固态燃料小型FAE装置空中爆炸场效应分析

通过一次引爆固态复合粉尘燃料小型FAE装置与等质量TNT在自由空间的爆炸对比实验,获得了不同距离的峰值超压值,并运用粉尘爆炸下极限浓度对云雾爆轰区半径进行了估算。结果表明,固态燃料小型FAE装置空爆峰值超压分布规律不同于TNT,云雾爆轰区内的峰值超压不呈现单调减的特征,而是在有限范围内呈现波动趋势;云雾爆轰区外的峰值超压随距离增大迅速衰减,但固态燃料小型FAE装置的峰值超压大于相同距离处等质量的TNT。高速摄影观测结果显示,固态燃料小型FAE装置爆炸的化学反应持续时间大于等质量TNT。     

固态燃料空气炸药空爆实验研究

通过四组无约束固态燃料空气炸药(FAE)装置与等质量的TNT在野外开放空间的一次起爆对比实验,测得了不同配方组份FAE装置在不同距离的爆炸超压分布,FAE装置峰值超压比相同距离的TNT高1.14~1.6倍;并运用空气冲击波峰值超压公式计算出了FAE的等效爆炸TNT当量随距离的变化关系,在爆炸场边缘区,FAE装置爆炸当量达到了3.88倍TNT当量;通过高速摄影的图片得到了爆炸产生火球的持续时间和最大作用范围,与等质量TNT爆炸火球相比,FAE的优势明显;运用粉尘爆炸下极限浓度估算了云雾爆轰区半径,并分析了测量到的固态FAE爆炸场的压力分布单调衰减的原因;建议在保持超压不变的情况下,把提高爆温作为提高FAE爆炸性能的主要途径。     

FAE爆炸场超压与威力的实验研究

利用现场测试系统动态灵敏度标定技术,分别等精度测试了FAE和TNT爆炸场峰值超压。在此基础上获得了各自的爆炸波峰值超压随传播距离的拟合曲线和TNT当量比。结果表明:FAE爆炸场超压分布规律与TNT有显著区别,前者属于大体积云雾爆炸,爆炸场可划分为云雾爆轰区、云雾边缘区和冲击波作用区;在云雾爆轰区,超压平均值在2.6MPa左右,在小于2/3云雾半径的范围内比同质量的TNT低,在大于2/3的云雾半径范围则显著大于TNT;在冲击波作用区,环氧丙烷燃料的FAE爆炸超压约是TNT爆炸效果的5倍,超压均呈衰减趋势,但FAE衰减比TNT缓慢许多。     

低温和低压环境下炸药爆炸冲击波的传播特性

针对高海拔或高空的低温、低压环境对炸药爆炸冲击波传播的影响，利用量纲分析理论和AUTODYN有限元软件，研究了低温、低压及海拔高度对炸药爆炸冲击波参量（峰值超压、比冲量和波阵面运动轨迹）的影响规律，建立了相应的计算公式，并通过数值模拟和实验数据进行了对比验证。结果表明，该计算公式可以有效预测低温和低压环境下炸药爆炸冲击波参量。环境压力降低，爆炸冲击波峰值超压和爆炸远场（比例距离Z>0.2 m/kg1/3）比冲量减小，冲击波传播速度增大。环境温度降低，冲击波比冲量增大，传播速度降低，峰值超压影响不大。海拔高度在0～9 000 m范围内，每升高1 000 m冲击波峰值超压和爆炸远场比冲量分别平均降低约3.9%和3.2%。海拔升高，爆炸近场冲击波传播速度升高，爆炸远场冲击波传播速度则降低。高海拔环境下低压对冲击波峰值超压和比冲量的影响大于低温，爆炸近场冲击波传播速度取决于低压的影响，爆炸远场冲击波传播速度取决于低温的影响。     

温压炸药在野外近地空爆中的冲击波规律

为了研究温压炸药在敞开空间爆炸中冲击波的规律,选取典型温压炸药制成不同量级的裸药柱进行野外近地空爆实验,同时用TNT进行对比实验,获取温压炸药与TNT的冲击波参数并拟合得到相似律公式。结果表明,温压炸药的冲击波超压峰值在中远场略高于TNT;在相同对比距离处,温压炸药的比冲量明显高于TNT,在对比距离小于2 m/kg1/3的近场,温压炸药的比冲量达到TNT的2倍。引入超压-比冲量曲线描述冲击波特征,表明当超压峰值相同时,温压炸药比冲量更大, 超压峰值在20~50 kPa的中度以下毁伤范围时,温压炸药的比冲量比TNT高40%~60%,可产生更严重的毁伤效应。冲量是爆炸冲击波的重要毁伤元素,应建立与冲量有关的方法评价温压炸药的威力。     

一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径的研究

研究了氧平衡及爆炸下极限条件对燃料空气炸药（Fuel Air Explosive,FAE）云雾爆轰半径的影响。由固相FAE燃料的氧平衡及爆炸下极限条件,导出一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径计算公式,并从理论上给出了FAE云雾爆轰半径的范围。通过对FAE爆炸场超压的测量及对FAE爆炸过程高速摄像分幅照片的定量分析,得到一次引爆型固相FAE的云雾爆轰半径,并将其与计算的云雾爆轰半径进行了对比,计算的云雾爆轰半径与试验值是一致的。研究结果表明,FAE燃料负氧越多,对应的云雾爆轰半径值越大;燃料爆炸下极限值越小,对应的云雾爆轰半径值越大,且固相FAE的爆轰半径不超过爆炸下极限条件爆轰半径。FAE中的高效燃料可以通过氧平衡以及爆炸下极限条件来选择,以此提高FAE的功率。     

固、液相FAE一次引爆实验研究

基于离散爆轰思想,进行了小药量无约束空间固、液相燃料空气炸药(fuelairexplosive,简称FAE)弹体的野外一次引爆实验。实验结果表明,固、液相FAE弹体的爆炸效果均明显优于等质量的TNT装药;固相FAE弹体一次引爆后的云雾分散规律和爆炸压力场分布不同于液相FAE弹体。在本实验装置条件下,固相FAE弹体的远场超压增长峰值虽未超过等质量的液相FAE弹体,但其火焰持续时间却比等质量液相FAE弹体的长。若仅考察弹体云雾最大半径,固相FAE弹体并不比等质量的液相FAE弹体优越太多,但固相FAE弹体的爆炸作用体积增大较多。     

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程,模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中,对TNT炸药采用标准的JWL状态方程,对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算,考察了网格大小对结果收敛性的影响,分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

新型发射药爆炸TNT当量系数的实验研究

TNT当量系数是危险品工程抗爆设计和安全距离确定的重要依据。为确定H1和H2两种新型高能发射药的TNT当量系数,分别开展了10 kg TNT和新型发射药的空气自由场静爆实验。基于修正的当量系数计算方法和测量得到的不同爆心距离处冲击波超压时程曲线,确定了不同比例距离处两种高能发射药的超压和比冲量TNT当量系数。研究结果表明,发射药爆炸产生的冲击波传播规律与TNT炸药爆炸产生的冲击波传播规律相同,符合爆炸相似律,相同质量发射药爆炸产生的冲击波超压和比冲量都显著高于TNT的。随着比例距离的增大,H1的超压当量系数先增大后减小,最大值为1.34;H2的超压当量系数逐渐减小,最大值为1.26。两种新型发射药的比冲量TNT当量系数均随比例距离的增大先减小后增大,H2的比冲量TNT当量系数大于H1的,最大值为1.38。本文中修正的计算方法能更准确计算被试样品的TNT当量系数,实验结果可为提高抗爆结构安全性设计提供参考。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

Simplified modeling of blast waves from metalized heterogeneous explosives

The detonation of a metalized explosive generates a complex multiphase flow field. Modeling the subsequent propagation of the blast front requires a detailed knowledge of the metal particle dynamics and reaction rate. Given the uncertainties in modeling these phenomena, a much simpler, 1D compressible flow model is used to illustrate the general effects of secondary energy release due to particle reaction on the blast front properties. If the total energy release is held constant, the blast pressure and impulse are primarily dependent on the following parameters: the proportion of secondary energy released due to afterburning, the rate of energy release, the location the secondary energy release begins, and the range over which it occurs. Releasing the total energy over a longer time period in general reduces the peak blast overpressure at a given distance. However, secondary energy release reduces the rate of decay of the shock pressure, increases the local gas temperature and hence increases the velocity of the secondary shock front. As a result, for certain values of the above parameters, the peak blast impulse may be increased by a factor of about two in a region near the charge. The largest augmentation to the near-field peak impulse results when the secondary energy is released immediately behind the shock front rather than uniformly within the combustion products.     

Blast wave propagation in air from a gaseous charge

In the point explosion problem it is assumed that an instantaneous release of finite energy causing shock wave propagation in the ambient gas occurs at a space point. The results of the solution of the problem of such blasts are contained in [1–4]. This point model is applied for the determination of shock wave parameters when the initial pressure in a sphere of finite radius exceeds the ambient air pressure by 2–3 orders of magnitude. The possibility of such a flow simulation at a certain distance from the charge is shown in papers [4, 5] as applied to the blast of a charge of condensed explosive and in [6, 8] as applied to the expansion of a finite volume of strongly compressed hot gas. In certain practical problems the initial pressure in a volume of finite dimensions exceeds atmospheric pressure by a factor 10–15 only. Such cases arise, for example, in the detonation of gaseous fuel-air mixtures. The present paper considers the problem of shock wave propagation in air, caused by explosion of gaseous charge of spherical or cylindrical shape. A numerical solution is obtained in a range of values of the specific energy of the charge characteristic for fuel-air detonation mixtures by means of the method of characteristics without secondary shock wave separation. The influence of the initial conditions of the gas charge explosion (specific energy, nature of initiation, and others) is investigated and compared with the point case with respect to the pressure difference across the shock wave and the positive overpressure pulse.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 3, pp. 110–118, May–June, 1986.     

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70 μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。     

高原环境爆炸冲击波传播特性的实验研究

在评估弹药在高原的爆炸威力时,需要考虑高海拔条件对炸药爆炸冲击波参数的影响。为研究高海拔低气压条件下的冲击波传播规律,开展了模拟海拔高度h=500, 2 500, 4 500 m等3种气压条件下的爆炸冲击波测试实验。结果表明,当环境气压每下降20%时,冲击波超压、比冲量和到达时间平均降低约9%、10%和6%。将使用Sachs因子修正后的计算结果与测试数据进行对比分析,发现该方法能较好地预测不同环境条件下的爆炸冲击波参数。进一步分析了环境温度的影响,发现初始温度升高会使到达时间提前,本文实验的温度条件对超压和比冲量的影响并不显著。该研究结果对战斗部在高海拔的爆炸威力评估具有参考意义。     

燃料空气炸药（FAE）装置爆炸场的研究

燃料空气炸药（ＦＡＥ）装置在一次点火后，液体燃料在中心装药爆轰驱动下，抛撒在空气中形成燃料空气云，用高速摄影记录了该燃料空气云的形成过程。为达到所要求的气云形状，在对高速摄影照片充分分析折基础上，本文对ＦＡＥ装置的结构设计提出了改进意见。燃料空气云在二次点火后实现爆轰，本文测量了沿地面主力学线的压力时间曲线，用高精度、高分辨率的ＴＶＤ格式与瞬时爆轰模型时燃料空气云爆炸场进行了初步的数值模拟，得到了     

爆炸波在非饱和钙质砂中的传播规律

以球形TNT药包作为爆源，在密实的非饱和钙质砂中进行了一系列大尺寸爆炸模型试验。主要研究在不同药包质量、埋深及砂土试样含水率条件下，密实钙质砂中爆炸波的主要基本参数随传播距离增加而变化的规律。试验结果表明爆炸波主要以弹塑性波的形式在密实钙质砂中传播，在干燥和潮湿试样中塑性纵波波速随试样初始密度的增大或含水率的降低而增大，且范围分别为250～282 m/s和302～339 m/s。集团装药情况下，非饱和钙质砂中封闭爆炸的临界比例埋深约为2.25 m/kg1/3。在试验范围内，密实钙质砂中爆炸波的法向应力峰值及法向比冲量的衰减均服从爆炸相似律。封闭爆炸时，干燥钙质砂中爆炸波的应力衰减指数在测点比例爆心距大于或小于0.75 m/kg1/3处分别为2.94或1.37；潮湿钙质砂中爆炸波的应力衰减指数随含水率升高而增大，其范围为1.39～1.79。法向比冲量衰减指数随试样含水率升高而减小，其范围为0.97～1.18。     

装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度，较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化，进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算，定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明，方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关，与正压作用时间成负相关；方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关，与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后，分析了冲击波峰值超压数据，建立了动爆冲击波超压的计算模型，该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。