冲击波感度的实验装置

火工品课程设计说明书

题目：冲击波感度的实验装置

专业：特种能源技术与工程专业

学号：

姓名： Misaya

指导教师：ColdFeng

能源与水利学院

摘要

按照《炸药试验方法》（GJB 772A—97）要求，对炸药进行冲击波感度测试时，危险品用量较大，对被测试样有无引爆的判断也存在人为因素。尝试将隔板试验与水中爆炸测试相结合，提出一种安全性高、试样消耗少、环境友好、用于高感度炸药的冲击波感度测试手段，并对测试装置、试验材料、测试系统架构、测试过程及数据处理等给出了具体的要求。通过对包括TNT在内的5 种常用炸药进行试验，结果表明，所给出的冲击波感度测试方法实施简便，测试过程所获取的信息较为丰富、准确，感度结果与GJB 772A 方法对比，有较好的相关性，可用于比较高感类炸药的冲击波感度。该测试技术可在一般实验室条件下开展，实用性较强。

关键词：高感度炸药；水中爆炸；冲击波感度；小隔板试验

目录

摘要 ................................................................................................................................. I 目录 ................................................................................................................................ II 前言 ............................................................................................................................... I II 1 水中爆炸测试炸药冲击波感度实验装置 . (1)

1.1 爆炸测试装置设计 (1)

1.2 实验材料 (1)

2 水中爆炸测试系统 (3)

2.1 测试系统架构 (3)

2.2 测试系统工作原理 (3)

2.3 传感器和数据采集 (4)

3 测试操作过程及数据处理办法 (5)

3.1 测试系统的标定 (5)

3.2 测试程序 (5)

3.3 判定依据 (5)

3.4 实验数据处理和冲击波感度的表示方法 (5)

3.5 水中爆炸测试冲击波感度实测 (6)

4 水下爆炸小隔板法的优缺点 (8)

4.1 分析该装置优点 (8)

4.2 分析该装置缺点 (8)

5 致谢 (9)

6 参考文献 (10)

前言

炸药的冲击波感度用于表征炸药在冲击波作用下发生爆轰的难易程度，是衡量炸药安全性能和爆轰性能的重要指标。目前，测定炸药冲击波感度的主要手段是隔板试验法。例如，我国的《炸药试验方法》（GJB772A—97）、美国海军军械实验室及LosAlamos 国家实验室、中国工程物理研究院等采用的冲击波感度测试装置。其测试原理是：在主发炸药与被测炸药之间放入一定厚度的隔板，主发炸药爆轰产生的冲击波穿过隔板后作用于被测炸药。通过观测见证板的破坏情况，来判断被测炸药是否产生了爆轰。所采用的主发炸药、被测炸药试样量较大( 几十克～几百克) 。在带有爆炸安全防护的地面测试环境中或抗爆间室内，用Bruceton 升降试验法。调节隔板厚度，统计不同的隔板厚度下，被测炸药的爆轰情况，以被测炸药发生爆轰的概率为50%时，所对应的隔板厚度值表征炸药冲击波感度的大小。隔板法测试炸药冲击波感度的测试成本较高、安全保障条件要求较为严格，普通实验室条件下不便实施。现行GJB772A—97中规定的“冲击波感度卡片式隔板法”规定：使用的主发炸药特屈儿药量为50g，超出了我国现有安全规范中对科研院校中危险品测试间的定量上限不大于20g的要求，这样就限制了对炸药冲击波感度的试验研究工作。随着测试技术发展，利用水中爆炸来进行炸药爆轰测试的研究日益普遍。炸药在水中爆炸时，采用专用的水中压力传感器可以准确测定测点处的峰值压力、压力衰减时间常数、第一次气泡脉动周期及压力－时间的动态曲线等信息，经过数值处理后可得到炸药爆炸的比冲击波能、比气泡能及总能量，这为水中爆炸测试炸药的冲击波感度提供了有力保障。

1 水中爆炸测试炸药冲击波感度实验装置

1.1 爆炸测试装置设计

采用图1.1所示的水中爆炸测试装置，测试时装置结构从右至左依次为防水处理层、雷管、隔板、被测试样，整个装置被塑料套管密封包裹。水中爆炸测试装置尺寸内径12. 5 mm、长度为76 mm 的小型聚乙烯套管。

图1.1 水下隔板实验装置示意图

1.2 实验材料

主发爆源：8号工业雷管或军用电雷管（GB8031—2005）。

隔板材料：聚乙烯（PE）树脂（GB / T 11115—2009）制成的薄膜或板材，厚度可根据市售商品和测试实际需要确定。也可选用其他材料，但应是执行相应行业或国家标准生产的制品。

套管：聚乙烯筒，外径不大于15mm，壁厚不大于2mm。

防水包扎材料：生胶带（聚四氟乙烯），常用于冷热给水管件接口联接处的密封用品。

被测试样：压制成与套管相匹配的药柱，每发药量不大于5 g，同一试样的药

柱质量误差不超过0. 5% ，密度误差不超过0. 013

/g m也可根据需要采用一定密度的散装试样，参考GJB772A—97的装药方法。先在套管中标志出装入定量被测炸药对应密度下的高度位置，将秤量好的炸药试样倒入套管；再将套管从25 mm 高度竖直下落到毛毡垫上，反复墩至40次以上；再用直径大小刚好能插入套管的玻璃棒从上至下将试样推压至标记位置，玻璃棒的头部应平整、光滑，以免粘附出试样。试样质量、密度误差与压装药柱要求相同。

2 水中爆炸测试系统

2.1 测试系统架构

φ）、水中压力传感器、信号测试系统由圆柱形爆炸水池（不小于m

0.2?

m

5.1

调理仪、数据采集系统等组成，见图2.1本文所用爆炸水池尺寸为m

m

0.3?由于

7.2

当装药深度为水池总深度的 2 /3 时，来自水面和池底的边界效应可相互抵消，因此试验中将试样放入水下1. 67～1. 72 m．其中，水中压力传感器建议采用PCB138A 系列，其谐振频率大于1 000 kHz，上升沿小于s

5.1μ，低频响应频率（﹣5%）为2.5Hz，线性度小于2. 0% FS。

图2.1 爆炸水池中测定炸药冲击波感度的测试系统示意图

2.2 测试系统工作原理

炸药在水中爆炸时，可以分为3个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动。其能量输出分为冲击波能和气泡能量2部分，2部分之和，即

总能量接近炸药的爆热值。采用专用的水中压力传感器可以准确测定测点处的峰值压力、压力衰减时间常数、第一次气泡脉动周期及压力—时间的动态曲线等信息，经过数值处理后可得到炸药爆炸的比冲击波能、比气泡能及总能量。对炸药水下爆炸冲击波参数的修正，修正后的峰压与理论计算值接近，且修正后的炸药能量更加接近其爆热值。给出了比冲击波能、比气泡能计算公式等较为详细、完整的推导过程。

当装药在水中被雷管引爆后，压电式传感器首先接收到水中冲击波信号，若干毫秒后才接收到气泡反复膨胀与收缩的脉冲信号。传感器将压力信号转化为电荷信号，2信号经一路电缆，再经信号调理器转换为相应的电压信号，输入给数据采集系统的2个采集通道并存储。通过计算机对数据进行分析处理，就可以得到相应的压力随时间变化的曲线以及爆炸波的各种参数（包括冲量、能量等）。测试系统可测得的信号为炸药在水下爆炸后产生的冲击波信号和气泡脉动信号。所测的2种信号频率不同：冲击波信号的频率较高，气泡脉动信号的频率较低；2种信号的出现有一定的时间差。因而，可以用一个压力传感器通过高、低频2 个通道，分别测量冲击波信号和气泡脉动信号：利用传感器的高频通道测量冲击波信号、低频通道测量气泡脉动信号。实验选用的信号调理器是PCB 公司的产品，是与ICP 压力传感器相适配的4通道数字式482A16型信号调理器。数据采集系统选用的是国产纵横公司产JV5200数据采集仪，具有高、低频2个采集通道。冲击波信号和气泡脉动信号的采样频率分别设置为5 MHz 和100kHz 。

2.3 传感器和数据采集

实验中所用的压力传感器是美国PCB 公司产138M124型的ICP 压电式电气石水中传感器，其主要特点是装有ICP 电荷放大器，能将电气石产生的高阻抗电荷转变为低于100Ω的低阻抗电荷输出。由于低阻抗信号传输不会因为电缆和连接器件的绝缘阻抗降低而产生畸变，故可用普通电缆远距离传输信号。其谐振频率大于1000 kHz ，上升沿s 5.1μ≤，低频响应频率（－5%）为2.5Hz ，线性度%FS 0.2≤。数据采集系统用高频通道采集的冲击波信号，经低频通道采集的气泡脉动信号。

3 测试操作过程及数据处理办法

3.1 测试系统的标定

测试前，应对测试系统进行标定。标定工作结束时，应得到如下结果：没有被测试样时（即空白试验），雷管在爆炸测试装置中爆炸输出的能量均值（包括冲击波超压、气泡能及总能量）；被测炸药在爆炸测试装置中无隔板——直接被雷管引爆后的爆炸输出能量均值（以传感器所接收到的冲击波超压峰值大小为判定依据），取其加和的50%作为判断水下小隔板试验中被测炸药爆轰与否的临界值。

3.2 测试程序

试验程序参考GJB772A —97的方法。首先估计试样50%爆轰所需要的初始隔板厚度及测试时调整厚度的步长。以估计的初始隔板厚度值进行预备试验，并最终确定合适的步长。然后，按照GJB / Z377A 以恒定步长进行试验，自出现第1对以恒定步长的相邻相反结果算起。有效试验应不小于20次，而且每发试样的测试结果波动变化，也必须全部满足升降法的要求。

3.3 判定依据

选用水中爆炸测试测得的超压值大小作为判定依据。判定过程如下：若水中爆炸释放的超压，大于空白试验输出的超压加无隔板试样爆炸释放超压的50% 时，判定该次试验被测炸药被引爆；反之，则视为未被引爆。

判定依据也可根据试验情况进行适当调整，但在同一类试验中应当固定判据。

3.4 实验数据处理和冲击波感度的表示方法

根据GJB772A —97的数据处理要求，将每次试验的判定结果整合成规定的表格，并计算每种炸药50%发生爆轰时的隔板厚度50L 和对应的标准差S 。计算过程如下：

统计出各试验水平i 下爆轰的次数i1n 和未爆轰的次数0i n ，并分别求和，取

i1n ∑、i0n ∑的较小者（两者相等时任取一个）作为计算分析用的子样本量 n 。 i in A ∑= （3.1） ∑=i 2n i B （3.2）

式中：A 为测定结果计算因子；B 为标准差计算因子；i 为试验水平序号；i n 为计算子样本量 n 所取的i1n 或0i n 。试样50%发生爆轰的隔板值式（3.3）计算，标准差按式（3.4）计算。

??

? ??±+=21n A d C L 50 （3.3） d 029.0n A -n B 620.1S 2???

?????+??? ??= （3.4） 式中：50L 为试样50%发生爆轰的隔板值，mm ；C 为试验水平序号为“0”时的隔板值，mm ；d 为步长，mm ；n 为子样本量；S 为标准差；“±”，当 A 值取i1in ∑为“+”，当A 值取i0in ∑时为“－”。

3.5 水中爆炸测试冲击波感度实测

表3.1为利用本文水中爆炸隔板试验法测得的 5 种炸药的冲击波感度值与 GJB 772A —97 测试方法比较结果。图3.1给出了进行水中爆炸测试炸药的冲击波感度试验时，TNT 试样被引爆与未被引爆的典型冲击波压力时程曲线。

表3.1炸药冲击波感度的水中爆炸隔板试验结果与GJB 772A-97测试结果对比

炸药名称 GJB772A-97方法 本文所述的测试方法 备注 装药密度/g ·cm 3- 50% 起爆概率隔板/mm

装药密

度/g ·cm 3- 50% 起爆概

率隔板/mm TNT 1.01

57.6 0.86 6.90 冲击波感度

均为最低 钝化黑索金 0.96

58.8 0.86 7.30 8701

0.95 67.6 0.91 11.65 RDX

1.08 83.8 1.02 1

2.42 PETN 0.87 95.2 0.94 >16.8 冲击波感度

均为最高

注：按GJB772A-97方法进行冲击波感度试验时，主发药采用钝化黑索今（GB/T 629—1997），质量50 g 、密度1. 53/g cm ；卡片材料为有机玻璃隔板（GB 7134—86） ；其他与规定要求均相同。

图3.1 TNT 被引爆与未被引爆的典型水中冲击波压力信号

4 水下爆炸小隔板法的优缺点

4.1 分析该装置优点

1 试验装置小、成本低、操作简便。“雷管＋小隔板+被测炸药”的冲击波感度水下爆炸测试系统中，水中爆炸装置可装配在内径12.5mm、长度为76 mm 的聚乙烯套管内。试验用炸药量、隔板等耗材用量也明显降低，节约了试验成本。

2 试验环境友好。水下小隔板法试验产生的环境破坏、噪声危害、破片及冲击波毁伤等不利因素也大大降低，是安全、绿色、环境友好型的爆炸测试方法。一般小型水池占地很小，易于建设。测试时对外场环境不会产生破坏或毁伤。残渣废物可集中回收，便于处理。

3 试验炸药用量可减少到10 g以下、便于实施且提高了作业安全性。与传统测定炸药冲击波感度方法相比，水中爆炸法测试精确，试样用炸药量大为降低，每发装药在10 g以下就可完成测试。

4 试验判据准确、结果可信。水下爆炸测试时，对水下压力传感器的测试信号进行处理，所得到的爆源比冲击波能、比气泡能经过修正后，可以得出爆源爆炸产生的总能量。该能量值一般与爆源炸药的爆热值接近，为爆热值的90%～95%。用该测试结果，对主发炸药（雷管）的水中爆炸能量进行标定后，可准确地判断水下被测炸药有无发生爆轰。

4.2 分析该装置缺点

由于水中爆炸小隔板测试方法采用了雷管作为主发爆源，目前还无法排除雷管底部射流侵彻隔板后引起被测试样起爆的可能，尤其对于炸药感度较低、50%起爆概率对应的隔板厚度较小的情况。同时由于雷管爆源所输出的冲击波平面性不足、曲率偏小等不足存在，该冲击波感度测试方法并不适用于钝感炸药（无雷管感度）及爆轰临界直径偏大的炸药试样。

5 致谢

在这次课程设计的撰写过程中，我得到了许多人的帮助，以及网络的支持。

首先，我要感谢我们这门课程的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。还为我提供了网络的支持，可以学习其他关于此类实验装置设计的知识和经验，使我的课程设计能都更加的完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。这为我以后的学习工作，都有很大的帮助。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题，帮助我使用电脑对我的论文格式进行编辑。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。

最后，再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。

6 参考文献

[1] 张世杰．炸药的冲击波感度测定—隔板试验法．煤矿爆破，1994，( 3)

22－25．

[2] 苏华．一次引爆型FAE液固复合燃料性能研究．南京理工大学，2003．

[3] 颜世龙．集中药包与条形药包水下爆炸能量测试．爆破器材，2003，32( 5)

23－27．

[4] 胡毅亭，贾宪政．水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研．舰船科学技术，

2009，31( 2) ：134－140．

[5] 王慧君．用水下卡片间隙试验法测定炸药冲击波感度．爆炸与冲击，2009，

29( 5) ：481－485．