• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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爆轰波碰撞的聚能效应

缪玉松 李晓杰 王小红 闫鸿浩 陈翔

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Citation:

爆轰波碰撞的聚能效应

    作者简介: 缪玉松(1986—),男,博士研究生;
    通讯作者: 李晓杰, dalian03@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 11272081
    国家自然科学基金项目 10972051

  • 中图分类号: O389

Munroe effect of detonation wave collision

    Corresponding author: Xiaojie Li, dalian03@qq.com ;
  • CLC number: O389

  • 摘要: 利用两高爆速导爆索对称布置于药卷两侧,起爆后炸药爆轰波在对称线处汇聚碰撞,当碰撞角度达到一定值时,发生马赫反射,使爆轰压力成倍增加,形成高压、高能量密度区域的聚能效应。本文在爆轰波传播碰撞理论的基础上,通过炸药做功能力和猛度试验验证爆轰波碰撞的聚能效果。做功能力试验结果表明爆轰波碰撞能够增加炸药能量利用率;猛度试验结果表明采用对称起爆技术下的爆轰波碰撞能够改变爆轰波在特定方向上的扩散作用。试验结果与爆轰波入射角的几何关系表明,当高爆速起爆药条与主装药爆速比例在1.15倍以上时,爆轰波碰撞能够达到一定的聚能效果。
  • 图 1  爆轰波碰撞形成马赫反射示意图

    Figure 1.  Mach reflection results from detonation wave collision

    图 2  炸药做功能力现场试验

    Figure 2.  Test field of explosive-determination of power

    图 3  炸药猛度现场试验

    Figure 3.  Test field of explosive-determination of brisance

    表 1  炸药做功能力试验结果

    Table 1.  Test results of explosive-determination of power

    编号起爆方式爆前
    体积/ml
    爆后
    体积/ml
    起爆器具修正/ml
    (去除雷管和导爆索影响)
    体积差
    均值/ml
    爆前
    孔深/mm
    爆后
    孔深/mm
    孔深差
    均值/mm
    1电雷管60.00279.00-24.64229.25125.00135.0010.00
    260.00296.00-24.64125.00135.00
    3并拢式63.00300.00-11.72261.14125.00142.0015.50
    463.00315.00-11.72125.00139.00
    5分离式63.00316.00-11.72259.19125.00144.0018.00
    664.50297.00-11.72125.00142.00
    7仅双导爆索65.0075.0011.72
    865.0076.00
    下载: 导出CSV

    表 2  炸药猛度试验结果

    Table 2.  Test results of explosive-determination of brisance

    炸药类型编号起爆方式铅柱高度/mm
    爆前爆后高差高差平均
    蓬松硝酸铵
    (爆速2 500 m/s)
    1(1)电雷管59.7047.3912.3112.08
    2(2)59.6047.7611.84
    3(3)并拢式60.1048.6011.5110.70
    4(4)59.8349.949.89
    5(5)分离式60.0349.1610.8711.46
    6(6)59.7547.7012.05
    乳化炸药
    (爆速3 400 m/s)
    7(9)电雷管60.0751.448.638.52
    8(10)60.3751.978.40
    9(15)并拢式60.1552.897.267.30
    10(16)60.0852.747.35
    11(17)分离式59.6052.167.457.90
    12(18)60.1351.788.35
    黑索金
    (爆速6 800 m/s)
    13(13)电雷管59.9738.8321.1422.73
    14(14)60.0136.2323.78
    15(7)并拢式60.2337.6222.6122.46
    16(8)59.8537.0122.85
    17(11)分离式60.13
    18(12)60.09
    注:编号()中的数字对应图 3中试验后铅柱上的标号。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-22
  • 录用日期:  2015-11-30
  • 刊出日期:  2017-05-25

爆轰波碰撞的聚能效应

    作者简介:缪玉松(1986—),男,博士研究生
    通讯作者: 李晓杰, dalian03@qq.com
  • 大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024
基金项目:  国家自然科学基金项目 11272081国家自然科学基金项目 10972051

摘要: 利用两高爆速导爆索对称布置于药卷两侧,起爆后炸药爆轰波在对称线处汇聚碰撞,当碰撞角度达到一定值时,发生马赫反射,使爆轰压力成倍增加,形成高压、高能量密度区域的聚能效应。本文在爆轰波传播碰撞理论的基础上,通过炸药做功能力和猛度试验验证爆轰波碰撞的聚能效果。做功能力试验结果表明爆轰波碰撞能够增加炸药能量利用率;猛度试验结果表明采用对称起爆技术下的爆轰波碰撞能够改变爆轰波在特定方向上的扩散作用。试验结果与爆轰波入射角的几何关系表明,当高爆速起爆药条与主装药爆速比例在1.15倍以上时,爆轰波碰撞能够达到一定的聚能效果。

English Abstract

  • 爆轰波碰撞聚能效应是利用对称高爆速炸药条带动低爆速主装药爆轰,使爆轰波在中心线上发生汇聚碰撞,产生马赫反射且爆轰压力成倍提高的现象。自爆轰波反射被发现以来,科研工作者便开始通过理论分析、数值计算和现场试验等对爆轰波传播过程进行研究[1-2]。冯其京等[3]采用二维有限差分法欧拉程序对聚能装药的爆轰波形成、传播及相互作用过程进行模拟;秦健飞等[4]运用瞬时爆轰理论对双聚能爆轰的散射面进行分析,求得炸药的有效利用率;赵长啸等[5]利用LS-DYNA 3D有限元软件对多点起爆时爆轰波碰撞过程进行数值模拟,发现在碰撞位置出现超压现象;刘建青等[6]通过数值模拟研究不同起爆点数对爆炸成型弹丸性能的影响;曹雄等[7]得出在保证时间同步的情况下,增加起爆点有利于提高环形传爆药柱输出的压力;韦祥光[8]在分析爆轰波传播碰撞的基础上进行了铝板压缩试验,从客观上反映了爆轰波碰撞爆压增强的现象;王宇新等[9]运用物质点法模拟爆轰波传播及碰撞过程,验证了爆轰波碰撞导致爆压增强的现象。本文中以爆轰波碰撞理论为基础,通过炸药做功能力和猛度试验验证爆轰波碰撞的聚能效应。

    • 根据C-J理论和爆轰产物状态方程,炸药爆轰压力可由下式[10]求解:

      $ p = {\rho _0}{D^2}/\left( {k + 1} \right) $

      式中:ρ0为炸药的装药密度;D为炸药爆速。k为炸药多方指数,对于装药密度大于1.0 g/cm3的炸药,其值可由下式[11]求解得到:

      $ k = \frac{{{{(1.01 + 1.313{\rho _0})}^2}}}{{1.558{\rho _0}}}{\rm{ - }}1 $

      联立(1)和(2)式可得,对于密度为1.47 g/cm3、爆速为6 500 m/s的导爆索等高能炸药,其爆轰压力为16 GPa;而对于密度为1.0 g/cm3、爆速为3 600 m/s的硝酸铵类工业炸药,其爆轰压力为4 GPa,仅为上述炸药爆轰压力的25%。因此,若能将普通硝铵类工业炸药的爆轰压力提高到高能炸药爆轰压力的水平,扩大炮孔破碎区的范围,对提高爆破效果有重要意义。

      根据爆轰波反射理论[10],当两爆轰波发生正碰撞时,可认为其中一条爆轰波与刚壁面发生正反射,反射后与反射前的爆轰压力比β1与炸药多方指数k之间的关系式为:

      $ {\beta _1} = \frac{{5k + 1 + \sqrt {17{k^2} + 2k + 1} }}{{4k}} $

      对于k=2.8的导爆索等高能炸药,碰撞造成的压力增长比为2.4;即使对于k=1.5的低密度硝酸铵类工业炸药,碰撞造成的压力增长比仅为2.5。可见正反射爆轰的超压对k值并不敏感。然而,随着爆轰波碰撞角度的增大,两爆轰波将以斜入射的方式发生反射。此时,爆轰压力比β2可由下式求得:

      $ {\beta _2} = \frac{{\left( {k + 1} \right){\rm{tan}}\left( {\phi + \theta } \right){\rm{ - }}\left( {k{\rm{ - }}1} \right){\rm{tan}}\phi }}{{\left( {k + 1} \right){\rm{tan}}\phi {\rm{ - }}\left( {k{\rm{ - }}1} \right){\rm{tan}}\left( {\phi + \theta } \right)}} $

      式中:ϕ为爆轰波反射角;θ为斜入射后爆轰波的偏转角,其值可由下式求解得到:

      $ \theta = \frac{{{\rm{tan}}\varphi }}{{k\;{\rm{ta}}{{\rm{n}}^2}\varphi + k + 1}} $

      式中:φ为爆轰波入射角。根据文献[10]爆轰波入射角φ与反射角ϕ的关系为:

      $ \begin{array}{l} \frac{{{\rm{tan}}\phi }}{{{\rm{tan}}\left( {\phi + {\rm{arctan}}\frac{{{\rm{tan}}\varphi }}{{k\;{\rm{ta}}{{\rm{n}}^2}\varphi + k + 1}}} \right)}} = \\ \frac{{k{\rm{ - }}1}}{{k + 1}} + \frac{{2{k^2}}}{{\left( {k + 1} \right)[{k^2} + {{\left( {k + 1} \right)}^2}{\rm{co}}{{\rm{t}}^2}\varphi ]{\rm{si}}{{\rm{n}}^2}\left( {\varphi + {\rm{arctan}}\frac{{{\rm{tan}}\varphi }}{{k\;{\rm{ta}}{{\rm{n}}^2}\varphi + k + 1}}} \right)}} \end{array} $

      联立(2)和(4)~(6)式,对于密度1.0 g/cm3的炸药,可求得爆轰波发生斜反射时的爆压增长比β2=2.41~2.61。当入射角达到46.4°时,若继续增大,此时反射角ϕ无解,说明反射波已经脱离固壁,产生马赫反射现象,如图 1所示。根据斜冲击波马赫反射理论,若将马赫反射爆轰波释放的能量近似的认为与正常爆轰相同时,则马赫反射后的爆压与正常爆压的比β3可用下式表述:

      图  1  爆轰波碰撞形成马赫反射示意图

      Figure 1.  Mach reflection results from detonation wave collision

      $ {\beta _3} = 1/(1 - \cos \varphi ) $

      至此,在柱状截面两侧对称起爆时,爆轰波首先在中心线处发生正碰撞,随后以斜入射的方式发生反射, 当入射角度达到46.4°时,则产生马赫反射,使爆压升高达到3.22倍,远超过正碰撞和斜反射的2.41~2.61倍。由此可见,通过爆轰波碰撞能够达到爆压增强的目的。

    • 铅壔法作为一种传统的炸药做功能力检测方法,由于其不需要特殊的设备,操作流程简便,已成为国际上公认的标准检测方法。根据铅壔法试验标准[12],设计4组试验:(1)对称分离式导爆索起爆(简称分离式),用于验证爆轰波碰撞的聚能效果;(2)电雷管起爆,用于模拟正常爆破作业;(3)中心并拢式双导爆索(简称并拢式),用于形成对比试验,观察中心连续起爆效果;(4)仅双导爆索,用于修正导爆索的做功能力。试验时,称取等质量(10 g)的炸药并用模具压至相同的密度(1.0 g/cm3)进行试验。为减少误差,每组试验进行2次平行试验取均值,现场试验如图 2所示。

      图  2  炸药做功能力现场试验

      Figure 2.  Test field of explosive-determination of power

    • 试验时现场温度为-14 ℃,利用插值法确定体积修正为+12%,试验数值如表 1所示。从表 1可知,铵油炸药在电雷管起爆下的扩容体积为229.25 ml,利用分离式导爆索起爆的扩容体积与并拢式相当,比电雷管起爆的扩容体积提高13.06%。对爆破后的3组铅壔孔深度变化进行测量,分离式导爆索起爆后的孔深增加值为18 mm,比并拢式起爆提高16.13%,比电雷管起爆提高80%。这表明运用分离式起爆能够实现爆轰波的碰撞,达到提高炸药能量利用率和局部聚能的目的。

      编号起爆方式爆前
      体积/ml
      爆后
      体积/ml
      起爆器具修正/ml
      (去除雷管和导爆索影响)
      体积差
      均值/ml
      爆前
      孔深/mm
      爆后
      孔深/mm
      孔深差
      均值/mm
      1电雷管60.00279.00-24.64229.25125.00135.0010.00
      260.00296.00-24.64125.00135.00
      3并拢式63.00300.00-11.72261.14125.00142.0015.50
      463.00315.00-11.72125.00139.00
      5分离式63.00316.00-11.72259.19125.00144.0018.00
      664.50297.00-11.72125.00142.00
      7仅双导爆索65.0075.0011.72
      865.0076.00

      表 1  炸药做功能力试验结果

      Table 1.  Test results of explosive-determination of power

    • 根据标准猛度试验测试方法[13], 为了验证不同爆速炸药的对称起爆聚能效果,分别选取蓬松硝酸铵、乳化炸药和黑索金3种炸药,每种炸药又分分离式、电雷管、并拢式3种起爆形式,每种起爆形式进行不少于2组的平行试验。制作药卷时,分别称取(50±0.1)g炸药,用模具将每组炸药压至相同的密度,试验结果见图 3

      图  3  炸药猛度现场试验

      Figure 3.  Test field of explosive-determination of brisance

    • 试验后, 分别测量并计算铅柱的压缩高度,试验结果如表 2所示。由表 2可知,采用分离式高爆速导爆索起爆低爆速蓬松硝酸铵的平均压缩值较乳化炸药高44.25%。相对于另外2种起爆方式,分离式起爆的压缩值较电雷管起爆降低8%,较并拢式起爆提高5.9%。从试验结果来看,分离式和并拢式起爆并没使炸药猛度值提高,反而有所降低。主要原因是分离式起爆时,高爆速炸药爆轰后形成的高压气体空腔,加速了爆轰波的释放。但爆轰波在中心位置的碰撞,使得释放的爆轰波得到部分补偿;并拢式起爆时,爆轰波从药柱中心往上冲出,使下向爆轰波发生衰减,极大地减少了作用在钢板上的爆轰压力,使铅柱压缩值大幅下降。然而,对于与高爆速起爆药条导爆索爆速相当的黑索金来说,并拢式起爆较电雷管起爆铅柱压缩值仅降低1.2%,且在分离式起爆黑索金时,由于爆轰波碰撞作用使爆压强度的增大,致使铅柱在中心发生劈裂。说明此时,爆轰波扩散和传播的速度相当,爆轰空腔并没有使爆轰波能量大范围释放。

      炸药类型编号起爆方式铅柱高度/mm
      爆前爆后高差高差平均
      蓬松硝酸铵
      (爆速2 500 m/s)
      1(1)电雷管59.7047.3912.3112.08
      2(2)59.6047.7611.84
      3(3)并拢式60.1048.6011.5110.70
      4(4)59.8349.949.89
      5(5)分离式60.0349.1610.8711.46
      6(6)59.7547.7012.05
      乳化炸药
      (爆速3 400 m/s)
      7(9)电雷管60.0751.448.638.52
      8(10)60.3751.978.40
      9(15)并拢式60.1552.897.267.30
      10(16)60.0852.747.35
      11(17)分离式59.6052.167.457.90
      12(18)60.1351.788.35
      黑索金
      (爆速6 800 m/s)
      13(13)电雷管59.9738.8321.1422.73
      14(14)60.0136.2323.78
      15(7)并拢式60.2337.6222.6122.46
      16(8)59.8537.0122.85
      17(11)分离式60.13
      18(12)60.09
      注:编号()中的数字对应图 3中试验后铅柱上的标号。

      表 2  炸药猛度试验结果

      Table 2.  Test results of explosive-determination of brisance

      李晓杰等[14]指出当高爆速炸药为低爆速炸药爆速的1.15倍以上时的爆轰波碰撞,才会产生斜反射或马赫反射现象。该结果与导爆索起爆低爆速炸药蓬松硝酸铵和乳化炸药时猛度降低的现象吻合。同时,也为导爆索在起爆与其爆速相当的黑索金时不能达到聚能效果提供了试验支持。

    • 在爆轰波传播发生正碰撞、斜碰撞和马赫反射理论的基础上,开展炸药做功能力和猛度标准试验,验证爆轰波碰撞的聚能效果,根据试验结果得出以下结论:

      (1) 高爆速导爆索起爆低爆速炸药,使爆轰波在中心线处汇聚碰撞。当发生正规碰撞时,爆压可达到爆轰压力的2.4倍,随后产生爆轰波的斜反射,当爆轰波入射角增大至46.4°时(密度1.0 g/cm3的炸药),产生马赫反射,爆压可增加至3.22倍,达到爆压增强,实现聚能效应的目的。

      (2) 炸药做功能力试验结果表明,分离式与并拢式导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%;但试验后分离式导爆索起爆的孔深却比并拢式起爆提高16.13%,比雷管起爆提高80%。说明采用分离式起爆技术能够实现爆轰波碰撞,达到提高炸药做功能力的目的。

      (3) 炸药猛度试验结果表明,只有当高爆速炸药条与低爆速主装药达到一定爆速比例时,才能达到较好的聚能效果。验证了欲使爆轰波达到碰撞聚能的效果,高爆速起爆药条的爆速至少应为低爆速主装药爆速的1.15倍。

参考文献 (14)

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