实验得到了不同工况下在0.3 m和0.5 m测量处的冲击波和气泡脉动参数，如表1所示。从表中可以看出，相对于工况3中充水隔层，当工况2中空气隔层尺寸为φ40 mm、φ80 mm时，脉动周期较小，当空气隔层尺寸为φ120 mm、φ160 mm时，脉动周期较大，且随着空气隔层尺寸的增加，脉动周期持续增长。

表1 水下爆炸实测数据

处理表1数据，可以得到峰值压力衰减率与空气隔层尺寸的关系(见表2)，其中总压力指工况3中冲击波峰值压力实测数据，隔层消耗压力为工况3冲击波峰值压力与同条件下工况2峰值压力之差，实测衰减率为隔层消耗压力与总压力的比值，消除壳体影响的衰减率为隔层消耗压力与标准雷管压力的比值。

表2 空气隔层尺寸对冲击波峰值压力衰减率影响

由表2可知，存在空气隔层时，距装药中心0.3 m与0.5 m处冲击波峰值压力均出现衰减，且当空气隔层结构尺寸增加时，衰减效果增强，实验测得0.3 m处峰值压力衰减49.57%～75.93%，0.5 m处峰值压力衰减59.36%～75.09%，对比工况3消除壳体影响后,0.3 m处的衰减达到54.14%～92.47%，0.5 m处的衰减达到80.47%～100.87%。

处理表1数据，得气泡脉动峰值压力占冲击波峰值压力的比重，如图4所示。由图可以看出，空气隔层对气泡脉动峰值压力的衰减影响更为明显，脉动峰值压力于冲击波峰值压力的占比在0.3 m处约由20%～32.9%降为3.9%～6.5%，0.5 m处约由15.2%～28%降为6.4%～7.7%。

图4 气泡脉动峰值压力占冲击波峰值压力比重

工况3中隔层充水后，随着隔层结构尺寸的增加，2种测试距离下的气泡脉动峰值压力占比均提高。认为隔层结构对爆炸能量有一定的约束作用，削弱了冲击波的冲击效果，加强了气泡脉动作用。

根据式(2)、式(4) 、式(5)及表1数据，计算得出4种隔层尺寸、2种测试距离下比冲击波能Es、比气泡能Eb、总能量Et，如图5、图6所示。

图5 空气隔层对能量输出布局的影响

图6 水隔层对能量输出布局的影响

由图5可知，随着空气隔层尺寸的增加，0.3 m处比冲击波能从0.223 MJ/kg减少至0.044 MJ/kg，比气泡能从1.321 MJ/kg增加至2.395 MJ/kg，0.5 m处比冲击波能从0.210 MJ/kg降低至0.062 MJ/kg，比气泡能从1.313 MJ/kg增加至2.289 MJ/kg。其中，当空气隔层结构尺寸为φ40 mm、φ80 mm时，0.3 m处比气泡能衰减比分别为17.4%和11.6%，0.5 m处比气泡能衰减比分别为17.9%和13.3%；空气隔层尺寸为φ120 mm、φ160 mm时，0.3 m处比气泡能分别增长1.9%和41.4%，0.5 m处比气泡能分别增长13.9%和35.1%。

对比图5、图6，发现空气隔层结构的存在，影响了水下爆炸能量输出布局。比冲击波能于总能量中占比在0.3 m处由29.89%～28.13%降至12.75%～1.77%，0.5 m处由28.02%～21.39%降至12.24%～2.57%；比气泡能占比则相应提高。且相较于工况3中充水隔层，当空气隔层尺寸为φ40 mm、φ80 mm时，Es、Eb均较小，当空气隔层尺寸为φ120 mm、φ160 mm时，Es较小，Eb较大，但总能量Et依旧小于充水隔层。说明隔层中的空气消耗了水下爆炸能量，抑制了冲击波的传播，即有机玻璃-空气隔层对水下爆炸能量有衰减作用。

水下爆炸毁伤作用同时也表现在水下爆炸冲击波正压区的冲量值，依据式(6)进行计算，得到冲量如图7、图8所示。

图7 0.3 m处冲量

图8 0.5 m处冲量

由图7、图8可以看出，空气隔层的存在明显降低了冲击波正压区的冲量值。4种尺寸的空气隔层φ40 mm、φ80 mm、φ120 mm、φ160 mm，对应0.3 m处衰减率分别达到64.48%，77.10%，76.28%，82.99%，0.5 m处衰减率分别达到50.75%，73.68%，62.96%，67.24%。对比上述结果，发现隔层尺寸为φ80 mm～φ120 mm时，冲量值的衰减率较大。

4 结论

1)空气隔层作用下，0.3 m与0.5 m处冲击波峰值压力、比冲击波能均出现衰减，且随着空气隔层结构尺寸的增加，衰减效果逐渐增强，0.3 m处峰值压力衰减率最高达到92.47%，比冲击波能衰减率最高达到96.12%；水下爆炸冲量值明显降低，0.3 m与0.5 m处的冲量值衰减率最大值分别为82.99%和73.68%。

2)空气隔层对气泡脉动峰值压力的衰减影响更为明显，且随着空气隔层结构尺寸增加，气泡脉动峰值压力衰减效果增强，气泡脉动周期持续增长，比气泡能衰减效果减弱，如空气隔层结构为φ40 mm、φ80 mm时，0.3 m处比气泡能衰减率分别为17.4%和11.6%，空气隔层结构为φ120 mm、φ160 mm时，0.3 m处比气泡能却分别增长1.9%和41.4%。

3)空气隔层影响了水下爆炸能量输出分布，比冲击波能于水下爆炸总能量占比在0.3 m处从40.98%～37.85%降低至13.89%～1.64%，0.5 m处由37.46%～26.37%降低至13.33%～2.55%，比气泡能占比则相应提高。