基于连续压导探针的水箱法测量爆压

李科斌 李晓杰 王小红 闫鸿浩 曹景祥

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基于连续压导探针的水箱法测量爆压

    作者简介: 李科斌(1988-),男,博士研究生,主要从事爆炸与冲击动力学及其测试技术研究. E-mail: lkbin1988@mail.dlut.edu.cn;
    通讯作者: 李晓杰, robinli@dlut.edu.cn
  • 中图分类号: O521.3; TJ55

A Modified Aquarium Test Using a Continuous Pressure-Conducted Velocity Probe for Measurement of Detonation Pressure

    Corresponding author: LI Xiaojie, robinli@dlut.edu.cn ;
  • CLC number: O521.3; TJ55

  • 摘要: 为了使爆压测定方法更加方便并且更适合于野外大药量的测量,利用自行研制的压导式连续电阻丝探针,设计了一种改进水箱法,可在单次试验中连续记录炸药爆轰波和水中冲击波波阵面的运动轨迹。同时,为了进一步简化实验装置和操作过程,设计了基于连续压导探针的简化水箱法。利用以上两种实验装置,对不同组分的ANFO炸药进行爆压测量,获得了爆轰波-冲击波波阵面时程曲线。通过对爆轰波段数据拟合,得到了各待测炸药的爆速;利用贴近炸药区域介质中的冲击波数据,拟合得到初始冲击波速度,再结合水和有机玻璃的冲击Hugoniot曲线以及阻抗匹配原理,求解得到各待测炸药的CJ压力和绝热指数。实验结果表明,基于连续压导探针的改进水箱法可准确快捷地测量炸药的爆速、爆压等参数,可作为炸药性能测试技术的重要补充。
  • 图 1  连续压导探针示意

    Figure 1.  Schematic illustration of CPVP

    图 2  基于连续压导探针的改进水箱法测量系统

    Figure 2.  Detonation pressure measuring system with modified aquarium test using CPVP

    图 3  爆轰产物-介质界面的相互作用曲线

    Figure 3.  Impedance match method for the explosive product-media interface

    图 4  采用不同测试方法时连续压导探针测得的电压信号

    Figure 4.  Output voltage profiles of CPVPs by different test methods

    图 5  不同测试方法得到的爆轰波-冲击波时程曲线

    Figure 5.  Time history curves of detonation and shock wave front by different test methods

    图 6  不同比例ANFO/RDX炸药的电压信号

    Figure 6.  Output voltage profiles for different ANFO/RDX ratios

    图 7  ANFO/RDX混合炸药的爆轰波-冲击波时程曲线

    Figure 7.  Time history curves of detonation and shock wave front for composite ANFO/RDX explosive

    表 1  不同试验装置测得的炸药爆压

    Table 1.  Measuring results of detonation pressure by different methods

    Test methodShot No.Inert materialExplosive componentDensity/(g·cm–3)Detonation velocity/(km·s–1)Detonation pressure/GPaγ
    Fig. 2(a)DP-1WaterANFO0.8603.71873.6002.304
    Fig. 2(b)DP-2WaterANFO0.8603.64823.5352.238
    DP-3PMMAANFO0.8603.65403.5242.258
    DP-4PMMAANFO0.8653.63363.5392.227
    DP-5PMMA100%ANFO+0%RDX0.8802.89782.3942.086
    DP-6PMMA85%ANFO+15%RDX0.8324.22094.4692.317
    DP-7PMMA50%ANFO+50%RDX0.8754.97986.4462.366
     Note: The ANFO of DP-1–DP-5 are powdery while those of DP-6 and DP-7 are granular.
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  • [1] SONG S Y, LEE J W. A detonation pressure measurement system employing high resistance manganin foil gauge [C]// Proceedings of the 9th Symposium (International) on Detonation. Portland, OR, 1989: 471–477.
    [2] PHILIPPART D. The study of booster materials with electromagnetic particle velocity gauges [C]//Proceedings of 8th Symposium (International) on Detonation, NSWC MP, 1985: 86–194.
    [3] DOROKHIN V V, ZUBAREVYU V N, OREKIN K, et al. Continuous radiographic recording for explosion products behind a detonation front [J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1988, 24(1): 109–112. doi: 10.1007/BF00749084
    [4] MADER C L, CRANE S L, JOHNSON J N. Los Alamos explosives performance data [M]. Los Angeles: University of California Press, 1983.
    [5] COOK M A, KEYES R T, URSENBACH W O. Measurements of detonation pressure [J]. Journal of Applied Physics, 1962, 33(12): 3413–3421. doi: 10.1063/1.1702422
    [6] RIGDON J K, AKST I B. An analysis of the " Aquarium technique” as a precision detonation pressure measurement gage [C]// Proceedings of the Fifth Symposium (International) on Detonation, 1970.
    [7] 徐康, 于德洋, 许云祥, 等. 水箱法——一种可用于小药量测定炸药爆轰压力的方法 [J]. 爆炸与冲击, 1981, 1(2): 89–95
    XU K, YU D Y, XU Y X, et al. Aquarium test–a method for determination of the detonation pressure with small quantity of explosive [J]. Explosion and Shock waves, 1981, 1(2): 89–95
    [8] 薛彭寿, 王淑萍. 大药量水箱法测定炸药爆轰压力的研究 [J]. 火炸药, 1992(2): 10–19
    XUE P S, WANG S P. Study on detonation pressure measurement for large charge with aquarium test [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 1992(2): 10–19
    [9] ASHAEV V K, DORONIN G S, LEVIN A D. Detonation front structure in condensed high explosives [J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 1988, 24(1): 88–92. doi: 10.1007/BF00749080
    [10] 于德洋, 曾雄飞, 徐康. 阻抗匹配法测爆压的研究 [J]. 爆炸与冲击, 1983, 3(3): 67–74
    YU D Y, ZENG X F, XU K. Impedance matching method for detonation pressure measurements [J]. Explosion and Shock Waves, 1983, 3(3): 67–74
    [11] 于德洋, 曾雄飞, 徐康. 对一种新的爆压测试方法—二碘甲烷法—的研究 [J]. 爆炸与冲击, 1985, 5(2): 69–73
    YU D Y, ZENG X F, XU K. Investigations of a new detonation pressure measuring method-diiodomethane method [J]. Explosion and Shock Waves, 1985, 5(2): 69–73
    [12] 李晓杰, 王小红, 闫鸿浩, 等. 一种连续电阻丝探针及其制造方法: CN 103630704A [P]. 2014-03-12.
    [13] 李科斌, 李晓杰, 闫鸿浩, 等. 炸药爆速连续测量的杂波分析及新型探针的研制 [J]. 工程爆破, 2017, 23(5): 85–90 doi: 10.3969/j.issn.1006-7051.2017.05.017
    LI K B, LI X J, YAN H H, et al. The mechanism analysis of noise wave in detonation velocity continuous measurement [J]. Engineering Blasting, 2017, 23(5): 85–90 doi: 10.3969/j.issn.1006-7051.2017.05.017
    [14] 王宇新, 李晓杰, 闫鸿浩, 等. 炸药爆速的连续测量技术研究 [J]. 爆破器材, 2017, 46(6): 59–64 doi: 10.3969/j.issn.1001-8352.2017.06.012
    WANG Y X, LI X J, YAN H H, et al. Study on continuous testing technology of detonation velocity of explosives [J]. Explosive Materials, 2017, 46(6): 59–64 doi: 10.3969/j.issn.1001-8352.2017.06.012
    [15] 李科斌, 李晓杰, 闫鸿浩, 等. 一种测量工业炸药临界直径和临界厚度的连续电阻丝探针法 [J]. 含能材料, 2018, 26(7): 620–625
    LI K B, LI X J, YAN H H, et al. A continuous resistance wire probe method for determining the critical diameter and thickness of commercial explosives [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2018, 26(7): 620–625
    [16] 李科斌, 李晓杰, 闫鸿浩, 等. 一种可实现水下爆炸参数连续测量的新型电测方法 [J]. 兵工学报, 2017(Suppl 1): 108–112
    LI K B, LI X J, YAN H H, et al. New electrometric method for the continuous measurement of underwater explosion parameters [J]. Acta Armamentarii, 2017(Suppl 1): 108–112
    [17] RICE M H, WALSH J M. Equation of state of water to 250 kilobars [J]. The Journal of Chemical Physics, 1957, 26(4): 824–830. doi: 10.1063/1.1743415
    [18] MARSH S P. LASL shock Hugoniot data [M]. Berkeley: University of California Press, 1980.
  • [1] 马民勋顾援 . 阻抗匹配实验中的误差问题. 高压物理学报, 1991, 5(2): 149-153 . doi: 10.11858/gywlxb.1991.02.011
    [2] 戴诚达王翔谭华 . Hugoniot实验的粒子速度测量不确定度分析. 高压物理学报, 2005, 19(2): 113-119 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.02.003
    [3] 舒桦傅思祖黄秀光马民勋顾援 . 激光状态方程实验数据在线处理程序的开发及应用. 高压物理学报, 2006, 20(3): 327-330 . doi: 10.11858/gywlxb.2006.03.018
    [4] 周涛沈飞王辉 . 预制破片与轻质壳体阻抗匹配对破片初速及完整性的影响. 高压物理学报, 2018, 32(4): 045104-1-045104-6. doi: 10.11858/gywlxb.20170602
    [5] 韩志伟解立峰邓吉平王栋陈际洋解一超 . 爆轰法合成纳米氧化铈粒径的控制. 高压物理学报, 2014, 28(5): 585-590. doi: 10.11858/gywlxb.2014.05.012
    [6] 林其文袁万宗王维钧 . 铁电体爆电换能器的匹配研究. 高压物理学报, 1988, 2(2): 137-145 . doi: 10.11858/gywlxb.1988.02.007
    [7] 罗宁李晓杰费鸿禄莫非张程娇 . 爆轰法合成碳包覆镍纳米颗粒的研究. 高压物理学报, 2011, 25(2): 111-117 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.02.003
    [8] 杨瑞李晓杰闫鸿浩 . 气相爆轰法合成含铁多壁碳纳米管. 高压物理学报, 2017, 31(3): 209-214. doi: 10.11858/gywlxb.2017.03.001
    [9] 李雪琪李晓杰闫鸿浩王小红潘训岑 . 五羰基铁气相爆轰法合成纳米碳胶囊. 高压物理学报, 2018, 32(6): 063401-1-063401-7. doi: 10.11858/gywlxb.20180562
    [10] 张凤国王裴胡晓棉邵建立周洪强冯其京 . 爆轰加载下锡金属连续层裂损伤机理的数值分析. 高压物理学报, 2017, 31(3): 280-285. doi: 10.11858/gywlxb.2017.03.009
    [11] 李大红 . 凝聚炸药中超压爆轰的实验研究. 高压物理学报, 1987, 1(1): 81-87 . doi: 10.11858/gywlxb.1987.01.011
    [12] 杨瑞李晓杰闫鸿浩孔令杰 . 二茂铁质量对气相爆轰法合成碳纳米管的影响. 高压物理学报, 2017, 31(4): 389-395. doi: 10.11858/gywlxb.2017.04.006
    [13] 陈森华张旭柏劲松 . 贴体坐标系中多维非理想爆轰波阵面传播计算的位标函数法. 高压物理学报, 2000, 14(4): 280-284 . doi: 10.11858/gywlxb.2000.04.008
    [14] 曲艳东李晓杰赵铮欧阳欣 . 爆轰和燃烧法合成SrAl2O4:Eu2+,Dy3+纳米发光粉. 高压物理学报, 2008, 22(2): 175-180 . doi: 10.11858/gywlxb.2008.02.011
    [15] 曾代朋陈军谭多望 . 超压爆轰产物冲击绝热线的实验研究. 高压物理学报, 2010, 24(1): 76-80 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.01.014
    [16] 李银成 . 爆轰产物的冷比内能与冷压的函数表达式. 高压物理学报, 2005, 19(1): 71-79 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.01.013
    [17] 陈军曾代朋谭多望王荣波 . 超压爆轰产物声速以及热力学CJ点的实验研究. 高压物理学报, 2010, 24(3): 201-205 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.03.007
    [18] 唐敬友伍绍珍王藩侯谷岩董庆东 . 冲击波加热的氦气与氩气对电探针导通的影响. 高压物理学报, 2000, 14(4): 285-290 . doi: 10.11858/gywlxb.2000.04.009
    [19] 苏昉谢斌赵明文吴希俊 . 纳米离子导体在流体静压力下的复阻抗谱研究. 高压物理学报, 1995, 9(2): 81-88 . doi: 10.11858/gywlxb.1995.02.001
    [20] 苏昉谢斌陈允鸿 . 坡莫合金纳米粉的恒导磁性及其磁导率的压力、频率特性. 高压物理学报, 1995, 9(4): 247-256 . doi: 10.11858/gywlxb.1995.04.002
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2018-11-27
  • 网络出版日期:  2019-03-13
  • 刊出日期:  2019-04-01

基于连续压导探针的水箱法测量爆压

    作者简介:李科斌(1988-),男,博士研究生,主要从事爆炸与冲击动力学及其测试技术研究. E-mail: lkbin1988@mail.dlut.edu.cn
    通讯作者: 李晓杰, robinli@dlut.edu.cn
  • 1. 大连理工大学工程力学系,辽宁 大连 116024
  • 2. 工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁 大连 116024
  • 3. 大连船舶重工集团爆炸加工研究所有限公司,辽宁 大连 116311

摘要: 为了使爆压测定方法更加方便并且更适合于野外大药量的测量,利用自行研制的压导式连续电阻丝探针,设计了一种改进水箱法,可在单次试验中连续记录炸药爆轰波和水中冲击波波阵面的运动轨迹。同时,为了进一步简化实验装置和操作过程,设计了基于连续压导探针的简化水箱法。利用以上两种实验装置,对不同组分的ANFO炸药进行爆压测量,获得了爆轰波-冲击波波阵面时程曲线。通过对爆轰波段数据拟合,得到了各待测炸药的爆速;利用贴近炸药区域介质中的冲击波数据,拟合得到初始冲击波速度,再结合水和有机玻璃的冲击Hugoniot曲线以及阻抗匹配原理,求解得到各待测炸药的CJ压力和绝热指数。实验结果表明,基于连续压导探针的改进水箱法可准确快捷地测量炸药的爆速、爆压等参数,可作为炸药性能测试技术的重要补充。

English Abstract

  • 爆轰压力作为炸药的主要性能参数,是评价炸药能量释放和做功能力的基本标志量之一,它的测定一直是爆炸力学研究中十分重要的问题。半个多世纪以来,人们建立和发展了多种爆压测试方法,得到了大量的实验数据。CJ爆压的测量方法从获取途径上可分为两类:直接法和间接法。所谓直接法就是通过直接测量爆轰产物内的相关参数得到爆压,包括压阻法[1]、电磁法[2]和脉冲X射线照相法[3];而间接法则是通过间接测量邻近介质中的冲击波参数,利用阻抗匹配原理反推爆轰压力,如自由表面速度法[4]、水箱法[5-8]、有机玻璃法[9]等。尽管这些方法原理各异,测量结果具有一定的分散性,但是都能测得较为可靠的CJ压力,它们的不断完善为研究凝聚态炸药的爆轰波结构及其他相关爆轰理论提供了依据。

    基于高速摄影技术的水箱法是测量炸药爆压的一种常用方法,其本质上属于阻抗匹配法,测量原理与自由表面速度法类似。不同的是,水箱法中采用透明水介质代替金属板,利用高速摄影装置记录水中冲击波的传播轨迹,获得冲击波速度,由于水的Hugoniot关系已知,运用阻抗匹配公式即可计算炸药爆压。该法早在1962年就由Cook等[5]进行了详细阐述,之后Rigdon等[6]对该法做了进一步改进和分析,并列入美军军标中作为CJ爆压的标准测量方法之一。我国从20世纪60年代开始也逐渐使用水箱法测量炸药爆压:徐康教授带领他的团队在这方面做了大量的开创性工作[7,10-11];薛彭寿等[8]进行了TNT和RDX炸药大药量水箱法的研究,测试精度接近美国军用标准水平。然而,传统水箱法使用高速摄影装置,受设备防护、实验室拍摄条件和爆炸洞许用爆炸当量等限制,对水的透明度、强光源、炸药起爆等均有特殊要求,因而一般只能用于较小药量的爆炸实验,且测试结果的精度很大程度受照相底片模糊度的影响。

    本研究将结合本课题组自行研制的压导式连续电阻丝探针[12],设计一种方便快捷,且适合大药量测量的改进水箱法,以期在一次试验中准确快捷地测量炸药中的爆轰波速度和介质中的冲击波速度,从而确定炸药的爆轰压力。

    • 连续压导探针(Continuous Pressure-conducted Velocity Probe,CPVP)是大连理工大学研制的用于记录炸药爆轰波和介质中冲击波的新型电阻丝传感器,其内部结构和实物照片如图1所示。该探针使用螺纹金属丝作为中心骨架,起到压致导通漆包丝的作用,漆包电阻丝平铺于金属丝表面,并由绝缘缠绕膜将两者包覆贴紧,然后使用铜箔作为屏蔽层,最后用塑料套管将整个结构固定并排出内部空气。整个结构需引出3根导线,漆包丝作为两个输出端,屏蔽层引出导线接地。该新型探针最大程度地避免了传统电阻丝探针杂波干扰的形成,除了可以在爆轰波高温高压下导通外,还可以在冲击压力作用下使电阻丝与骨架螺纹剧烈压紧,螺纹齿刺穿电阻丝的绝缘漆层而导通,从而拓展了此类探针的应用范围。探针整体直径约2 mm,长度可根据炸药尺寸进行任意调整。测试中所有线路采用同轴屏蔽电缆,信号采集仪使用采样率为80 MS/s的DVP-I型连续爆速仪。

      图  1  连续压导探针示意

      Figure 1.  Schematic illustration of CPVP

      该新型探针已成功应用于各种装药形式的爆速[13-14]、临界直径[15]、殉爆距离等测量,并用于水下爆炸近场冲击波的分析中[16],测试结果可靠,测试效果非常理想。

    • 基于CPVP的改进水箱法测试系统如图2(a)所示。水箱高90 cm,直径60 cm;药柱直径10 cm,长30 cm;从药柱底端起爆,起爆端距离水箱底部20 cm;探针沿中心轴向伸入药柱内20 cm,水中部分长度为40 cm。炸药起爆后,炸药爆轰波沿药柱轴向传播,探针记录爆轰波波阵面的运动轨迹;当爆轰波离开药柱后,在水中形成冲击波,从药柱中心延伸出的探针开始记录水中冲击波波阵面的运动轨迹。于是利用单根连续压导探针就可以在一次试验中实现爆轰波和冲击波的连续测量。由于本研究使用的粉状和粒状炸药的冲击阻抗与水的冲击阻抗十分接近,有利于减小阻抗匹配中采用声学近似带来的计算误差,但是也使爆轰波和冲击波时程曲线平滑过渡,不利于分界线的判定,为此实验前需要精确测定药柱内探针长度,根据探针的导通长度判定爆轰波与冲击波的界线。

      图  2  基于连续压导探针的改进水箱法测量系统

      Figure 2.  Detonation pressure measuring system with modified aquarium test using CPVP

      在实际操作中,图2(a)所示的装置中填充大量的水,为此要求装配好的药柱保持良好的密封性,若药柱内渗入少量水,则会导致试验失败。为了提高水箱法的试验效率和成功率,使之更方便地应用于野外测量,设计了如图2(b)所示的简化装置,其中惰性介质可以是水也可以是有机玻璃,图中PVC(聚氯乙烯)外壳直径为10 cm,药柱和水柱长25 cm,有机玻璃厚2 cm,药柱部分探针长15~20 cm。

      根据图2(a)中的测试电路,设Rc为回路电缆电阻,R0为仪器内电阻,爆轰波向前传播使探针电阻产生变化R(t),在恒压源V0的作用下,有

      $V(t) = \frac{{R(t) + {R_{\rm{c}}}}}{{R(t) + {R_{\rm{c}}} + {R_0}}}{V_0}$

      若单位长度电阻丝阻值rp已知(标定值rp=Ra/Lp0,其中Ra为探针的初始阻值,Lp0为探针的初始长度),结合(1)式可求出被爆轰波压致导通的探针长度为

      $L(t) = {L_{{\rm{p}}0}} - \frac{{R(t)}}{{{r_{\rm{p}}}}} = \frac{{{R_{\rm{a}}} + {R_{\rm{c}}} + {R_0}}}{{{r_{\rm{p}}}}} - \frac{{{R_0}{V_0}}}{{{r_{\rm{p}}}\left[ {{V_0} - V(t)} \right]}}$

      这样,爆速仪记录的电压信号就换算成爆轰波的时程曲线,对此求时间的导数,即可得到爆速

      $D(t) = - \frac{{{R_0}{V_0}}}{{{r_{\rm{p}}}}}{{{\rm{d}}\left[ {\frac{1}{{{V_0} - V(t)}}} \right]} \Bigg / {{\rm{d}}t}}$

      水箱法测量炸药爆压的原理基于炸药与惰性介质的阻抗匹配关系,以水和有机玻璃为例,通过对爆轰产物-水(有机玻璃)界面进行分析,可以得到如图3所示的界面作用曲线。由图3可得介质中冲击波压力与其波后质点速度的关系

      图  3  爆轰产物-介质界面的相互作用曲线

      Figure 3.  Impedance match method for the explosive product-media interface

      ${p_{{\rm{w/g}}}} = {p_{{\rm{CJ}}}} - {\rho _{0{\rm{r}}}}{D_{\rm{r}}}\left( {{u_{{\rm{w/g}}}} - {u_{{\rm{CJ}}}}} \right)\quad\quad\quad\quad\quad (4)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad$

      式中:下标r表示反射波的参数,w/g表示水或有机玻璃的参数,pCJuCJ分别为CJ面的压力和质点速度,ρ0为介质的初始密度。

      考虑到动量守恒方程pCJ=ρeDeuCJpw/g=ρ0w/gDw/guw/g(下标e表示炸药参数),可以得到

      $\frac{{{p_{{\rm{w/g}}}}}}{{{p_{{\rm{CJ}}}}}} = \frac{{{\rho _{0{\rm{w/g}}}}{D_{{\rm{w/g}}}}}}{{{\rho _{\rm{e}}}{D_{\rm{e}}}}}\frac{{ {{\rho _{\rm{e}}}{D_{\rm{e}}} + {\rho _{0{\rm{r}}}}{D_{\rm{r}}}} }}{{ {{\rho _{0{\rm{w/g}}}}{D_{{\rm{w/g}}}} + {\rho _{0{\rm{r}}}}{D_{\rm{r}}}} }}$

      利用“声学近似”(ρ0rDr=ρeDe),(5)式可简化为

      ${p_{{\rm{CJ}}}} = \frac{{{p_{{\rm{w/g}}}}}}{{2{\rho _{{\rm{0w/g}}}}{D_{{\rm{w/g}}}}}}\left( {{\rho _{\rm{e}}}{D_{\rm{e}}} + {\rho _{0{\rm{w/g}}}}{D_{{\rm{w/g}}}}} \right)$

      再次代入关系式pw/g=ρ0w/gDw/guw/g,(6)式可写成

      ${p_{{\rm{CJ}}}} = \frac{1}{2}{u_{{\rm{w/g}}}}\left( {{\rho _0}{D_{\rm{e}}} + {\rho _{0{\rm{w/g}}}}{D_{{\rm{w/g}}}}} \right)$

      对于炸药-水系统,由Rice等[17]的实验研究可知,在水中冲击波压力pw≤45 GPa时,水的冲击波速度Dw和质点速度uw(单位km/s)存在以下关系

      ${D_{\rm{w}}} = 1.483 + 25.306\lg \left( {1 + \frac{{{u_{\rm{w}}}}}{{5.19}}} \right)$

      而对于有机玻璃,根据文献[18]所提供的实验数据,其在2~6 km/s冲击波速度范围内的Hugoniot关系式为

      ${D_{\rm{g}}} = 1.527 8{u_{\rm{g}}} + 2.592 8$

      式中:Dgug分别为有机玻璃的冲击波速度和波后质点速度,单位km/s。

      于是用阻抗匹配法测量炸药爆压的关键是获得界面两端炸药的爆速和介质冲击波的初始速度,标准水箱法的测量原理是利用水的透光率随密度变化的特点,用强光源照射透明盛水容器,冲击波经过处水的密度变大,在底片上会形成暗层,利用转镜式高速摄像机记录冲击波传播过程,进而求出入水冲击波的初始速度,再结合炸药爆速等已知参数,根据(7)式求解出炸药爆压。上述实验过程对水的透明度、强光源、高速摄影仪、炸药起爆等有特殊要求,并且需要单独测定炸药爆速,而基于新型爆速探针的爆轰波-冲击波连续测量特性可大大简化测试过程。

    • 为了对比不同测试装置和惰性介质测得结果的差别,首先分别采用图2所示两种装置对密度为0.86 g/cm3的粉状ANFO炸药进行试验,其中采用图2(b)装置测量时分别用水和有机玻璃作为冲击波衰减的传播介质。爆速仪记录的电压信号如图4所示,其中:DP-1为图2(a)装置的测量结果;DP-2为图2(b)装置以水为介质时的测量结果;DP-3和DP-4为图2(b)装置采用2 cm厚有机玻璃为介质时的测量结果,为了研究后续冲击波的衰减过程,在有机玻璃块上设置长度为30 cm的水柱。

      图  4  采用不同测试方法时连续压导探针测得的电压信号

      Figure 4.  Output voltage profiles of CPVPs by different test methods

      利用(2)式换算得到爆轰波-冲击波时程曲线,如图5所示。由于药柱中探针的长度均为20 cm,因此在行程20 cm处作一条分界线。分界线前为爆轰波,由于使用爆速较低的非理想炸药,爆轰波存在一段成长过程,因此这里可采用二次拟合,拟合后得到各试验中炸药的爆速分别为3.7187、3.6482、3.6540和3.6336 km/s。分界线后为冲击波,拟合后可得各试验的初始冲击波速度,分别为3.3771、3.5272、3.9654和3.9702 km/s,其中前两个为水中冲击波速度,后两个为有机玻璃的冲击波速度;之后分别利用(8)式和(9)式得到各初始冲击波的波后质点速度,分别为0.9762、1.0610、0.8984和0.9015 km/s;将待测炸药的密度、水的密度(1.0 g/cm3)和有机玻璃的密度(1.186 g/cm3)代入(7)式,可求出待测ANFO炸药爆压,分别为3.600、3.535、3.524和3.539 GPa;最后由pCJ=ρeDe2/(γ+1)计算各炸药的绝热指数γ。所测各试验的爆速、爆压和绝热指数列于表1中。

      图  5  不同测试方法得到的爆轰波-冲击波时程曲线

      Figure 5.  Time history curves of detonation and shock wave front by different test methods

      Test methodShot No.Inert materialExplosive componentDensity/(g·cm–3)Detonation velocity/(km·s–1)Detonation pressure/GPaγ
      Fig. 2(a)DP-1WaterANFO0.8603.71873.6002.304
      Fig. 2(b)DP-2WaterANFO0.8603.64823.5352.238
      DP-3PMMAANFO0.8603.65403.5242.258
      DP-4PMMAANFO0.8653.63363.5392.227
      DP-5PMMA100%ANFO+0%RDX0.8802.89782.3942.086
      DP-6PMMA85%ANFO+15%RDX0.8324.22094.4692.317
      DP-7PMMA50%ANFO+50%RDX0.8754.97986.4462.366
       Note: The ANFO of DP-1–DP-5 are powdery while those of DP-6 and DP-7 are granular.

      表 1  不同试验装置测得的炸药爆压

      Table 1.  Measuring results of detonation pressure by different methods

      对比各数据可知,利用改进水箱法(DP-1)和简化水箱法(DP-2)求得的炸药爆压两者相差1.80%,而利用水介质(DP-2)和有机玻璃(DP-3)测得的爆压相差0.31%,利用有机玻璃进行的两次重复实验(DP-3和DP-4)的结果相差0.43%。由以上对比结果可知,基于连续压导探针的改进水箱法测量炸药爆压的稳定性和可重复性均较高。当然,进一步的准确性、稳定性和重复性验证需要进行大量的重复性实验,这将是我们以后的工作重点。

    • 为了获得不同强度的冲击波,使用不同比例的ANFO/RDX混合炸药,以有机玻璃为介质,进行了爆轰波-冲击波的连续测量,其中DP-5~DP-7中的ANFO为多孔粒状硝酸铵,而粉状RDX的混合比例分别为0%、15%和50%,3次试验的电压信号如图6所示。

      图  6  不同比例ANFO/RDX炸药的电压信号

      Figure 6.  Output voltage profiles for different ANFO/RDX ratios

      同样利用(2)式将图6的电压信号换算为如图7所示的爆轰波-冲击波时程曲线。类似地,对各爆轰波段进行线性或二次拟合,得到各炸药的爆速分别为2.8978、4.2209和4.9798 km/s;中间段为有机玻璃中传播的冲击波,其初始速度分别为3.6554、4.2006和4.5999 km/s,然后利用(8)式和(9)式得到各初始冲击波波后质点速度,分别为0.6955、1.0523和1.3137 km/s,将已知参数代入(7)式后,可求出各待测ANFO炸药的爆压,分别为2.394、4.469和6.446 GPa。各试验的爆速、爆压和绝热指数也一同列于表1。若对有机玻璃-水界面作进一步分析,可求出冲击波在不同介质中传播的变化规律,用于确定未知材料(本试验中为水)的冲击状态方程,该内容将在以后的研究工作中展开讨论。

      图  7  ANFO/RDX混合炸药的爆轰波-冲击波时程曲线

      Figure 7.  Time history curves of detonation and shock wave front for composite ANFO/RDX explosive

    • (1)基于自行研制的压导式连续电阻丝探针,设计了用于测量炸药爆压的改进水箱装置,可方便快捷地测量炸药的爆轰波及其在水中所形成冲击波的传播速度,从而计算炸药的爆轰压力,与标准水箱法相比,改进后的方法省去了高速摄影仪这一昂贵且操作复杂的设备,使用一根压导探针和一个爆速仪便能获得炸药的爆速和爆压。

      (2)采用改进水箱法及简化装置,以水和有机玻璃作为惰性材料,对同一密度下的粉状ANFO炸药进行爆速和爆压测量,结果显示,各试验爆速的最大相对误差为2.3%,爆压的最大相对误差为2.1%,说明改进水箱法的测试稳定性和可重复性良好。

      (3)利用改进水箱法的简化装置,以有机玻璃作为惰性介质,对不同混合比例的ANFO/RDX炸药进行爆速和爆压测量,结果表明改进方法同时适用于低爆速和高爆速炸药的测量。

参考文献 (18)

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