水中爆炸的物理現(xiàn)象炸藥在水中起爆后首先從起爆點向炸藥內(nèi)部傳人爆轟波當(dāng)爆轟波到達藥水界面時，立刻在水中形成了初始沖擊波，水中沖擊波的初始壓力(對于梯恩梯約為14GPa)比爆轟波壓力約小30％～50％。爆轟波除了在藥、水界面處轉(zhuǎn)為水中沖擊波外，還在界面上發(fā)生反射形成稀疏波這種稀疏波開始以相反的方向在爆轟產(chǎn)物中傳播逐漸降低產(chǎn)物中的壓力。在高壓爆轟產(chǎn)物膨脹過程中，爆轟產(chǎn)物將能量逐漸傳遞給水。水中沖擊波的傳播具有以下特點：(1)在藥包附近的沖擊波傳播速度比水中的聲速(約為1520m／s)要大數(shù)倍，隨著沖擊波的繼續(xù)向前傳播，波速很快下降至聲速，同時壓力也迅速減小。(2)球面沖擊波的壓力幅度隨距離的減小，比在聲學(xué)里的聲波要快。但在較大距離以外，壓力變化接近聲學(xué)規(guī)律。(3)壓力波的波長隨著傳播而逐漸增長。隨著沖擊波的傳播，波頭壓力和傳播速度都很快下降。這是因為水的粘滯性和導(dǎo)熱性使波能耗散，同時也是由于隨著沖擊波半徑的增大，波頭上的能量下降所致。在某一固定坐標(biāo)點，沖擊波壓力隨時間變化的關(guān)系曲線如圖6—1所示。從波形看，水中某點的壓力隨時間的變化，可近似地用一指數(shù)函數(shù)來表示，即式中——沖擊波波頭的峰值壓力；——自然對數(shù)的底；——時間；——指數(shù)衰減的時間常數(shù)，即峰值壓力下降到0．368‰時所需的時間。上述波的函數(shù)形式只能近似地符合沖擊波，這樣用起來比較方便。假定水中有障礙物，其壁面在沖擊波到達瞬間按剛壁處理，那么當(dāng)沖擊波傳至剛壁時即發(fā)生反射反射波的壓力可以增加許多倍如果入射波壓力較小在聲波范圍內(nèi)經(jīng)過反射后水中壓力為人射時的兩倍，如表6—1所示。從表6一l可以看出，入射波壓力愈大，反射波的密度與壓力也愈大。在人射波壓力為49MPa時，反射波只有入射波壓力的2．04倍，這時基本上符合聲學(xué)規(guī)律。如果要研究的剛壁在10倍藥包半徑以外那時的壓力只有98MPa左右由表6—1看出在這種情況下反射波壓力是入射波壓力的215倍而密度僅有104倍總的來說還近似地符合聲學(xué)規(guī)律。表6一l水中沖擊波正反射時反射波壓力及密度值入射時壓力／MPa4998490981245249047846經(jīng)過反射后壓力入射時壓力2.042.152.552.883.353.744.05水介質(zhì)反射后密度水介質(zhì)入射時密度1.021.041.101.131.171.191.2l水中沖擊波波陣面的形狀和壓力值與藥包形狀有著密切的聯(lián)系。如果是球形藥包，初始沖擊波波形是球面波，在距離較遠處則具有平面波的性質(zhì)。當(dāng)沖擊波離開后，同時有一束稀疏波傳人高壓的爆轟產(chǎn)物中，使產(chǎn)物中的的初始高壓大大地下降，這時由于仍比周圍介質(zhì)中的壓力大很多，將使產(chǎn)物繼續(xù)劇烈地膨脹。隨著膨脹程度的增大，產(chǎn)物內(nèi)的壓力隨之下降，到某一時刻與外界的壓力相等。此后，爆炸產(chǎn)物形成的空腔開始收縮，由于水的收斂的慣性，則產(chǎn)物將不斷受到壓縮?？墒菤怏w壓縮到一定程度就不能再被壓縮，因此，在某一時刻達到了平衡。這樣就結(jié)束了產(chǎn)物脈動的第一次循環(huán)。此時產(chǎn)物中的壓力比外界還大，于是又開始擴大，進行新的循環(huán)。在深水爆炸，可以觀察到這樣的往復(fù)循環(huán)有十多次或更多次。圖6—2表示了產(chǎn)物體積特征半徑隨時間變化的曲線。氣體產(chǎn)物脈動時水中將形成稀疏波和壓力波稀疏波的產(chǎn)生相應(yīng)于每一次氣體產(chǎn)物體積達到最大值的情況，而壓力波則與每一次氣體產(chǎn)物體積最小值相對應(yīng)。在深水里，產(chǎn)物的第一次脈動所引起的最大壓力不超過沖擊波壓力的10％～20％。產(chǎn)物脈動的周期為毫秒數(shù)量級以上。實驗表明緊接著初始沖擊波之后對障礙物的作用就是二次加載階段它傳給障礙物的能量甚至比首次沖擊波還大這個二次加載并不是爆炸產(chǎn)物形成的脈動高壓氣體所發(fā)射的二次沖擊波產(chǎn)生的。由于障礙物不是無限大，也不是剛體，因此當(dāng)初始沖擊波作用在障礙物時要使其運動障礙物的運動又反射回一束稀疏波它可以把水壓降低到比水的汽化壓力還低這樣就引起-r空化現(xiàn)象所以在短暫的一瞬問內(nèi)空氣引起的一股水氣把障礙物與水隔開由于邊界的約束使障礙物的運動減緩下來然后膨脹的水又追上了障礙物對其形成突然地猛烈沖擊作用，這就是二次加載。為r加大對障礙物的破壞作用，藥包最好放置在能產(chǎn)生二次加載的深度爆炸對梯恩梯來說藥包爆炸的位置距水面一般要大于藥包距障礙物距離的一半以上，才可能觀察到明顯的二次加載作用。水下爆炸時在自由表面也能觀察到一些相應(yīng)現(xiàn)象水下爆炸所產(chǎn)生的沖擊波首先出現(xiàn)在自由表面上看起來是一個迅速擴張的昏暗色的水圈它移動的速度很大經(jīng)過百分之幾秒就會消失接著可以觀察到大量的泡沫然后水向上飛濺在水面上形成一個特有形狀的水冢然后由于高壓氣體產(chǎn)物不斷膨脹上浮接近自由表面時氣體沖出水面進人大氣同時水像噴泉和水柱一樣的飛濺開來在形成水冢和噴泉時還傳出沿水面?zhèn)鞑サ牟ɡ恕８鶕?jù)高壓氣團接近自由表面時所處的狀態(tài)不同噴泉可以具有不同的形狀假如接近自由表面的氣團處于壓縮狀態(tài)則形成垂直噴泉假如在擴張狀態(tài)下接近自由表面則接近于徑向噴泉。并不是隨時都能在自由表面上觀察到所有上述現(xiàn)象如果爆炸是在相當(dāng)?shù)纳疃劝l(fā)生則高壓氣團可能達不到自由表面就在移動中溶解消失了。此時，在水面上看不到噴泉?？傊幇谒斜ê竽墚a(chǎn)生沖擊波高壓氣團脈動和二次加載等物理過程這三種過程都可以對目標(biāo)造成一定程度的破壞作用。第二節(jié)水中爆炸沖擊波的參數(shù)計算一、水中爆炸沖擊波的爆炸相似律通過實驗研究得知，當(dāng)一定尺寸的裝藥在水中爆炸后，經(jīng)過時間￡，在距離爆炸源R處進行壓力測量，然后再做出裝藥的全部線性尺寸變化A倍的新實驗。相似定律確認：若用來測量沖擊波壓力及其他特性的長度和時間的比例尺與裝藥尺寸均增加相同的倍數(shù)則所測特性將不變。例如，在距離邊長0．3m的立方體裝藥3m處測得的沖擊波壓力和持續(xù)時間，等于在距離邊長0．6m的立方體裝藥6m處經(jīng)過比原來大一倍的時間間隔測得的沖擊波的壓力和持續(xù)時間。假定水中沖擊波的壓力p比沖量i、能量密度E及時間衰減常數(shù)口均受炸藥裝藥和水介質(zhì)特性的下列因素的影響：即裝藥密度pe,裝藥半徑r，炸藥爆熱Qu爆心距R，未經(jīng)擾動水介質(zhì)的壓力pw，密度pw。及水的狀態(tài)方程指數(shù)n。寫成關(guān)系式為根據(jù)丌定理可將對于確定的炸藥和水介質(zhì)上式說明裝藥在水中爆炸后某點的以采用相似理論來研究水中爆炸的物理現(xiàn)象。表6—2中列出了常用的和的實驗值。表6—2某些炸藥水中沖擊波的實驗常數(shù)TNTTNT50TNT／50PETN粉狀特屈兒PETNPETNHBX一1HBX一31.52I．571.60O．931.2～1.60.4————52.2752.4754.4351.0063.2649.0459.3350.211.131.111.131.151.201.131.151.14576853969084630875731030149444777()．890.871.050.980.920.920.860.928.147.80lO．49.8l16.916.412.39.042.051.982.122.102.162.082.062.02由上述公式計算出來的數(shù)值對Pm的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為±2％準(zhǔn)偏差約為±4％。因此，用公式(6—5)可以得到工程上足夠精確的參數(shù)值。表6—2的數(shù)據(jù)對其他炸藥來說可根據(jù)能量相似原理進行沖擊波峰值壓力系數(shù)為志ki可用下式換算：式中——使用藥炸的是值；——TNT炸藥的k值，見表6—2；——對球面波N=2，柱面波N=l；——使用炸藥的爆熱，J／kg；——TNT的爆熱，J／kg；水中沖擊波的正壓區(qū)作用時間為二、水中爆炸沖擊波的反射用水下彈藥爆炸擊毀艦艇或是在爆炸成型工藝中都會遇到水下沖擊波和平板的相互作用問題。當(dāng)沖擊波到達平板表面后要在平板表面上反射如果平板是固定的那么在聲學(xué)處理中反射波的波形與入射波相當(dāng)只是以相反的方向傳回水中但平板在沖擊波的作用下也會產(chǎn)生運動平板運動后在水中又形成一束新的稀疏波它與剛壁反射波疊加在一起成為合成的反射波。假定當(dāng)t=0時平板承受最大壓力以后逐漸下降當(dāng)t等于某個時間tc時平板表面所受壓力可下降到零自此以后平板表面所受壓力就會出現(xiàn)負值眾所周知水難于承受拉力附在平板表面上的水就要和平板脫離形成空隙這種現(xiàn)象叫做空化現(xiàn)象相當(dāng)于固體中的層裂現(xiàn)象。把平板表面壓力下降為零的時間定為空化開始的時間。式