爆轟波碰撞的聚能效應*

繆玉松,李曉杰,王小紅,閆鴻浩,陳 翔

(大連理工大學工程力學系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

爆轟波碰撞的聚能效應*

繆玉松,李曉杰,王小紅,閆鴻浩,陳 翔

(大連理工大學工程力學系工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

利用兩高爆速導爆索對稱布置于藥卷兩側(cè)，起爆后炸藥爆轟波在對稱線處匯聚碰撞，當碰撞角度達到一定值時，發(fā)生馬赫反射，使爆轟壓力成倍增加，形成高壓、高能量密度區(qū)域的聚能效應。本文在爆轟波傳播碰撞理論的基礎(chǔ)上，通過炸藥做功能力和猛度試驗驗證爆轟波碰撞的聚能效果。做功能力試驗結(jié)果表明爆轟波碰撞能夠增加炸藥能量利用率；猛度試驗結(jié)果表明采用對稱起爆技術(shù)下的爆轟波碰撞能夠改變爆轟波在特定方向上的擴散作用。試驗結(jié)果與爆轟波入射角的幾何關(guān)系表明，當高爆速起爆藥條與主裝藥爆速比例在1.15倍以上時，爆轟波碰撞能夠達到一定的聚能效果。

爆轟波;聚能效應;馬赫反射;鉛壔法;鉛柱壓縮法

爆轟波碰撞聚能效應是利用對稱高爆速炸藥條帶動低爆速主裝藥爆轟，使爆轟波在中心線上發(fā)生匯聚碰撞，產(chǎn)生馬赫反射且爆轟壓力成倍提高的現(xiàn)象。自爆轟波反射被發(fā)現(xiàn)以來，科研工作者便開始通過理論分析、數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗等對爆轟波傳播過程進行研究[1-2]。馮其京等[3]采用二維有限差分法歐拉程序?qū)勰苎b藥的爆轟波形成、傳播及相互作用過程進行模擬；秦健飛等[4]運用瞬時爆轟理論對雙聚能爆轟的散射面進行分析，求得炸藥的有效利用率；趙長嘯等[5]利用LS-DYNA 3D有限元軟件對多點起爆時爆轟波碰撞過程進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在碰撞位置出現(xiàn)超壓現(xiàn)象；劉建青等[6]通過數(shù)值模擬研究不同起爆點數(shù)對爆炸成型彈丸性能的影響；曹雄等[7]得出在保證時間同步的情況下，增加起爆點有利于提高環(huán)形傳爆藥柱輸出的壓力；韋祥光[8]在分析爆轟波傳播碰撞的基礎(chǔ)上進行了鋁板壓縮試驗，從客觀上反映了爆轟波碰撞爆壓增強的現(xiàn)象；王宇新等[9]運用物質(zhì)點法模擬爆轟波傳播及碰撞過程，驗證了爆轟波碰撞導致爆壓增強的現(xiàn)象。本文中以爆轟波碰撞理論為基礎(chǔ)，通過炸藥做功能力和猛度試驗驗證爆轟波碰撞的聚能效應。

1 爆轟波碰撞相關(guān)理論

根據(jù)C-J理論和爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程，炸藥爆轟壓力可由下式[10]求解：

(1)

式中：ρ0為炸藥的裝藥密度；D為炸藥爆速。k為炸藥多方指數(shù)，對于裝藥密度大于1.0 g/cm3的炸藥，其值可由下式[11]求解得到：

(2)

聯(lián)立(1)和(2)式可得，對于密度為1.47 g/cm3、爆速為6 500 m/s的導爆索等高能炸藥，其爆轟壓力為16 GPa；而對于密度為1.0 g/cm3、爆速為3 600 m/s的硝酸銨類工業(yè)炸藥，其爆轟壓力為4 GPa，僅為上述炸藥爆轟壓力的25%。因此，若能將普通硝銨類工業(yè)炸藥的爆轟壓力提高到高能炸藥爆轟壓力的水平，擴大炮孔破碎區(qū)的范圍，對提高爆破效果有重要意義。

根據(jù)爆轟波反射理論[10]，當兩爆轟波發(fā)生正碰撞時，可認為其中一條爆轟波與剛壁面發(fā)生正反射，反射后與反射前的爆轟壓力比β1與炸藥多方指數(shù)k之間的關(guān)系式為：

(3)

對于k=2.8的導爆索等高能炸藥，碰撞造成的壓力增長比為2.4；即使對于k=1.5的低密度硝酸銨類工業(yè)炸藥，碰撞造成的壓力增長比僅為2.5?？梢娬瓷浔Z的超壓對k值并不敏感。然而，隨著爆轟波碰撞角度的增大，兩爆轟波將以斜入射的方式發(fā)生反射。此時，爆轟壓力比β2可由下式求得：

(4)

式中：φ為爆轟波反射角；θ為斜入射后爆轟波的偏轉(zhuǎn)角，其值可由下式求解得到：

(5)

式中：φ為爆轟波入射角。根據(jù)文獻[10]爆轟波入射角φ與反射角φ的關(guān)系為：

(6)

圖1 爆轟波碰撞形成馬赫反射示意圖Fig.1 Mach reflection results from detonation wave collision

圖2 炸藥做功能力現(xiàn)場試驗Fig.2 Test field of explosive-determination of power

聯(lián)立(2)和(4)～(6)式，對于密度1.0 g/cm3的炸藥，可求得爆轟波發(fā)生斜反射時的爆壓增長比β2=2.41～2.61。當入射角達到46.4°時，若繼續(xù)增大，此時反射角φ無解，說明反射波已經(jīng)脫離固壁，產(chǎn)生馬赫反射現(xiàn)象，如圖1所示。根據(jù)斜沖擊波馬赫反射理論，若將馬赫反射爆轟波釋放的能量近似的認為與正常爆轟相同時，則馬赫反射后的爆壓與正常爆壓的比β3可用下式表述：

(7)

至此，在柱狀截面兩側(cè)對稱起爆時，爆轟波首先在中心線處發(fā)生正碰撞，隨后以斜入射的方式發(fā)生反射,當入射角度達到46.4°時，則產(chǎn)生馬赫反射，使爆壓升高達到3.22倍，遠超過正碰撞和斜反射的2.41～2.61倍。由此可見，通過爆轟波碰撞能夠達到爆壓增強的目的。

2 炸藥做功能力試驗

2.1 爆轟波聚能炸藥做功能力測試方法

鉛壔法作為一種傳統(tǒng)的炸藥做功能力檢測方法，由于其不需要特殊的設(shè)備，操作流程簡便，已成為國際上公認的標準檢測方法。根據(jù)鉛壔法試驗標準[12]，設(shè)計4組試驗：(1)對稱分離式導爆索起爆(簡稱分離式)，用于驗證爆轟波碰撞的聚能效果；(2)電雷管起爆，用于模擬正常爆破作業(yè)；(3)中心并攏式雙導爆索(簡稱并攏式)，用于形成對比試驗，觀察中心連續(xù)起爆效果；(4)僅雙導爆索，用于修正導爆索的做功能力。試驗時，稱取等質(zhì)量(10 g)的炸藥并用模具壓至相同的密度(1.0 g/cm3)進行試驗。為減少誤差，每組試驗進行2次平行試驗取均值，現(xiàn)場試驗如圖2所示。

2.2 試驗結(jié)果及分析

試驗時現(xiàn)場溫度為-14 ℃，利用插值法確定體積修正為+12%，試驗數(shù)值如表1所示。從表1可知，銨油炸藥在電雷管起爆下的擴容體積為229.25 ml，利用分離式導爆索起爆的擴容體積與并攏式相當，比電雷管起爆的擴容體積提高13.06%。對爆破后的3組鉛壔孔深度變化進行測量，分離式導爆索起爆后的孔深增加值為18 mm，比并攏式起爆提高16.13%，比電雷管起爆提高80%。這表明運用分離式起爆能夠?qū)崿F(xiàn)爆轟波的碰撞，達到提高炸藥能量利用率和局部聚能的目的。

表1 炸藥做功能力試驗結(jié)果

3 炸藥猛度試驗

3.1 猛度試驗測試方法

圖3 炸藥猛度現(xiàn)場試驗Fig.3 Test field of explosive-determination of brisance

根據(jù)標準猛度試驗測試方法[13],為了驗證不同爆速炸藥的對稱起爆聚能效果，分別選取蓬松硝酸銨、乳化炸藥和黑索金3種炸藥，每種炸藥又分分離式、電雷管、并攏式3種起爆形式，每種起爆形式進行不少于2組的平行試驗。制作藥卷時，分別稱取(50±0.1)g炸藥，用模具將每組炸藥壓至相同的密度，試驗結(jié)果見圖3。

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗后,分別測量并計算鉛柱的壓縮高度，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用分離式高爆速導爆索起爆低爆速蓬松硝酸銨的平均壓縮值較乳化炸藥高44.25%。相對于另外2種起爆方式，分離式起爆的壓縮值較電雷管起爆降低8%，較并攏式起爆提高5.9%。從試驗結(jié)果來看，分離式和并攏式起爆并沒使炸藥猛度值提高，反而有所降低。主要原因是分離式起爆時，高爆速炸藥爆轟后形成的高壓氣體空腔，加速了爆轟波的釋放。但爆轟波在中心位置的碰撞，使得釋放的爆轟波得到部分補償；并攏式起爆時，爆轟波從藥柱中心往上沖出，使下向爆轟波發(fā)生衰減，極大地減少了作用在鋼板上的爆轟壓力，使鉛柱壓縮值大幅下降。然而，對于與高爆速起爆藥條導爆索爆速相當?shù)暮谒鹘饋碚f，并攏式起爆較電雷管起爆鉛柱壓縮值僅降低1.2%，且在分離式起爆黑索金時，由于爆轟波碰撞作用使爆壓強度的增大，致使鉛柱在中心發(fā)生劈裂。說明此時，爆轟波擴散和傳播的速度相當，爆轟空腔并沒有使爆轟波能量大范圍釋放。

李曉杰等[14]指出當高爆速炸藥為低爆速炸藥爆速的1.15倍以上時的爆轟波碰撞，才會產(chǎn)生斜反射或馬赫反射現(xiàn)象。該結(jié)果與導爆索起爆低爆速炸藥蓬松硝酸銨和乳化炸藥時猛度降低的現(xiàn)象吻合。同時，也為導爆索在起爆與其爆速相當?shù)暮谒鹘饡r不能達到聚能效果提供了試驗支持。

表2 炸藥猛度試驗結(jié)果

注：編號()中的數(shù)字對應圖3中試驗后鉛柱上的標號。

4 結(jié) 論

在爆轟波傳播發(fā)生正碰撞、斜碰撞和馬赫反射理論的基礎(chǔ)上，開展炸藥做功能力和猛度標準試驗，驗證爆轟波碰撞的聚能效果，根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)高爆速導爆索起爆低爆速炸藥，使爆轟波在中心線處匯聚碰撞。當發(fā)生正規(guī)碰撞時，爆壓可達到爆轟壓力的2.4倍，隨后產(chǎn)生爆轟波的斜反射，當爆轟波入射角增大至46.4°時(密度1.0 g/cm3的炸藥)，產(chǎn)生馬赫反射，爆壓可增加至3.22倍，達到爆壓增強，實現(xiàn)聚能效應的目的。

(2)炸藥做功能力試驗結(jié)果表明，分離式與并攏式導爆索起爆做功能力基本相同，比雷管起爆做功能力提高13.06%；但試驗后分離式導爆索起爆的孔深卻比并攏式起爆提高16.13%，比雷管起爆提高80%。說明采用分離式起爆技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)爆轟波碰撞，達到提高炸藥做功能力的目的。

(3)炸藥猛度試驗結(jié)果表明，只有當高爆速炸藥條與低爆速主裝藥達到一定爆速比例時，才能達到較好的聚能效果。驗證了欲使爆轟波達到碰撞聚能的效果，高爆速起爆藥條的爆速至少應為低爆速主裝藥爆速的1.15倍。

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(責任編輯 張凌云)

Munroe effect of detonation wave collision

Miao Yusong, Li Xiaojie, Wang Xiaohong, Yan Honghao, Chen Xiang

(StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DepartmentofEngineeringMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)

The Mach reflection occurs when two high-detonation-velocity detonating cords are arranged symmetrically on both sides of the cartridge. After the detonation the explosive’s detonation waves converge and collide along the line of symmetry, multiplying the detonation pressure and forming a Munroe effect region with high pressure and high energy density when the collision angle reaches a certain value. In this paper, explosive-determination of power and brisance tests were conducted based on the theory of detonation wave collision and reflection. The results from the test of the explosive-determination of power show that the detonation wave collision can improve the efficiency of the explosive energy utilization, and those from the test of the brisance show that the symmetrical initiation of the detonation can change its distribution in a particular direction. The geometrical relationship of the experimental results with the incidence angle of the detonation wave shows that, when the initiating explosive velocity is above 1.15 times that of the main charge, the detonation wave collision will produce a certain degree of Munroe effect.

detonation wave; Munroe effect; Mach reflection; lead block test; lead cylinder compression test

10.11883/1001-1455(2017)03-0544-05

2015-09-22；

2015-11-30

國家自然科學基金項目(10972051,11272081)

繆玉松(1986— )，男，博士研究生; 通信作者: 李曉杰,dalian03@qq.com。

O389 國標學科代碼： 13035

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