CN211740466U

CN211740466U - 用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置

Info

Publication number: CN211740466U
Application number: CN202020016619.2U
Authority: CN
Inventors: 胡晶; 陈祖煜; 王思; 张雪东; 魏迎奇; 梁建辉; 张紫涛; 宋献慧; 吴俊鸣
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2030-01-03

Abstract

本实用新型提供用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置。该装置包括具有能够容纳水、爆炸装置及传感器的模型箱、吊篮和离心机；离心机设计为使模型箱进行离心运动，吊篮设计为能够使模型箱安装于离心机，从而使模型箱进行旋转运动，模型箱内布置水压力传感器，外侧布置高速摄像装置。利用本实用新型的装置可以方便地确定爆炸物品的冲击波能和气泡能，从而确定爆炸物品的相对能量，在离心环境下进行水下爆炸试验，边界效应影响小，精度高，测试效果好，使用炸药量少，相对安全。

Description

用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置

技术领域

本实用新型涉及炸药相对能量的测定技术，尤其涉及一种用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置。

背景技术

炸药相对能量的测定在诸多工程实践中都有应用，在矿山开采、围堰拆除、隧道施工等工程中往往需要进行爆破作业，爆破设计计算需要知道各种爆炸物品的作用威力，从而对爆破效果进行精准控制，既需要避免威力过小导致重复爆破，也需要防止爆炸威力过大引起塌方等事故；恐怖袭击、油气爆炸或化工品爆炸等事故也常常需要确定其当量，用于灾后损失评估和责任认定；随着国防事业的发展，为了实现精确打击，国家开展高能材料的研制，新武器威力的确定都需要详细了解其相对能量的大小，以便于制定相适应的战略、战术。

TNT当量是评估炸药等含能材料相对能量的常用指标，目前确定炸药相对能量的方法有：爆坑法、空爆法和水下爆炸法等。

(1)爆坑法

当爆炸物于地下或近地面爆炸时，通常会产生成坑效应，在地表形成爆坑，通过测量弹坑尺寸即可计算爆炸当量。对于管道、化工厂发生事故性爆炸或进行核武器试验，通常难以在现场布置传感器测试爆炸的威力，爆坑尺寸就成为评估爆炸威力最直观和有效的数据，因而适用于评估生产事故、恐怖袭击等突发性爆炸的威力。

然而，由于爆炸事故、恐怖袭击现场环境相当复杂，使得爆源初始位置等原始数据的收集相当困难。如炸药埋深以及布置位置的不同，炸药能量转化为爆坑的效率并不一致。此外，对于不同的岩土材料，爆坑公式的经验系数需要重新滤定，采用小当量炸药滤定的结果通常难以直接推广至大当量炸药。因而爆坑法通常只适用于粗略估计灾害事故以及核爆炸的当量。

(2)空爆方法

当炸药远离结构或地面，在空气中爆炸，由于空气的压缩性，爆炸会形成球面的冲击波向四周传播。通过测量不同距离冲击波的波形，即可获得冲击波能量衰减规律，可以反推炸药的冲击波能量，根据能量转化效率即可得出炸药当量。

然而，空爆法只考虑了冲击波能，忽略了爆炸产生的高压气体所具有的势能，这一部分能量约占爆炸总能量的一半，忽略气体势能会使炸药当量测定结果偏小。对于不同形式的炸药，冲击波能量占比并不一致，单纯采用能量转化率进行修正，精度并不能保证。

(3)水下爆炸法

当炸药于水下爆炸，炸药爆炸释放的能量在水中包括为冲击波能和气泡能两部分。与空爆法类似，测量不同距离冲击波的波形，即可计算出炸药具有的冲击波能。通过测定气泡脉动周期及半径，即可计算出气泡能。通常认为初始冲击波能与气泡能之和即为炸药水中爆炸的总能量。因而，可以在水池、爆炸水塔中测试水下爆炸能量。

然而对于地面试验，Mach数与Froude数无法同时满足相似，无法满足气泡能相似，小当量水下爆炸试验测得的气泡能无法直接推广到大当量炸药。当试验所用药量较大时，结果才具有一定的相似性，这无形中增加了试验的风险和成本。此外，由于炸药当量较大，试验受边界效应影响较大，根据《GJB 7692-2012炸药爆炸相对能量评估方法-水中爆炸法》建议当采用1.0kg炸药试验时，水域需大于9.5m，深度应大于12.6m；当采用5.0kg炸药试验时，水域需大于16.2m，深度应大于21.6m。这无疑增加了试验的难度。此外，水池中也难以拍摄气泡脉动过程，只能通过压力波测得的脉动周期计算气泡能。

实用新型内容

为解决现有技术中的至少部分技术问题，本实用新型提供一种用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置。具体地，本实用新型包括以下内容。

一种用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其包括具有能够容纳水、爆炸装置及传感器的模型箱、吊篮和离心机；所述离心机设计为使所述模型箱进行离心运动，所述吊篮设计为能够使所述模型箱安装于所述离心机，从而使所述模型箱进行旋转运动。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述装置进一步包括传感器、传感器支架和传感器安装杆，其中所述传感器支架以能够与水面基本平行的方式设置于所述模型箱上方，所述传感器安装杆以与所述传感器支架基本垂直且沿水的深度方向延伸的方式设置于所述模型箱内，所述传感器设置于所述传感器安装杆，传感器安装杆、传感器支架均刻有刻度，便于传感器精确定位。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述模型箱为长方体型，所述传感器支架为由四条支架组成的米字型，且所述四条支架由米字型中间部固定成整体，且各支架的两端分别固定于所述模型箱的上部。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述模型箱由钢材和玻璃组成，且包括第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和底面，且第一侧面与第三侧面相对设置，第二侧面与第四侧面相对设置，在第一侧面设置第一玻璃观察窗，在第三侧面设置第二玻璃观察窗。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述装置进一步包括摄像装置，所述摄像装置设置为能够随模型箱同步旋转，且能够通过所述第一玻璃观察窗拍摄所述模型箱内的变化情况。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述装置进一步包括光源，所述光源设置于所述第二玻璃观察窗的外侧，照亮模型的背景。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述传感器安装杆为多个，各所述传感器安装杆的一端以基本垂直的方式安装于所述传感器支架的同一侧，在所述传感器支架的另一端安装传感器。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述传感器安装杆通过卡扣结构安装于米字型支架的各支架的规定位置。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，所述米字型中间部的下方设置炸药吊装线。

根据本实用新型的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，在所述炸药吊装线的末端吊装炸药。

本实用新型的模型箱能够安装于离心机中并进行回转转动，使得离心模型试验设备内的能够模拟超重力场，实现Mach数与Froude数同时相似，从而同时满足水下爆炸冲击波和气泡脉动相似，在离心模型试验中，采用少量 (几克)的炸药即可模拟地面成吨炸药的爆炸威力和效果，根据爆炸相似率， 1克炸药在100g离心加速度下可以模拟1吨炸药的爆炸威力。此外，在超重力场下，爆炸能量得到有效约束，在有限空间的试验结果即可模拟与原型相一致的水下爆炸作用。因而，在离心环境下测定炸药相对能量具有经济、安全、可重复等优点。

由于额外的超重力场，地面水中爆炸试验、测试方法均不适合于离心机模型试验，离心试验模拟的原型质量、所得的冲击波及气泡脉动结果，均需要采用专门的方法计算，与地面模型试验存在差异，而目前有关离心模型试验方法主要关注测试、控制及起爆设备等问题，不包含针对炸药相对能量的试验方法和装置，因而有必要提出测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置。

本实用新型的模型箱尺寸根据离心模型试验台尺寸确定，在空间允许的条件下，模型箱应尽可能的大，在离心机负载允许的条件下，模型箱内应尽可能多注水。所述模型箱中设置有带可调式传感器安装装置，所述传感器安装装置设置有传感器支架和若干根平行设置的传感器安装杆，为了避免传感器相互干扰并考虑到试验模型箱尺寸的限制，所述传感器支架为刻有到中心距离刻度的米字形支架，其在各个方向均带有与传感器安装杆相匹配的方形槽，且所述传感器安装杆通过上端与下端卡扣固定在所述传感器支架上，另外，米字形支架还可以有效约束箱体变形，增加模型箱抗冲击能力。

通过本实用新型可以方便地确定爆炸物品的冲击波能和气泡能，从而确定爆炸物品的相对能量，在离心环境下进行水下爆炸试验，边界效应影响小，精度高，测试效果好，使用炸药量少，相对安全。

附图说明

图1示出本实用新型一种示例性离心模型试验装置的离心机剖视图。

图2示出本实用新型一种示例性离心模型试验装置的模型箱的剖视图。

图3示出本实用新型的一种示例性离心模型试验装置的模型箱俯视图。

附图标记说明：

模型箱100、第一侧面111、第二侧面112、第三侧面113、第四侧面114、底面115、第一有机玻璃观察窗1111、第二有机玻璃观察窗1131、米字型支架120、第一支架121、第二支架122、第三支架123、第四支架124、中间部 125、传感器安装杆130、卡扣131、爆炸水压力传感器140、炸药支架132、高速摄像机150、恒定光源160。

具体实施方式

现详细说明本实用新型的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本实用新型的限制，而应理解为是对本实用新型的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本实用新型中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本实用新型。除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本实用新型所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。

本实用新型适用于进行水下爆炸法测定爆炸物相对能量的物理模拟。以下，为了便于理解本实用新型的技术主旨，将结合测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验法的物理模拟试验来进行说明。另外，在以下说明中，使用了术语“离心力”。但是从物理学角度来讲，该术语的正确表述应为“向心力”。出于遵照本领域的习惯用法的考虑，并且“离心力”这一术语对于本领域技术人员不会造成任何误解，在本实施方式的说明中使用了“离心力”。

实施例1

本实施例为本实用新型的一种示例性离心模型试验装置。其包括模型箱、吊篮和离心机，图1为一种示例性离心模型试验装置的离心机剖面示意图。如图中所示，本实施例中的模型箱100通过吊篮安装于离心机的一侧，配重安装与其对应的另一侧的吊篮内，从而由离心机带动模型箱围绕离心机的主轴旋转运动。离心机和吊篮可使用已知的产品，其中，离心机进一步包括光电滑环和采集控制系统，采集控制系统包括爆破控制装置、高速同步数据采集和信号调理器，光电滑环为光纤数据传输装置，用于采集数据的传输。本实用新型离心机中的光电滑环和采集控制系统为已知的产品，在此不再赘述，下面详细说明本实用新型的模型箱结构。

图2为示出离心模型试验装置的模型箱的剖视图。图3示出模型箱结构的俯视图。如图2和图3所示，本实施例的模型箱100为长方体形结构，其可由铝合金板拼接而成。模型箱100包括第一侧面111、第二侧面112、第三侧面 113和第四侧面114，以及一个底面115。其中，第一侧面111与第三侧面113 相对设置，第二侧面112与第四侧面114相对设置。在第一侧面111设置第一有机玻璃观察窗1111，在第三侧面113设置第二有机玻璃观察窗1131用于观察模型箱内部的情况。

在模型箱100的上方固定有米字型支架120，其包括第一支架121、第二支架122、第三支架123和第四支架124，四个支架以“米”字型在中间部125 固定成型整体结构。第一支架121的一端固定于第一侧面111和第四侧面114 交汇处的上方，第一支架121的另一端固定于第二侧面112和第三侧面113交汇处的上方。第二支架122的一端固定于第一侧面111上方的中间部，第二支架122的另一端固定于第三侧面113上方的中间部。第三支架123的一端固定于第一侧面111和第二侧面112交汇处的上方，第三支架123的另一端固定于第三侧面113和第四侧面114交汇处的上方。第四支架124的一端固定于第二侧面上方的中间部，第四支架124的另一端固定于第四侧面上方的中间部。米字型支架120的上述结构能够使支架紧固在模型箱100的侧壁，从而起到约束模型箱100变形，增强模型箱耐冲击能力，以及固定传感器安装杆的作用。同时，米字型结构还有利于避免安装的多个传感器之间的相互干扰。另外，在米字型支架120的各支架上刻有到中心距离的刻度，各个方向均为方形槽，用于固定传感器安装杆130，便于准确确定传感器位置。

在一种示例性实施方案中，米字型支架120由4cm*6cm截面长方体钢架组成。钢架中间开2cm宽的通槽用于固定传感器，通槽边标有刻度，用于确定传感器位置，米字型支架120和模型箱的连接方式选择螺母固定，传感器安装杆采用螺母固定，找准刻度定位然后将上下螺母拧紧即可，米字型支架 120中心挂炸药，每一格刻度为1mm。

本实施例的模型箱100设置多个传感器安装杆130，这些传感器安装杆 130以垂直方式设置米字型传感器支架120的同一侧。传感器安装杆130采用螺纹杆，通过螺母和卡扣131紧固在传感器支架120上。本实施例的传感器采用爆炸水压力传感器140，其为本领域已知的产品，可通过市场自由获取。爆炸水压力传感器140的数量不特别限定，可以是2个以上，例如，5个以上。爆炸水压力传感器140可通过例如防水胶带固定至安装杆130的下方末端。

需要说明的是，传感器的安装位置不特别限定，但是传感器130距边界的距离一般小于1/3的半边长。传感器可经线缆经传感器安装杆130向上并连接至数采设备(未示出)。传感器安装后使传感器的敏感面朝向炸药中心，便于测试。传感器安装杆130采用标准长度，便于与上部螺纹杆刻度统一，并方便调整传感器高度，使之与炸药处于同一水平面，使测试敏感面朝向爆源。

本实施例中，炸药吊于模型箱100的内部，其宜布置在模型100的中心从而减小边界效应。炸药吊装于安装孔内，雷管固定线穿过安装孔，吊装至设计水平面，通常炸药中心处于一半水深位置，以减小底部和自由液面的边界效应。

如图3所示，在第一有机玻璃观察窗1111的外侧设置高速摄像机150，其设置为能够随模型箱100进行同步旋转。高速摄像机150可固定于用于安装模型箱100的吊篮(未示出)上。本领域已知，高速摄像机150也可固定于模型箱 100的第一有机玻璃观察窗1111的外侧。在第二有机玻璃观察窗侧设置恒定光源160。恒定光源布置于第二侧面112的外侧，可预先在地面进行调试，选择合适的光源功率和灯光数量。

实施例2

本实施例为实施例1的装置的使用例。

(1)模型箱的尺寸设计

根据离心机吊篮尺寸、设计模型箱尺寸；根据离心机允许负重，确定试验蓄水高度H，水深d＝H/2。

(2)确定模型加速度n

考虑模型箱和离心机抗爆能力，根据模拟炸药原型质量W_p、离心机及模型箱允许最大药量[W_m]，其中，

由于测试爆炸物性质不明，可先将爆炸物品实际质量作为TNT当量预估计算W_p，也可以先开展地面试验，根据预试验结果进行调整修正，再开展精细试验。为满足边界效应，离心加速度还应满足，

通常，由最小加速度向上取10的倍数，得到试验离心加速度n，H表示模型箱的深度，d表示炸药入水深度，l_min表示模型箱短边的边长。

(3)确定试验炸药当量

根据下式计算确定模型试验实际炸药当量：

W_m＝W_p/n³

(4)制作爆炸装置

采用球型炸药，使用导爆索中心起爆，导爆索采用微型电雷管起爆，粘结牢固，采用保鲜膜包裹并热缩牢固进行防水处理；条件允许，也可以采用相同质量的TNT制作完全相同的药球作为参照(标准)炸药。本实施例中使用球型炸药，但需要说明的是，本领域技术人员可以理解自由使用其他类型的炸药，而不影响本实用新型的实现。

(5)安装试验设备

通常测试5-8个不同距离的冲击波压力，如布置高速摄像，镜头与炸药连线之间应避免布置传感器，为避免影响气泡脉动，传感器与爆源距离应大于最大气泡脉动半径R_bm，

式中，d为炸药入水深度。压力传感器量程不应小于：

式中，R为炸药距传感器实际距离，对于高能炸药，压力传感器量程应进一步增加。

高速摄像固定玻璃窗外，调节高度和左右位置，使爆源处于镜头的正中心，恒定光源布置于对侧的模型箱外，可预先在地面进行调试，选择合适的光源功率和灯光数量。高速摄像频率f应满足每个周期至少20幅图片，则摄像频率不应小于：

试验之前，宜采用标尺在模型箱中以标定高速摄像拍摄图幅，图幅宽度 l_p宜大于2倍的最大气泡半径；

高速摄像记录时间T不应小于10倍的气泡周期T_b，并设置一定的负延迟防止出现突发状况。

以炸药起爆、气泡膨胀、收缩至最小体积为1个气泡脉动周期。若无高速摄像条件，可将气泡脉动压力峰值与冲击波峰值的时间间隔定为气泡脉动周期，为提高精度，可取各个传感器所得值的平均值。

(6)运转设备开始试验

设备安装完成后，进行配重，准备完毕后，运行离心机，开始试验，使模型达到设计的加速度值。

(7)数据处理分析

首先，计算各个测点冲击波时间常数θ，对应于冲击波压力衰减至p_m/e 的时间，p_m为压力峰值，e≈2.718为自然常数。根据高速摄像及压力波测试结果，计算气泡脉动周期T_b。

(8)计算冲击波能与气泡能，并得到总的爆炸能量。

根据不同位置测得的冲击波曲线，计算各个测点的冲击波能流密度e_s值：

式中，p(t)为冲击波时程曲线，ρ_w为水的密度，为1000kg/m³；c_w为水的声速，约为1498m/s。由不同测点的e_s值，绘制

曲线，试验点可以采用幂函数拟合，得到以下公式，

式中，R为传感器距炸药的距离，K_E与α_E为曲线系数，炸药冲击波能可由炸药半径处的能量密度及等效球面积计算得出。

其中，R为传感器距炸药的距离，α_e为等效炸药半径。对于球形装药，α_e为炸药半径；对于柱状装药，α_e可根据体积等效计算。气泡能可根据气泡脉动周期得出：

式中，p₀为大气压强，约101.3kPa，ρ_w为水的密度，为1000kg/m³；n 表示离心加速度，g＝9.8m/s²，为地面重力加速度；d为炸药入水深度；T_b为测得的气泡脉动周期。为了提高精度，可在不同重力加速度或水深下开展试验，得出水下爆炸半径与等效水头的关系，则

其中，K_T为

曲线的斜率。

冲击波能与气泡能量之和即为炸药的能量。

(9)采用同样规格的TNT开展试验，基于上述步骤4～7计算TNT爆炸能量，如无TNT药球，可采用经验方法确定，其中参数为K_T＝2.11，K_E＝83，α_E＝2.05。

(10)经验参数或上述(9)同样规格的TNT炸药试验数据，计算相对能量。

尽管本实用新型已经参考示例性实施方案进行了描述，但应理解本实用新型不限于公开的示例性实施方案。在不背离本实用新型的范围或精神的情况下，可对本实用新型说明书的示例性实施方案做多种调整或变化。权利要求的范围应基于最宽的解释以涵盖所有修改和等同结构与功能。

Claims

1.一种用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，包括具有能够容纳水、爆炸装置及传感器的模型箱、吊篮和离心机；所述离心机设计为使所述模型箱进行离心运动，所述吊篮设计为能够使所述模型箱安装于所述离心机，从而使所述模型箱进行旋转运动。

2.根据权利要求1所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，其进一步包括传感器、传感器支架和传感器安装杆，其中所述传感器支架以能够与水面基本平行的方式设置于所述模型箱上方，所述传感器安装杆以与所述传感器支架基本垂直且沿水的深度方向延伸的方式设置于所述模型箱内，所述传感器设置于所述传感器安装杆，传感器安装杆、传感器支架均刻有刻度，便于传感器精确定位。

3.根据权利要求2所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，所述模型箱为长方体型，所述传感器支架为由四条支架组成的米字型，且所述四条支架由米字型中间部固定成整体，且各支架的两端分别固定于所述模型箱的上部。

4.根据权利要求3所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，所述模型箱由钢材和玻璃组成，且包括第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面和底面，且第一侧面与第三侧面相对设置，第二侧面与第四侧面相对设置，在第一侧面设置第一玻璃观察窗，在第三侧面设置第二玻璃观察窗。

5.根据权利要求4所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，其进一步包括摄像装置，所述摄像装置设置为能够随模型箱同步旋转，且能够通过所述第一玻璃观察窗拍摄所述模型箱内的变化情况。

6.根据权利要求5所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，其进一步包括光源，所述光源设置于所述第二玻璃观察窗的外侧，照亮模型的背景。

7.根据权利要求2所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，所述传感器安装杆为多个，各所述传感器安装杆的一端以基本垂直的方式安装于所述传感器支架的同一侧，在所述传感器支架的另一端安装传感器。

8.根据权利要求7所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，所述传感器安装杆通过卡扣结构安装于米字型支架的各支架的规定位置。

9.根据权利要求8所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，在所述米字型支架中间部的下方设置炸药吊装线。

10.根据权利要求9所述的用于测定炸药相对能量的水下爆炸离心试验装置，其特征在于，在炸药吊装线的末端吊装炸药。