摘要：針對當前地下爆炸物理模型實驗無法模擬大當量地下爆炸拋擲彈坑和疏鬆鼓包現象的難題,基於相似理論,採用地下爆炸效應真空室模型實驗方法,研製了考慮重力影響的大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置。整套裝置由容器罐體、快開門密閉機構、爆源系統、真空泵組、量測控制系統等組成,提出的新型爆源模擬裝置可以實現精確起爆控制。該裝置可模擬0.1100ktTNT、埋深20400m範圍內不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起實驗,同時也能夠模擬不同裝藥配置方案、不同地質條件下的大當量地下淺埋化爆拋擲實驗。典型的核爆拋擲成坑模型實驗結果表明,裝置實驗引數精確可調,實驗過程可控,實驗結果可信,為鑽地核武器地下爆炸燬傷效應分析和大型工程爆破效果預測預報提供了實驗室模擬和科學研究裝置,填補了爆炸離心機無法模擬大當量地下爆炸拋擲成坑效應的空白。
關鍵詞： 地下核爆炸 大當量淺埋爆炸 工程爆破 爆炸力學 相似模型實驗 裝置研製
近年來,巨型鑽地武器和小型鑽地核導彈的研製和使用受到高度重視,其爆炸效應與大當量地下淺埋爆炸現象相似,揭示大規模地下爆炸效應的規律和破壞特徵,可為地下防護工程的最佳化和鑽地武器戰鬥部的研發提供參考。
對於大當量地下爆炸的研究物件———天然巖體而言,爆炸作用下岩石拋擲彈坑的形成受到爆炸當量、爆炸源能量的高密度、核彈圍巖的特性以及巖塊和地質構造的影響,對於這樣複雜的物理過程,透過理論分析、數值模擬完成爆炸作用力學引數的計算還存在很大困難,而現場實地實驗也受到場地、人力物力的限制難以開展系統研究。採用相似物理模擬實驗的方法可以研究地下爆炸過程中各種影響因素對彈坑和鼓包形成的影響,實驗成本低、週期短,是目前條件下獲取鑽地核爆和大當量地下爆炸過程影響因素量化指標的有效手段。
當前關於地下淺埋爆炸的物理模擬實驗主要採用土工離心機爆炸模擬裝置和真空室爆炸模擬裝置,土工離心機儘管在小當量、淺埋深爆炸模擬方面具有明顯的優勢,但是造價昂貴、實驗成本高,受到離心機加速度和模擬裝藥當量的限制,模擬比尺有限,只適用於一定規模的地下爆炸效應研究[1,2,3]。真空室爆炸模擬裝置最早由前蘇聯地球物理研究所的M.A.Sadovskii等[4]和V.V.Adushkin等[5,6]報道,他們研製了用於研究核爆炸和化學爆炸拋擲成坑的真空室模擬裝置,該裝置直徑2.3m、高3m、體積12m3,模擬比尺從1:100到1:1000,真空室內建1~10個爆炸源,可瞬時爆炸或延遲爆炸,爆源裝置採用球形鎳鉻絲金屬柵格內建薄壁橡膠氣囊做成,透過低壓電流加熱鎳鉻絲燒裂橡膠球達到釋放壓縮氣體的目的。但是,這種起爆方式不僅鎳鉻絲的加熱時間長短不可控,對於多組爆源的延期起爆也無法做到精確起爆控制,而且橡膠氣囊很可能隨機地從某處開一裂口造成噴出氣體的不均勻,對實驗結果造成影響。20世紀90年代,Y.S.Vakhrameev[7]和I.M.Blinov等[8,9]發展了自然重力場中大當量拋擲爆炸的真空室實驗技術,研究了拋擲爆炸彈坑及疏鬆鼓包的形成機制,其爆源採用的是0.2g微型炸藥,但是如何製作毫克級微型炸藥並保證其效能穩定是一個關鍵技術難題。
綜上所述,國內尚未有大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置的相關報道,國外此類裝置儘管起步早,但是整套裝置自動化程度低,量測技術落後,爆源裝置的起爆控制也有待升級改進。本文中以大當量地下爆炸真空室模擬方法為基礎,自主設計研製用於地下淺埋爆炸拋擲成坑效應縮比模擬的實驗系統,提出一種新型爆源裝置,採用柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式實現爆源的精確起爆控制。
1、設計原理
本實驗裝置以化爆實驗中建立的拋擲岩石爆炸能量轉移機制為物理模擬基礎,把大當量地下爆炸成坑過程看作爆炸氣狀生成物推出碎裂岩石的結果,主要模擬與彈坑形成和岩石移動相關的氣體加速階段和慣性拋擲階段,而衝擊波作用階段已經結束,此時已知爆炸腔體的大小,腔體周圍岩石受到破壞,模型的初始引數為爆腔的大小和腔體氣體能量。地下爆炸彈坑的主要特徵引數包括:彈坑半徑R、深度H、體積V、拱頂最大質點速度vm以及氣體加速運動時間tm。該模型的支配引數為爆炸源、破碎岩石介質和外部環境的特性,爆源的關鍵參量為空腔半徑rn、腔體氣體能量E(或壓力P)、裝藥埋深h、絕熱線引數χ;對於岩石的拋擲過程,忽略介質的壓縮性,破碎岩石的關鍵引數為密度ρ、巖塊間的摩擦因數kT、破碎巖塊脫離母巖的內聚力c;外部環境引數包括重力加速度g和自由面大氣壓Pa。根據相似理論量綱分析法[10],M.A.Sadovskii等[4]最早給出了描述彈坑形成發展過程與拋擲岩石初始條件和特性間的關係式為:
根據相似準數恆定的要求,各物理量相似常數之間的關係為:
設線性幾何比尺αh=αrn=1/N,採用與原型材料相等密度的模擬材料,如果實驗在慣性力場中進行,即αρ=1,αg=N,由關係式(2)得:
如果實驗在自然重力場中進行,即αρ=1,αg=1,由關係式(2)得:
由關係式(1)可知,當忽略重力對拋擲彈坑的影響時,即不考慮引數E/(ρgh4),就得到了爆炸幾何相似律,即爆炸能量比尺是線性比尺的3次方,其必要條件為ρgh與Pa和c相比數值要小,屬於小當量淺埋爆炸情形;當爆炸當量增大時,蘊含能量的主要引數是E/(ρgh4),該引數的作用將隨著爆炸當量的增大而增大,此時爆炸能量比尺是線性比尺的4次方(式(4))。錢七虎[11]透過拋擲爆破原型實驗與模型實驗資料對比分析指出,重力在大型爆破特別是軟弱岩層形成漏斗坑時起決定性作用。為了在模型實驗中再現大當量拋擲爆炸,當材料密度變化不大時,有兩種方式實現模型和實物中各量綱的對等關係,其中一種就是利用離心機使實驗場中的慣性加速度增加到重力加速度的N倍,而模擬材料採用原型材料。另一種方式就是使用相似材料,讓模型中自由面氣壓變為大氣壓力的1/N,內聚力為原型材料的1/N,從而使引數E/(Pah3)和E/(ch3)的影響降至最低,保證了支配引數E/(ρgh4)的決定性作用。
以上述相似理論為基礎,在大當量地下爆炸效應模擬裝置的設計中,爆炸源採用充有一定體積壓縮氣體的空腔模模擬實條件下充滿氣狀生成物的地下爆炸腔體。透過對密閉容器抽真空,降低模型材料自由面的大氣壓力Pa,採用與原型材料密度相近的散體材料如細石英砂,減小模擬材料的內聚力值c。這樣將石英砂放置在真空室中,石英砂內一定深度處放置充有壓縮氣體的球殼,當球殼破裂後,釋放的壓縮氣體把石英砂推擠出去,形成飛散彈坑,整個拋擲過程由高速攝影機記錄。整套裝置的設計原理圖如圖1所示。
2、實驗裝置研製
根據裝置的設計原理,自主研製了大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置(見圖2~3),主要由容器罐體、快開門密閉機構、爆源系統、真空泵組、量測控制系統組成,其中爆源系統為整個裝置的核心。
圖1地下爆炸真空室模擬裝置設計原理示意圖
圖2地下爆炸效應模擬裝置容器系統圖
圖3地下爆炸效應模擬裝置主體結構示意圖2.1容器罐體
容器罐體為整個裝置的主體,是樣品試件和其他系統的搭載平臺,主要包括基座、罐體和輔助裝置。基座是整個裝置的支撐部件,為保證容器罐體的整體穩定性,基座基礎由鋼筋混凝土澆築而成。罐體主體結構採用臥式設計,尺寸為3.0m×3.93m,由不鏽鋼板和Q345R容器板組成的複合鋼板加工而成。罐體外部纏繞隔音材料和玻璃鋼層,內部放置模型沙箱,罐體一端有直徑為1.5m的法蘭盤,法蘭盤中心有直徑為20cm的觀察視窗,用於樣品的進出和高速攝影的觀察。輔助裝置包括軌道、護欄和各類標準法蘭接管,用於測控線纜、起爆線纜的進出。罐體的承壓指標為:絕對氣壓0.2MPa,絕對水壓0.3MPa。
2.2快開門密閉機構
快開門密閉機構主要用於實現容器罐體的快速開啟和密閉,由法蘭盤、移動小車、旋轉卡箍、伸縮氣缸和空壓機等組成(見圖3)。法蘭盤置於移動小車上,透過電機驅動小車前後移動實現法蘭盤與容器罐體的分開和閉合。採用齒齧式卡箍連線結構實現法蘭盤和容器罐體的密閉連線。旋轉卡箍兩端與氣動伸縮杆相鉸連,氣動伸縮杆的另一端固定在基座上,並透過換向電磁閥、氣管與空壓機相連。旋轉卡箍和法蘭盤外圓周方向上有均勻分佈的楔塊,兩者楔塊的傾斜方向相反,當空壓機壓力達到一定值時,氣動伸縮缸驅動旋轉卡箍轉動一定角度,法蘭盤楔塊和卡箍楔塊之間利用斜面摩擦自鎖原理實現旋轉卡箍的鎖緊和錯開,達到容器罐體密閉和承壓的功能要求,旋轉卡箍旋轉角度的大小由氣動伸縮杆的伸縮行程控制。
2.3爆源系統
2.3.1爆源初始引數設計
本裝置物理模擬方法中,採用空腔氣體壓力P膨脹到自由面氣體壓力Pa時的勢能A來表徵氣體拋擲破碎岩石的能量[13],其與空腔氣體能量E、壓力P、空腔體積Vn和氣體絕熱指數χ之間的關係為:
不同岩石中地下爆炸空腔氣體勢能A的計算表示式[13]見表1,其中ηw為岩石的含水量,ηCO2為岩石的含氣量,ηm為岩石的混合含氣量。
表1地下爆炸空腔氣體勢能計算表示式
這樣,不同岩石中地下爆炸空腔大小rn和氣體生成物能量A就作為模型實驗的兩個已知引數。當採用半徑為r的球殼模擬爆炸空腔時,模擬比尺為N=rn/r,根據能量比尺關係確定模型中的氣體勢能(A)M=(A)P/N4(下標P表示實物中的引數,下標M表示模型中的引數),利用式(5)就可以確定模型中球殼內氣體的壓力(P)M。
2.3.2爆源裝置研製
爆源裝置由玻璃球罩、柔性導爆索、電雷管、起爆器、空壓機、真空泵、電磁閥以及密封連線構件組成(見圖4),各部件連線設計原理如圖5所示。採用薄壁玻璃球罩模擬爆炸空腔(見圖6),玻璃球中心處內建一定長度的螺旋狀柔性導爆索,利用導爆索爆炸產生的衝擊波擊碎玻璃球罩,從而達到釋放壓縮氣體的目的。為了減少導爆索爆生氣體對玻璃球內部氣體能量的影響,柔爆索與不鏽鋼管的穿入端進行了密封處理。當模擬比尺較大時,由地下爆炸的能量比尺關係(4)可知,玻璃球罩中的壓力可能低於大氣壓,因此也配置了小型真空泵。
圖4爆源系統
圖5爆源裝置設計原理圖
圖6爆源裝置
2.3.3爆源適用性分析
為了檢驗玻璃球罩爆破的球形度,並證明爆源裝置的可靠性和其力學效應的相似性,分別在空氣、沙和水三種介質中開展了玻璃球罩爆炸的高速分幅攝影實驗,實驗引數及結果見表2,其中玻璃球罩水中爆炸的情形分別選取長度為20cm和10cm螺旋狀導爆索。透過玻璃球罩爆破過程高速攝影鏡頭(見圖7)以及回收的玻璃碎片(見圖8)可以看出,玻璃球罩碎片的膨脹運動是球形的,儘管柔爆索入口處玻璃球罩爆破的球形度稍差,當經過幾個微秒的傳播後,球形度就變得很好,以球形面的長軸直徑和短軸直徑的相對差別定義的不對稱度小於5%,此外玻璃碎片的尺寸大小對壓縮氣體的釋放過程不會產生影響。採用10cm長的螺旋狀柔性導爆索中心起爆比採用20cm長的可以減少其自身爆炸對玻璃球罩內氣體能量的影響,爆破效果滿足大當量地下爆炸效應模擬裝置的功能設計要求,能夠實現對爆源起爆的精確控制。
圖7不同介質中玻璃球罩爆破鏡頭
為了評估柔爆索爆炸對拋擲成坑的影響,在石英砂中開展了模擬驗證實驗。實驗方法如下,玻璃球罩和沙箱容器中均不抽真空,即沒有所謂的高壓氣體,將玻璃球埋置在10cm深的石英砂中,之後起爆柔爆索,由高速攝像機記錄石英砂自由面變化情況。透過回收的玻璃碎片及回填實驗結果(玻璃球罩和漏斗沙坑的體積均為480cm3)可以看出(見圖9),玻璃球罩的碎片較大,並且佈滿了裂紋,柔爆索的爆炸能量主要用於擊碎玻璃球罩,石英砂自由面並無觀察到隆起和拋擲現象,只是形成了漏斗沙坑。由此可見,採用10cm長的螺旋狀柔性導爆索中心起爆對拋擲成坑的影響微乎其微。
表2爆源球形度實驗
圖8不同介質中玻璃球罩爆破碎片圖
圖9柔性導爆索爆炸拋擲成坑影響實驗
2.4真空泵組
真空泵組主要為容器罐體提供真空環境,由旋片泵、羅茨泵和各類連線管道和截止閥組成。真空泵組的技術性能為極限壓力0.05Pa、抽速1200L/s、總功率33.5kW,可在0.5h內使容器罐體內部的真空度達到100Pa。整個容器罐體(容積為30m3)的真空度指標為10~105Pa。
2.5量測控制系統
量測控制系統主要是相似散體材料基本力學效能引數測量、拋擲飛散介質的動態追蹤和整套裝置的聯動控制。相似模擬材料的內聚力值和內摩擦因數採用FT4多功能粉末流動性測試儀的剪下盒測試模組測得。飛散介質的動能引數主要透過高速攝影機、LED投光燈、資料採集裝置及分析軟體測得,採集速度一般為2000s-1。操控平臺實現快開門密閉機構、光源、真空泵組、高速攝像機和爆源裝置的聯動控制。
表3不同當量淺埋地下拋擲爆炸成坑效應模擬實驗主要引數
2.6裝置模擬指標
基於真空室爆炸模型實驗方法[4]以及爆源初始引數設計方法,對已有的大當量淺埋地下核爆炸拋擲成坑原型實驗[13]計算給出了模型實驗的主要引數(見表3),由表3可知,對於裝藥當量0.1~100kt範圍內的原型地下核爆炸,該裝置的主要模擬指標引數如爆源小球壓力、容器罐體的真空度等均可在實驗室條件下實現,在進行實驗時,可以透過調整爆源小球的幾何大小改變模擬比尺,進而調整小球壓力和容器罐體真空度以實現實驗條件。
3、大當量爆炸拋擲成坑模擬實驗分析
3.1實驗方案
以美國火山凝灰岩中的大當量拋擲爆炸Neptun實驗為例,進行真空室模型實驗。該爆炸等效TNT裝藥當量q=0.115kt,埋設在坡度為30°的傾斜山坡中,埋深為30.5m,爆炸空腔rn=7.3m,用於拋擲破碎岩石的能量A=62.31GJ,爆炸結果形成了半徑為33m、深為10.5m、體積為17000m3的拋擲彈坑。該地區凝灰岩的主要物理特性為:密度ρ=2000kg/m3,縱波速度cP=2200m/s,抗壓強度極限σ*=360MPa,抗拉強度極限為σP=12MPa,泊松係數ν=0.12,岩石含氣屬性為ηm=0.153。
模型實驗主要引數:玻璃球罩半徑r=5cm、模擬比尺N=rn/r=146、玻璃球罩中氣體壓力P=135.219kPa、埋設深度h=21cm、容器罐體真空度Pa=686Pa,採用平均粒徑為0.3mm的幹石英砂作為模擬材料,其密度ρ=1.4g/cm3,利用FT4多功能粉末流動性測試儀的剪下盒測試模組測得試樣的剪下強度引數[12]:內聚力c=92Pa,內摩擦因數kT=0.8,內摩擦角為38.6°,其中內摩擦角符合破壞岩石天然坡度角的變化範圍(36°~45°)。對關係式(1)中包含能量的量綱一組合引數進行簡化,有:
本模型實驗中各引數作用力之間的關係為:P/ρgh=47,P/Pa=197,P/c=1470,由此可見,本模型實驗引數大氣壓力和內聚力與模擬材料的重力相比小1~2個量級,突出了支配引數E/ρgh4的決定性作用,符合大當量地下爆炸拋擲成坑效應模擬的相似條件。爆源裝置及實驗佈置如圖10所示。
圖10爆源裝置及模型實驗佈置圖
3.2實驗過程及結果分析
一般的拋擲彈坑的構造可以分出可視彈坑、真實彈坑和岩石堆置物(見圖11)。可視彈坑的大小反映了拋擲岩石的有效性,Rr為彈坑頂部半徑,比真實彈坑半徑R大,堆置物由碎裂岩石形成,它們透過爆炸被掀起到空中,然後落到彈坑以外的自由面上(外邊堆置物)和彈坑底部(內部堆置物),其中y為堆置物距離地表的最大高度,RP為巖塊飛散的最遠距離。
圖11拋擲彈坑構造示意圖
按照實驗引數,將玻璃球罩中心埋設在距離石英砂自由面21cm處,開啟控制櫃,為裝置各系統供電,開啟移動小車,利用旋轉卡箍將法蘭盤鎖緊,開啟LED投光燈,將高速攝像採集系統除錯到位;啟動真空泵組,當容器罐內達到額定真空度時,關閉容器罐體截止閥;對玻璃球罩進行充氣加壓,當達到指定壓力135kPa時,關閉電磁閥;同時啟動高速攝像機和起爆器,對實驗過程進行記錄。由於容器罐體容量大,真空度低於1kPa時,罐內真空度穩定時間很短,起爆瞬時罐內真空度的實際值為740Pa,略高於額定值。
實驗過程中,高速攝影機的拍攝速度為2000s-1,圖12為模型實驗拋擲彈坑的發展演化程序,彈坑的最終形態和玻璃球罩爆破碎片見圖13。由實驗回收的玻璃碎片(平均直徑為15mm)可知,爆源裝置正常起爆,碎片大小對壓縮氣體的釋放不會產生影響。模型實驗拋擲彈坑的形態與大當量地下淺埋爆炸彈坑的典型構造形態相似,具有雙曲線形狀。依據拋擲彈坑的構造組成(見圖11),對彈坑頂部直徑、彈坑直徑和深度進行測量,實驗結果見表4。其中彈坑的體積採用公式得到。
表4模型實驗結果
圖12模型中拋擲彈坑發展變化鏡頭
圖13模型中拋擲彈坑最終形態及玻璃球罩碎片
由表3可知,模型實驗的彈坑半徑比原型相似計算結果大13.3%,而彈坑深度比原型小12.5%,成坑體積小約20%,拋擲指數的相對誤差為20%,從原型和模型實驗的對比分析結果可知,大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置開展的拋擲爆炸模型實驗結果與原型現場實驗結果相符,利用該裝置可以開展不同規模的地下爆炸拋擲成坑實驗研究。實驗結果存在的誤差,究其原因一方面由於原型Neptun爆炸發生在坡度為30°的傾斜山坡上,由於彈坑上翼的倒塌,彈坑底部和下部被覆埋,對彈坑的形態及幾何尺寸造成了影響;另一方面此裝置的物理模擬基礎是把大當量地下爆炸看作是爆炸空腔氣體推動破碎岩石拋擲運動的過程,採用柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的方式雖然保證了爆腔的破裂效果,解決了爆源的起爆控制難題,但是玻璃球罩內部10cm長度的導爆索爆炸可能對爆腔內的初始準靜態氣體壓力造成影響,從而影響實驗結果,此外,模擬相似材料石英砂的密度比原型凝灰岩的密度略小,忽略相似材料石英砂的內聚力,容器罐體的低真空度值穩定時間很短等因素均可能對實驗結果造成誤差。
4、結論
對大當量地下爆炸拋擲成坑物理過程進行了簡化,基於大當量地下爆炸效應模型實驗方法,研製了考慮重力影響的淺埋地下爆炸拋擲成坑效應縮比模擬實驗裝置,並進行了模型實驗,得到以下結論:
(1)研製的大當量地下爆炸效應模擬實驗裝置主要包括容器罐體、快開門密閉機構、爆源系統、真空泵組、量測控制系統等,主要實驗引數(爆源氣體壓力、容器罐體真空度值)可調可控,透過調整模擬比尺,能夠模擬0.1~100kt、埋深20~400m範圍內不同比尺的地下爆炸拋擲成坑現象;
(2)採用齒齧式卡箍連線結構實現法蘭盤和容器罐體的快速開啟和密閉連線,不僅承壓密閉效能好,而且操作方便、自動化程度高;
(3)建立了考慮彈藥圍巖特性的爆源初始引數的計算方法,提出的柔性導爆索傳爆震碎玻璃球罩的新型爆源裝置,不僅能夠實現精確起爆控制,安全可控,而且柔爆索爆炸對拋擲成坑的影響很小,提高了模型實驗結果的可靠性;
(4)相比於爆炸離心機動輒幾千萬甚至上億的製造成本,本裝置造價成本低,無需提供額外的加速度,在模擬大當量地下淺埋爆炸拋擲成坑現象時具有明顯的優勢,可為鑽地核武器地下爆炸成坑毀傷機制和大型工程爆破效果的預測預報等方面的科學研究提供實驗平臺。
