孔 霖，苏健军，李芝绒，王胜强，姬建荣

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

现代战争背景下，坑道等防御工事内主要用于人员的安置和仪器的放置。当装药在坑道入口附近爆炸时，会在坑道中产生爆炸冲击波，对坑道中的人员和设施构成严重威胁，因此研究坑道内爆炸冲击波传播规律具有非常重要的意义。

国内李秀地[1]对长坑道中的爆炸冲击波进行了数值模拟研究，指出由于受到坑道壁面的约束作用，炸药爆炸产生的空气冲击波进入坑道后，会在坑道壁面之间来回反射。当入射波与壁面的夹角达到一定值时反射波与入射波叠加形成了马赫杆，在传播一定距离后，较为混乱的流场逐渐成为较为稳定的平面冲击波。穆朝民[2]对复杂坑道内爆炸冲击波的传播规律进行了数值计算，并对不同结构的坑道进行了爆炸冲击波强度对比，提出了提高坑道工事抗常规炸药破坏能力的方法。

国外学者也指出，当装药在坑道入口附近爆炸时，会在坑道中产生持续时间很短且峰值压力很高的爆炸冲击波，在坑道壁面的约束作用下，坑道中的冲击波峰值压力将降低得很慢，而持续时间增加得很快[3-4]。

本文主要对长坑道内爆炸冲击波传播规律进行试验研究，并观察不同装药的爆炸冲击波的传播规律，用于评估不同装药在坑道内爆炸作用的毁伤威力，为坑道防护设计、毁伤破坏能力提供数据支撑。

1 试验

1.1 试验方法

装药在坑道入口内爆炸后形成冲击波。在坑道壁面上安装压力传感器，冲击波信号经传输电缆传给信号适配器后，由数据采集及处理系统记录，如图1所示。

图1 冲击波压力测试系统框图Fig.1 Diagram of shock pressure test system

1.2 试验装药

试验装药为 2kgTNT、2kgWY-1和 2kgWY-2。WY-1和WY-2是含铝量不同的温压炸药。

起爆雷管选用8#工业铜质电雷管，用工业雷管起爆器起爆。试验时，爆炸源在模型坑道出入口内 2m处爆炸，炸高为1.25m，利用安装在坑道壁面上的压力传感器捕捉坑道中的冲击波信号。每打完1发后坑道内通风30min，并将残留在传感器表面的爆炸产物擦除干净，以免影响下一发试验数据。

1.3 坑道模型

试验用坑道布局如图2所示。

图2 坑道布局Fig.2 Layout in the tunnel

坑道壁面共安装8个压力测点，前3个离爆心的距离分别为2.0m、4.3m、8.0m，往后每隔5m布置1个测点，测点与爆心在同一水平面上。

1.4 试验测试设备

使用 PCB公司的压电式压力传感器捕捉超压信号，传感器安装在侧壁上，其压力敏感面与坑道壁面齐平。利用GENESIS数据采集仪器采集数据。因试验环境比较恶劣，信号传输线采用带金属屏蔽的低噪声电缆。

2 试验结果与分析

2.1 实测冲击波超压波形

WY-1在坑道头部爆炸测得的冲击波波形如图 3所示。可以看出，冲击波到达测点的时间随测点离爆心距离的增大而增大，峰值超压随测点离爆心距离的增大而减小，正压持续时间随测点离爆心距离的增大而增大。

图3 WY-1爆炸测得的冲击波波形Fig.3 Shock wave of WY-1 explosion

2.0m测点处离爆心较近，前端冲击波阵面压力信号基本没有受到其它干扰因素的影响，波形正常，但正压作用后的信号由于热效应的影响，传感器前端膜片被加热膨胀引起压电转换元件即石英晶体片预载荷减载，压力传感器产生负跃变信号，一段时间后膜片全部被加热，载荷增加，信号逐渐归零，但不影响峰值超压与正压持续时间的判读。

从8.0m测点处往后冲击波峰值超压降低得很慢，这是因为装药在坑道入口内2.0m处爆炸后，初始冲击波在坑道壁面上发生多次反射，到一定远的距离处，多个反射冲击波与入射冲击波叠加，逐渐形成稳定的平面波在坑道内传播。

2.2 不同装药的爆炸冲击波传播规律

对于裸露的TNT球形装药在无限空气中爆炸，我国国防工程设计规范中规定的正压区峰值超压计算公式[5]为：

用式（1）计算出2kgTNT球形装药在无限空气中爆炸后各测点距离处的峰值超压，并与3种装药在相同测点上的超压值进行比较，如图4所示。

图4 不同装药爆炸冲击波峰值对比Fig.4 The peak value contrast of shock wave from different explosives

由图4可见，2.0m测点处的冲击波峰值超压差距较大，WY-2的峰值最高，说明近场的峰值超压与装药种类有关。装药在无限空气中爆炸，冲击波峰值超压衰减很快，在8.0m测点处就已经衰减至0；装药在坑道中爆炸，8.0m测点处峰值超压依然有0.14MPa，并在继续传播过程中衰减得越来越慢，说明坑道中装药种类对足够远处的爆炸冲击波峰值超压影响较小，冲击波衰减到一定程度后稳定地往坑道内部继续传播，衰减量很小。

温压炸药是在燃料空气炸药的基础上研制出来的，其特点[6]是：在炸药中加入过量的铝、铍、钛等金属粉末，初期无氧爆轰阶段主要是炸药分子内部的氧化还原反应，以及其反应产物与还原性较强的金属粉末发生氧化还原反应，释放能量；铝粉颗粒与气态爆炸产物发生化学反应会受分子碰撞频率、碰撞能量等多方面因素的影响，这些二次反应的速度较慢，它们释放的能量来不及补充到冲击波阵面上，因此使得爆炸冲击波持续时间较长。对比不同装药爆炸冲击波正压持续时间，如图5所示，可以看出温压炸药在不同测点的冲击波正压持续时间都比TNT要长。

将以上3种正超压曲线对时间进行积分，得到正压区比冲量值，见表1。

图5 不同装药爆炸冲击波正压持续时间对比Fig.5 The lasting time contrast of shock wave positive pressure from different explosives

表1 正压区比冲量值Tab.1 Impulse value of positive pressure

对比能判读的数据，发现随着测点距离的增大，3种装药爆炸冲击波比冲量值也都增大，并且从13.0m测点处往后，冲击波超压峰值基本不变，但其正压持续时间不断增大，说明在一定远距离处传播的冲击波其杀伤能力越来越强。WY-2装药的爆炸冲击波杀伤能力最强。

2.3 结果分析

冲击波超压对人员的损伤阈值[5]如表2所示。

表2 冲击波超压对人员的损伤Tab.2 The damage to people from shock wave over-pressure

测试结果说明坑道中装药爆炸对人员的杀伤能力比无限空气中更强，在33.0m甚至更远的距离处人员依然能受到极严重的损伤。普通装药的爆炸火焰以及温压炸药的后燃烧效应对坑道中人员和仪器的热毁伤作用有待进一步研究。

3 结论

（1）爆炸初始冲击波在坑道壁面上发生多次反射，到一定远的距离处，逐渐形成稳定的平面波在坑道内传播，并且在一定距离内其比冲量越来越大，杀伤能力越来越强。

（2）坑道中装药种类对近场的爆炸冲击波峰值超压影响较大，对足够远处的影响较小。

（3）温压炸药的特性决定了它在不同测点的冲击波正压持续时间都比TNT要长。

[1] 李秀地,郑颖人,等.长坑道中化爆冲击波压力传播规律的数值模拟[J].爆破器材,2005,34(5):4-7.

[2] 穆朝民,任辉启,等.爆炸冲击波在复杂坑道内传播规律的数值研究[J].爆破器材,2008,37(5):1-4.

[3] Ann-Sofie L.E.Forsberg. Blast waves-unnecessary expense or vital components in structure hardening[C]//Proceeding of the 9th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Mclean Virgina:1999.

[4] H.J.Hader. Design and application of reinforced concretearmoured doors[C]// Proceeding of the 2th Symposium on the Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.Panama City Beach:1985.

[5] 隋树元,王树山.终点效应学[M].北京:国防工业出版社, 2000.

[6] 严家佳.温压炸药爆炸后燃烧过程的观察[D].西安:西安近代化学研究所,2009.