炸药殉爆的连续压导速度探针判定方法

2019-05-05李科斌李晓杰王小红曹景祥闫鸿浩

火炸药学报 2019年2期

李科斌，李晓杰,2，王小红，曹景祥，闫鸿浩，陈翔

(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)

引言

殉爆距离是炸药的一项重要性能指标，它的大小反映了炸药在冲击波作用下引发爆轰的难易程度，对于炸药生产、运输、贮存以及使用过程中的安全管理具有重要意义。

国内外对于炸药殉爆进行了较多研究，日本学者从1951年便开展了高能炸药水下殉爆的研究[1]；美国原子能实验室在1958年对高爆速炸药殉爆过程中冲击波和弹片撞击起到的作用进行了分析[2]；1965年，美国矿务局进行了硝酸铵(AN)和铵油炸药(ANFO)的野外大药量殉爆试验[3]，单个装药质量达2.5t。我国对工业炸药殉爆距离的测量已制定了行业标准[4]，推荐使用沙地法和悬吊法进行测量。对于被发装药殉爆的判定，最简单且直接的方法是观察现场是否有残留药卷或飞散的炸药，这种方法至今仍是我国行业标准中的判定依据[5]；另一种较可靠的定性判断方法是在被发药柱尾部铺设一块金属见证板，通过见证板的变形或破坏程度判断炸药是否殉爆，见证板多为钢板、铅板或铝板。澳大利亚国防科学与技术组织[6]利用被发药柱外壳和见证板的变形及破坏程度来判定被发装药的反应情况，比较了传统PBX炸药中不同RDX粒度级别对殉爆反应的影响。北京理工大学[7]也进行了类似的实验，分析了GHL炸药(RDX/Al/Binder)的殉爆情况，并建立仿真模型对药壳的膨胀、破片的飞散以及被发药柱的殉爆进行了分析。Los Alamos国家实验的Allen等[8]则利用方形装药配合铅柱的变形来判断火箭推进剂的殉爆反应情况，同时建立了相关数值模型。通过高速相机记录药柱的爆轰过程是判定炸药是否发生殉爆更直观的方法，常用于高能炸药殉爆实验。日本学者Itoh等[9]和韩国学者Young-Hun Ko等[10]分别进行了水下装药的殉爆实验，前者通过高速相机和锰铜压阻片来分析B炸药的殉爆情况，后者则通过见证板判断RDX聚能装药的殉爆距离，同时给出了数值计算结果。

上述炸药殉爆的判定方法主要存在如下问题：(1)观察现场是否有残留炸药的方法在判定药量较大时效果较好，但不能判定被发装药的反应状态，无法分析炸药爆轰的发展情况，利用压力传感器进行殉爆判定时也存在该缺点[10]；(2)见证板在判断被发装药反应状态时能力有限，判定界限模糊；(3)使用高速相机时仪器设备昂贵，需做好严格的防护，操作繁杂，试验成本较高，且不适合野外大药量的测试。

为了解决上述问题，本研究研制了一种新型的压导式连续电阻丝探针，利用该探针对殉爆试验中主发装药和被发装药的爆速进行连续测量，可连续记录炸药中的爆轰波和空气中的强冲击波，从而定量判断炸药的殉爆情况，为炸药殉爆的判定分析提供一种新思路。

1 实验

1.1 连续压导探针工作原理

新型连续压导探针的结构如图1所示，其中心为一根直径0.5～1.0mm、螺距0.5～0.8mm的螺纹金属丝，可采用螺杆线、批花线、细钢丝绳、缠丝琴弦或按固定节距扭转的三角形至六角形麻花型金属丝；将直径为0.04～0.1mm、漆包层厚度约为0.016mm的漆包电阻丝对折后紧贴在金属丝表面，并用绝缘缠绕膜包覆，再用铜箔等作为屏蔽层，最后穿入直径相近的聚氯乙烯热缩套管中热缩后套紧固定。探针整体直径约为2mm，长度根据装药尺寸而定，一般在50～200cm之间。该探针在外界高压作用下，内部的金属螺纹将刺穿漆包层使电路导通，因此它除了可以用于爆轰波速度的测量外，也适合冲击波、高速碰撞等速度的测量。

图1 连续压导速度探针的结构Fig.1 The construction of continuous pressure-conducted velocity probe

基于连续压导探针测量炸药爆速的工作电路如图2所示，图中Rc为电缆电阻，R0为分压电阻，均为已知值。

图2 连续爆速的测试电路图Fig.2 Test circuit of continuous detonation velocity

连续压导探针沿炸药轴向布置，炸药起爆后，爆轰波沿炸药不断向前传播，压导探针在爆轰波高温高压作用下持续导通，联入电路的有效电阻R(t)则不断减小，示波器显示的端电压V(t)也随之减小，若电源提供的恒定电压V0、漆包线单位电阻r和探针的总电阻Ra均已知，则被爆轰波导通部分的探针长度可表示为：

(1)

式(1)表示爆轰波波阵面在任意时刻的位置，若对该式求时间的导数，即为炸药的爆速：

(2)

实际测试中，将图2虚线框内的元件组装成一个整体的测试仪器，即为连续电阻爆速仪。

需要说明的是，由于连续压导探针是在外部压力作用下利用螺纹金属丝的螺齿刺破漆包层来实现回路的“开关”作用，因此从严格意义上讲探针的电阻变化并不是连续的，而是受螺距、爆速等影响的阶梯变化，根据本研究探针的相关参数，可计算得到螺齿间电阻丝的阻值变化约为0.27Ω，其电压变化为2～8mV，然而由于连续电阻爆速仪受自身噪声信号的影响，其底噪信号电压幅度约为26mV，大于螺齿间的电压变化，螺齿之间的电压变化信号将被底噪信号所覆盖，因此实际实验条件下并不能显示出理想的阶梯变化信号，但由于螺齿间的电阻变化(约0.27Ω)远小于探针的总电阻(200～500Ω)，因此这里近似将探针的导通过程视为连续的电阻变化。

1.2 实验设计

1.2.1 样品及仪器

待测炸药采用RDX/ANFO混合装药，质量比分别为0/100%、15%/85%和50%/50%。

爆速仪采用自行研制的DVP-I型连续电阻爆速仪，其技术指标如表1所示。

表1 DVP-I型连续电阻爆速仪技术指标Table 1 Technical specifications of DVP-I VOD recorder

1.2.2 实验装置设计

利用连续电阻丝探针判定炸药殉爆的实验装置如图3所示，试验支架的安装与传统悬吊法[12-13]基本一致，药柱距离地面的高度应不小于800mm；连续电阻丝探针依次水平穿入主发装药和被发装药中心，探针头部距离主发装药起爆端不小于3倍药卷直径，探针尾部从被发装药尾部引出；将固定好探针的主发装药和被发装药整体置于半圆形管槽内，连续电阻丝探针的输出端通过同轴电缆与信号采集仪相连；之后调整药卷间距为L，并确保两药卷处于同一轴心且两者之间无杂物。

图3 连续压导速度探针的殉爆测量装置Fig.3 Test setup of sympathetic detonation using continuous velocity probe

1.2.3 实验过程

将雷管插入主发装药后与起爆线连接，开启信号采集仪，设置采样频率、采样长度、触发方式等试验参数；炸药被起爆后，通过信号采集仪获取连续电阻丝探针的电压信号曲线；利用式(1)将电压信号换算为爆轰波-冲击波的时程曲线后，通过比较爆轰波-冲击波行程与药卷和间隔的总长度判断被发装药是否殉爆，即若爆轰波-冲击波行程与主/被发药卷和空气间隔的总长度一致时，说明被发装药发生了殉爆，若行程小于总长度时则表示未殉爆。

2 结果与讨论

2.1 数据处理与殉爆的判定

图4为利用图3所示装置获得的3次不同组分装药试验的探针电压信号曲线，3次试验中主发装药和被发装药的装药尺寸相同，直径为32mm，长250mm，不同的是试验1使用RDX/ANFO(质量比为15%/85%)的混合装药，装药密度为0.82g/cm3，药卷间距L设定为20mm，而试验2和试验3均使用RDX/ANFO(质量比为50%/50%)的混合装药，密度为0.85～0.90g/cm3，药卷间距L分别为30mm和100mm。

图4 连续爆速仪记录的探针电压信号曲线Fig.4 Probe voltage signal curves recorded by the continuous VOD recorder

由图4可以看出，3次试验探针总长近似，3条曲线的初始电压相近(平行段)，当主发装药起爆后，爆轰波沿药卷传播，在某一时刻开始(约-0.06ms)作用于探针头部，在-0.025ms时刻左右，爆轰波到达主要装药末端，进入空气中形成爆炸冲击波，初始的强冲击波将继续导通探针，若空气间隔较短，药卷之间的探针均可被导通(试验1和试验2)，但若间隔过长，衰减至一定强度的冲击波将无法导通探针，出现信号振荡(试验3)。由于探针初始总长约870mm(电阻约300Ω)，其中有效部分长420～500mm，若被发装药发生殉爆，则爆炸发生后剩余的探针端电压应在3V左右(试验2和试验3)，但若被发装药未发生殉爆，则剩余部分探针长度约700mm，最终端电压约为4.5V(试验1)，因此，根据图4的实验结果，可初步判断试验1的被发装药未殉爆，而试验2和试验3则发生了殉爆。为了进一步分析爆轰波和冲击波的发展过程，利用式(1)将各试验的电压信号分别转化为爆轰波-冲击波阵面的时程曲线，如图5所示，对应了炸药殉爆判定中可能出现的3种结果。

图5 殉爆判定的3种时程曲线Fig.5 Three time-history curves for the lodgment of sympathetic detonation

图5(a)为试验1的爆轰波-冲击波时程曲线，主发装药的爆轰波首先导通探针(0～150mm)，随后爆轰波传播结束，进入空气中形成爆炸冲击波，由于空气间隔较小(20mm)，药卷之间的探针仍可以被冲击波压通(150～170mm)，但由于RDX含量较少，被发装药的感度较低，且冲击波强度也较小，因此被发装药中并未形成稳定的爆轰波，而是以炸药作为多孔介质的冲击波继续衰减至无法导通探针为止(170～205mm)。通过对主发装药稳定爆轰段进行线性拟合，可知主发装药爆速为3143.8m/s，连续电阻丝的最大导通长度约为205mm。从而可以得出结论：RDX/ANFO(质量比为15%/85%)的混合装药在间隔20mm时未发生殉爆。

图5(b)的爆轰波-冲击波行程对应图4中试验2的电压信号，连续电阻丝探针在主发装药、空气间隔、被发装药的长度分别为150、30和250mm，爆轰波在主发装药传播后，进入空气中形成冲击波并迅速衰减，但由于此时药卷间距较小，空气冲击波的强度仍可以压通探针，因此探针也完整地记录了冲击波的传播过程(150～180mm)，通过对该段曲线进行多项式拟合，得到冲击波速度在2237.4～3038.6m/s之间，随后在冲击波和爆轰产物的作用下，被发装药被起爆，逐渐发展成稳定的爆轰波并继续向前传播(180～430mm)，连续电阻丝探针的最大导通长度大于430mm，而通过对主发装药和被发装药的爆轰波进行线性拟合可得爆速分别为5074.1和4849.9m/s。据此可以判断，RDX/ANFO(质量比为50%/50%)的混合装药在间隔为30mm时发生了殉爆。

图5(c)为试验3的爆轰波-冲击波时程曲线，探针首先记录了主发装药的爆轰波传播(0～150mm)，随后进入空气中形成爆炸冲击波，起初的强冲击波仍可压通探针(150～170mm)，但由于药卷间隔较大(100mm)，衰减至一定程度的空气冲击波便无法压通探针，因此出现图中所示的断层(170～230mm)，而230～250mm部分的探针又重新被导通，这可能是空气冲击波在被发装药端面发生反射造成的；由于RDX感度较高，含有质量分数50%RDX的被发药卷在冲击波和爆轰产物作用下被起爆，探针继续被持续导通，并且没有明显的爆轰波发展过程，而是直接达到了稳定状态，连续电阻丝探针的最大导通长度大于430mm，主发药卷和被发药卷拟合后的爆速分别为5236.3和5235.1m/s。因此RDX/ANFO(质量比为50%/50%)的混合装药在间隔为100mm时仍发生了殉爆。

2.2 重复实验及殉爆距离的确定

为了确定炸药殉爆距离的具体值，需要进行大量的殉爆重复试验，由于ANFO的感度较低，首先对不同配比的RDX/ANFO混合装药(RDX质量分数分别为0、15%、50%)在20和30mm间隔下进行了两组试验，测试得到的电压信号经式(1)换算后的爆轰波-冲击波时程曲线如图6所示。

图6 不同ANFO/RDX配比下20和30mm间隔时的殉爆情况Fig.6 Sympathetic detonation results of the air gaps with 20 and 30mm under different ANFO/RDX ratios

图6中试验1与试验2对应的曲线即为图5(a)和(b)中的曲线，试验4和试验5为纯铵油炸药，探针在主发装药中的长度为170mm，拟合爆速分别为1848.2和1922.3m/s，曲线在170mm后迅速趋于水平，即30和20mm的空气间隔未能使被发装药殉爆；试验1和试验6为RDX/ANFO(质量比为15%/85%)的混合装药，探针在主发装药中的长度为150mm，拟合后的爆速分别为3348.1和3143.8m/s，同样，根据曲线的变化可判定30和20mm的空气间隔也不能使该比例下的被发装药发生殉爆；试验2和试验7为RDX/ANFO(质量比为50%/50%)的混合装药，探针在主发装药中的长度也是150mm，两次试验主发装药的爆速分别为4644.9 和5074.1m/s，与前两种情况不同，该混合比例下的两次试验被发装药均发生了殉爆，探针依次记录了主发装药中的爆轰波、空气中的冲击波以及被发装药的爆轰波，拟合后可知被发装药的爆速分别为4707.3和4849.9m/s。

为此，选用RDX/ANFO(质量比为50%/50%)混合装药作为测定殉爆距离的待测炸药，装药密度为0.85～0.90g/cm3，根据前述判定殉爆的方法，通过不断调整药卷间隔，进行了大量重复性试验，得到如表2所示的殉爆结果，并对主发装药和被发装药的爆速(分别为D1和D2)进行了拟合，表2中试验2和试验3对应的数据即为图5(a)和(b)中的数据。

由表2可知，RDX/ANFO(质量比为50%/50%)混合装药在密度0.85～0.90g/cm3下的殉爆距离为220mm，且殉爆后的被发装药爆速基本与主发装药一致，两者相差在0.02%～4.4%之间。此外，该装药条件下，压导探针所能记录空气冲击波的最大间隔为60mm，于是对于RDX/ANFO(质量比为15%/85%)混合装药，在L≥220mm时炸药不能殉爆，曲线同图5(a)，L≤60mm时，爆轰波-冲击波时程曲线为图5(b)类型，60mm≤L≤220mm时为图5(c)类型。