爆炸沖擊波的傳播規(guī)律與試驗(yàn)研究

爆炸沖擊波的傳播規(guī)律與試驗(yàn)研究

1空氣中可發(fā)生深度沖擊的理論和實(shí)驗(yàn)研究19世紀(jì)，w.j.m.ralkin和h.j.hugoniot創(chuàng)造了波攻擊狀態(tài)方程，并為波攻擊理論的研究奠定了基礎(chǔ)。二戰(zhàn)期間,核武器的出現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到了沖擊波的強(qiáng)大破壞力。對(duì)于爆炸沖擊波的研究主要是通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從而得到各種條件下爆炸沖擊波的傳播規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)方程。N.H.Ethridge結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了理想爆炸沖擊波在空氣中的衰減方程。S.Glasstone則提出沖擊波在剛性壁面上發(fā)生正反射后,反射波超壓與入射波的強(qiáng)弱有關(guān),最大可以達(dá)到入射波強(qiáng)度的8倍。E.Mach在1877年就指出斜反射存在一個(gè)臨界角(取決于沖擊波強(qiáng)度),超過該角度后入射沖擊波和反射波會(huì)合并形成第三個(gè)沖擊波,即馬赫波。這些理論成為了研究爆炸沖擊波傳播的基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的溫壓彈是基于空氣燃燒彈發(fā)展而成的新型武器,2001年被美軍首次用于阿富汗戰(zhàn)場(chǎng),其主要?dú)侄问歉邷睾蜎_擊波。其中沖擊波對(duì)于有限空間內(nèi)的生物殺傷效果尤為明顯,這主要是因?yàn)楸óa(chǎn)生的沖擊波會(huì)因?yàn)閴Ρ诤推渌砻娈a(chǎn)生多次反射,在相同作用距離下與開放空間相比,封閉空間內(nèi)的人員遭受沖擊波作用的強(qiáng)度和作用時(shí)間都會(huì)增加。試驗(yàn)針對(duì)輕型溫壓彈,分別在開闊空間和有限空間內(nèi)對(duì)其爆炸產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行測(cè)試,通過得到的沖擊波超壓曲線進(jìn)行對(duì)比分析,希望得出溫壓彈在有限空間爆炸后的沖擊波波形特點(diǎn)和不同空間結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波的影響。2試驗(yàn)結(jié)果的分析在開闊空間進(jìn)行的試驗(yàn)中,溫壓藥采用固體壓裝成型裝藥,裝藥質(zhì)量0.715kg,放在鋁制的戰(zhàn)斗部中,離地高度為0.6m。測(cè)試壓力傳感器為KISTLER公司生產(chǎn)的211B5型,采用的是地面布置傳感器的方法。瞬態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀是DEWETRON公司生產(chǎn)的2010型。攝像采用的是PHOTRON公司生產(chǎn)的APX高速攝像系統(tǒng)。藥柱兩邊2.5m處立有標(biāo)記桿,高度為3m,用于標(biāo)定火球大小。爆炸場(chǎng)景見圖1。由兩橫桿標(biāo)記可看到,火球高度超過3m,直徑約5m。沖擊波的超壓測(cè)試結(jié)果見圖2。由圖2可見,溫壓彈在空曠地爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓在達(dá)到峰值后會(huì)迅速衰減,隨后長(zhǎng)時(shí)間都處于負(fù)壓的區(qū)域。需要注意的是,炸藥在空氣中爆炸時(shí),沖擊波以球?qū)ΨQ狀向外傳播。當(dāng)沖擊波與地面相碰時(shí),產(chǎn)生了沖擊波的地面反射。沖擊波的地面反射可以分為規(guī)則反射、過渡反射、非規(guī)則反射和半球反射四種。非規(guī)則反射的特征是反射波陣面和入射波陣面的交點(diǎn)離開地面,交點(diǎn)的下面是馬赫桿波陣面。它的底部垂直于地面。該交點(diǎn)通常稱為“三波點(diǎn)”。三波點(diǎn)的位置和馬赫桿的高度隨時(shí)間和距離而變,相應(yīng)的三波點(diǎn)軌跡是一條上凹的曲線。爆炸沖擊波陣面的示意圖見圖3。實(shí)際測(cè)量時(shí),如果壓力傳感器布放在三波點(diǎn)之上,可測(cè)得入射波和反射波兩個(gè)波峰,如果壓力傳感器布放在三波點(diǎn)之下,所測(cè)壓力為馬赫桿波陣面的超壓。對(duì)于試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,首先需要確定爆炸沖擊波的反射類型,因?yàn)闇貕核幍刃У腡NT裝藥w=1.26kg,爆炸高度H=0.6m,可得w√3H=1.26√30.6=1.8由此根據(jù)文獻(xiàn)查出馬赫反射的臨界角φ0c=40°。在試驗(yàn)中,2.5m處的入射角φ0=arctan(2.5/0.6)=76.5°,顯然φ0>φ0c,因此試驗(yàn)2.5m處測(cè)得的沖擊波超壓屬于馬赫反射。下面用理論計(jì)算對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)一裝藥w在地面爆炸,由于地面阻擋,沖擊波不是向整個(gè)空間傳播,而只向一半空間傳播,被沖擊波帶動(dòng)的空氣量減少一半,因此可看作是兩倍的裝藥在無限空間爆炸,并考慮到地面的吸收作用,可得超壓計(jì)算公式:ΔpmGr=1.03w√3r+3.99(w√3r)2+12.6(w√3r)3(1)其中,需滿足下列約束條件1≤rw√3≤10~15式中ΔpmGr——裝藥在地面爆炸時(shí)沖擊波的超壓,105Pa;w——TNT裝藥,kg;r——到爆炸中心的距離,m。由于傳感器測(cè)得的是馬赫反射壓力,因此壓力值應(yīng)為ΔpM=ΔpmGr(1+cosφ0)(2)在試驗(yàn)中,溫壓藥等效的TNT裝藥w=1.3kg,傳感器距爆心的距離r=2.57m,入射角φ0=76.5°。將上述數(shù)據(jù)帶入方程(1)、(2)可得非馬赫反射壓力值ΔpmGr=206(kPa),馬赫反射壓力值Δpm=247kPa,與試驗(yàn)測(cè)得的壓力峰值236kPa的誤差分別為12.7%和4.7%,可見上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析是正確的。3有限空間拐角處的多峰值超壓與之爭(zhēng)有限空間的超壓試驗(yàn)在一個(gè)封閉的房間內(nèi)進(jìn)行。溫壓藥柱質(zhì)量為0.715kg,位于5×6×3=90m3房間的正中央,離地有0.6m。測(cè)量?jī)x器與開闊空間的相同。具體的試驗(yàn)場(chǎng)地布置見圖4。由于有限空間內(nèi)存在固壁反射,以及各反射波會(huì)相互作用,因此實(shí)際的波系非常復(fù)雜。圖5是各測(cè)試點(diǎn)獲得的超壓波形。超壓峰值結(jié)果見表1。圖5(a)和(c)的1#和3#傳感器在地面,第一個(gè)超壓峰值為馬赫波,后面跟隨兩個(gè)小峰為正面墻壁和側(cè)面墻壁的反射波,反射波峰值很小。圖5(b)和(d)的2#和4#傳感器在距地面1.5m高的壁面上,超壓曲線存在兩個(gè)較高峰值,第一峰值為入射沖擊波,第二峰值為反射沖擊波和稀疏波的合成波。圖5(e)和(f)的5#和6#傳感器在屋內(nèi)拐角地面上,第一峰為馬赫波,第二、三峰值超過第一峰值,它們均為合成馬赫反射波。由測(cè)試結(jié)果可知,多峰值超壓是有限空間的特征。有限空間拐角處的第二、三超壓峰值超過第一峰值。與開闊空間相比,在相同的距離2.5m處,如果位置相同,如有限空間中的3#和開闊空間的傳感器都在地面,則測(cè)得的最大超壓峰值是相似的,只是有限空間的超壓曲線會(huì)因?yàn)榭臻g結(jié)構(gòu)的影響出現(xiàn)多峰;如果位置不同,如有限空間中的2#在墻上,其波形和超壓峰值都與開闊空間有很大的不同。而且通過超壓曲線可以看出有限空間負(fù)壓在-100～-200kPa左右,遠(yuǎn)大于開闊空間最大-60kPa的負(fù)壓。有證據(jù)說明,負(fù)壓也是造成殺傷的重要因素。研究表明,沖擊波對(duì)目標(biāo)毀傷破壞效應(yīng)主要依賴于峰值壓力和壓力持續(xù)時(shí)間。其中對(duì)建筑物等硬目標(biāo)的破壞主要取決于峰值壓力和物體的固有頻率,而對(duì)生物等軟目標(biāo)的損傷則主要取決于沖擊波持續(xù)時(shí)間。在簡(jiǎn)化研究中認(rèn)為沖擊波間斷面前后物質(zhì)的密度、速度等參量在間斷面上發(fā)生了突變,但實(shí)際上間斷面是個(gè)有限厚度的過渡層,這個(gè)厚度就是沖擊波的寬度,它直接決定了沖擊波的持續(xù)作用時(shí)間。在同一介質(zhì)中,沖擊波的寬度隨沖擊波強(qiáng)度的增大而減小。根據(jù)物質(zhì)守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒,再考慮到內(nèi)摩擦和導(dǎo)熱性的約束,可以得到有關(guān)沖擊波厚度的公式:δ=8aV2(p2?p1)?2V?p2(3)式中a——與聲吸收系數(shù)有關(guān)的參數(shù);V——比容;p1、p2——分別是沖擊波前后的壓力。由氣體動(dòng)力學(xué)的理論可得a~l/c2??2V?p2~V/p2?pV2~c2?c為聲速,l為沖擊波中平均氣溫的分子自由程。因此可得到以下關(guān)系:δ～l即沖擊波寬度與介質(zhì)的平均分子自由程是同一量級(jí)的。在試驗(yàn)中,開闊空間2.5m處的脈沖寬度為1.3ms,有限空間同距離處的寬度為1.0ms和1.1ms。而在有限空間中,盡管傳感器的位置不同,但脈沖寬度基本上隨距爆心距離的增加而增加,可見外部空間的結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖寬度基本無影響。綜上所述,沖擊波的寬度主要由介質(zhì)特性和沖擊波強(qiáng)度決定,并非由空間結(jié)構(gòu)等外界因素決定。4有限空間具有負(fù)壓有限空間中的沖擊波傳播比較復(fù)雜,它與空間結(jié)構(gòu)和密閉程度有很大的關(guān)系。就試驗(yàn)超壓測(cè)試結(jié)果來說,具有以下特征:(1)多峰值超壓是有限空間的特征。其中墻壁上存在第二峰值,但小于第一峰值;地面上只存在一個(gè)較大峰值,為馬赫波;有限空間拐角處的第二、三峰值超過第一峰值。(2)有限空間負(fù)壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開闊空間,負(fù)壓也是殺傷的因素之一,但如何準(zhǔn)確標(biāo)定還是一個(gè)問題。(3)沖擊波的