带壳装药水中殉爆特性分析

胡宏伟 , 王 健 , 卞云龙 , 鲁忠宝 , 杨 青

带壳装药水中殉爆特性分析

胡宏伟1, 王 健2*, 卞云龙3, 鲁忠宝4, 杨 青1

(1. 西安近代化学研究所, 陕西 西安, 710065; 2. 北京系统工程研究所, 北京, 100101; 3. 中国航天科工集团公司六院四十一所, 内蒙古 呼和浩特, 010010; 4. 中国船舶集团有限公司 第705 研究所, 陕西 西安, 710077)

为了研究弹药在水下爆炸作用下的安全性, 利用水下爆炸试验研究了2 种铝壳装药的水中殉爆特性,确定了装药的殉爆距离和殉爆安全距离, 并基于气泡能分析了被发装药的殉爆反应程度。结果表明: 主发装药为1.5 mm 铝壳的PBX 装药, 被发装药为1.0 mm 铝壳的RS211 装药时, 殉爆距离约为60 mm, 殉爆安全距离约为120 mm; 主发装药为1.5 mm 铝壳的PBX 装药, 被发装药为1.0 mm 铝壳的PBX 装药时, 殉爆距离约为10 mm, 殉爆安全距离约为30 mm。被发装药完全爆轰时, 计算得到其反应率在86%～95%之间, 这是由于2 个气泡的融合导致气泡周期变小。

水下爆炸; 带壳装药; 殉爆; 气泡能

0 引言

炸药爆轰时引起其周围一定距离处的炸药发生爆炸的现象, 称为殉爆。殉爆作为炸药安全性能的一项重要指标[1-3], 对炸药/弹药的设计与生产布局、工程爆破作业、弹药的勤务和战场安全设计具有重要的指导意义。

以往研究主要针对的是空气和岩土等密实介质中的炸药殉爆现象。李铮等[4]针对几种典型炸药的殉爆试验, 研究了温度、装药密度和冲击等因素对殉爆的影响, 确定了炸药的殉爆安全距离。李翔宇等[5]研究了可变形战斗部主辅装药殉爆机制, 认为引起主装药殉爆的主要因素是主装药的爆轰感度和辅装药的爆轰压力。王晨等[6]进行了壳装固黑铝炸药殉爆试验, 得到了炸药临界殉爆距离, 建立了带壳装炸药殉爆试验计算模型。赵耀辉等[7]发现对于相似结构柱壳装药, 被发弹发生殉爆是由于相邻多枚小破片撞击后压力叠加的结果。李金河等[8]建议弹药殉爆试验评估中, 应以超压和相对壳体膨胀速度作为主要的评估依据。

由于反鱼雷、反水雷等水中兵器主要依靠水下爆炸的冲击波来破坏和引爆目标, 因此炸药装药的水中殉爆性能对于反鱼雷、水雷武器的作战和战场环境安全性研究具有重要意义[9-11]。胡宏伟等[12]建立了一种利用冲击波峰值压力和气泡周期判断水中殉爆的试验方法, 通过水下爆炸的冲击波压力和气泡周期可以可靠地判断被发装药是否发生殉爆。鲁忠宝等[13]建立了典型装药水中殉爆的有限元仿真模型, 依据胡宏伟建立的试验方法预计了大药量水中兵器战斗部的安全性。然而,上述研究主要是针对单一种类被发装药, 炸药种类对殉爆特性影响强烈, 相关研究仍未开展。

为了研究炸药种类对水中殉爆距离的影响规律, 文中利用水下爆炸试验, 分析了2 种带铝壳装药的水中殉爆距离和殉爆安全距离, 以期为水中兵器的设计与战场环境安全性提供指导。

1 水中殉爆的判据及被发装药反应程度估算方法

水中殉爆现象通过如下判据判别[12]:

1) 殉爆:Pm2>Pm1,tb2>tb1;

2) 半爆:Pm2>Pm3>Pm1,tb2>tb3>tb1;

3) 未殉爆:Pm2=Pm1,tb2=tb1。

其中:Pm1和tb1、Pm2和tb2、Pm3和tb3分别为主发炸药水下爆炸、被发装药殉爆以及被发装药半爆(即被发装药未完全爆轰, 发生熄爆现象)时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期。

被发装药的反应率可通过下式计算

式中:m为炸药质量;m1为主发装药的质量;m2为被发装药的质量;mf为发生反应的被发装药质量;η为被发装药反应程度;Dw为主发装药的TNT 当量,Dw=Qj/Qi, 其中Qi为主发装药的爆热,Qj为被发装药的爆热。

2 个装药很近时, 忽略气泡融合对气泡周期的影响, 被发装药殉爆的反应程度(即被发装药发生熄爆时, 发生反应的炸药质量占被发装药总质量的比例)可通过气泡周期来确定, 其计算公式为

1) 无限水域气泡周期的计算公式[14]

2) 有边界效应水域气泡周期的计算公式[15]

式中:h为装药入水深度;p为试验时的大气压;k为与炸药种类和装药位置有关的常数;m为质量;k1和k2为由试验水池、装药量和装药位置确定的常数。

对于无限水域,k值只与炸药种类有关, 以主发装药的气泡周期为基础, 可计算出k值。将k值代入式(3), 可估算被发装药发生反应的质量, 即反应率。

对于有边界效应水域, 通过试验确定k1和k2,依据测量的气泡周期即可估算被发装药的反应程度。当计算反应效率大于等于80%时, 认为被发装药发生了爆轰, 计算反应效率在15%～80%的范围, 判定为半爆, 计算反应效率小于15%时, 判定为未爆。

2 试验

2.1 试验样品

试验样品全部为圆柱形装药, 主发装药为包裹1.5 mm 铝壳的PBX 炸药, 被发装药为包裹有1.0 mm 铝壳的RS211 炸药和PBX 炸药, 主发装药和被发装药质量均为1.0 kg(不包括铝壳), 传爆药柱为20 g JH-14 炸药, 主发装药采用8 号铜电雷管端面起爆, 试验样品的性能参数见表1, 其中ρ为炸药密度 ,D为爆速,Qv为爆热。

2.2 试验布局

试验水池Ф12 m×10 m, 池底和池壁衬有钢板。试验时, 用固定支架将主、被发装药之间的距离确定为L, 如图1 所示。

表1 试验样品性能参数Table 1 Performance parameters of the test sample

图1 主发装药和被发装药位置确定方式Fig. 1 Location determination of the donor and acceptor charges

使用2 mm 的钢丝绳将主发装药和被发装药悬吊在水池中心, 入水深度5.0 m, 可近似为无限水域[16]。在同一水平面内距主发装药和被发装药距离R=2.5 m 处布放2 个水下压力传感器。采用兰利法调整2 个装药之间的距离L, 用于获得其殉爆距离和殉爆安全距离。水中殉爆试验布局如图2 所示。

图2 水中殉爆试验布局图Fig. 2 The layout of sympathetic detonation test in water

2.3 测试系统

测试系统包括: 美国PCB 公司的138A05 型水下激波传感器, 量程34.5 MPa, 非线性%FS≤2.0,谐振频率≥1 MHz, 上升时间≤1.5 µs。美国PCB公司482A 型适配器; 国产微测公司的高速采集仪。冲击波和气泡信号通过两路高低频通道分别采集, 冲击波信号的采样频率为5 MHz, 气泡脉动信号的采样频率为100 kHz。

3 分析与讨论

3.1 殉爆距离和殉爆安全距离

通过水下爆炸后记录得到的压力-时间波形,由软件处理得到冲击波峰值压力和气泡周期, 即可辨别出被发装药是否发生了殉爆, 试验时大气压99.6 kPa, 每个距离为3 发试验的平均值。

主发装药PBX 水下爆炸的压力-时间波形如图3 所示。

图3 主发装药PBX 水下爆炸压力-时间曲线Fig. 3 Curves of underwater explosion pressure versus time of donor charge is PBX explosive

由图3 可知, 测量得到水下爆炸压力-时间曲线平滑、完整。图3(b)中气泡脉冲图形中的冲击波峰值压力低于图3(a), 这是由于试验分别采用了高频、低频2 个测量通道, 而气泡的测量频率较低的原因。

被发装药为RS211, 装药间距分别为120 、80和40 mm 的水下爆炸压力-时间波形如图4～图6 所示。

图4 120 mm 装药间距水下爆炸压力-时间曲线Fig. 4 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 120 mm

图5 80 mm 装药间距水下爆炸压力-时间曲线Fig. 5 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 80 mm

图6 40 mm 装药间距水下爆炸压力-时间曲线Fig. 6 Curves of underwater explosion pressure versus time when charge distance is 40 mm

由图4 和图5 可知, 在未殉爆和半爆的情况下, 二者的水下冲击波峰值压力基本无变化, 但气泡周期增加了21.7 ms。图6 中的水下冲击波峰值压力比图4 增加了7.25 MPa, 气泡周期增加了62.0 ms。但是半爆和殉爆条件下, 未观察到明显的被发装药二次爆炸峰值压力, 这是由于主发装药与被发装药距离很近, 爆轰时间差很小, 只有几微秒到十几微秒, 可近似为同步爆炸。

2 种炸药水中殉爆的试验结果见表2。

表2 2 种炸药水中殉爆试验结果Table 2 Results of sympathetic detonation test of two explosives

由表2 可知, 被发装药为RS211, 2 个装药的间距为160 mm 和120 mm 时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期与单个1 kg 的PBX 装药一致,被发装药没有被殉爆; 2 个装药的间距为80 mm和100 mm 时, 测点处的冲击波峰值压力与单个1 kg的PBX 装药冲击波峰值压力基本一致, 但气泡周期大于单个1 kg 的PBX 装药, 被发装药发生了半爆; 2 个装药的间距为40 mm 和60 mm 时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期都大于单个1 kg的PBX 装药冲击波峰值压力和气泡周期, 被发装药发生了殉爆。被发装药为PBX 时, 2 个装药的间距为60 mm 和30 mm 时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期与单个1 kg 的PBX 装药一致, 被发装药没有被殉爆; 2 个装药的间距为10 mm时, 测点处的冲击波峰值压力和气泡周期都大于单个1 kg 的PBX 装药的冲击波峰值压力和气泡周期, 被发装药发生了殉爆。

2 种炸药水下爆炸的殉爆距离、殉爆安全距离见表3。

表3 2 种炸药水下爆炸的殉爆距离和安全距离Table 3 Safety distance and sympathetic distance of two explosives

由表3 可知, 被发装药为RS211 时, 主发装药和被发装药的距离小于等于60 mm 时, 被发装药100%发生爆轰, 殉爆距离为60 mm; 主发装药和被发装药的距离大于等于120 mm 时, 被发装药100%不发生爆轰, 殉爆安全距离为120 mm。被发装药为PBX 时, 主发装药和被发装药的距离小于等于10 mm 时, 被发装药100%发生爆轰, 殉爆距离为10 mm; 主发装药和被发装药的距离大于等于30 mm 时, 被发装药100%不发生爆轰, 殉爆安全距离为30 mm。PBX 炸药的殉爆距离和殉爆安全距离都远远小于RS211 炸药, PBX 炸药对冲击波的感度较低。

3.2 被发装药反应率估算

以单个药柱的气泡周期为基础, 计算出式(3)中值等于3.096。PBX 炸药的爆热8 142 kJ/kg,RS211 炸药的爆热6 197 kJ/kg, 被发装药的化学能k当量(相对于主发装药)为1.31。以气泡周期为基准计算的被发装药炸药反应程度见表4。

表4 被发装药反应参数Table 4 Reaction parameters of acceptor charges

表4 中2 种类型的被发装药完全爆轰时, 被发装药的反应率在86%～95%之间, 这是由于发生反应的被发装药质量m由式(3)计算得到, 该计算过程忽略气泡融合对气泡周期的影响, 2 个气泡的相互作用过程可类似于气泡与边界的相互作用, 而当二者距离较近时, 融合后的气泡周期会变小[17],因 此计算得到的被发装药反应率小于100%。

4 结论

文中利用水下爆炸试验研究了2 种带铝壳装药的水中殉爆特性, 确定了装药的殉爆距离、殉爆安全距离以及被发装药的殉爆反应程度, 可为水中兵器的设计与战场环境安全性提供指导。

1) 主发装药为1.5 mm 铝壳PBX 装药, 被发装药为1.0 mm 铝壳的RS211 装药时, 二者的殉爆距离约为60 mm, 殉爆安全距离约为120 mm。

2) 主发装药为1.5 mm 铝壳PBX 装药, 被发装药为带1.0 mm 铝壳的PBX 装药时, 二者的殉爆距离约为10 mm, 殉爆安全距离约为30 mm。PBX 炸药的殉爆距离和殉爆安全距离都远远小于RS211 炸药, PBX 炸药对冲击波的感度较低。

3) 被发装药完全爆轰时, 计算得到被发装药反应率在86%～95%之间, 这是由于2 个气泡融合过程中相互作用的影响。

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Experiments of Sympathetic Detonation Performance of Explosives with Shell in Water

HU Hong-wei1,WANG Jian2*,BIAN Yun-long3,LU Zhong-bao4,YANG Qing1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China; 2. Beijing Institute of System Engineering, Beijing 100101, China; 3. The 41st Institute of the Sixth Academy of CASIC, Huhhot 010010, China; 4. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 71077, China)

To investigate the safety of ammunition under underwater explosion, underwater sympathetic detonation characteristics of two types of explosives with aluminum shell are investigated via an underwater explosion test. The sympathetic detonation distance and safety distance of the test charges are determined, and the sympathetic reaction degree of the charge is analyzed based on the bubble energy. Results reveal that when the donor charge is a PBX charge with a 1.5 mm aluminum shell and the acceptor charge is an RS211 charge with a 1.0 mm aluminum shell, the sympathetic detonation distance is 60 mm and the safety distance of sympathetic detonation is 120 mm. When the donor and acceptor charges are PBX charges with 1.5 and 1.0 mm aluminum shells, respectively, the sympathetic detonation distance is 10 mm and the safety distance of sympathetic detonation is 30 mm. The reaction rates of completely detonated acceptor charges are only between 86% and 95% owing to a decrease in the bubble period caused by the fusion and collision of two bubbles.

underwater explosion; explosives with shell; sympathetic detonation; bubble energy

TJ410; U674

A

2096-3920(2022)03-0308-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.005

胡宏伟, 王健, 卞云龙, 等. 带壳装药水中殉爆特性分析[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 308-313.

2022-04-13;

2022-05-27.

胡宏伟(1982-), 男, 硕士, 研究员, 主要研究方向为爆炸力学.

通信作者简介:王 健(1984-), 男, 博士, 高工, 主要研究方向为含能材料与毁伤技术 .

(责任编辑: 许 妍)