实验过程中,高速摄影机的拍摄速度为2000s-1,图12为模型实验抛掷弹坑的发展演化进程,弹坑的最终形态和玻璃球罩爆破碎片见图13 。由实验回收的玻璃碎片(平均直径为15mm)可知,爆源装置正常起爆,碎片大小对压缩气体的释放不会产生影响 。模型实验抛掷弹坑的形态与大当量地下浅埋爆炸弹坑的典型构造形态相似,具有双曲线形状 。依据抛掷弹坑的构造组成(见图11),对弹坑顶部直径、弹坑直径和深度进行测量,实验结果见表4 。其中弹坑的体积采用公式得到 。
表4模型实验结果
图12模型中抛掷弹坑发展变化镜头
图13模型中抛掷弹坑最终形态及玻璃球罩碎片
由表3可知,模型实验的弹坑半径比原型相似计算结果大13.3%,而弹坑深度比原型小12.5%,成坑体积小约20%,抛掷指数的相对误差为20%,从原型和模型实验的对比分析结果可知,大当量地下爆炸效应模拟实验装置开展的抛掷爆炸模型实验结果与原型现场实验结果相符,利用该装置可以开展不同规模的地下爆炸抛掷成坑实验研究 。实验结果存在的误差,究其原因一方面由于原型Neptun爆炸发生在坡度为30°的倾斜山坡上,由于弹坑上翼的倒塌,弹坑底部和下部被覆埋,对弹坑的形态及几何尺寸造成了影响;另一方面此装置的物理模拟基础是把大当量地下爆炸看作是爆炸空腔气体推动破碎岩石抛掷运动的过程,采用柔性导爆索传爆震碎玻璃球罩的方式虽然保证了爆腔的破裂效果,解决了爆源的起爆控制难题,但是玻璃球罩内部10cm长度的导爆索爆炸可能对爆腔内的初始准静态气体压力造成影响,从而影响实验结果,此外,模拟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内聚力,容器罐体的低真空度值稳定时间很短等因素均可能对实验结果造成误差 。
4、结论
对大当量地下爆炸抛掷成坑物理过程进行了简化,基于大当量地下爆炸效应模型实验方法,研制了考虑重力影响的浅埋地下爆炸抛掷成坑效应缩比模拟实验装置,并进行了模型实验,得到以下结论:
(1)研制的大当量地下爆炸效应模拟实验装置主要包括容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等,主要实验参数(爆源气体压力、容器罐体真空度值)可调可控,通过调整模拟比尺,能够模拟0.1~100kt、埋深20~400m范围内不同比尺的地下爆炸抛掷成坑现象;
(2)采用齿啮式卡箍连接结构实现法兰盘和容器罐体的快速开启和密闭连接,不仅承压密闭性能好,而且操作方便、自动化程度高;
(3)建立了考虑弹药围岩特性的爆源初始参数的计算方法,提出的柔性导爆索传爆震碎玻璃球罩的新型爆源装置,不仅能够实现精确起爆控制,安全可控,而且柔爆索爆炸对抛掷成坑的影响很小,提高了模型实验结果的可靠性;
(4)相比于爆炸离心机动辄几千万甚至上亿的制造成本,本装置造价成本低,无需提供额外的加速度,在模拟大当量地下浅埋爆炸抛掷成坑现象时具有明显的优势,可为钻地核武器地下爆炸成坑毁伤机制和大型工程爆破效果的预测预报等方面的科学研究提供实验平台 。
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