高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波特性

李 瑞,杨耀勇,汪 泉,徐小猛,洪晓文

(1.安徽理工大学 煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 化工与爆破学院,安徽 淮南 232001;3.安徽理工大学 安徽省爆破器材与技术工程实验室,安徽 淮南 232001;4.内蒙金属材料研究所 烟台事业部,山东 烟台 264003)

引 言

弹药对目标的毁伤效能主要基于多种毁伤元的综合评估,其中爆炸冲击波是弹药毁伤目标的主要方式之一[1]。随着高效毁伤技术的不断发展以及未来战争作战条件的多元化,武器弹药适应高原、高空,甚至太空等高海拔环境的需求日益突显。高海拔环境下大气压力低于标准大气压,环境温度显著低于平原地区,呈现低压和低温的耦合环境,对炸药的爆炸冲击波传播有着重要影响[2-3]。实际作战过程中,武器弹药都是在高速运动状态下发生的爆炸,使得爆炸冲击波场及冲击波参量发生变化,影响弹药的毁伤威力[4]。因此,研究高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波传播特性,建立相应的理论计算模型,对高海拔环境下的运动弹药威力评价、动态毁伤效能评估以及弹药动爆试验设计等具有重要的意义。

近年来,已有一些关于运动装药爆炸冲击波传播特性的相关研究报道。Patterson等[4]和Armendt等[5]分别开展了B炸药和Pentolite炸药两种装药的动爆试验。蒋海燕等[6]和Xu等[7]对常温常压条件下运动装药的爆炸冲击波传播特性进行了数值模拟研究,并基于数值模拟数据建立了装药动爆冲击波超压的计算模型。聂源等[8]采用SPEED软件,对标准大气环境下运动装药的空中爆炸进行了数值模拟研究,并通过拟合得到了装药动爆冲击波超压的计算模型。陈龙明等[9]采用AUTODYN软件,定量研究了常温常压环境下TNT装药动爆冲击波的超压峰值、比冲量和正压作用时间等参量,拟合得到了装药动爆冲击波超压的修正因子。王良全等[10]采用AUTODYN软件,研究了常温常压环境下不同运动速度的球形装药爆炸冲击波演化云图、冲击波超压峰值的相对变化率。Ma等[11]对标准大气环境下运动装药的爆炸冲击波超压峰值和比冲量等进行了试验测量与分析。周至柔等[12]对不同运动速度装药的空中爆炸冲击波场进行了数值模拟,并基于数值模拟数据建立了装药动爆几何中心位移的工程计算模型。目前,运动装药的爆炸冲击波超压理论模型主要基于数值模拟数据拟合建立,没有成熟的数学模型。同时,关于运动装药爆炸冲击波传播特性研究主要集中在常温常压环境中。

目前,国内外已有一些关于高海拔环境下炸药爆炸冲击波传播特性的相关研究报道。早期,Sachs[13]提出了爆炸冲击波的超压峰值、比冲量、正压持续时间与环境压力相关联的比例定律。李科斌等[14]利用AUTODYN有限元软件对低压环境下炸药的静爆冲击波传播规律进行了数值模拟研究,获得了不同低压环境下爆炸冲击波参量的变化规律。Wang等[15]开展了不同海拔高度下装药静爆冲击波传播特性的相关试验研究,并拟合建立了高海拔环境下冲击波超压的经验公式。Chen等[16]利用可抽真空爆炸罐,开展了模拟海拔高度为500、2500和4500m时3种低压条件下的爆炸冲击波静爆测试实验,并进行了有限元数值模拟研究,探究了不同高海拔环境对爆炸冲击波参数的影响规律。李孝臣等[17]利用可调真空度球形爆炸容器,探究了不同负压条件对乳化炸药的爆炸冲击波参数的影响规律,并拟合建立了负压环境下乳化炸药的爆炸冲击波超压峰值和正压冲量经验计算公式。目前,关于高海拔环境下爆炸冲击波的研究主要针对装药静爆条件,低温和低压耦合的高海拔环境对运动装药的爆炸冲击波传播特性影响需要进一步深入研究。

本研究从物理原理出发,建立低温和低压环境下运动装药爆炸冲击波超压的计算模型,利用AUTODYN有限元软件开展不同海拔高度及其解耦的低温和低压环境下运动装药爆炸冲击波传播特性的数值模拟研究。获得不同环境条件下运动装药的爆炸冲击波场演化规律,探讨不同海拔高度及其解耦的低温、低压条件对运动装药爆炸冲击波参量的影响规律,以期为高海拔环境下运动装药爆炸冲击波传播特性等相关研究提供参考。

1 数值计算模型

1.1 计算模型

为了分析爆炸瞬时装药的运动状态对爆炸冲击波场的影响规律,选用TNT球形装药进行数值模拟研究。采用中心单点起爆,装药质量me=0.1701kg,装药密度ρe=1.63g/cm3。定义坐标系Oxy,以装药中心O为原点,计算模型对称轴为x轴,装药运动速度方向与x轴正向一致。为了获得任意方向的爆炸冲击波参量,以装药中心O为圆心,计算模型中方位角θ每隔15°设置一组观测点,每组距装药中心300mm至900mm的距离范围,每间隔300mm设置一观测点,如图1所示。

图1 方位角和观测点的定义

根据计算模型的特点,采用二维轴对称模型进行数值模拟研究。由于爆炸近场冲击波具有峰值压力高、脉宽窄、衰减快等特点,网格尺寸必须足够小才能准确模拟近场冲击波,而爆炸远场冲击波对网格尺寸大小要求相对低得多。考虑数值计算的效率和准确性,采用AUTODYN软件的映射功能进行运动装药的爆炸近场和远场的冲击波演化过程的数值模拟研究[18]。首先,建立爆炸近场计算域,在400mm×200mm的计算空间内划分尺寸较小的网格,当冲击波即将达到边界时停止计算,得到爆炸近场的冲击波分布。其次,建立爆炸远场的计算域,在2400mm×1200mm的计算空间内划分尺寸较大的网格,将近场的计算结果映射到远场计算模型中,进一步计算爆炸冲击波在远场中的传播,相应的爆炸冲击波传播映射过程如图2所示。为量化分析装药运动速度对爆炸冲击波分布特性的影响规律,数值模拟中分别计算装药运动速度v0为0 (静爆)、340、680、1020和1700m/s条件下的爆炸冲击波场。

图2 爆炸冲击波传播映射过程示意图

1.2 材料参数

炸药TNT采用Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程进行描述,相应的材料参数取自AUTODYN标准材料模型库[19]。空气采用理想气体状态方程进行描述,即:

pa=(γ-1)ρae

(1)

式中:pa为空气压力;γ为空气的比热;ρa为空气密度;e为空气的初始比内能,取决于空气环境温度[19]:

e=cVTa

(2)

式中:Ta为空气温度;cV为空气定容热容,理想气体的定容热容取决于温度[20]。因此,通过改变空气初始比内能和初始空气密度,实现不同的低温和低压空气环境。

1.3 网格尺寸的收敛性

使用AUTODYN软件进行装药动爆冲击波传播特性的数值模拟研究,需要进行网格尺寸的收敛性分析,以确定计算模型合理的网格尺寸。这里采用AUTODYN软件的映射功能进行运动装药近场和远场爆炸冲击波传播演化过程的数值模拟研究。因此,对映射前后的计算模型网格尺寸收敛性均需进行分析。对于映射前的计算模型,采用网格尺寸分别为0.2、0.25、0.32、0.4、0.5、1.0和2.0mm进行近场区域爆炸冲击波传播的数值模拟研究。图3为球形TNT装药静爆条件下,比例距离Zs=0.217m/kg1/3的近场区域不同网格尺寸数值模拟得到的爆炸冲击波超压—时程曲线和不同方位角的超压峰值Δps。从图3(a)中可以看出,随着网格尺寸的增大,冲击波压力波形呈现发散趋势,逐渐失真;由图3(b)可知,网格尺寸较小时,不同方位角处的装药静爆超压峰值Δps基本相同。随着网格尺寸的增大,不同方位角超压峰值的差别逐渐增大,呈现发散趋势。对比图3(a)中不同网格尺寸的冲击波超压—时程曲线和图3(b)中不同方位角的超压峰值,可以认为网格尺寸在0.20～0.32mm范围内的近场区域数值模拟是收敛的。因此,为了保证数值模拟的收敛性,同时避免不必要的计算时间,选择0.25mm的网格尺寸进行后续近场区域爆炸冲击波传播过程的数值模拟研究。

图3 不同网格尺寸的冲击波超压—时程曲线和不同方位角超压峰值比较

对映射后的远场区域采用网格尺寸分别为2、3、4和5mm进行爆炸冲击波传播的数值模拟研究。图4给出了远场区域比例距离Zs=0.902m/kg1/3处不同网格尺寸的冲击波超压—时程曲线和不同方位角处的装药静爆冲击波超压峰值Δps。从图4(a)和图4(b)中可以看出,网格尺寸为2mm和3mm的冲击波超压—时程曲线和不同方位角的超压峰值Δps基本一致,认为网格在此尺寸范围内的数值模拟是收敛的。综合考虑数值模拟的计算时间和收敛性,选择3mm的网格尺寸进行后续远场区域爆炸冲击波传播过程的数值模拟研究。

图4 不同网格尺寸的冲击波超压—时程曲线和不同方位角超压峰值比较

2 装药动爆冲击波参量理论分析

2.1 装药动爆冲击波模型

根据球形装药动爆冲击波场特性,得到动爆冲击波传播示意图,如图5所示。图中Rm为冲击波波阵面到爆心O的距离,Rs为静爆冲击波的传播半径,Rc为冲击波中心移动距离。

图5 动爆冲击波模型

根据Rankine-Hugoniot方程,冲击波超压峰值Δp与大气环境压力pa和冲击波传播速度D存在以下关系[4-5]:

(3)

式中:γ为空气的比热;ca为冲击波波阵面前的空气声速。

由式(3)可知,装药动爆冲击波超压峰值Δpm与静爆冲击波超压峰值Δps的关系为:

(4)

式中:Dm和Ds分别为动爆冲击波和静爆冲击波的传播速度。

由图5(b)知,在靠近动爆冲击波的表面A处,可以通过静爆冲击波速度Ds与动爆冲击波中心速度vc的矢量相加,求出该处的冲击波速度vm,即:

Dm=Ds+vc

(5)

式中:Ds和vc分别为静爆冲击波速度和动爆冲击波中心速度矢量。

由线性动量守恒定律,装药爆炸前的动量等于冲击波内包含的爆炸气体和空气的动量[4]。忽略爆炸装药排除的空气质量,则有:

(6)

式中:ma为球面冲击波内包含的空气质量;ρa为空气密度;Rs为静爆冲击波传播半径;me为装药质量。

对于球形装药,有:

(7)

式中:Zs为装药静爆下的比例距离,m/kg1/3。

对于冲击波中心点传播距离Rc,有:

(8)

式中:tc为冲击波中心点的传播时间。

根据图5(a),Rc、Rm、θ、Rs、φ之间存在以下几何关系:

(9)

由式(4)～式(9)可知,装药运动速度v0、方位角θ以及装药静爆条件下爆炸冲击波的超压峰值Δps、比例距离Zs和传播速度Ds等参量是影响装药的动爆冲击波超压峰值Δpm的关键因素。

2.2 装药静爆冲击波参量

前期根据量纲分析理论建立了描述低温和低压环境下炸药静爆冲击波超压峰值Δps和比例距离Zs的计算公式[21]:

(10)

(11)

式中:ph和p0分别为低压环境和标准大气环境下的环境压力;Th和T0分别为低温环境和标准大气环境下的环境温度;me为装药质量;A=0.55963、B=1.01751、C=-0.45403和D=2.05527为拟合系数;c0为标准大气环境下的空气声速;ts为装药静爆冲击波的传播时间。

式(11)两边对时间ts求微分可以得到装药静爆冲击波的传播速度Ds:

(12)

3 结果与讨论

3.1 理论模型的验证

高海拔环境是典型的低温和低压耦合大气环境,其环境温度(Th)和环境压力(ph)与海拔高度(h)有如下的关系[22-23]:

(13)

通过式(13)计算获得海拔高度(h)分别为0和4500m下的环境温度(Th)和大气压力(ph),代入式(4)～式(12)计算获得不同海拔高度下装药运动速度(v0)为0时炸药的爆炸冲击波超压。结合空气状态方程(1)～方程(2)获得不同海拔高度的空气状态参数,利用AUTODYN有限元软件进行数值模拟研究。相应的爆炸冲击波超压理论计算、数值模拟和试验数据对比结果如图6所示。

图6 不同海拔高度下爆炸冲击波超压的理论、数值模拟结果与实验数据对比

从图6中可以看出,不同海拔高度下爆炸冲击波超压的理论计算、数值模拟与试验数据三者吻合较好,说明式(4)～式(12)能够较好地预测高海拔的低温和低压耦合大气环境下炸药爆炸冲击波的超压峰值。同时,说明选择0.25mm和3mm的网格尺寸分别进行近场和远场区域的爆炸冲击波传播特性的数值模拟研究是合理的。

联立式(4)～式(12)求得运动装药爆炸冲击波超压峰值(Δpm),并与试验测试数据[4]进行对比,见表1。试验采用的是Comp B炸药和Pentolite炸药,装药质量为170.1g,其TNT当量换算系数分别为1.2和1.1[5]。试验在常温常压环境下进行的,试验距理想炸点3.048m处,呈90°放置两台高速摄影机,利用三角测量法确定装药的真实炸点。在距理想炸点Rm距离处,与装药运动方向成θ角的位置上,放置计时仪、冲击波超压传感器和测速传感器,用于获取该位置处冲击波的相关参量。从表1中可以看出,装药动爆超压峰值(Δpm)的理论计算结果与试验结果吻合较好,平均相对误差为5.28%,表明所建立的装药动爆超压理论计算模型具有较好的实用性。

表1 动爆超压理论计算结果与实验结果对比

3.2 高海拔环境下装药动爆冲击波特性

通过数值模拟得到海拔高度(h)分别为0、5000和10000m下,不同运动速度(v0=0、680和1700m/s)装药在相同的爆炸时刻(t=0.35ms)爆炸冲击波流场演化云图(单位:kPa),如图7所示。从图7中可以看出,相同海拔高度下,冲击波流场分布与装药运动速度存在密切关系,主要表现为动爆冲击波场随着装药运动速度的正方向迁移,出现头大尾小的分布特征。冲击波场在与装药速度相同的方向上出现局部高压区,且随着夹角θ的增大,压力逐渐降低,并且装药速度越大,压力梯度越大,整个冲击波场的周向压力分布越不均匀,其等压线越来越偏离球形分布。分析图7可知,相同的爆炸时刻内,装药动爆的冲击波超压随着海拔高度(h)的增加而下降。

图7 不同海拔高度下爆炸冲击波压力云图随装药运动速度的变化

对图7中不同海拔高度下运动装药的爆炸冲击波作用范围(V)进行统计,结果如图8所示。结合图7爆炸冲击波压力云图和图8爆炸冲击波作用范围统计结果可知,相同的装药运动速度下,随着海拔高度的增加,爆炸冲击波作用范围逐渐增大。装药运动速度(v0)为0时,海拔高度(h)从0升至10000m,冲击波作用范围增加了63.4%;装药运动速度(v0)为680m/s时,海拔高度从0升至10000m,冲击波作用范围增加了61.9%;装药运动速度(v0)为1700m/s时,海拔高度从0升至10000m,冲击波作用范围增加了60.6%。海拔高度增加,爆炸冲击波作用范围增加率随着装药运动速度增加而略有降低,海拔高度从0升至10000m,冲击波作用范围平均增加了62.0%。分析图8可知,相同的海拔高度下,随着装药运动速度的增加,冲击波作用范围逐渐增大。海拔高度为0时,装药运动速度从0升至1700m/s,冲击波作用范围增加了11.3%。海拔高度为5000m时,装药运动速度从0升至1700m/s,冲击波作用范围增加了10.3%。海拔高度为10000m时,装药运动速度从0升至1700m/s,冲击波作用范围增加了9.5%。装药运动速度增加,爆炸冲击波作用范围增加率随着海拔高度增加而略有降低。相同海拔高度下,装药运动速度从0升至1700m/s,爆炸冲击波作用范围平均增加了10.4%。

图8 不同海拔高度下爆炸冲击波作用范围随装药运动速度的变化

通过式(13)计算获得海拔高度(h)分别为0、5000和10000m下的环境温度(Th)和大气压力(ph),代入式(4)～式(12)计算获得不同海拔高度下装药运动速度对爆炸冲击波超压峰值(Δpm)的影响规律,并与AUTODYN有限元软件的数值仿真结果进行对比,如图9所示。从图9中可以看出,不同海拔高度下装药动爆冲击波超压峰值(Δpm)的理论计算与数值模拟结果吻合的较好,平均相对误差为7.35%,表明建立的运动装药爆炸冲击波超压理论计算模型能够较好地预测典型低温和低压耦合的高海拔大气环境下炸药动爆冲击波的超压峰值。

图9 不同海拔高度下装药动爆超压峰值随方位角的变化

分析图9可知,运动装药的爆炸冲击波超压峰值(Δpm)随着方位角(θ)的增大近似呈余弦衰减。当θ=0°时,动爆超压峰值(Δpm)最大;当θ=180°时,动爆超压峰值(Δpm)最小。装药运动速度(v0)越大,动爆超压峰值(Δpm)衰减的越快。相同海拔高度下,与装药运动速度方向相同的区域(0°≤θ≤90°),装药动爆冲击波存在较大的压力升,动爆冲击波超压峰值(Δpm)大于静爆状态下的超压峰值(Δps),使得冲击波场呈现出局部高压区;在与装药速度方向相反的区域(90°≤θ≤180°),则存在较大的压力降,装药动爆冲击波超压峰值(Δpm)小于静爆状态下的超压峰值(Δps)。因此,可将运动装药的爆炸冲击波场分为压力升和压力降两个区域,分界点大约在θ=90°处。由图9可知,比例距离为0.541、1.083和1.624m/kg1/3时,海拔高度(h)从0增加到10000m时,冲击波超压(Δpm)分别下降了45.0%、34.7%和27.0%,平均下降了35.6%。相同的比例距离条件下,装药动爆冲击波的超压峰值(Δpm)随着海拔高度(h)的增加而下降,下降比率随着比例距离(Zm)的增加而下降。

以静爆冲击波超压峰值(Δps)为参照,对不同海拔高度下装药速度(v0)为1700m/s时引起的冲击波超压峰值增大系数进行统计,如图10所示。从图10中可以看出,对于爆炸近场(Zm≤0.541m/kg1/3),压力上升区域冲击波超压峰值上升幅度随着海拔高度的增加而下降,压力下降区域的冲击波超压峰值下降幅度则随着海拔高度的增加而增大。对于爆炸远场(Zm≥1.624m/kg1/3),压力上升区域的冲击波超压峰值上升幅度随着海拔高度的增加而增大,压力下降区域冲击波超压峰值下降幅度则随着海拔高度的增加基本保持不变。

图10 不同海拔高度下的爆炸冲击波超压增大系数

3.3 高海拔解耦对应的低温和低压下装药动爆特性

高海拔是典型的低温和低压耦合大气环境,低温和低压对运动装药爆炸冲击波超压峰值Δpm都有影响,其影响程度如何需要进一步分析。为此,选择海拔高度(h)为0、5000和10000m所对应的大气环境温度(Th)为15、-17.5和-50℃(环境压力为101.325kPa)和大气环境压力分别为101.325、54.019和26.436kPa(环境温度为15℃),分别进行解耦对应的低温条件和低压条件下运动装药的爆炸冲击波特性研究。通过数值计算获得不同环境温度/压力下,装药运动速度(v0)为0、680和1700m/s在相同爆炸时刻(t=0.35ms)爆炸冲击波流场演化云图。研究发现,与高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波压力云图相似,相同的环境温度/压力条件下,爆炸冲击波压力场随着装药运动发生正向迁移,在与装药速度相同的方向上出现局部高压区,相反方向出现局部低压区,整个压力场呈现压扁拉长的趋势,呈现头大尾小的特征。对不同解耦的环境温度和环境压力下运动装药的爆炸冲击波作用范围进行了统计,如图11所示。

图11 高海拔解耦对应的低温和低压环境下爆炸冲击波作用范围随装药运动速度的变化

从图11中的爆炸冲击波作用范围统计结果可知,相同的装药运动速度下,爆炸冲击波的作用范围随环境温度的降低而减小,但随环境压力的降低而增大。装药运动速度分别为0、680、1700m/s时,高海拔环境解耦对应的环境温度从15℃降至-50℃时,冲击波作用范围分别降低了11.4%、11.9%和12.4%,平均降低了11.9%。对应的环境压力从101.325kPa降至26.436kPa时,冲击波作用范围分别增加85.4%、83.3%和81.8%,平均增加了83.5%。相同的环境温度(环境压力)下,随着装药运动速度的增加,冲击波作用范围逐渐增大。环境温度为15、-17.5和-50℃时,装药运动速度从0升至1700m/s,冲击波作用范围分别增加了11.3%、10.2%和9.2%,平均增加了10.2%。环境压力(ph)为101.325、54.019和26.436kPa时,运动装药速度(v0)从0升至1700m/s,冲击波作用范围分别增加了11.3%、9.6%和9.2%,平均增加了10.0%。

综合分析图8和图11可知,相同的运动速度条件下,海拔高度从0升至10000m,爆炸冲击波作用范围平均增加了62.0%。其中,海拔高度解耦对应的环境温度降低,冲击波作用范围平均降低了11.9%,所对应的环境压力降低,冲击波作用范围平均增加了83.5%。说明海拔高度对爆炸冲击波作用范围的影响趋势与环境压力的影响成正相关,与环境温度的影响成负相关。高海拔环境下,相比于环境温度的降低,环境压力的降低对运动装药的爆炸冲击波作用范围的影响更大。

为了验证式(4)～式(12)预测低温和低压环境下运动装药爆炸冲击波峰值超压的准确性,同样选择海拔高度(h)为0、5000和10000m所对应的环境温度(Th)为15、-17.5和-50℃(环境压力为101.325kPa)和环境压力为101.325、54.019和26.436kPa(环境温度为15℃)进行冲击波超压的理论计算和数值模拟研究。不同条件下的爆炸冲击波超压峰值(Δpm)理论计算和数值模拟的对比结果如图12所示。从图12中可以看出,不同环境温度和环境压力下装药动爆冲击波超压峰值(Δpm)的理论计算与数值仿真吻合的较好,平均相对误差分别为8.19%和7.14%,表明建立的动爆超压理论模型能够较好的预测低温环境和低压环境下运动装药的爆炸冲击波的超压峰值。

图12 高海拔解耦的低温和低压环境下装药动爆超压峰值随方位角的变化

从图12可以看出,与高海拔环境下运动装药的爆炸冲击波超压峰值(Δpm)变化规律相似,运动装药的爆炸冲击波超压峰值(Δpm)随着方位角(θ)增大近似呈余弦衰减,当θ=0°时,Δpm最大,θ=180°时,Δpm最小,并且装药速度(v0)越大,Δpm衰减的越快。分析图12可知,比例距离(Zm)为0.541、1.083和1.624m/kg1/3时,不同海拔高度(h)解耦对应的环境温度(Th)从15℃下降到-50℃时,冲击波超压(Δpm)分别增加了0.79%、0.32%和0.18%,平均增加了0.43%。相同比例距离条件下,装药动爆冲击波的超压峰值(Δpm)随着环境温度降低略有增加,增加比率随着比例距离(Zm)的增加而下降。比例距离(Zm)为0.541、1.083和1.624m/kg1/3时,海拔高度(h)解耦对应的环境压力(ph)从101.325kPa下降到26.436kPa时,Δpm分别下降了45.3%、36.1%和27.8%,平均下降了36.4%。相同比例距离条件下,装药动爆冲击波的超压峰值(Δpm)随着环境压力的降低而下降,下降比率随着比例距离(Zm)的增加而下降。综合图9和图12可知,海拔高度对爆炸冲击波超压的影响趋势与环境压力的影响成正相关,与环境温度的影响成负相关。高海拔环境下,相比于环境温度的降低,环境压力的降低对运动装药的爆炸冲击波超压的影响更大。

同样,对海拔高度解耦对应的不同环境温度和环境压力下,装药速度(v0)为1700m/s引起的冲击波超压峰值增大系数进行统计,如图13所示。从图13中可以看出,对于爆炸近场(Zm≤0.541m/kg1/3),压力上升区域冲击波超压峰值上升幅度随着环境温度的降低而增大,但随着环境压力的降低而下降;压力下降区域环境温度对冲击波超压峰值的下降幅度影响不大,但随着环境压力的降低而增大。对于爆炸远场(Zm≥1.624m/kg1/3),压力上升区域冲击波超压峰值上升幅度随着环境温度的降低而减小,但随着环境压力的降低而增大;压力下降区域超压峰值下降幅度则随着环境温度的降低而增加,随着环境压力的降低基本保持不变。

图13 高海拔环境解耦对应的低温和低压条件下爆炸冲击波超压增大系数

综合图10和图13可以看出,高海拔环境下装药运动速度引起的冲击波超压增大系数与低压环境影响基本相似。因此,高海拔环境下,相比于环境温度的降低,环境压力的降低对运动装药的爆炸冲击波超压的影响更大。

4 结 论

(1)建立了预测低温和低压环境下运动装药爆炸冲击波超压的计算模型,并通过试验数据和不同海拔高度及解耦对应的低温和低压条件下运动装药爆炸冲击波数值模拟数据验证计算模型的准确性,平均相对误差小于10%。可为不同低温、低压及高海拔环境下相关战斗部的动爆威力评价和动爆毁伤效能评估,以及动态试验方案设计提供快速的计算方法。

(2)在相同的运动速度条件下,装药动爆冲击波作用范围随海拔高度的升高而增大,其中随环境压力的降低而增大,随环境温度的降低而减小。海拔高度(h)从0升至10000m,冲击波作用范围平均增加了62.0%。环境温度降低,影响平均减小了11.9%,环境压力降低影响平均增加了83.5%。高海拔环境下低压条件对爆炸冲击波作用范围的影响程度高于低温条件。相同的环境条件下,装药运动速度(v0)从0升至1700m/s,冲击波作用范围增加10%左右。

(3)在相同的运动速度条件下,装药动爆冲击波超压峰值随着海拔高度的升高而降低,其中随着环境温度降低略有增大,随环境压力的降低而减小。海拔高度(h)从0升至10000m,冲击波超压峰值(Δpm)平均下降了35.6%。其中,环境温度影响平均升高了0.43%,环境压力影响平均降低了36.4%。高海拔环境下装药运动速度引起的冲击波超压增大系数与对应的低压条件影响基本相似。高海拔环境下低压条件对运动装药爆炸冲击波超压峰值影响程度高于低温条件。