CN103645293B - 一种测试炸药爆炸接触面作用压力方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试炸药爆炸接触面压力的方法。这种方法解决了测试高温高压(几十个吉帕)下炸药爆炸压力的难题，此爆炸接触面压力包括炸药爆轰成长及衰减过程压力对接触面产生压力的变化。为了实现炸药爆炸接触面压力的测定，本发明运用动量守恒，高等数学微积分关系及数值分析的方法实现测定爆炸压力的理论推导。

Description

一种测试炸药爆炸接触面作用压力方法

技术领域

本发明涉及一种测试炸药爆炸接触面作用压力方法，尤其在现阶段高温高压直接测试比较困难的情况下，实现高压的测试。

背景技术

目前，测试压力的方法虽然很多，但针对炸药爆炸与接触物体压力的直接测试方法尚无人提出，炸药爆炸过程高速高温高压，如PETN和RDX单质炸药根据炸药密度不同的爆轰压力可以达到30～50GPa，爆温可以达到4000K。工业常用炸药爆轰压力一般小于以上单质炸药，但也达到几十吉帕的数量级，而高密度高威力军用炸药爆轰压力一般更高。在这样高温高压的条件下，目前尚没有一种满足条件的传感器能直接测出爆轰压力。而炸药爆炸与密度大于炸药的物体接触产生的作用压力大于爆轰压力。现阶段研究者通过在炸药爆炸不同距离处测试冲击波压力，再通过冲击波在空气中的衰减规律预估爆轰压力，但由于爆轰过程复杂且爆轰高能量密度物质特性参数不一定符合空气中冲击波的衰减规律，且冲击波在空气中的衰减规律本身不是太完善，所以预估爆轰压力的方法存在一定误差，从而进一步利用利用爆轰压力、二倍定律和声学相似计算爆炸作用压力也会存在一定误差。目前针对炸药的爆轰压力测试研究者提出了较多方法，除上文提到的方法外还包括自由表面速度法、水箱法、电磁法和锰铜压阻法，但均未给出一种准确测量爆炸作用压力的方法。

201110116907.0给出了一种高能内爆炸药爆轰性能测试的方法，该方法是在一个密保的爆炸容器的器壁上设有压力传感器，实际测得的压力为爆轰产物扩散后的压力，这可以作为评估炸药性能的一个依据，但没有测出炸药爆炸作用压力。

201210400836.1给出了一种高温高压爆炸极限测试仪，测定爆炸极限的方法及应用，此发明只限于测试气体的爆炸测试且最高温度400℃，压力最高2.2MPa，很明显达不到测试炸药爆炸的条件。

201210369067.3给出一种多功能细水雾抑制可燃气体爆炸测试系统及测试方法，也涉及一种压力测试，但实现不了炸药爆炸的测试条件。

西北核技术研究所的顾平安、卫海鹰和肖昌炎，对FAE云雾爆轰冲击波压力测试技术的研究，也提出了一种利用传感器测试一定距离处爆轰冲击波的压力，但也是受限于传感器的性能，没有提出直接测试炸药爆炸接触面上的作用压力的方法。

中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室的赵继波、谭多望、李金河等人对柱形装药水中爆炸近场径向压力进行过研究，提出利用高速扫描相机记录冲击波速度方法和Rankine-Hugoniot关系计算近场冲击波压力的方法，但此方法只是近场冲击波的测试。

发明内容

为了达到测试炸药爆炸接触面作用压力的目的，本发明提供一种新的测试方法。该方法能够实现高温下测试高压(几十吉帕)的目的，还能测试出炸药由未反应到达到爆轰整个过程接触面的作用压力变化。该方法的实现，对研究炸药爆轰机理及评估炸药性能提供了依据，可以作为评估炸药性能的一种重要指标，为研究炸药性能提供实验依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用动量守恒定律，设计一个与炸药接触的质量可调的抛掷柱形刚体，利用数据采集系统收集炸药爆炸过程抛掷柱体的运动情况，利用设计的数据分析系统处理数据，最后的得出炸药爆炸过程接触面作用压力与时间的关系，爆炸接触面作用压力与时间关系。

利用动量守恒测试的基本原理：

Ft＝mv＝I    (1)

∫(P(t)S-mg)dt＝Δ(mv)＝mv   (2)

式(2)中：P(t)为t时刻爆炸接触面作用压力，S为实验药柱与抛掷柱形刚体的接触面积，mg为抛掷柱形刚体的重力，v为抛掷柱形刚体的速度。

对(2)式变换得出

mv'_t+mg＝P(t)S   (3)

式中：v'_t为加速度，可用数据采集系统和数据分析系统得到。

v'_t的求解方法：利用高速摄像仪收集下文设计的抛掷柱形刚体的高度H与时间T的数据，再利用数据分析系统可拟合出H与T的关系，关系方程如下

H＝A₁+A₂T+A₃T²+A₄T³+…+A_N+1T^N   (4)

式中A₁、A₂、A₃、A₄…A_N+1等为待定系数，对(4)式二次求导即可得出v'_t。

根据(3)式，在确定某时刻加速度的情况下，很容易计算出此时刻对应的压力，所以可以求出从抛掷柱形刚体开始运动到爆炸压力达到爆轰压力，再到炸药爆轰压力衰减整个过程的爆炸接触面作用压力。所以利用以上原理可以确定最大爆炸作用压力和爆轰部分成长及衰减过程爆炸作用压力。

为了实现以上过程本发明设计包括以下部分：爆炸容器、抛掷柱形刚体、高速摄像仪、真空泵、安全阀、抛掷柱形刚体的容器、引爆装置和钢尺。

爆炸容器选用牌号为HT350的灰铸铁作为爆炸容器材料，HT350型灰铸铁抗拉强度为350GPa，弹性模量为130～160MPa，抗压强度为1100～1300MPa，抗剪强度为350～500MPa。由厚壁筒受内压时的强度条件(开口圆筒)第三强度理论和炸药爆炸作用在容器上的压力超压峰值验算设计爆炸容器尺寸，可得炸药装药直径为38mm，设计外径350mm，内径120mm的爆炸容器可以满足一次起爆药量为0.10kgTNT当量的要求，炸药装药直径为38mm，0.10kgTNT当量炸药爆炸作用在器壁上的压力为342.3MPa。爆炸容器最终尺寸范围为外径350～450mm，内径120～150mm，高为400mm。爆炸容器内设计一种支架用来安装炸药。

抛掷柱形刚体采用选用牌号为HT350的灰铸铁，抛掷柱形刚体是质量可调节的结构。结构主要包括基座和质量调节片。其中基座重量为50kg，每个调节片重量为20kg。抛掷柱形刚体的尺寸为直径为500mm的柱体结构，按照图4和图5的设计，可以增加或者减少调节片个数调节抛掷柱形刚体的质量。抛掷柱形刚体的质量范围为50～170kg。

高速摄像仪选型，由爆炸冲击波正压作用时间为毫秒数量级，负压和峰值上升时间为几十微秒，确定选择每秒拍摄张数为10⁶或10⁷张的摄像仪。

数据分析系统采用自编程序的软件系统，现阶段用于实验数据分析的软件很多，也可选用其他软件系统。

真空泵可选择普通工业用真空泵。

安全阀有两种主要作用。一、保证真空泵不受爆炸冲击波损伤。二、真空泵停止工作时隔绝空气与抛掷柱形刚体容器内部真空的联系。

抛掷柱形刚体的容器设计为长方形容器，其中一面为观测面，观测面由高强度透明塑钢构成，其它面为铸铁构成，飞行容器内置缓冲材料即安全挡板，由于炸药爆炸过后，真空抛掷柱形刚体的容器与空气相通且传入容器内的主要为垂直方向上的冲击波，炸药爆炸不会对抛掷柱形刚体容器产生太大压力。抛掷柱形刚体容器各铸铁面采用厚度为10mmHT150铸铁，高强度透明塑钢采用厚度为20mm塑钢，容器高度为2m，底面为长宽均为1m的正方形。

引爆装置采用工业常用8#瞬发雷管和MFB-200发爆器，雷管连接炸药置于爆炸容器内，再连接发爆器。标尺采用最小刻度为0.5mm，长度1.5m的两条钢尺，两天标尺分别竖直安装在高强度透明塑钢器壁的两侧，供参考抛掷柱形刚体高度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1爆炸容器主视图

图2爆炸容器左视图

图3爆炸容器俯视图(图3中标注1为爆炸容器，标注2为安放炸药支架)

图4抛掷柱体基座主视图和左视图

图5抛掷柱体基座俯视图

图6抛掷柱体重量调节片主视图和左视图

图7抛掷柱体重量调节片俯视图

图8测试系统的示意图(图8中标注1为爆炸容器，标注3为安全阀，标注4为安全挡板，防止冲击波对高强度塑钢面产生过大冲击，标注5为抛掷柱形刚体容器的高强度塑钢面，此面两侧竖直安放测高标尺，标注6为抛掷柱形刚体，标注7为高速摄像仪，标注8为真空泵，标注9为数据分析系统)

具体实施方式

如图8建立实验测试系统，首先将待测100g炸药与雷管连接完毕，安放于爆炸容器(图8中的标注1)内，使底面直径为38mm的药柱与抛掷柱形刚体(图8中的标注6)紧密相贴，打开安全阀(图8中的标注3)，启动真空泵(图8中的标注8)，待真空泵仪表显示真空状态时先关闭安全阀再关闭真空泵，打开并调试高速摄像仪(图8中标注7)，待高速摄像仪正常工作后，启动摄像状态，准备就绪后，利用发爆器引爆连接待测炸药的雷管，炸药引爆后抛掷柱形刚体会被抛掷在竖直方向上运动，标尺可显示抛掷柱形刚体的运动高度H，利用高速摄像仪拍摄的对应时刻运动图像即某时刻抛掷柱形刚体对应在标尺上的尺寸高度，利用自编程序拟合各个时刻的时间与高度关系，得到(4)式对应各个待定系数，联立(3)式和(4)式，即可得到各时刻的爆炸接触面作用压力值，当然包括爆炸接触面压力的最大值。

Claims (1)

1.一种测试炸药爆炸接触面压力的方法，其中设计的测试装置包括爆炸容器、抛掷柱形刚体、高速摄像仪、数据分析系统、真空泵、安全阀、抛掷柱形刚体的容器、引爆装置和标尺；其中爆炸容器特征为：外径350～450mm，内径120～150mm，高为400mm的HT350灰铸铁铸造的圆筒容器；抛掷柱形刚体特征为：基座重量为50kg，每个调节片重量为20kg，质量范围为50～170kg的HT350灰铸铁铸造的圆柱体；高速摄像仪特征为：每秒拍摄张数为10⁶或10⁷的摄像仪；数据分析系统特征为：自编程序的数值拟合系统；抛掷柱形刚体的容器特征为：竖直一侧为观察面，观察面为20mm厚高强度透明塑钢，其余各面为铸铁面，铸铁面采用厚度为10mmHT150铸铁，容器为长方体，容器高度为2m，底面为长宽均为1m的正方形；引爆装置特征为：工业8#瞬发雷管和MFB-200发爆器；标尺特征为：最小刻度为0.5mm，长度1.5m的两条钢尺，两条标尺分别竖直安装在高强度透明塑钢器壁的两侧；其测试方法的特征为利用动量守恒，高等数学微积分关系及数值分析的方法实现测定炸药爆炸接触面高压，测试方法的理论推导过程如下，

利用动量守恒测试的基本原理：

Ft＝mv＝I           (1)

∫(P(t)S-mg)dt＝Δ(mv)＝mv    (2)

式(2)中：P(t)为t时刻爆炸接触面作用压力，S为实验药柱与抛掷柱形刚体的接触面积，mg为抛掷柱形刚体的重力，v为抛掷柱形刚体的速度；对(2)式变换得出

mv′_t+mg＝P(t)S         (3)

式中：v′_t为加速度，可用数据采集系统和数据分析系统得到；

v′_t的求解方法：利用高速摄像仪收集抛掷柱形刚体的高度H与时间T的数据，再利用数据分析系统拟合出H与T的关系，关系方程如下:

H＝A₁+A₂T+A₃T²+A₄T³+…+A_N+1T^N    (4)

式中A₁、A₂、A₃、A₄…A_N+1为待定系数，对(4)式二次求导即可得出v′_t；

根据(3)式，在确定某时刻加速度的情况下，计算出此时刻对应的压力，从而求出炸药爆炸接触面作用压力随时间的变化过程。