2024年5月26日发(作者：盘新立)
第３３卷第５期
２ ０ １ ２年５月
兵 工 学 报
Ｖｏ１．３３ ＮＯ．５
Ｍａｙ ２０１２
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ
带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析
王长利，周刚，蔡宗义，唐玉志，赵生伟，李迅，林英睿，初哲
（西北核技术研究所，陕西西安７１００２４）
摘要：冲击波压力是评估炸药爆炸效应的重要参数，冲击波压力的特征与装药形式和起爆方
式密切相关。介绍了带壳装药热爆炸模式下的装药周围空气中的冲击波超压的测量方法和测量结
果，并结合爆室结构，对结果进行了深入分析。带壳装药爆炸时，由于电动效应及爆炸产物和壳体
之间的摩擦，会产生电磁辐射，且电磁辐射信号持续时间和复杂程度与裸露炸药爆炸时有明显的区别。
关键词：爆炸力学；带壳装药；超压；热爆炸；电磁辐射；测量
中图分类号：０３８４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—１０９３（２０１２）０５－０５７４．０５
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ Ｓｈｅｌｌ
ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｌｉ，ＺＨＯＵ Ｇａｎｇ，ＣＡＩ Ｚｏｎｇ－ｙｉ，ＴＡＮＧ Ｙｕ—ｚｈｉ，ＺＨＡＯ Ｓｈｅｎｇ—ｗｅｉ，ＬＩ Ｘｕｎ，ＬＩＮ Ｙｉｎｇ—ｒｕｉ，ＣＨＵ Ｚｈｅ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＮｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２４，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｅｔｏｎａ—
ｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｘ—
ｐｌｏｓｉｖｅ ｃａｖｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｍｉｔｔｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｅｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ
ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｅｘｐｌｏｄｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｕｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｅ１ｅｃｔｒ０ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｏｓｅ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｒｅ ｃｈａｒｇｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ；ｆｒｅｅ—ｆｉｅｌｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏ－
ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
０ 引言
带壳装药在局部超强超快热作用下，能量通过
壳体耦合使内部装药发生反应，内部压力在壳体的
约束下发生积累，进而发生热爆炸。爆炸后，带壳装
药壳体膨胀、向外飞散，消耗部分能量，剩余能量主
要形成并支持空气冲击波 。对带壳装药热爆炸
支持。评估带壳装药的热爆炸效果，仅通过实验宏
观破坏效果和对带壳装药破片分析所得结果不够精
确，而通过测量爆炸在周围空气中产生的压力是较
精确和易实现的方法。
目前，对带壳装药爆炸超压测量的相关研究比
较多 一 ，但对于热爆炸条件下超压的研究尚未见
报道。本文对平硐爆室中带壳装药的热爆炸实验过
效果的评估可以作为判断装药热输入响应状态的依
据，为研究带壳装药的热爆炸规律和安全防护提供
收稿日期：２０１１—０ｌ一２５
程中的超压进行计算和测量，结合硐室结构，对超压
的结果进行了分析。测量过程中，压力信号历程中
作者简介：王长利（１９８Ｏ一），男，助理研究员，博士研究生。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｌｉｖｉｐ０１０５＠１６３．ｃｏｉｎ；
周刚（１９６４一），男，研究员。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｇａｎｇ６４０６＠１６３．ｔｏｍ
第５期 带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析
出现了明显的电磁辐射信号，文中对带壳装药热爆
炸产生的电磁辐射信号和裸露炸药进行了比对，并
对电磁辐射信号的产生机理和特点进行了分析，这
些结果对于热爆炸模式下的超压信号的测量和分析
有一定的借鉴意义。
中进行，实验的控制、电源、监控以及力学测量均采
用远程控制的方式，在距离爆室２００ ｍ以外的测试
问中进行，所有参试设备通过现场的光纤局域网连
接在一起。超压测量系统由压力传感器、电荷放大
器、同轴电缆、高速数据纪录仪（ＨＤＲ）和控制计算
机组成。ＨＤＲ系统的存储量较大，可以实现长时间
测量，对热爆炸这种起爆时间不确定性较大的实验较
１测量方法及系统组成
如图１所示，带壳装药热爆炸实验在平硐爆室
热源
为适用。压力传感器为压电式，量程为１０ ＭＰａ ．
爆炸硐室
图１实验简图
Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔ—ｕｐ
爆室结构如图２所示，其长、宽、高尺寸分别为
２６ ｍ、７ ｍ、６．８ ｍ，顶部为弧形，爆室整体为花岗岩加
的设备加电，设备启动后，通过控制计算机对ＨＤＲ
进行参数设置，实验开始前，首先启动ＨＤＲ，装药受
水泥喷浆结构。带壳装药为圆柱形结构，底边直径
３８０ ｍｍ，高度３５０ ｍｍ．壳体厚度均匀，材料为航空
热引爆后，关闭测试系统，数据通过网络传出爆室，
再将爆室内的仪器电源关闭。
结构钢，可承受１００ ＭＰａ静态水压。带壳装药外部
粘贴压电式加速度传感器，水平放置在爆室中部的
地面上，侧面朝向传感器。压力传感器通过绝缘支
座固定在钢管结构支架上，距离带壳装药９．５ Ｉｎ，高
度１．５ ｍ，在同一测点放置两个压力传感器。信号
电缆通过钢管穿出，与廊道中的电荷放大器相连。
实验时，通过测量间的电源控制系统为爆室内
２ 理论计算
实验前，为确保安全和设置测试系统量程，首先
对带壳装药爆炸测量点的超压进行了计算。带壳装
药为梯黑铝炸药，质量３０ ｋｇ，当量约为４５ ｋｇ ＴＮＴ ．
带壳装药放置在爆室内的地面上，地面为硬质结构。
对于炸药在混凝土、岩石一类刚性地面爆炸时，可不
考虑地面的变形，认为空气冲击波能量全部反射出
去，这时不同距离的空气冲击波超压，可近似看作２
倍的装药在无限空气中爆炸所造成的超压。壳体的
存在直接影响爆炸作用场，带壳装药爆炸后，炸药放
出的能量一部分消耗于壳体的变形、破碎和破片的
飞散，另一部分能量消耗于爆炸产物的膨胀和形成
空气冲击波。由于不同的结构对于当量的等效公式
不同，对于圆柱形带壳装药，留给爆炸产物的能量当
量可由（１）式计算 。
轴对称圆柱形带壳装药
Ｏ）ｂｅ＝
图２平硐爆室结构
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃａｖｅ
［ ＋ （ ‘ ㈩
式中： 为装药质量，取３０ ｋｇ；６０ 。为留给爆炸产物
５７６ 兵 工 学 报 第３３卷
的当量炸药质量；Ｏｔ为装填系数，取０．３０
（ ）；ｙ为炸药的多方指数，约３．１６［１ ０ｌ；
ｒ０为装药半径，ｒ 为破片达到最大速度时的半径，
ｒ ／ ０≈１．５．
该带壳装药为轴对称圆柱形结构，将以上参数
带入公式（１）式，可得 ＝０．３２ｗ＝９．８ ｋｇ．在距离
带壳装药９．５ ｍ处的等效比距离Ｒ＝
／ ２×１．５× ＝３．１ ｍ／ｋｇ （刚性地面爆炸时等
效于２倍药量空中爆炸，梯黑铝为１．５倍ＴＮＴ当
量）。带入冲击波超压计算公式 ：
△ｐ，：０．０８４Ｒ一十０．２７Ｒ ＋０．７Ｒ－３． （２）
由计算可知，在距离带壳装药ｒ＝９．５ ｍ处的超
压峰值ａｐ，约为０．０７８ ＭＰａ．
以上为理想刚性壁面条件下对带壳装药爆炸超
压进行的估算，由于带壳装药距离爆室两侧和顶部
距离有一定距离，虽然不会对测点的超压首波产生
影响，但反射波在测量结果中必然会有所体现。
３测量结果及分析
３．１超压结果
实验过程中，利用强热源对带壳装药进行快速
加热，带壳装药在受热一定时间后，出现了热爆炸现
象，整个壳体结构也遭到破坏。其机理为：热源加热
金属壳体，壳体进一步加热与其接触的炸药，炸药温
度升高，反应加骤。当反应放热超过热扩散损失时，
自持反应发展，温度急骤上升，导致炸药的热爆燃
或热爆炸¨ 。对某一批次的实验，带壳装药热爆炸
产生的超压测量结果如表１所示。
表１ 实验结果
Ｔａｂ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
对实验中首波的平均波速进行计算，平均波速
和超压的测量结果可以自洽。从现场实验的效果和
实验结束后碎片的收集情况来看，带壳装药均爆炸
解体，金属外壳破碎成一系列的碎片，碎片的平均质
量大于带壳装药雷管引爆后所形成的平均碎片质
量，实验后收集的碎片如图３所示。
从实验结果看，带壳装药的热爆延迟时间（热
图３ 部分带壳装药解体碎片
Ｆｉｇ．３ Ｆｒａｇｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
源点火至带壳装药爆炸解体）从２０～２８ Ｓ不等，且
超压结果相差不大。对于有密闭金属外壳的带壳装
药，由于热爆炸过程从加热到爆炸解体有２０ ｓ以上
的时间间隔，内部装药反应达到一定压力后，导致金
属外壳破裂，可能由于同一批次的带壳装药壳体结
构相同，破裂时的所需压力相同导致的。
由于爆室的结构较为复杂，测量结果中出现了
多次反射波，典型的超压波形如图４所示。可看出，
超压信号有着陡峭的上升前沿，波形中在１０ ｍｓ内
共有３次明显的超压信号。
图４典型超压波形
Ｆｉｇ．４ Ｔｙｐｉｃａｌ ｏｖｃｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ｛ｌ０ｒｍ
结合爆室的结构尺寸，对典型信号进行分析，结
果如表２所示。从带壳装药爆炸开始，“１”信号为
到达的超压的首波，“２”为墙壁的反射波，由于墙壁
周围有沙墙作为防护，加上传播距离较远，所以衰减
得比较明显，“３”为爆室顶部的反射波，由于爆室顶
部为弧形结构，且为刚性壁面，其弧形结构具有汇聚
作用，因此冲击波得到了加强。
３．２ 电磁辐射
在带壳装药热爆炸超压测量过程中，发现带壳
装药解体过程伴随有较强的电磁辐射（ＥＭＲ），如图
第５期 带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析 ５７７
表２ 典型超压结果分析
Ｔａｂ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
５所示。可看出，壳体外表面的加速度信号突然增
强，直至传感器脱落，同时压力信号中也出现了电磁
辐射信号，持续几毫秒后消失。在加速度信号陡然
增强并消失时，带壳装药发生爆炸解体，电磁辐射信
号的出现也正是带壳装药发生解体的时刻。
罢
乱
图５ 电磁辐射与加速度信号时间关联
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＭＲ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ
在炸药爆炸的初始，金属壳体受爆炸高温高压
冲击，会发生变形、向外扩展、产生裂纹和裂缝，爆炸
的气体产物与固体产物将从裂缝中喷出。由：于电动
效应和爆炸产物与破坏壳体的摩擦，使电荷发生
分离，超前的气体爆炸产物与落后的固体爆炸产
物带有不同符号的电荷，加之冲击波从地面反射
引起电荷的不对称性，因此气体和固体爆炸产物
电荷在空间形成有效的电偶极子。由于带电气体
产物、带电固体产物以及带电破片各自的速度变
化及大小不同，存在着互相竞赛的追赶过程，从而
形成了一个变化的电磁脉冲辐射，基本原理如图６
所示 ” 。
高能炸药爆炸破坏其装药壳体期间会产生电磁
辐射，电磁辐射的强度及持续时间与爆炸模式以及
爆炸与金属壳体的作用有一定的关系。如表３所示
裸露炸药爆炸时电磁辐射的持续时间和带壳装药热
爆炸的统计对比结果，裸露炸药实验的当量为吨级，
引爆方式为雷管引爆，测试系统与带壳装药冲击波
压力测量系统相同。从表中可知，带壳装药热爆炸
的电磁辐射的持续时间超过２ ｍｓ，由于电磁辐射信
③
裂纹产生 壳体破裂
暂一
电荷分离
～
碎片飞散
图６带壳装药解体电磁辐射原理图
Ｆｉｇ．６ ＥＭＲ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
号的持续时间与弹体破裂及碎片的飞行速度相关，
而热爆炸时的爆速较低，所以电磁辐射信号的持续
时间较长。如图７所示两种情况的电磁辐射波形
对比，裸露炸药爆炸时有一个明显的马鞍形电磁
辐射信号，与裸露炸药电磁辐射的情况相比，带壳
装药热爆炸时产生的波形较为复杂，信号频率较
高，说明带壳装药爆炸过程电磁辐射的产生过程
更加复杂。
表３ 带壳装药和裸露炸药爆炸电磁辐射持续
时间对比
Ｔａｂ．３ ＥＭＲ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ
ｂａｒｅ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ
电磁辐射作为测量过程中的干扰，必须加以考
虑，如果传感器距离爆心较近或者电磁辐射干扰时
间过长时，会发生信号的混叠，对测量带来影响。由
于力学信号的到达时刻和电磁辐射信号有一定的时
间间隔，通常这些电磁干扰对力学信号影响不大。
从图７可看出，带壳装药热爆炸的电磁辐射的频率
较高，和力学信号也有明显的不同，可以区分。从另
一
个角度而言，电磁辐射信号对于测量来讲，可以作
为带壳装药的爆炸时刻，带壳装药爆炸解体同时产
生电磁辐射。通过对电磁干扰信号的分析，可得到
以下３点：
１）电磁辐射的信号特征的持续时间可能受爆
炸（解体）模式的影响，信号的复杂程度和持续时间
会由于爆炸（爆轰）模式的不同而存在差别。
２）电磁辐射信号与力学信号波形特征不同，有
时候可以在时间上分开，并可以将电磁信号的出现
时刻作为带壳装药爆炸的标志时刻。
３）电磁辐射信号与带壳装药的装药、弹片的大
小和速度密切相关，可以作为进一步分析带壳装药
解体情况的依据。
５７８ 兵 工 学 报 第３３卷
ｔ／ｍｓ
（ａ）裸露装药
（ａ）ＥＭＲｏｆｂａｒｅｄｅｆｏｎａｔｏｒ
ｔｉｏｒｓ
（ｂ）带壳装药
（ｂ）ＥＭＲ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
图７ 裸露炸药及带壳装药电磁辐射信号对比
Ｆｉｇ．７ ＥＭＲ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｂａｒｅ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
４ 结论
１）带壳装药热爆炸实验超压测量得到了完整
的数据，通过结合实验现象和破片收集，可以为带壳
装药热爆炸效应评估和安全防护提供依据。
２）带壳装药爆炸时会产生电磁辐射，其存在的
根本原因是炸药爆炸时产生大量的电荷，且不同电
荷分离和相互交错造成的，对测量有利有弊，可以作
为判断带壳装药爆炸的起始时刻，进一步的研究可
以作为判断爆炸模式和评估热爆炸效应参考。
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2024年5月26日发(作者：盘新立)
第３３卷第５期
２ ０ １ ２年５月
兵 工 学 报
Ｖｏ１．３３ ＮＯ．５
Ｍａｙ ２０１２
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ
带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析
王长利，周刚，蔡宗义，唐玉志，赵生伟，李迅，林英睿，初哲
（西北核技术研究所，陕西西安７１００２４）
摘要：冲击波压力是评估炸药爆炸效应的重要参数，冲击波压力的特征与装药形式和起爆方
式密切相关。介绍了带壳装药热爆炸模式下的装药周围空气中的冲击波超压的测量方法和测量结
果，并结合爆室结构，对结果进行了深入分析。带壳装药爆炸时，由于电动效应及爆炸产物和壳体
之间的摩擦，会产生电磁辐射，且电磁辐射信号持续时间和复杂程度与裸露炸药爆炸时有明显的区别。
关键词：爆炸力学；带壳装药；超压；热爆炸；电磁辐射；测量
中图分类号：０３８４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００—１０９３（２０１２）０５－０５７４．０５
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ Ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ Ｓｈｅｌｌ
ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｌｉ，ＺＨＯＵ Ｇａｎｇ，ＣＡＩ Ｚｏｎｇ－ｙｉ，ＴＡＮＧ Ｙｕ—ｚｈｉ，ＺＨＡＯ Ｓｈｅｎｇ—ｗｅｉ，ＬＩ Ｘｕｎ，ＬＩＮ Ｙｉｎｇ—ｒｕｉ，ＣＨＵ Ｚｈｅ
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＮｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００２４，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ
ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｃｌｏｓｅｌｙ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｅｔｏｎａ—
ｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．Ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｅｘ—
ｐｌｏｓｉｖｅ ｃａｖｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｓ ｅｍｉｔｔｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｌｅｅｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ
ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｅｘｐｌｏｄｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｄｕｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｅ１ｅｃｔｒ０ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｏｓｅ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｒｅ ｃｈａｒｇｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ；ｆｒｅｅ—ｆｉｅｌｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏ－
ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
０ 引言
带壳装药在局部超强超快热作用下，能量通过
壳体耦合使内部装药发生反应，内部压力在壳体的
约束下发生积累，进而发生热爆炸。爆炸后，带壳装
药壳体膨胀、向外飞散，消耗部分能量，剩余能量主
要形成并支持空气冲击波 。对带壳装药热爆炸
支持。评估带壳装药的热爆炸效果，仅通过实验宏
观破坏效果和对带壳装药破片分析所得结果不够精
确，而通过测量爆炸在周围空气中产生的压力是较
精确和易实现的方法。
目前，对带壳装药爆炸超压测量的相关研究比
较多 一 ，但对于热爆炸条件下超压的研究尚未见
报道。本文对平硐爆室中带壳装药的热爆炸实验过
效果的评估可以作为判断装药热输入响应状态的依
据，为研究带壳装药的热爆炸规律和安全防护提供
收稿日期：２０１１—０ｌ一２５
程中的超压进行计算和测量，结合硐室结构，对超压
的结果进行了分析。测量过程中，压力信号历程中
作者简介：王长利（１９８Ｏ一），男，助理研究员，博士研究生。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｌｉｖｉｐ０１０５＠１６３．ｃｏｉｎ；
周刚（１９６４一），男，研究员。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｇａｎｇ６４０６＠１６３．ｔｏｍ
第５期 带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析
出现了明显的电磁辐射信号，文中对带壳装药热爆
炸产生的电磁辐射信号和裸露炸药进行了比对，并
对电磁辐射信号的产生机理和特点进行了分析，这
些结果对于热爆炸模式下的超压信号的测量和分析
有一定的借鉴意义。
中进行，实验的控制、电源、监控以及力学测量均采
用远程控制的方式，在距离爆室２００ ｍ以外的测试
问中进行，所有参试设备通过现场的光纤局域网连
接在一起。超压测量系统由压力传感器、电荷放大
器、同轴电缆、高速数据纪录仪（ＨＤＲ）和控制计算
机组成。ＨＤＲ系统的存储量较大，可以实现长时间
测量，对热爆炸这种起爆时间不确定性较大的实验较
１测量方法及系统组成
如图１所示，带壳装药热爆炸实验在平硐爆室
热源
为适用。压力传感器为压电式，量程为１０ ＭＰａ ．
爆炸硐室
图１实验简图
Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔ—ｕｐ
爆室结构如图２所示，其长、宽、高尺寸分别为
２６ ｍ、７ ｍ、６．８ ｍ，顶部为弧形，爆室整体为花岗岩加
的设备加电，设备启动后，通过控制计算机对ＨＤＲ
进行参数设置，实验开始前，首先启动ＨＤＲ，装药受
水泥喷浆结构。带壳装药为圆柱形结构，底边直径
３８０ ｍｍ，高度３５０ ｍｍ．壳体厚度均匀，材料为航空
热引爆后，关闭测试系统，数据通过网络传出爆室，
再将爆室内的仪器电源关闭。
结构钢，可承受１００ ＭＰａ静态水压。带壳装药外部
粘贴压电式加速度传感器，水平放置在爆室中部的
地面上，侧面朝向传感器。压力传感器通过绝缘支
座固定在钢管结构支架上，距离带壳装药９．５ Ｉｎ，高
度１．５ ｍ，在同一测点放置两个压力传感器。信号
电缆通过钢管穿出，与廊道中的电荷放大器相连。
实验时，通过测量间的电源控制系统为爆室内
２ 理论计算
实验前，为确保安全和设置测试系统量程，首先
对带壳装药爆炸测量点的超压进行了计算。带壳装
药为梯黑铝炸药，质量３０ ｋｇ，当量约为４５ ｋｇ ＴＮＴ ．
带壳装药放置在爆室内的地面上，地面为硬质结构。
对于炸药在混凝土、岩石一类刚性地面爆炸时，可不
考虑地面的变形，认为空气冲击波能量全部反射出
去，这时不同距离的空气冲击波超压，可近似看作２
倍的装药在无限空气中爆炸所造成的超压。壳体的
存在直接影响爆炸作用场，带壳装药爆炸后，炸药放
出的能量一部分消耗于壳体的变形、破碎和破片的
飞散，另一部分能量消耗于爆炸产物的膨胀和形成
空气冲击波。由于不同的结构对于当量的等效公式
不同，对于圆柱形带壳装药，留给爆炸产物的能量当
量可由（１）式计算 。
轴对称圆柱形带壳装药
Ｏ）ｂｅ＝
图２平硐爆室结构
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｃａｖｅ
［ ＋ （ ‘ ㈩
式中： 为装药质量，取３０ ｋｇ；６０ 。为留给爆炸产物
５７６ 兵 工 学 报 第３３卷
的当量炸药质量；Ｏｔ为装填系数，取０．３０
（ ）；ｙ为炸药的多方指数，约３．１６［１ ０ｌ；
ｒ０为装药半径，ｒ 为破片达到最大速度时的半径，
ｒ ／ ０≈１．５．
该带壳装药为轴对称圆柱形结构，将以上参数
带入公式（１）式，可得 ＝０．３２ｗ＝９．８ ｋｇ．在距离
带壳装药９．５ ｍ处的等效比距离Ｒ＝
／ ２×１．５× ＝３．１ ｍ／ｋｇ （刚性地面爆炸时等
效于２倍药量空中爆炸，梯黑铝为１．５倍ＴＮＴ当
量）。带入冲击波超压计算公式 ：
△ｐ，：０．０８４Ｒ一十０．２７Ｒ ＋０．７Ｒ－３． （２）
由计算可知，在距离带壳装药ｒ＝９．５ ｍ处的超
压峰值ａｐ，约为０．０７８ ＭＰａ．
以上为理想刚性壁面条件下对带壳装药爆炸超
压进行的估算，由于带壳装药距离爆室两侧和顶部
距离有一定距离，虽然不会对测点的超压首波产生
影响，但反射波在测量结果中必然会有所体现。
３测量结果及分析
３．１超压结果
实验过程中，利用强热源对带壳装药进行快速
加热，带壳装药在受热一定时间后，出现了热爆炸现
象，整个壳体结构也遭到破坏。其机理为：热源加热
金属壳体，壳体进一步加热与其接触的炸药，炸药温
度升高，反应加骤。当反应放热超过热扩散损失时，
自持反应发展，温度急骤上升，导致炸药的热爆燃
或热爆炸¨ 。对某一批次的实验，带壳装药热爆炸
产生的超压测量结果如表１所示。
表１ 实验结果
Ｔａｂ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
对实验中首波的平均波速进行计算，平均波速
和超压的测量结果可以自洽。从现场实验的效果和
实验结束后碎片的收集情况来看，带壳装药均爆炸
解体，金属外壳破碎成一系列的碎片，碎片的平均质
量大于带壳装药雷管引爆后所形成的平均碎片质
量，实验后收集的碎片如图３所示。
从实验结果看，带壳装药的热爆延迟时间（热
图３ 部分带壳装药解体碎片
Ｆｉｇ．３ Ｆｒａｇｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
源点火至带壳装药爆炸解体）从２０～２８ Ｓ不等，且
超压结果相差不大。对于有密闭金属外壳的带壳装
药，由于热爆炸过程从加热到爆炸解体有２０ ｓ以上
的时间间隔，内部装药反应达到一定压力后，导致金
属外壳破裂，可能由于同一批次的带壳装药壳体结
构相同，破裂时的所需压力相同导致的。
由于爆室的结构较为复杂，测量结果中出现了
多次反射波，典型的超压波形如图４所示。可看出，
超压信号有着陡峭的上升前沿，波形中在１０ ｍｓ内
共有３次明显的超压信号。
图４典型超压波形
Ｆｉｇ．４ Ｔｙｐｉｃａｌ ｏｖｃｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｖｅ｛ｌ０ｒｍ
结合爆室的结构尺寸，对典型信号进行分析，结
果如表２所示。从带壳装药爆炸开始，“１”信号为
到达的超压的首波，“２”为墙壁的反射波，由于墙壁
周围有沙墙作为防护，加上传播距离较远，所以衰减
得比较明显，“３”为爆室顶部的反射波，由于爆室顶
部为弧形结构，且为刚性壁面，其弧形结构具有汇聚
作用，因此冲击波得到了加强。
３．２ 电磁辐射
在带壳装药热爆炸超压测量过程中，发现带壳
装药解体过程伴随有较强的电磁辐射（ＥＭＲ），如图
第５期 带壳装药热爆炸冲击波超压测量及分析 ５７７
表２ 典型超压结果分析
Ｔａｂ．２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ
５所示。可看出，壳体外表面的加速度信号突然增
强，直至传感器脱落，同时压力信号中也出现了电磁
辐射信号，持续几毫秒后消失。在加速度信号陡然
增强并消失时，带壳装药发生爆炸解体，电磁辐射信
号的出现也正是带壳装药发生解体的时刻。
罢
乱
图５ 电磁辐射与加速度信号时间关联
Ｆｉｇ．５ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＭＲ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ
在炸药爆炸的初始，金属壳体受爆炸高温高压
冲击，会发生变形、向外扩展、产生裂纹和裂缝，爆炸
的气体产物与固体产物将从裂缝中喷出。由：于电动
效应和爆炸产物与破坏壳体的摩擦，使电荷发生
分离，超前的气体爆炸产物与落后的固体爆炸产
物带有不同符号的电荷，加之冲击波从地面反射
引起电荷的不对称性，因此气体和固体爆炸产物
电荷在空间形成有效的电偶极子。由于带电气体
产物、带电固体产物以及带电破片各自的速度变
化及大小不同，存在着互相竞赛的追赶过程，从而
形成了一个变化的电磁脉冲辐射，基本原理如图６
所示 ” 。
高能炸药爆炸破坏其装药壳体期间会产生电磁
辐射，电磁辐射的强度及持续时间与爆炸模式以及
爆炸与金属壳体的作用有一定的关系。如表３所示
裸露炸药爆炸时电磁辐射的持续时间和带壳装药热
爆炸的统计对比结果，裸露炸药实验的当量为吨级，
引爆方式为雷管引爆，测试系统与带壳装药冲击波
压力测量系统相同。从表中可知，带壳装药热爆炸
的电磁辐射的持续时间超过２ ｍｓ，由于电磁辐射信
③
裂纹产生 壳体破裂
暂一
电荷分离
～
碎片飞散
图６带壳装药解体电磁辐射原理图
Ｆｉｇ．６ ＥＭＲ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
号的持续时间与弹体破裂及碎片的飞行速度相关，
而热爆炸时的爆速较低，所以电磁辐射信号的持续
时间较长。如图７所示两种情况的电磁辐射波形
对比，裸露炸药爆炸时有一个明显的马鞍形电磁
辐射信号，与裸露炸药电磁辐射的情况相比，带壳
装药热爆炸时产生的波形较为复杂，信号频率较
高，说明带壳装药爆炸过程电磁辐射的产生过程
更加复杂。
表３ 带壳装药和裸露炸药爆炸电磁辐射持续
时间对比
Ｔａｂ．３ ＥＭＲ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ
ｂａｒｅ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ
电磁辐射作为测量过程中的干扰，必须加以考
虑，如果传感器距离爆心较近或者电磁辐射干扰时
间过长时，会发生信号的混叠，对测量带来影响。由
于力学信号的到达时刻和电磁辐射信号有一定的时
间间隔，通常这些电磁干扰对力学信号影响不大。
从图７可看出，带壳装药热爆炸的电磁辐射的频率
较高，和力学信号也有明显的不同，可以区分。从另
一
个角度而言，电磁辐射信号对于测量来讲，可以作
为带壳装药的爆炸时刻，带壳装药爆炸解体同时产
生电磁辐射。通过对电磁干扰信号的分析，可得到
以下３点：
１）电磁辐射的信号特征的持续时间可能受爆
炸（解体）模式的影响，信号的复杂程度和持续时间
会由于爆炸（爆轰）模式的不同而存在差别。
２）电磁辐射信号与力学信号波形特征不同，有
时候可以在时间上分开，并可以将电磁信号的出现
时刻作为带壳装药爆炸的标志时刻。
３）电磁辐射信号与带壳装药的装药、弹片的大
小和速度密切相关，可以作为进一步分析带壳装药
解体情况的依据。
５７８ 兵 工 学 报 第３３卷
ｔ／ｍｓ
（ａ）裸露装药
（ａ）ＥＭＲｏｆｂａｒｅｄｅｆｏｎａｔｏｒ
ｔｉｏｒｓ
（ｂ）带壳装药
（ｂ）ＥＭＲ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
图７ 裸露炸药及带壳装药电磁辐射信号对比
Ｆｉｇ．７ ＥＭＲ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｂａｒｅ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｓｈｅｌｌ
４ 结论
１）带壳装药热爆炸实验超压测量得到了完整
的数据，通过结合实验现象和破片收集，可以为带壳
装药热爆炸效应评估和安全防护提供依据。
２）带壳装药爆炸时会产生电磁辐射，其存在的
根本原因是炸药爆炸时产生大量的电荷，且不同电
荷分离和相互交错造成的，对测量有利有弊，可以作
为判断带壳装药爆炸的起始时刻，进一步的研究可
以作为判断爆炸模式和评估热爆炸效应参考。
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