含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响

为研究铝粉粒度对RDX基含铝炸药水中爆炸近场特性的影响,采用转镜式高速扫描相机对含30％(质量分数)微米铝粉、20％(质量分数)微米铝粉与10％(质量分数)亚微米铝粉的2种RDX基含铝炸药水下近场爆炸过程进行了观察记录,获得了沿装药径向的爆炸冲击波传播轨迹扫描底片。通过对2种含铝炸药水中近场爆炸扫描底片进行判读分析,获取了沿装药径向的爆炸冲击波传播迹线与爆轰产物膨胀迹线,由此分析得出2种含铝炸药爆炸冲击波传播速度、波阵面压力和爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律,并对2种含铝炸药相关参数进行了对比分析。结果表明,在10％(质量分数)微米铝粉替换为亚微米铝粉后,含铝炸药冲击波的初始传播速度及波阵面压力减小且能量衰减速率也降低,冲击波传播距离为40 mm左右时,2种炸药的阵面压力便较为相近,并且在爆轰产物气泡膨胀阶段,由于亚微米铝粉反应较快,其释放的能量导致气泡膨胀速率增长较快。     

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。     

不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律

为分析药柱形状对水下爆炸冲击波演化的影响。针对圆柱形装药中心起爆问题,在理论上建立了炸药与水交界面上初始冲击波压力及其传播方向的二维计算方法,借助于AUTODYN有限元计算程序开展了长径比1:2～10:1的圆柱形TNT在无限水域爆炸的数值模拟,并开展了长径比为1:1和2.6:1的圆柱形TNT的水下爆炸试验;对比理论、仿真和试验结果,验证了理论模型的合理性和数值模拟的有效性,分析了柱形装药水下爆炸冲击波的传播规律,重点分析了药柱长径比对不同爆距处冲击波压力分布及传播方向的影响。结果表明：圆柱形装药水下爆炸后,冲击波波阵面逐渐从柱形趋向椭球型再趋向球型,当冲击波传播至10倍无量纲爆距时高压区的转移结束;当长径比大于1:1时,炸药轴向(端面)的冲击波压力衰减速率大于径向(圆柱面)的衰减速率,冲击波峰值压力随着方向角的增大而单调增长;在1:1～5:1的长径比和20倍无量纲爆距范围内,增大药柱长径比可定向增强炸药径向的冲击波压力,药柱的形状对冲击波压力分布影响随着爆距增大而减小。     

爆炸冲击波超压测试系统开发

为了准确测试炸药在空气中爆炸和地下巷道爆破产生的冲击波传播规律,开发了基于虚拟仪器技术的爆炸冲击波测试系统.传感器采用瑞士Kistler公司的211M0160压电石英低阻型压力传感器,信号调理采用瑞士Kistler公司的5134B型信调仪,采集系统采用NI公司USB-6356高速同步数据采集卡,供电系统采用蓄电池通过逆变器转化为220 V交流电源供电,构建了野外爆炸冲击波测试系统,基于Lab VIEW8.5编写了爆炸冲击波超压测试软件.测试了以0.5 kg TNT为主的起爆具炸药在空中爆炸冲击波传播规律,通过试验验证了组建的冲击波爆炸测试系统能够满足炸药爆炸冲击波测试的测试要求,为研究炸药空中爆炸、巷道爆炸、巷道爆破冲击波提供了仪器设备.     

DNTF/AP/Al 体系炸药的能量特性分析

为了研究 DNTF（3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱）/ AP/ Al 体系炸药的能量特性,选取了质量比为 DNTF/AP/ Al（35/35/30）的试样进行了水下爆炸能量测定和爆热测试,并将试验结果与 TNT 和 RS211进行了对比。结果表明：试样的比冲击波能是 TNT 的1.38倍,与 RS211相当;比气泡能分别为 TNT 和 RS211的4.56倍和2.91倍;总能量为 TNT 和 RS211的3.56倍和2.26倍。经计算发现试样的能量利用率高达98％。为了研究造成该配方试样高气泡特性和高能量利用率的原因,通过分析对比试样、DNTF 和 DNTF/ Al（70/30）体系的水下爆炸试验结果发现, Al 粉的加入显著提高了比气泡能,降低了热损失能;Al 粉和 AP 的联用进一步提高了比气泡能和能量利用率,同时也提高了比冲击波能。     

AUTODYN水下爆炸数值模拟研究

采用AUTODYN数值计算软件,对TNT水下爆炸冲击波传播过程进行了数值模拟.计算结果表明,爆炸初期炸药中的爆轰波和水中冲击波是高频波,炸药及其附近水域需要足够细密的网格才能反映出这种特性,建议按照峰压衰减时间常数内至少采样100次的标准划分网格;同时应采用较小的人工粘性系数,减少对冲击波峰值超压的抹平,并对计算结果进行低通滤波,这样计算得到的冲击波压力曲线与经验公式计算曲线吻合得较好,不但可以准确捕捉冲击波峰值压力,而且能够比较准确地计算冲击波在水中传输时的衰减演化过程.     

柱状炸药水下冲击波连续测量研究

通过自制的压导探针,对柱状装药水下爆炸过程进行连续测量,获得了柱状炸药的爆轰波和水下近场冲击波头的时间历程演化曲线。由此计算出柱状炸药的爆速、水的冲击波速度随时间的变化曲线;进一步由水的冲击雨果尼奥关系式和界面压力、速度连续方程,计算得到了炸药爆压、水下近场冲击波超压变化曲线。结果表明,水下爆炸近场的冲击波速度近似以指数形式衰减,最初阶段衰减很快,随时间推移,衰减越来越慢,最终水中冲击波速度趋于声速。近场冲击波超压的衰减形式与冲击波速度的衰减形式相似。     

坑道内温压炸药冲击波传播特性的试验研究

为弄清温压炸药爆炸冲击波在坑道内的传播特性,考虑实际坑道口部特征,使用厚壁钢管和钢板加工了模型试验坑道。利用安装在模型坑道侧壁的压力传感器,分别实测了HMX基温压炸药和TNT口外爆炸时坑道内不同距离处的冲击波波形。通过对比分析,研究了该温压炸药冲击波波形及其参数在坑道内的传播特征。试验结果表明:温压炸药波形具有冲击波的典型特征,该温压炸药爆炸冲击波传播速度、超压峰值、正压持时和正向冲量均大于TNT,坑道深处其平均超压峰值、正压持时和正向冲量分别为TNT的1.19、1.31和1.53倍。利用坑道内冲击波传播的经验公式反推,得到试验用温压炸药爆炸冲击波超压峰值和正向冲量的平均等效TNT当量系数分别为1.79和1.99。表明该温压炸药冲击波比TNT具有更大的威力。     

不同炸药水下能量输出特性的实验研究

对梯恩梯（TNT）、钝化黑索今（RDx）、含铝炸药（RDX／AI）、一次引爆型燃料空气炸药（SEFAE）等不同类型的炸药在爆炸水池中的能量输出结构进行了实验研究。结果表明：非理想炸药SEFAE、RDX／Al的水下冲击波衰减慢于理想炸药TNT、RDX,而且冲击波能、气泡脉动周期和气泡能高于TNT和RDX。铝粉的加入使非理想炸药的能量输出特性不同于理想炸药,其原因主要是Al的二次反应效应。     

水中爆炸的殉爆试验方法

为了研究弹药水中爆炸的安全性,依据水中爆炸的特点,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,可以确定炸药的殉爆距离、殉爆安全距离以及被发装药的殉爆反应程度,通过水中爆炸试验进行了验证。结果表明:主发装药为带壳1.5 mm铝壳的GUHL-1装药、被发装药为带壳1.0 mm铝壳的RS211装药时,殉爆距离L100约为60 mm,殉爆安全距离L0约为120 mm。根据水中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,并可以定量估算被发装药的反应程度。     

乳化炸药冲击起爆的实验研究

采用激励器和轻气炮装置对乳化炸药的冲击起爆进行了实验研究。结果表明，由气泡敏化的乳化作药临界起爆能量最低，其ｐ￣２τ值在（１３～３５）×１０￣（１２）ｐａ￣２·ｓ之间，由玻璃微球敏化的乳化炸药稍高一些，而乳化基质则更难以起爆。在本研究的实验压力和时间范围内，乳化作药的冲击起爆临界能量值并不完全符合非均相炸药的冲击起爆判据Ｐ￣２τ＝ｃｏｎｓｔ。乳化炸药的实测爆轰压力为１６．６８６Ｐａ，爆轰波成长时间大约在２．３～２．５μｓ之间。     

乳化炸药冲击起爆的实验研究

采用激励器和轻气炮装置对乳化炸药的冲击起爆进行了实验研究。结果表明,由气泡敏化的乳化作药临界起爆能量最低,其ｐ￣２τ值在（１３～３５）×１０￣（１２）ｐａ￣２·ｓ之间,由玻璃微球敏化的乳化炸药稍高一些,而乳化基质则更难以起爆。在本研究的实验压力和时间范围内,乳化作药的冲击起爆临界能量值并不完全符合非均相炸药的冲击起爆判据Ｐ￣２τ＝ｃｏｎｓｔ。乳化炸药的实测爆轰压力为１６．６８６Ｐａ,爆轰波成长时间大约在２．３～２．５μｓ之间。     

角联管网瓦斯爆炸冲击波与火焰波的传播特性

为了得出实际管网中瓦斯爆炸冲击波、火焰波的普适性传播特性,搭建了角联管网实验系统。通过平均升压速率和爆炸威力指数表征冲击波传播特性;通过火焰传播速率表征火焰波传播特性。结果表明:冲击波在角联管网中传播时出现了多次衰减与叠加,冲击波的正向传播和冲击波在管网所有互连管道中的反向传播叠加在一起,导致冲击波的传播呈现复杂无序状态。冲击波传播在不同的管道结构时,经过45°分岔管道时爆炸威力最大;在斜角联支管中,压力损失最大,超压爆炸威力下降幅度最大,火焰波传播速率最快;底部直管中的火焰波传播速率最慢。可为瓦斯爆炸灾害发生后应急救援方案的制定提供理论参考。     

Blast measurements and equivalency for spherical charges at small scaled distances

An experimental program was conducted to obtain direct measurements of side-on overpressures at small scaled distances from spherical charges of six different high explosives. The pressure-time recordings made on the experiments were processed to obtain peak over pressures, shock wave arrival times, side-on impulses, and positive durations of the incident or side-on pressure pulse. In addition to comparisons of the data with TNT reference curves for these four parameters, TNT equivalency for each explosive was obtained based on side-on peak overpressures and impulses.